基于MCS-51 單片機的新型門禁控制器設(shè)計

鄧寶安， 呂志剛， 杜曉斌， 李 彤， 荊 博

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 陜西 西安710032）

隨著我國現(xiàn)代化、城市化步伐加快，以及新技術(shù)新材料的不斷出現(xiàn)， 防盜門作為一種新型建筑材料和結(jié)構(gòu)形式，走進了千家萬戶。 然而現(xiàn)有的防盜門仍就依靠傳統(tǒng)鑰匙打開門鎖來實現(xiàn)開門這一動作，不僅開門繁瑣，無報警功能，而且門鎖最核心也最脆弱的位置是鎖芯， 利用機械鑰匙的門鎖，鎖芯的位置就會一目了然，這將會給不法分子帶來可乘之機。

本項目實施的目的在于，在單片機的控制下，通過RF 卡或語音識別或向GSM 模塊發(fā)送短信，來實現(xiàn)非陌生人開門這一動作， 通過對講機模塊來實現(xiàn)門內(nèi)主人與門外到訪人員的交流，并可一鍵開門，從而打破了只依靠鑰匙開門這一固定模式，在安全方面，由于本門禁系統(tǒng)的“鑰匙”與門鎖之間是通過電信號進行通信的，因此可將其隔離開，在外面無法確知鎖的位置，減小了門鎖被外界暴力破壞的可能性，加之我們有門磁傳感器來監(jiān)控門的開合，在非法開門和忘記關(guān)門時，通過手機短信的方式通知房主并啟動報警裝置， 門鎖的安全系數(shù)顯著提升，隨著生活水平的提高，人們越來越注重生活質(zhì)量，與財產(chǎn)安全，本課題實施的意義在于，通過多種自動開門方式，在一定程度上解放了人的雙手；通過擺脫“鑰匙”和“鎖”之間機械的通訊方式和增加報警系統(tǒng)提高了門鎖的安全性能[2]。

1 系統(tǒng)總體介紹

文中設(shè)計的新型防盜門，根據(jù)各部分所實現(xiàn)的功能可以劃分為單片機模塊，射頻識別模塊，語音識別模塊，“一鍵開門”模塊，防盜報警模塊，GSM 模塊，繼電器控制模塊等7 大模塊，可以實現(xiàn)以下幾種開門方式：

1） 刷卡開門。 RF 卡模塊通過RF 卡將信息傳遞給單片機，經(jīng)單片機判定、識別后，發(fā)送指令給繼電器控制模塊，命令繼電器模塊驅(qū)動與門鎖實現(xiàn)開門這一動作。

2）語音識別開門。 首先需記錄下一些人員的聲音特點，并進行數(shù)字化處理后保存成庫，當(dāng)有人來訪時，語音識別模塊來訪人員的聲音進行數(shù)字化處理后與語音數(shù)據(jù)庫中的信息相比對，并將比對結(jié)果傳送給單片機，單片機通過比對結(jié)果來判斷是否下達開門指令給繼電器控制模塊，從而實現(xiàn)開門這一動作。

3）一鍵開門。 當(dāng)來訪人員沒有不能通過RF 卡開門或語音識別開門時，還可以通過對講機模塊與主人交流，主人通過按鍵方式將信息傳送給單片機，控制單片機發(fā)送開門指令給繼電器控制模塊，從而實現(xiàn)“一鍵開門”。

4）遠程開門。 當(dāng)由于特殊原因，以上開門方式的條件無法滿足時，例如房主人出差外地，而有人通過了主人的許可需要進入房內(nèi)時，房主人可以將開門命令以手機短信的方式發(fā)送給GSM 模塊實現(xiàn)“遠程開門”。

當(dāng)來訪客人使用非以上方式開門時，防盜報警模塊被觸發(fā)，蜂鳴器響，GSM 模塊發(fā)送報警短信給主人[1]。 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計框圖Fig. 1 Hardware design of block diagram

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

該模塊做為整個系統(tǒng)的主控單元，控制協(xié)調(diào)各模塊的工作，采用89C51 作為單片機模塊的核心芯片，該芯片為8 位的CPU，以12M 晶振做時鐘，具有32 根I/O 線，兩個外部中斷，兩個16 位的定時器/計數(shù)器，全雙工串行口。 該芯片體積小，運行速度高，可靠性好，功耗低，性價比高，開發(fā)工具簡單，功能實現(xiàn)容易。

最小系統(tǒng)包括電源電路、晶振電路、復(fù)位電路能部分，其硬件設(shè)計如圖2 所示。

圖2 STC89C52 最小系統(tǒng)設(shè)計Fig. 2 STC89C52 mini-system design

2.2 射頻識別模塊

該模塊的主要功能為識別RF 卡， 并將卡片相關(guān)信息發(fā)送給單片機模塊，由單片機判別該卡是否合法以及是否發(fā)出開門指令。

該模塊采用MF RC522 作為RF 卡模塊的核心芯片。RC522 是應(yīng)用于13.56 MHz 非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片， 其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE 卡和應(yīng)答機的通信，無需其它的電路。 接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路， 用于處理ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號，三次互相認證安全可靠[3]。 其硬件設(shè)計圖如圖3 所示。

2.3 語音識別模塊

該模塊的主要功能為識別、 解析來訪者的聲音信息，并將該信息發(fā)送給單片機模塊，由單片機根據(jù)該聲音信息判別是否發(fā)出開門指令。

圖3 RC522 硬件設(shè)計Fig. 3 RC522 hardware design

該模塊采用LD3320 作為語音識別模塊的核心芯片。 該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路， 包括AD、DA轉(zhuǎn)換器，麥克風(fēng)接口，聲音輸出接口等。 本芯片不需要外接任何的輔助芯片， 直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可實現(xiàn)語音識別，人機對話等功能。 支持并行和串行接口，串行方式可以簡化與其他模塊的連接[4]。 其硬件設(shè)計圖如圖4 所示。

圖4 LD3320 硬件設(shè)計Fig. 4 LD3320 hardware design

2.4 “一鍵開門”模塊

該模塊主要通過獨立按鍵控制門鎖， 當(dāng)按鍵按下時，單片機模塊發(fā)出開門指令。

另外，該模塊配置有對講機模塊，用以實現(xiàn)屋內(nèi)人員同來訪者的溝通。 采用SDA1845 作為對講機模塊的核心芯片。其內(nèi)置高速微控制器、 高性能射頻收發(fā)芯片及射頻功放，并提供標(biāo)準(zhǔn)RS232 串口[5]。 其硬件設(shè)計圖如圖5 所示。

圖5 “一鍵開門”硬件設(shè)計Fig. 5 A key to open the door hardware design

2.5 防盜報警模塊

該模塊的主要實現(xiàn)兩種情況下的報警：

1）當(dāng)門打開后由于各種原因未能正常關(guān)閉時向單片機發(fā)出報警信號，單片機收到信號后進行相應(yīng)的報警處理。

2）來訪者未通過合法方式開門時，如破門而入，向單片機發(fā)出報警信號，單片機收到報警信號后，通過GSM 模塊向主人發(fā)送短信通知，并啟動聲光報警器。

該模塊采用門磁傳感器作為主體元件。 當(dāng)門打開時，門磁傳感器輸出高電平；當(dāng)門關(guān)閉時，門磁傳感器輸出低電平[6]。 其硬件設(shè)計圖如圖6 所示。

圖6 防盜報警硬件設(shè)計Fig. 6 Alarm hardware design

2.6 GSM 模塊

該模塊的主要實現(xiàn)在單片機模塊發(fā)出短信報警指令時向指定手機號發(fā)送報警短信。 該模塊采用TC35 作為GSM 報警模塊的主體。 TC35 接口方式支持串口R232 和TTL 自適應(yīng)，工作在EGSM900 和GSM1800 雙頻段，支持語音和數(shù)據(jù)信號傳輸，利用AT 指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，支持TEXT和PDU 格式的SMS[7]。 其硬件設(shè)計圖如圖7 所示。

圖7 GSM 硬件設(shè)計Fig. 7 GSM hardware design

2.7 繼電器控制模塊

該模塊的主要功能為實現(xiàn)對門鎖的控制。 當(dāng)單片機模塊發(fā)出開門指令時，該模塊打開門鎖；當(dāng)單片機模塊發(fā)出關(guān)門指令時，該模塊關(guān)閉門鎖。

該模塊采用信號繼電器作為該模塊的主體。 信號繼電器用于接通和斷開電路， 用以發(fā)布控制命令和反映設(shè)備狀態(tài)，以構(gòu)成自動控制電路。

3 軟件設(shè)計

程序采用C 編程語言，在Keil4 環(huán)境下編譯、調(diào)試通過，采用了中斷、數(shù)字濾波等技術(shù)，其主流程圖如圖8 所示。

圖8 主流程圖Fig. 8 Flow chart of main program

4 結(jié)束語

文中給出了門禁控制器的軟、硬件設(shè)計方案，詳細給出了各種開門方式的實現(xiàn)方法，并通過GSM 發(fā)送報警信息。 由于國內(nèi)防盜報警系統(tǒng)還不是很普遍，智能家居逐漸會走向普通家庭，所以新型的智能防盜門在未來一段時間內(nèi)具有很好的發(fā)展前景。 因此，本項目具有一定的實際應(yīng)用的意義。

[1] 劉忠勝. 門禁市場發(fā)展現(xiàn)狀及競爭分析[J]. 中國安防，2011（6）:69-71.

[2] 管見. 智能電子防盜門[J]. 家庭電子，1999（9）:26.

[3] 陳保，王月波，馬伯元. 基于MF RC522的Mifare射頻卡讀寫模塊開發(fā)[J]. 微計算機信息，2007（23）:215，230-231.

[4] 陳喜春. 基于LD3320語音識別專用芯片實現(xiàn)的語音控制[J].電子技術(shù)，2011（38）:20-21.

[5] 申利民，劉冬香. 基于GSM智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 傳感器世界，2011（1）:33-35.

[6] 劉勇，陳祈邦，巫輝東. 基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計工程，2014（10）:147-149.

[7] 李正兵，蔣興加，王小麗. 高精度新型調(diào)制變送器設(shè)計與應(yīng)用[J]. 火箭推進，2011（5）:69-73.