1、摘 要 本設計主要針對樓層單元門禁系統的設計與研究。設計采用單片機芯片AT89C51作為主控芯片；通過4x4矩陣鍵盤，實現密碼的輸入與主要功能的選擇；通過AT24C1024實現密碼的存儲與斷電保護；通過LCD1602實現必要的顯示。設計從硬件電路和軟件兩方面全面的分析了門禁系統，硬件電路組成主要包括：密碼輸入模塊、密碼存儲模塊、顯示模塊、報警模塊和開鎖模塊等部分。設計具有很強實用性，并且，在現實生活中應用很廣泛。關鍵詞：AT89C51 LCD1602 門禁系統 AT24C1024引言隨著科學技術的發展和科技的進步，人們對于高科技服務于生活的要求也越來越高，然而人們感受著高科技給他們帶來的極大便

2、利的同時，也帶來了許多不安全因素。例如，運用高科技手段進行盜竊、搶劫等犯罪行為與日俱增。怎樣才能使安全防范措施跟得上科技的發展？僅依靠單一的物理防范遠遠不夠的。于是智能門禁系統應運而生。智能門禁系統是一種綜合性的多學科的高科技技術集合，它涉及電子、機械、光學、計算機技術、通信技術、生物統計學等諸多新技術領域。1門禁系統的分類1.1按照門禁系統的設計原理分類1. 獨立一體機：這種門禁系統是控制器自帶讀卡器的方式，優點是價格便宜，便于安裝，缺點是部分控制線必須露在門外，出門無須卡片或密碼即可出門，安全性較差。2. 控制器與讀卡器分體的：此種門禁系統控制器安裝在室內，只有讀卡器輸入線露在室外其它所有

3、控制線均在室內，而讀卡器傳遞的是數字信號，因此，若無有效卡片或密碼任何人都無法進門。較于獨立一體機貴，但是安全性較之有很大的提高，以后門禁系統的首選。門禁控制器與讀卡器分開的方式中，又有單機型控制器和聯網型控制器。1. 單機型控制器：適于用小系統或安裝位置集中的單位，通常采用RS485通訊方式，優點是投資小，通訊線路專用。缺點一旦安裝好就不能方便地更換管理中心的位置，不易實現網絡控制和異地控制。2. 網絡型：此類產品的通訊方式采用的是網絡常見的TCP/IP協議。優點是控制器與管理中心是通過局域網傳遞數據的，管理中心位置可以隨時變更，不需要重新布線安裝，很容易實現網絡控制和異地控制。適用于大系統

4、或安裝位置分散的系統中，缺點是系統的通訊部分的穩定依賴于局域網的穩定。1.2按照門禁系統的進出識別方式1. 密碼識別：通過檢驗輸入密碼是否正確來識別進出權限。優點是操作方便，無須攜帶卡片且成本低；缺點是同時只能容納3組密碼，容易泄漏，安全性很差且只能單向控制和無進出記錄。2. 卡片識別：通過讀卡或讀卡加密碼方式來識別進出權限，按卡片種類又分為：（1）磁卡優點：成本較低，安全性一般，可聯微機有開門記錄缺點：卡片是接觸式刷卡，設備有磨損，使用壽命較短，卡片容易復制，不易雙向控制，且信息容易因外界磁場丟失，使卡片無效。（2）射頻卡優點：卡片與讀卡器間是非接觸方式，開門方便安全且壽命較長。安全性高，可

5、聯機使用，有開門記錄，可以實現雙向控制，卡片很難被復制。2 門禁系統的發展 最近幾年隨著感應卡技術，生物識別技術的發展，門禁系統得到了飛躍式的發展，進入了成熟期，集成了微機自動識別技術和現代安全管理措施為一體，涉及電子、機械、光學、計算機技術、通訊技術、生物技術等諸多技術。它是解決重要部門出入口實現安全防范管理的有效措施。適合各種機要部門，如銀行、賓館、機房、軍械庫、機要室、辦公間、智能化小區、工廠等。在數字技術網絡化的今天，門禁系統早已超出了單純的門道及鑰匙管理，已經逐漸發展成為一套完整的出入管理系統。目前，國內外研制和使用的門禁系統主要集中在感應門禁系統和生物識別門禁系統。在生物識別門禁系

6、統中又以指紋門禁系統應用最為廣泛。隨著計算機圖像處理和模式識別理論以及大規模集成電路技術的不斷發展與成熟，指紋自動識別系統的體積不斷縮小，其價格也將不斷降低。3.門禁控制系統的功能(1)刷卡記錄：當人員進/出門時需持卡在讀卡器前進行讀卡，讀卡器讀取信息后，將信息傳送到主機，主單片機判斷該信息的合法性，并可發出警報。(2)信息顯示功能：選用帶液晶讀卡器，還可顯示時鐘，刷卡指示等信息。(3)記錄存檔及查詢功能：主機會將刷卡信息、日期、時間等數據保存以供查詢或直接傳輸到電腦進行處理。所有讀卡資料均有電腦記錄。(4)密碼鍵盤功能：如果用戶想刷卡后按密碼才允許進入?？?密碼的操作方式目的在于用于對安全性

7、要求更加高的場合。連續3次密碼輸入錯誤鍵盤自動鎖住。 (5)異常報警功能：門戶的狀態和行為，都可實時反映到控制室的電腦中，當門打開的時間過長，非法闖入、門鎖被破壞等情況出現時，可以實現計算機報警。(6)系統擴展性好，具有聯網功能：模塊化的組網方式，集合RS422和IIC總線傳輸的優勢，使系統的組網方式更加靈活，系統的擴展更加方便。任務與分析任務 設計一樓層單元門禁系統，能實現樓層住戶密碼開鎖或呼叫開鎖，能顯示操作狀態，阻止陌生人進入，能輸出報警及顯示。設計完整的電路原理圖和編寫相關程序。 用MCS-51系列單片機或其它CPU作為控制器設計一完整控制系統,需包括以下內容： 各樓層需實現呼叫及對講

8、； 用LCD1602顯示或用LED顯示； 有密碼輸入按鍵； 有聲音及報警輸出； 當斷電時能維持24小時正常工作。 用PROTEUS仿真其中一個功能。任務分析：第一步：選擇AT89C51單片機作為主控芯片第二步：設計4x4矩陣鍵盤，實現密碼的輸入控制第三步：選用AT24C1024芯片，實現密碼存儲，斷電保護；第四步：選用LCD1602作為顯示，實現設計具有現實功能的要求第五步：設計開鎖電路，實現開鎖功能第六步：設計報警電路，實現報警功能 通過完成以上六步，即可設計出完整的門禁系統。 設計方案 門禁系統的設計主要包括：鍵盤輸入模塊、顯示模塊、存儲模塊、報警電路、開鎖電路的設計。下文，將會對各個模塊

9、的硬件設計和軟件部分進行詳細的論述與討論。第一部分是硬件電路的設計，第二部分是相關程序軟件的編寫。 第一部分：硬件電路的設計 1 控制芯片AT89C51及附屬電路 1.1 AT89C51的介紹和引腳封裝 AT89C51是一種帶4K字節FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MC

10、S-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。其引腳及封裝如下所示： 圖1 AT89C51引腳圖 AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保

11、存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 1.2 復位電路 根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和按鈕復位 最簡單的上電復位電路。工作原理為：上電瞬間RC電路充電，RST引腳端出現正脈沖，只要RST端保持兩個時鐘周期以上的高電平，就能是單片機有效的復位。如圖2所示的上電與按鈕復位電路，常采用的是上電與按鈕復位電路。 圖2 上電與按鈕復位電路 1.3 晶振電路 51系列的單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到，即內部振蕩方式和外部振蕩方式。 在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，就構成了內部振蕩電路，如圖3所示。圖中C1、C2起穩定振蕩頻

12、率、快速起振的作用，電容值一般為5pF30pF。晶體振蕩選用6MHz、12Mhz或24Mhz，采用串口時常使用11.0592MHz。內部振蕩所得到的時鐘信號比較穩定，應用比較多。 外部振蕩方式把已有的時鐘信號引入單片機內。 圖3 晶振電路2 鍵盤輸入模塊 由于獨立式鍵盤只適合于按鍵較少的場合，否則占用的端口太多，按鍵較多時，通常采用行列式鍵盤電路。但由于行列式鍵盤的管理程序較為復雜，需要采用鍵盤掃描技術，常用的鍵盤掃描技技術方式有掃描法、線反轉法、狀態矩陣法。所以本設計主要采用4x4矩陣鍵盤。掃描方式采用線反轉法。2.1 鍵抖動及消除鍵抖動鍵盤是有若干個按鍵組成的，它是單片機最簡單的輸入設備。

13、用戶通過鍵盤輸入數據和指令，實現簡單的人機對話。“鍵”就是一個簡單的開關，當鍵按下時，相當于開關閉合，當鍵松開時，相當于開關斷開。鍵在閉合和斷開時會存在抖動現象，鍵的抖動時間一般為5ms10ms，鍵抖動一次可能造成一次按鍵的多次閉合、釋放的問題。所以應采用措施消除抖動的影響。應用中有采用硬件去抖動和軟件去抖動兩種方法，常采用的軟件去抖動的方法。軟件去抖動即使，軟件延時5ms10ms的方法來消除抖動的影響。當單片機檢測到有鍵閉合的時候，先延時5ms10ms，然后再檢測按鍵的狀態，如果仍然是閉合狀態，則認為真正有按鍵按下。當需要檢測按鍵釋放時，也可以采用同樣的方法。2.2 矩陣鍵盤 圖4 4x4矩

14、陣鍵盤2.3 線反轉掃描法 I/O端分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，鍵按下時，行線和列線將發生短路。過程如下：（1） 先從P1端口的高4位輸出低電平（列）。低4位輸出高電平（行），即P1=0x0f，從P1口讀取鍵盤狀態。這時如果低4位中 只要有一位出現“0”，說明此行中有按鍵按下。各行中有鍵按下從P1口讀取的數值依次是：0EH、0DH、0BH、07H。（2）再從P1口的低4位輸出低電平（列）。高4位輸出高電平（行），即P1=0xf0，從P1口讀取鍵盤狀態。這時如果高4位中 只要有一位出現“0”，說明此列中有按鍵按下。各列中有鍵按下從P1口讀取的數值依次是：E0H、D0H、B0H、70H

15、。（3）將兩次讀取的特征值，進行組合，得到當前按鍵的特征碼。3 密碼存儲模塊3.1 24C02C介紹24C02C串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存儲器件，遵循二線制協議，由于其具有抗干擾能力強、接口方便，體積小，數據掉電不丟失等特點，在儀器儀表及工業自動化控制中得到大量的應用。24C02C中帶有的片內地址寄存器。每寫入或讀出一個數據字節后，該地址寄存器自動加1，以實現對下一個存儲單元的讀寫。所有字節均以單一操作方式讀取。I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。通過SDA(串行數據線)及SCL(串行時鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據地址識別每個器件。24C02

16、C正是運用了I²C規程，使用主/從機雙向通信，主機(通常為單片機)和從機均可工作于接收器和發送器狀態。主機產生串行時鐘信號(通過SCL引腳)并發出控制字，控制總線的傳送方向，并產生開始和停止的條件。無論是主機還是從機，接收到一個字節后必須發出一個確認信號ACK。管腳描述：SCL 為串行時鐘：串行時鐘輸入管腳用于產生器件所有數據發送或接收的時鐘SDL 為串行數據/地址：雙向串行數據/地址管腳用于器件所有數據的發送或接收SDL，A0、A1、A2 為器件地址輸入端：當使用24C02 時最大可級聯8個器件，如果只有一個24C02被總線尋址，這三個地址輸入腳A0、A1、A2可懸空或連接到Vss

17、。WP為寫保護：如果WP 管腳連接到Vcc 所有的內容都被寫保護只能讀當WP, 管腳連接到Vss 或懸空,允許器件進行正常的讀/寫操作。管腳圖如圖5所示。 圖5 24C02C引腳圖3.2 24C02C電路連接圖 圖6 24C02C連接圖4 顯示模塊 了解系統的運行與工作狀態顯示器是不可缺少的，顯示器是一個典型的輸出設備并且它的實際應用也是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都會使用到顯示器其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以是LED發光二極管或者數碼管。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內容豐富等特點。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0D7和

18、RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調節和背光功能。4.1 LCD1602引腳圖 圖7 LCD1602引腳圖 基本操作程序：讀狀態：令RS=L，RW=L， E=H 輸出：D0D7=狀態字讀數據：令RS=H，RW=H，E=H 輸出：無寫指令：令RS=L，RW=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數據寫數據：令RS=H，RW=L，D0D7=數據， E=高脈沖 輸出：無4.2 LCD1602顯示電路 圖8 顯示電路5 報警及開鎖電路 5.1 開鎖電路開鎖步驟如下：首先按下鍵盤上的開鎖按鍵，然后利用鍵盤上的數字鍵09輸入密碼，最后按下確認鍵。當用戶輸入密碼后

19、，單片機自動識別密碼，如果密碼不符。具體電路如圖所示。 5.2 報警電路 圖 蜂鳴電路第二部分 相關程序軟件的編寫 為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。把一個程序分成具有多個明確任務的程序模塊，分別編制、調試后再把它們連接在一起形成一個完整的程序。 1 鍵掃描程序舉例 uchar keyscan() uchar scan1,scan2,keycode,j; P1=0xf0; scan1=P1; if(scan1&0xf0)!=0xf0) /判鍵是否按下 delaykeyms(10); /延時10ms scan1=P1; if(scan

20、1&0xf0)!=0xf0) /二次判鍵是否按下 P1=0x0f; scan2=P1; keycode=scan1|scan2; /組合成鍵編碼for(j=0;j<=15;j+) if(keycode= key_codej) /查表得鍵值 key=j; return(key); else P1=0xff; return (16);2 LCD1602顯示程序舉例void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a>0;a-)for(b=100;b>0;b-); void write_command(uchar command)P0=command;

21、lcdrs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;lcdrs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void lcd_init()write_command(0x38);delay(20);write_command(0x0f);delay(20);write_command(0x06);delay(20);write_command(0x01);delay(20);3 24C02C相關程序舉例uchar a;/voi

22、d delay()/ ; / ; void start() /開始信號sda=1;delay();scl=1;delay();sda=0;delay();void stop() /停止sda=0;delay();scl=1;delay();sda=1;delay();void respons() /應答uchar i;scl=1;delay();while(sda=1)&&(i<250)i+;scl=0;delay();void init()sda=1;delay();scl=1;delay();void write_byte(uchar ch)uchar i,temp;

23、temp=ch;for(i=0;i<8;i+)temp=temp<<1;scl=0; delay();sda=CY;delay();scl=1;delay();scl=0;delay();sda=1;delay();uchar read_byte()uchar i,k;scl=0;delay();sda=1;delay();for(i=0;i<8;i+)scl=1;delay();k=(k<<1)|sda;scl=0;delay();return k;void write24c08date(uchar address,uchar ch)start();wri

24、te_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();write_byte(ch);respons();stop();delayms(8);uchar read24c08date(uchar address)uchar ch;start();write_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();start();write_byte(0xa1);respons();ch=read_byte();stop();return ch;delayms(8);void memory_init(

25、)uchar i;for(i=0;i<100;i+)write24c08date(i,0);delayms(8);4主程序 void main()uchar number=0,number1=0;lcd_init();relay=1;for(number=0;number<6;number+) /24c02里面取出正確的密碼keyvalue4number=read24c08date(1+number);delayms(5);for(number=0;namenumber!='0'number+)write_date(namenumber);delayms(10);write_command(0x0c);write_command(0x80+0x40); for(number=0;name1number!='0'number+) write_date(name1number);delayms(10); write_command(0x0f);write_command(0x80+0x40+4);i=0;while(1)keyscan();if(ke