基于單片機(jī)的門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉運(yùn)清

江蘇省常州建設(shè)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213016

近年來(lái)隨著3C（computer，control，communication）技術(shù)的發(fā)展，門(mén)禁系統(tǒng)已經(jīng)從銀行、監(jiān)獄、政府職能機(jī)關(guān)等重要場(chǎng)所走入普通的智能小區(qū)，其應(yīng)用日趨廣泛。隨著門(mén)禁系統(tǒng)所應(yīng)用的技術(shù)從單一走向系統(tǒng)、全面，多重守護(hù)、多重技術(shù)也成為門(mén)禁系統(tǒng)的趨勢(shì)。多重技術(shù)主要趨向于卡、密碼、指紋以及生物特征等的多重組合。對(duì)于一般的公寓樓小區(qū)，門(mén)禁系統(tǒng)可以設(shè)置得相對(duì)于簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)一些。本文提供一種以單片機(jī)AT89C52為核心，配以刷卡模塊（CY125K)、液晶顯示模塊（LCD1602)、鍵盤(pán)模塊、通信模塊（MAX232)以及電源模塊的非接觸式IC卡門(mén)禁系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)的要求，且經(jīng)濟(jì)安全。

1.小區(qū)類門(mén)禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

小區(qū)類門(mén)禁系統(tǒng)由室外機(jī)、用戶室內(nèi)機(jī)以及門(mén)禁系統(tǒng)三大部分組成。訪客可以輸入門(mén)牌號(hào)呼叫用戶，小區(qū)業(yè)主可以通過(guò)刷卡、輸入密碼或者錄入指紋進(jìn)入房間。室外機(jī)上配備高清攝像頭、刷卡裝置、指紋輸入裝置。業(yè)主通過(guò)室內(nèi)機(jī)可以清楚看到單元門(mén)外的情況，而單片機(jī)門(mén)禁系統(tǒng)除了響應(yīng)各種開(kāi)門(mén)方式外，還會(huì)保存一定時(shí)期內(nèi)的開(kāi)門(mén)記錄。小區(qū)門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本結(jié)構(gòu)示意圖僅顯示了一個(gè)室內(nèi)機(jī)和一個(gè)室外機(jī)的情況，實(shí)際室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)的數(shù)量可根據(jù)系統(tǒng)需要來(lái)配置。

圖1 小區(qū)類門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 門(mén)禁系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 門(mén)禁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小區(qū)類門(mén)禁系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.1 卡讀寫(xiě)模塊

在本系統(tǒng)中，主要是房主通過(guò)刷非接觸式IC卡，打開(kāi)門(mén)鎖。在門(mén)禁系統(tǒng)中記錄了卡的相關(guān)信息，因此只有符合要求的卡才會(huì)識(shí)別，而其他卡就不能識(shí)別讀取。

2.1.2 時(shí)鐘電路

在本系統(tǒng)中，設(shè)置了時(shí)間權(quán)限，即用戶需在指定時(shí)間內(nèi)才可以進(jìn)行刷卡。

2.1.3 存儲(chǔ)模塊

準(zhǔn)確記錄開(kāi)門(mén)數(shù)據(jù)，避免在斷電情況下數(shù)據(jù)丟失。

2.1.4 通訊模塊

通訊模塊用于連接刷卡模塊與單片機(jī)。

2.1.5 鍵盤(pán)顯示模塊

本系統(tǒng)采用4*4鍵盤(pán)，可供業(yè)主輸入密碼直接開(kāi)鎖；也可供訪客輸入門(mén)牌號(hào)，向業(yè)主發(fā)出開(kāi)門(mén)申請(qǐng)；如果發(fā)生緊急情況，管理員也可以輸入超級(jí)密碼直接開(kāi)啟門(mén)禁系統(tǒng)。

2.1.6 電源模塊

此模塊相當(dāng)于應(yīng)急電源，在外電路停電時(shí)給門(mén)禁系統(tǒng)供電，按標(biāo)準(zhǔn)配備。

2.1.7 門(mén)鎖控制電路

門(mén)鎖控制電路電控鎖的主要作用是開(kāi)門(mén)，在本系統(tǒng)中，可以通過(guò)以下四種方式打開(kāi)：（1）用戶通過(guò)刷卡，當(dāng)識(shí)別為正確時(shí)，便會(huì)開(kāi)門(mén)；（2）當(dāng)用戶沒(méi)帶卡時(shí)，可以通過(guò)鍵盤(pán)輸入，當(dāng)密碼正確時(shí)，便能開(kāi)門(mén)；（3）當(dāng)訪客到訪時(shí)，按通話鍵與屋主通話，識(shí)別身份后，房主按開(kāi)鎖鍵，門(mén)便會(huì)被打開(kāi)；（4）當(dāng)用戶通過(guò)指紋識(shí)別裝置，驗(yàn)證成功，便能開(kāi)門(mén)。

2.1.8 視頻顯示控制模塊

訪客與室內(nèi)住戶進(jìn)行視頻通話，待室內(nèi)住戶確認(rèn)開(kāi)鎖，訪客方可進(jìn)入單元門(mén)。

2.1.9 指紋識(shí)別

用來(lái)比對(duì)用戶的指紋，在比對(duì)前用戶需將指紋錄入系統(tǒng)。

2.2 微處理器設(shè)計(jì)

微處理器的主芯片選用ATMEL公司的AT89C52。AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。功能強(qiáng)大，適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。

圖3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)圖

如圖3所示，單片機(jī)的9、18、19、31管腳連接時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，外加電源電路，共同組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。復(fù)位電路是在單片機(jī)上電的時(shí)候，硬件給其一個(gè)復(fù)位信號(hào)，此信號(hào)根據(jù)不同的單片機(jī)有高電平有效和低電平有效之區(qū)別。復(fù)位監(jiān)測(cè)電路是在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電壓，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的電路，觸發(fā)單片機(jī)復(fù)位。

2.3 卡讀寫(xiě)模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所選用的CY125K是杭州燦宇科技有限公司出品的射頻模塊。他是整個(gè)刷卡模塊的核心模塊，當(dāng)卡片靠近天線時(shí)，會(huì)通過(guò)天線將信息傳送到該芯片中，此時(shí)該芯片將會(huì)判斷該卡片是否有效，并將有效信息傳送到微處理器中，最后微處理器確定是否開(kāi)門(mén)。

而刷卡的卡片則存儲(chǔ)了用戶的信息，它包含兩個(gè)部分，射頻接口電路和數(shù)字電路部分。數(shù)字電路部分包含ATR請(qǐng)求模塊、AntiCollision防重疊模塊、選擇模塊和認(rèn)證模塊。電路模塊如圖4所示。

圖4 卡讀寫(xiě)模塊電路圖

2.4 通信模塊的電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用RS232通信協(xié)議，如圖5所示。由于電腦串口RS232電平是-10v到+10v，而一般的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平是0 到+5v,max232就是用來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的,該器件包含2驅(qū)動(dòng)器、2接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。使用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平的功能。從而用于遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。

圖5 通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖

圖6 時(shí)鐘模塊電路圖

2.5 時(shí)鐘模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

DS1302包括時(shí)鐘/日歷寄存器和31字節(jié)（8位）的數(shù)據(jù)暫存寄存器，數(shù)據(jù)通信僅通過(guò)一條串行輸入輸出口。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷提供包括秒、分、時(shí)、日期、月份和年份信息。閏年可自行調(diào)整，可選擇12小時(shí)制和24小時(shí)制，可以設(shè)置AM、PM。 只通過(guò)三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制和傳遞WP，SCL，SDA，通過(guò)備用電源可以讓芯片在小于1MW的功率下運(yùn)作。

2.6 LCD1602顯示電路的設(shè)計(jì)

如圖7所示， LCD的加入是配合鍵盤(pán)輸入，使輸入可視化。鍵盤(pán)輸入的數(shù)字先傳遞給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)不做任何判斷，直接顯示到鍵盤(pán)，同時(shí)將輸入記錄到儲(chǔ)存器。如圖4.0，本設(shè)計(jì)使用的是LCD1602。對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P00～P07是與液晶顯示模塊LCD1602的DB0-DB7相連。

圖7 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

2.7 鍵盤(pán)模塊電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的鍵盤(pán)有兩個(gè)功能：屋主未攜帶ID卡時(shí)使用鍵盤(pán)輸入密碼進(jìn)入，訪客通過(guò)輸入門(mén)牌號(hào)，并且觸發(fā)振鈴按鈕。因此本系統(tǒng)鍵盤(pán)按鈕如表3.1所示，“A”和“B”分別是上文所說(shuō)的屋主密碼輸入和訪客門(mén)牌號(hào)輸入兩種模式。見(jiàn)表1所示。

表1 本系統(tǒng)鍵盤(pán)按鈕

很明顯此時(shí)系統(tǒng)需要16個(gè)按鍵。因此選擇4*4矩陣鍵盤(pán)。在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I(mǎi)/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，如本系統(tǒng)是使用單片機(jī)P2口與鍵盤(pán)相連，比直接將單片機(jī)端口線用于16個(gè)按鍵的鍵盤(pán)少了一半。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些。當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低。這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。本系統(tǒng)鍵盤(pán)的右端經(jīng)過(guò)一個(gè)或門(mén)連接到單片機(jī)的INT0，INT1兩個(gè)中斷口。其中中斷口INT0是用來(lái)選擇“A”，“B”兩種工作工作模式。選擇工作模式之后，每按一個(gè)鍵就觸發(fā)INT1一次。如圖8所示。

圖8 鍵盤(pán)模塊電路設(shè)計(jì)

3 門(mén)禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 門(mén)禁系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的主要工作過(guò)程為：本小區(qū)居民使用已經(jīng)認(rèn)證的IC卡刷卡進(jìn)入，若小區(qū)居民忘記攜帶IC卡可以使用每戶唯一的密碼進(jìn)入。某戶居民有訪客時(shí)，首先按下該居民的門(mén)牌號(hào)，如果存在，則接通室內(nèi)的語(yǔ)音“電話”，小區(qū)居民接聽(tīng)后可以選擇室內(nèi)的開(kāi)門(mén)鍵或者拒絕開(kāi)門(mén)。開(kāi)門(mén)記錄將保存在專門(mén)的儲(chǔ)存器中，留作以后使用。

3.2 鍵盤(pán)開(kāi)門(mén)程序

3.3 LCD1602顯示模塊程序

顯示程序的工作流程為：開(kāi)始→查“忙”→延時(shí)→清屏→寫(xiě)入字符串→返回。程序編寫(xiě)略。

3.4 卡讀寫(xiě)程序

在卡讀寫(xiě)模塊讀取到有卡刷過(guò)時(shí)進(jìn)入判斷卡號(hào)是否有效，然后讀數(shù)據(jù)，再判斷卡號(hào)是否有效，如果有效則置卡號(hào)有效于標(biāo)志位中，開(kāi)門(mén)，并將卡號(hào)顯示到LCD中。

（1)從讀卡器交換數(shù)據(jù)區(qū)讀出有用的卡片數(shù)據(jù)；

（2)判斷卡片上存儲(chǔ)的卡號(hào)是否與讀卡器上存儲(chǔ)的卡號(hào)相等；

（3)若是判斷卡號(hào)是否有效，調(diào)用增刪卡片或判斷卡號(hào)，結(jié)果保存至卡號(hào)有效性標(biāo)志中；

（4)若否，置非法卡標(biāo)志；（5)返回。

3.5 通訊程序

微處理器平時(shí)獨(dú)立工作，并不頻繁的與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，只是在PC機(jī)發(fā)送請(qǐng)求通信信號(hào)后，微處理器按照PC機(jī)的命令傳送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。在本門(mén)禁系統(tǒng)中，微處理器和PC機(jī)的通信采用主從式通信協(xié)議，PC機(jī)為主機(jī)，微處理器為從機(jī)。PC機(jī)完成的串行通信的功能很多，包括接收單片機(jī)發(fā)送的卡片資料，卡片資料包括刷卡的卡號(hào)，此卡刷卡的時(shí)間等。

時(shí)鐘程序和指紋開(kāi)鎖的程序都比較簡(jiǎn)單，本文不詳細(xì)介紹。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)加入了指紋識(shí)別開(kāi)鎖模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了屋主通過(guò)指紋來(lái)控制門(mén)鎖的開(kāi)啟，解決了鍵盤(pán)輸入密碼的繁瑣，但是也存在著不足。由于現(xiàn)有的指紋模塊需要比對(duì)很多參數(shù)特征，比對(duì)速度慢，不利于人來(lái)往較多的場(chǎng)所。指紋隨季節(jié)和干濕度不同而不同，因?yàn)楝F(xiàn)在技術(shù)有限，所以還需要改進(jìn)，讓指紋模塊比對(duì)速度更快，存儲(chǔ)更大，可以根據(jù)環(huán)境改變識(shí)別靈敏度。如果住戶手指出現(xiàn)裂痕時(shí)，指紋識(shí)別也不能識(shí)別出來(lái)，就會(huì)造成住戶不能入內(nèi)，未來(lái)指紋裝置中應(yīng)該加入指紋重組識(shí)別，即使用戶的手指有破損也可以通過(guò)系統(tǒng)比對(duì)，將指紋恢復(fù)出來(lái)。

這次設(shè)計(jì)中雖然對(duì)鍵盤(pán)輸入密碼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如用戶在輸入兩次密碼錯(cuò)誤時(shí)，鍵盤(pán)將會(huì)被鎖住，室外機(jī)報(bào)警，再按鍵盤(pán)操作也無(wú)濟(jì)于事，但是這種方式比較單一，為了更加安全、人性化在以后的設(shè)計(jì)中用戶在輸入三次錯(cuò)誤密碼時(shí)，鍵盤(pán)鎖定，室外機(jī)中的攝像頭可拍下入侵者頭像，并發(fā)送到保安主機(jī)處以便于日后查證。同時(shí)在室外機(jī)中配備SIM卡通訊裝置，發(fā)送短信到用戶處，用戶接收短信并查看情況，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

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