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1、基于51的安全门禁系统设计与实现1引言-3-1.1 研究的背景和意义-3-1.2 国内外研究现状-3-13论文的主要内容和研究思路-4-2XN殳11-5-2.1 系统总体框架-5-2.1.1 指纹识别-5.2.1.2 数字密码识别-6-2.1.3 RF1.D射频识另（1-6-2.1.4 其他-6-2.2 主要硬件介绍-6-2.2.1 STC89C52-6-222键盘电路设计-7-2.2.3 指纹识别器-8-2.2.4 液晶显不-9-2.2.5 RF1D-RC522-9-2.2.6 串口模块-IO-Xt*103.1 系统电路-IO-3.1.1 89C52或小系统-IO-3.1.2 晶振电路-II
2、-3.1.3 复位电路-12-3.1.4 电源电路-12-3.2 数据采集电路-13-3.2.1 矩阵键盘采集电路-13-3.2.2 RF1.D采集电路-13-3.2.3 指纹采集电路-13-33数据显示电路-14-3.4 报警电路-14-3.5 参数调控电路-15-3.6 数据传输电路-15-3.7 绘制控制板PCB图-15-*4-16-4.1 实物图16-4.2 按键设置-17-4.3 调节模块-18-4.4 测试结果分析-20-4.5 系统设计完成总结-20-*a*,-20-参考文献-21-摘要自上世纪八十年代改革开放开始,经过三十多年的国家经济发展,人民生活水平已经有了巨大提升.相比于
3、过去无法吃饱穿暖的生活,现在大多数人追求的是如何保护日渐富裕的家庭财产。在正常生活中,如何进行家庭防盗是一个值得展开讨论的问题.传统钥匙的解锁,存在结构过于简单,携带不方便,数量较多.使用极不方便和丢失以后非常麻烦等问题,而且.被盗的事件也度禁不止。所以.密码锁随之普及,受到很多用户的青睬,因此诸多电子密码锁（指纹识别、面容识别、IC卡等）开始出现在市场上.能用于大翊分保密空间,另外纯卡片容易损坏而且丢失,在一定程度上限制了电子密码的使用,在国内当前的市场,电子密码锁是应用最多、销隽最多的产品。基于对目前市场以及密码锁的了解,本次系统设计使用STC89C52实现了一套安全门禁系统。关键词：数据
4、采集；密码锁；数据传输；安全门禁；安全性1引言1.1 研究的背景和意义由于科学技术的发展.单片机成为了一个且熟能详的名词.它的出现成为了现代电子技术的一个重要节点。因此，它的应用场景形成两大分支,一是通用计算机系统，二是嵌入式计算系统。单片机因为它的体积较小、成本较低、构造简单、使用也相对简单.所以被广泛的应用在生活的万方面面，例如玩具机器人、家庭智能设备、汽车电子电路系统，所以单片机迅速成为电子系统的重要组成部分，是一款非常好用的小型、新型智能化工具。在当代的日常生活中,家庭住宅的安全防范、小区大门的门禁管理，还有一些个人资料的保存都成为了很重要的问题。如果使用普通的机械式钥匙来解锁,那么就
5、必须要身上带着一串钥匙，且使用及其不方便,能分清每把钥匙还能正常使用,如果一串钥匙相像,那么就会带来极大的寐烦,使用起来很不方便.带若一串钥匙极不美观,而且一旦丢失,就会非常麻烦,影响日常的生活体验。随着现代电子科学技术的发展,一种新的解锁方式应然而生，人们开始使用电子图码锁来代替传统钥匙来解锁钥匙。电子型码锁相比于传统机械式锁有的特点是独有的，它具有安全性高、容易操作、成本低、不用随身带一串钥匙等一系列优点。安全方式更比传统钥匙解锁提高了很多,因此密码锁的普及迅速。1.2 国内外研究现状当代科技飞速发展,电子型码锁系统已变成一卷较安全、且功能完善的控制系统。现在的它不再是单纯的钥匙和门锁,而
6、是可以对室内进行高效的智能控制。它可以随时记录下每一刻的出入信息.同时也可以阻止任何不合法的进入.很好的保护人们的生命和财产。所以,安保系统就定在了最前面,而门禁就成了安全的第一道屏障。在当今社会.门禁系统的发展速度很快,在办公室、办公楼、酒店、高级住宅区等各种大门、房间、通道等场所都有了很好的应用。随若我国德地产行业的迅速发展,小区门禁系统也逐渐成为了住宅小区的一项重要保障。最近几年,我国对新型门禁系统的研究已经由成初的照搬进口过渡至国内自主研究开发阶段。但是,由于起步晚、科技欠发达,仍然存在看几个问题.例如：以前是进口照搬使用,现在还是模仿,还有国内工艺不达标而引发的安全隐患,还有大室应用
7、发达国家已有的综合模组,如：门禁控制器、辨识读出模组等.缺点就是产品太过简单.需要花费大堂的时间和金钱。从技术上来说，中国很多公司都在仿照发达国家的门禁系统，他们的主要方式有两个，一是从国外的知名厂商那里购买一些电子产品.比如读写器、门禁控制器,然后进行二次开发。虽然二次生产的系统比国内的要好很多,而且还能满足日常的安全需求，不过这种二次改造的系统，价格也不低。第二种.就是从发达国家采购核心芯片，然后仿制出更好的零件。这种方式，可以根据实际情况，对门禁系统进行一些不规范的修改,这样可以满足大部分人对门禁系统的需求，这样的话,成本就会大大降低。从它们的内部结构来看，中国的大部分系统都是用来生产控
8、制器的,而它们的主要部件,则是由发达国家的制造商来生产，然后销往中国。星然现在国内最新的智能门禁系统还处在起步阶段,但我认为，在将来的某一天，我们的科技将会追上发达国家,而一个拥有大量人才的国家,绝对不会在技术上被发达国家卡住川。1.3 论文的主要内容和研究思路本设计尽管是门禁系统，但是主要内容还是基于单片机的电子型码锁设计方案.用单片机的仿舆系统来模仿开锁过程，并依据现有的技术以及软件硬件,设计出基于STC89C52单片机型码锁的系统.给出了硬件选择，以及各个硬件的参数与作用.也给出了软件流程图、具体的源代码以及详细注释等内容。通过对资料的搜集.以及国内外的大致状况，它的主要功能有如下几点：
9、(I)空码通过键盘输入.指纹通过指纹识别器录入.射频识别,若密码、指纹、卡片正确，则将锁打开。否则不能打开。(2)为了提示，假装报警功能.如果密码输入错误，那么1.CDI602显示屏会出现fingererr.蜂鸣器响起，提示密码输入错误,电子门禁锁的解锁部分设计主要由三部分组成：4x4矩阵键盘、RFID解锁、指纹解锁。除此之外，这个门禁系统加装继电器、1.ED提示灯、报警蜂鸣器等。此次门禁系统的关键是一款智能的电子型码锁，用来实现对密码的输入、清除、指纹录入、刷卡、更改、以及开锁等功能.(3)门禁系统设计重点是解锁，当按下开关鳏.摸取开锁过程,系统将输入的密码、指纹、卡片进行检有核对,如果密码
10、、指纹、卡片正确那么锁打开，1.CDI602显示屏将会提示Open.否则不打开1.CD1602显示屏提示fingercrr0主要的软件硬件设计过程：首先，选用单片机STC89C52,以及选购适合的电子元器件。第二步，设计硬件电路原理图,并设计PCB图、走线发往嘉立创打板、焊接元器件。第三步，编写单片机的C语言程序、仿宾、软件调试。第四部，使用PROTEUS件进行模收软、硬件调试。品后,生成HEX文件导入单片机，进行实物的操作，观察单片机的模拟情况是否与预期一样，如果一样,则系统设计成功,完成本次毕业设计。2系统总体设计2.1 系统由体框架该门禁系统由51单片机最小系统，主体方面则由数据采集与数
11、据显示组成，在数据采集方面主要是由AS6O8指纹识别、HX543矩阵键盘、Rc522射频识别来完成.数据显示模块则由1.CD1.602来完成。具体框架图如图2-1所示*三*fc,o图2-1系统总体结沟框架图本系统中最重要的部分也是相对较难的部分就是指纹识别部分，下面是指纹介绍以及指纹识别、RHD射频识别、数字密码的优点。2.1.1 指织识别旗若生物科学识别技术的发展,指纹的发展尤为迅速，指纹识别是这几年最热门的一种验证万式，不仅在智能手机上应用广泛.在门禁系统中也获得广泛的应用,国内外许多厂商把目光放在了将指纹解锁与门锁结合,由此出现了大量的新型电子型码锁.这就是被俗称的指纹锁.这种锁最大的特
12、点就是唯一性，每个人都有单独的、旌一的生物学信息作为“钥匙”去解锁,于是新型指纹锁可以同时兼顾安全性与便捷性这项个重要目标。(I)唯一性作为生物学上的信息,每个人的基因不同，由于每个人的指纹都有特定的螺纹，所以指纹对人来说都是独一无二的.因此指纹代表的最重要的就是唯一性,并且指纹的螺纹也不会随若年龄增长而消失,或者再产生其他的变化，所以大致上就是终生不变,因此作为解锁最重要的部分,很容易满足指纹解锁带来的安全性、旌一性。(2)实用性相比现代新型智能手机的面容识别,指纹有若无可替代的优势,也是瓯用最广泛的解锁模式，除去这两种解锁模式还有虹膜识别、声音识别等众多新型科技识别技术,比较之下还是指纹与
13、门禁系统更为契合,而且相于其他智能解锁方式,指纹造价更便宜，结果更为简单，更易操作,对于可实用性等几个方面还是指纹识别解锁是最适合的方式。2.1.2 数字密码识别数字图码应该是现代科技社会最普遍的使用方式,从早些年的诺基亚,到现在的华为、苹果、三星依然还在使用密码解锁,而且提供了不同位数的解锁，有四位、六位等，使用者可以使用键盘上0-9这十个阿拉伯数字进行输入预先设定的密码，空码正确即可开锁，这样的傻瓜式操作，上至八九十的老人,下至几岁的小孩子都可以操作，这样就遛免了身上的钥匙不注息丢失而引发的安全性问题，而且更换图码也是极其简单的过程,也不需要请专业的开锁公司的工作人员来操作，极大的方便了使
14、用者。2.1.3 RFID射频识别RFID就是射频识别技术,这是一种非接触式自动识别技术，可以实现对被识别物体的自动识别，从而完成识别的目的。在日常生活中，大部分普通人最开始接触射频应该就是公交车的上IC卡,或者是工作单位的门禁卡和学校的学生卡,这些都是RFID的具体应用，它满足了像指纹一样的安全性,每人一卡，卡里记录个人的信息.当丢失以后可以迅速挂失,旧卡消磁,就不能再继续进行解锁、以及身份验证.已经消磁的卡也就作废.不能再继续使用。2.1.4 他在简单的介绍完门禁的基本解锁方式,以及各个方式解锁的有优点,还需要一些简单的优化,相比于220V供电,此套门禁系统采取了5Vusb供电.也可以采用
15、锂电池进行供电,如果系统功耗太高,用户就要经常更换,不仅寐烦,而且费心费力,还会影响正常的用户使用2.2主要硬件介绍2.2.1STC89C52STC89C52是STC公司研制的低功耗、高性能CMoS8位单片机。STC89C52采用了经典的MCS51.核心,但是经过了大量的改进，使其在性能上达到了51微处理器所没有的要求。在单片上,STC89C52采用灵活的8比特CPU,对此选择性能较好的STC89C52单片机，它比AT89C5I有更强的功能.有更高的内存、更多的定时器等,因此它具有AT89C5I单片机很多所没有的功能，能更好的适应该系统，下面是两款单片机的参数简单比对.苜先.两款单片机都是采用
16、直流供电,通过电路整合,可以使用USB供电，C52的储存器比51大了一倍,也就是C52有了更大的内存，可以存储更多的数据,其次最重要的是C52在掉电保护下,RAM的内容保存.振荡器被冻结，而且C52可以选择节电模式，这个特点在门禁系统应用非常重要网9）。MAXW图2-2STC89C52原理图a+ac3.n,-t三=王-2.1.5 键盘电珞设计由于该门禁系统需要数字输入解锁密码,所以矩阵键盘必不可少，因此本设计采用了HX-543,当按键数量较多时.一般采用这种方式“（儿本次采取了HX-543矩阵键盘,相比于4*4矩阵键盘,它更美观,免去了更多焊接的过程,这欷键盘可以配合多种开发板使用,适用于多种
17、单片机，背部附带双面股,可以直接贴在电路板上,集成8P杜那线插口,留好预定的排外,直接插上即可,简单快捷,其次手感比按键好的多,上面采用的是硅胶薄漠,有相对更长的寿命,使用起来也会更舒服,由于按键全覆盖,所以薄震矩阵键盘有很好的防水功能.不容易极腐蚀,同时具有防油功能.性能更稳定，应用更广泛,用在该门禁系统上的数字键盘,是非常合适的，可以长久使用,同时也避免由于潮湿天飞导致键盘的腐蚀以至失灵而带来的安全源患。图2-3矩阵键盘2.1.6 指纹识别器对于指纹识别号的综合造价和使用方面进行分析。本系统选择了As6O8作为指纹识别模块。它可以很好的实现指纹识别进而进行解锁。首先该该模块体积小功耗低,作
18、为门禁系统,可以应用更广泛,由于是封装指纹识别器.干湿手指的指纹都可以采集4。产品特点：功能完善：可以独立完成指纹采集、指纹记录、并进行指纹比对（G）和指纹搜索（1.：N）功能,可以根据用户需要自由设苦。体积小巧：该指纹识别器体积小,没有外接算法DSP芯片的电路板,已经集成一体,安装韭常方便.故障少,而且造价很低,很适合门禁方案。超低功耗：该模块直流5V供电.功耗很低,可以用于很多低作耗场合。抗静电潴力强：由于简单的构造,因此抗静电能力很强,抗静电可以达到15KV。安全等级可调：灵活运用于不向的场景.所以它的安全等级可由用户自由设定调整。图24AS6O8指纹识别器2.1.7 液晶显ZH本系统采
19、用液晶1.CD1.602作为显示器,它的优点很明显,作为一款字符型液晶屏.显示数字和字母非常方便.还有就是构造简单,使用简单,所以它的成本也较低.这就很容易大范围使用,也符合此次门禁系统的初衷。由于是液晶型字符,缺点也很明显.它的显示字体有大小非常固定,由于屏藕相对较小,对于图形显示基本不旎实现,如果相要显示图形,则需要更换造价更高结沟更复杂的显示器.但是应用于这个简单门禁系统中,有显示字母和数字的功能就可以满足系统需要。图2-51.CD1.602显示器2.1.8 RFID-RC522RC522是应用于非接触式中高集成度的读写卡芯片，采用PhiIiPSMFRC522原装芯片设计读卡电路。因模块
20、构造简单，电压较低.功耗低,非常适用于智能设备，也可以适用于其他场合,同时配备使用的还有迷你IC卡.在支付宝乘车码没有完善之前,南京地铁站采用的就是迷你IC卡，小巧方便，RC-522它与主机间通信采用SP1.模式,背部是8P杜邦线接口.遛免了过多连线,干净整洁，使用方便.同时可以保证模块稳定可靠的工作。图22RFID-RC522模块2.1.9 串口模块此门禁系统率口模块采用CP2102芯片.集成度高.内省USB2.0全速功能控制器、USB收发器、UART,不需要外部USB器件，通过驱动程序揩PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。自带保险丝.保护使用的器件,带复位信号输出，支持的PC版本
21、更多.包括1.inUX2.40版本。具体形状如图2-7所示。图2-7串口模块3系统硬件设计本系统门禁系统硬件部分包括STC89C52单片机、矩阵键盘电路、1.CDI602显示电路,以及（指纹识别器、RFID）数据采集电路。该空码锁系统通过数据采集模块采集输入密码、指纹、刷卡数据信息.并与单片机设置的密码比对。若比对不成功，则屏幕显示输入错误。比对成功则驱动继电器.屏幕显示OPCn.表示输入正确。3.1 系统电路3.1.1 89C52最小系统MCU最小系统通常由晶振电路、复位电路、MCU构成.是大多数MCU系统中.也是初学者们最宜爱的一种系统,它包含2个电容器和一个晶振连接单片机的两个输出引蒯.
22、在这里,电阻和电解电容分别与单片机的复位引蒯相连.这个电路看似简单.制造容易.操作起来容易，但一旦电路出现故理.系统就无法正常工作,只有这一系统可以正常工作,其它系统也可以正常工作。一个简单的电路,加上单片机设定的最简单的启动程序，也就是boot1.oader,简称为引导程序，这种引导程序是在工厂生产出来的时候就被植入了，然后在充电之后,芯片就会迸行相应的处理,比如寄存器,比如分频滂等等,在编写程序的过程中，都会使用这种引导程序,将一种特定的代码输入到芯片中，让它接收到用户的程序，从而完成对用户的程序的升级。(AXVfOJ(A1.，加，CAI*24(AIS，CA1.加4(A1.1.r：)CAI
23、*：IAWIurr20(AD1.)PO1.(ADT*02(AD3加3(AXM*04(ADSiFOS(AMJFO-图3-1STC89C52最小系统3.1.2 曷振电路晶振电路在小型微控制器系统中起若重要作用。晶体振荡器的特殊向造,可以在生成频率的情况下不需要再先外输入信号源。在此门禁锁系统中,将单片机的18号引脚（网络端口号为XTA1.2）、19号引脚（网络端口号为XYA1.I）相连就可以为此单片机提供时钟信号,而且前个引脚之间并联一个大小为O592MHz的晶振.因为程序中有RST0IA，5SU1.P3.7(RBXTA1.2XTA1.1.GNDGND定时需.所以使用0592MHz的晶振可以定时更
24、准确.而且两个引脚分别串联22pF的电容.两个电容可以起到微调频率的作用。它的原理图如图3-1所示。C311.0592MHZST89C52GND2pF图3-1晶振电路3.1.3 复位电路所谓复位电路，就是将其还原为初始状态。就好像计算器上的“清零”键，做完一道题，就会被清空！或者输入错误，计算错误的时候，所有的清零都要做。这样可以恢爱到原来的状态,然后再进行一次计算。这就是至位功能。如图32所示。图3-2复位电路3.1.4 电源电路根据STC89C52单片机使用手册.供电电压为3.3V左右。但是为了方便.基本不用这部分电路,最常采用的方式是5VUSB供电,在进行调试的时候还可以用电脑供电.不需
25、要再采用其他的方式来供电.所以使用非常方便。可以任意采用各种供电方式.充电宝测试、电脑USB测试,又采用1.MI1.7,它是三段可调的正稳压器集成电路.保证了系统的稳定运行,它的原理图如图3-3所示。图33电源电路为了模仿开锁过程.加装继电器,通过继电器的是否吸合来判断是否解锁,同时并联两个二极管,其中一个是发光二极管串联一个Ik电阻,作为开关打开以后,观察电路是否导通,也就是电源是否输入的指示灯.也正通过观察灯的完灭来判断是否解锁。它的原理图如图3-4所示。3.2 数据采集电路数据采集电路主要包括矩阵键盘、指纹、RHD刷卡三部分电路.下面列出每个部分的原理图，并介绍了每个部分的作用。3.2.
26、1 矩阵键盘采集电路3.2.2RF1.D采集电路该硬件部分用于采集刷卡数据信息.RC-522的1、3引脚分别连接供电与接地,剩下引脚分别连接单片机的9、12-17号引脚。3.2.3 指纹采集电路-B-本系统选用AS608指纹识别器,考虑到整体功能，采取申口通信,串口通信同单,硬件接口简单,只需用电脑显示相关调试信息.不需要去借助其他外部硬件，可以很方便的进行调试，程序简单,方便鸵证程序的正确性。图3-7指纹采集电路3.3 数据显示电路按照1.CD1.602的手册工作说明，它的稳定电压是4.5V5.5V,对于这点,为了万便使用,所以直接依照5V电压来设计电路，电路电压基本会稳定在4.5V5.5V
27、.而且供电采取5VUSB直流供电，1.CI6O2会在一个稳定的电压之内工作。51.cD1.02髭突入熊丽前前射图3-81602显示电路3.4 报警电路根据文献以及诸多论文，在报警电路方面选径蜂晦器.颐名思义会发出蜂鸣一样的声音，当有信号传入，蜂眄器便会购应，根据蜂鸣器发声进行提示,然后会对下一步的行为做出选择。图3-9蜂鸣器电路3.5 参数调控电路矩阵键盘是系统中的参数调控部分，完成指纹、卡片以及数字型码的修改,下面是矩阵键盘的硬件电路部分。按键电路由矩阵按键组成.数字表示输入密码,可以通过键盘去解锁,以此来实现对密码解锁.空码修改，以及对指纹，卡片的修改。它的原理图如图4-9所示。图3-10
28、按键电路3.6 数据传输电路在PC端完成系统整体测试以后，烧录到单片机系统,需要USB转串口。引脚分别为VCC、GND4RXD.TXD,VCC是供电电压，GND接地，TXD是数据发送，RXD是数据接收。它的原理图如图4-12所示。图3/1串口电路3.7 绘制控制板PCB图对比网上各种国图软件,最终采用了AhiUmDesginer来进行,根据以上原理图,建立原理图文件，首先创建新的SCh工程，在工程中建立原理图文件和PCB文件,规划电路板，装入PCB元件库.自动装入元件.远见布局,然后进行元器件的走线。如图312所示。完成PCB的最终制图,在控制主板设计成功以后，根据提示，格源文件发往工厂迸行P
29、CB的打板、制样、焊接元器件。如图3-13所示。图3-124系统测试在完成系统各模块设计后,需要对需要的功能进行测试。以下内容为实物测试部分.检验功能的完整性。4.1 实物图当给系统通电后,1.CD1.602显示屏的数据如下所示。第一行显示Coded1.oCk,第二行显示password:图4-1实物图4.2 按键设置此次电子门禁锁系统的按键模块部分可以输入型码，也可以修改各助参数。当输入空码输入正确时.继电需闭合.指示灯亮.显示屏第二行会出现OpCn.如图42所示,图4-3密码错误当卡片放在射频识别器上，显示。Pen图4-4卡片识别正确当指纹放上去正确会显示fingerok.不正确会显示fi
30、ngererr.图4-6指纹识别错误4.3调节模块当空码、指纹、卡片对应正确时.相应的1.ED发光二极管点亮,继电器闭合表示锁被打开,如图5-7所示。以指纹输入为例，当指纹符合.继电器开关闭合，此时指示灯亮.表不空码锁打开O如图5-7所小O图4-7型码锁打开4.4 测试结果分析通过以上测试结果，选定了硬件设施.经测试.硬件设施没有问题,可以进行下一步的测试，观察烧录以后的单片机是否符合设计的功能，其中包括测试空码输入.指纹输入，以及刷卡可以正常解锁,可知该安全门禁系统可以稳定运行。4.5 系统设计完成总结最近几年科技发展迅速，人民生活水平提升，安全成了第一位，由于智能型码锁是关乎若家庭安全的第
31、一道门，显若尤为重要C本文设计的一款电子密码锁，具有安全性、便捷性、氐成本的优点，并可以完成家庭门禁安全的基本内容。在设计此款空码锁的过程中，在百度、知网等查阅大量相关内容,略微了解电子门锁，根据生活经鸵，确定了电子门锁初步需要实现的一些相关功能,在导师、同学等帮助下完成了电子密码锁的主体设计。5总结在该安全门禁系统中.系统整体实现了通过矩阵键盘修改参数、报警、开锁的功能。在进行开锁过程中，通过继电器开关的闭合和1.ED亮灭模取开门，以此来达到用电子空码锁进行开锁的目的，从而箜够相对的安全迸行保护生产与财产安全。同时，本系统可以针对各种情况,通过按键设定密码、并修改密码以及对指纹和卡片的储存与
32、删除，万便人们操作。保证了门禁的安全，又容易操作,因此应用范圉可以相对的大了很多。当然，在整个过程中我也遇到过很多问题，比如指纹识别时.始终没有响应继电器的开关始终不能闭合，导致系统不能运行，后来经过同学和导师的帮助,查看了系统最终找出了问题所在。由于能力欠缺.门禁系统尚有很大的改进空间,例如.本系统仅限于对按键、空码、卡片诳行检测，设有对其他参数进行输入与运用，例如面容识别、语音识别等的监测和控制，今后应根据具体情况具体坏境增加对其他硬件的使用。可以应对于各种环境,根据环境的不同选择不同的硬件模块,这样既可以更高效的使用.又可以节省成本，使得此套安全门禁系统的使用范围更广泛。参考文献II王宇
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