基于单片机的智能门禁系统设计
摘要：随着电子技术、集成电路技术、计算机技术、传感技术、射频识别技术的飞跃发展，人们的生活方式不断向着舒适化、智能化方向发展。当今时代人们对于安全的要求越来越高，因此急需一款电子产品用来保护人们的人身安全和财产安全。本设计以STC89C52作为密码控制主芯片，通过不同形式输入模块如矩阵键盘、刷卡模块和指纹模块等输入信号，单片机对信号进行识别处理后，通过不同输出设备：如液晶显示器显示出相应内容，声光报警电路进行声音和灯光闪烁，继电器模块驱动电机进行开锁。
关键词：单片机；矩阵键盘；刷卡模块；指纹模块；液晶显示
近年来，随着国家对高科技领域的重视，越来越多的国家和地区开始享受科技带来的成果——走上了智能化、舒适化、高品质生活质量道路。便利了人们的衣食住行，但也使得许多心术不正的人犯罪手段更加高明多样。针对此种情况，一大批智能门禁系统应运而生。智能门禁系统在日常生活中应用非常广泛，到处可见，它是用来保护小区，重要场所的一种智能控制系统。然而在安全性和实用性方面这些系统有进一步提高的空间。当今，随着计算机技术、传感技术、射频识别技术的发展，智能化产品越来越受到人们的青睐。人们对安全的要求的越来越高，促进了新型智能门禁系统的诞生，在科技力量的推动下，智能识别技术应用在人们生活的众多领域，逐渐走向成熟，开始为人们生活服务。
1、 智能门禁系统设计方案
在智能门禁系统设计方案中，用户可以通过密码方式、刷卡方式、和指纹识别方式开锁。具体工作过程是：密码方式开锁是用户首先需知事先设置密码，然后通过矩阵键盘输入预先设置的密码，密码正确门禁将会自动开锁；否则会提醒重新输入密码，如果输入密码三次错误，系统将会发出声光报警信号；刷卡方式是用户首先持有一张系统能够识别的有效卡，用户拿卡靠近刷卡模块，门禁系统进行识别，若为事先预设的有效卡，门禁系统将会自动开锁，若为无效卡，门禁系统将不会自动开锁，并发出声光报警信号；指纹识别方式开锁是用户首先录入指纹，当用户需要进行指纹采集时，将手指放在取像光学摄像头上，摄像头会自动扫描读取指纹特征，并由专门的内部CMOS芯片储存。由于每个人的指纹都是不同的，特征也不同，因此每次指纹的采集需要进行两次，并通过CMOS芯片进行模糊处理，生成计算机能够识别的二进制语言，最后把这个结果保存在FLASH芯片里，构成一个库，方便之后的匹配调用。当用户需要入户进入时，将进行新的指纹采集，模块内部的CMOS芯片会再次捕捉并存储指纹图像，然后经过模糊处理生成二进制编码，并且把新生成的编码与事先存储的库中指纹进行比较，判断能否与库中某个编码匹配。一旦匹配到一样的编码，便返回相应编码，并从库中读取这个指纹。门禁系统进行识别，若指纹事先录入，门禁系统将会自动开锁；否则系统将会发出声光报警信号。
2、 系统硬件设计
本设计硬件结构主要由单片机最小系统、矩阵键盘模块、刷卡模块、指纹识别模块、继电器驱动模块、LCD液晶显示模块、声光报警电路组成，其中，单片机是该智能门禁系统硬件电路的核心控制部件，对各个功能模块及电路实现智能控制。根据功能需求，各功能模块及电路在独立运行，互不干扰的前提下，能实现信息互通。智能门禁系统结构框图如图1所示。
图 1 智能门禁系统结构框图
2.1单片机最小系统
单片机最小系统由STC89C52单片机主控芯片、复位电路和振荡电路以及电源电路构成。如图2所示。
图2 单片机最小系统
STC89C52单片机是一款低功耗、低电压、高性能的8位CPU,其中内部包含带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器、4k字节Flash闪速存储器，256字节片内数据存储器(00H -7FH为片内RAM，80H-FFH为特殊功能寄存器SFR)，4个I/O口，即P0,P1,P2,P3口共32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。复位电路接在AT89C51的RST端口，其中复位电路由10uF的电解电容，复位按键，10K的电阻组成，当单片机的RST端口第9个引脚，如果它继续接收超过2us的高电平时，系统将进行复位，使其恢复的初始状态。振荡电路是单片机按照一定的节拍使其各部分有条不紊的工作。它主要由一个11.0592MHz的晶体振荡器和两个
30pf的瓷介电容组成，并且两个电容器接在单片机的XTAL2，XTAL1和GND端口，
晶振能够为系统提供基本的时钟信号，同时与电路各部分相互配合，提供相应的时钟信号，以此来保证电路的正常运行，同时能使各部分保持同步，有利于系统程序的运行，保障电路的稳定。瓷片电容主要的作用是消除谐波对电路的影响，该晶振电路采用的是30pF的瓷片电容，能够有效的消除滤波，从而保持电路的稳定性。
2.2矩阵键盘
由于本设计需要设计数字密码，因此需要较多按键，因此按键与单片机的连接方式为矩阵键键，如图3矩阵键盘所示。
图 3 矩阵键盘与主控芯片线路接线图
本设计采用4*4的矩阵键盘。需要用到16个轻触按键，需要一组I/O口，其中P1.0-P1.3口的低四位作为行线，P1.4-P1.7为高四位作为列线。检测时，先将其中一条行线置低电平，比如将P1.0置低电平，单片机读取列线的电平状态，比如单片机读取到第一条列线为低电平。将高四位的列线与低四位的行线进行组合，就可以得到一个16进制数，0xee，从而判断出s1被按下，其他按键的检测也是如此。轮流将不同的行线置低电平，不断读取列线的电平状态，就可以得到不同的键值。矩阵键盘的优点是节省单片机的I/O口资源，其缺点是接线复杂，编程复杂。
2.3刷卡模块
刷卡模块能够解锁智能门禁系统，用户通过刷卡模块，可以读取卡信息。若果读卡信息匹配，则读卡成果，智能门禁系统自动开锁，否则为读卡失败门禁不能开锁。
本设计智能门禁系统设计使用RC522卡模块和S50密钥卡。其特点为低电压
、低成本和尺寸小的非接触式读卡器芯片，满足人们的日常需求，通过刷卡模块RC522与S50钥匙卡相互配合，能够省去输入密码的繁琐过程，直接刷卡能够自动开锁，真正达到智能化的要求，如果遗忘密码，也可以通过钥匙卡开锁，不用反复试验密码。
2.4指纹识别模块
本设计采用指纹模块AS608，能够录入指纹、生成特性、合成特征模板、存储指纹模板，然后再通过指纹模块进行指纹寻找，识别指纹的相关类型和标号，达到保障人们的财产安全和人身安全的目的。下面指纹识别模块的引脚及功能。
指纹模块具体组成：SP芯片、闪存芯片、光头、稳压芯片、传感器和其他元件和通信电缆等组成，其与单片机主控芯片接线方式如下图4所示。
图4指纹模块与主控芯片接线图
2.5液晶显示模块
本设计采用LCD12864模块输出显示信息。该芯片的优点是功耗低、体积小、能够显示数字、符号等内容，不需外加驱动电路。当用户用某种输入方式打开智能门禁系统时，液晶显示模块输出显示与之输入方式对应的功能信息。本模块利用单片机的P0口与LCD12864连接，实现信息传送和显示。
12864的屏幕能够显示32个16X16点阵的汉字，其中为4行8列的字符显示在屏幕上，每个RAM可以显示1个汉字。每个屏幕最多可显示32个中文字符或64个ASCII字符。其与单片机主控芯片接线如图5所示。
图5 液晶显示模块与主控芯片接线图
2.6继电器驱动模块
当通过不同输入方式输入信号时，智能门禁系统自动识别后去控制继电器进行相应的动作，若密码正确，继电器吸合，电磁锁得电打开，否则电磁锁闭合。并发出相应的声光报警信号。
继电器由铁芯，线圈，电枢，接触弹簧等组成。如下图6所示。引脚数目为5个，触点形式为转换型，属于密封性，能够保证电路正常运行。
图6 继电器驱动模块结构
2.7声光报警模块
该电路模块由NPN三极管、蜂鸣器、发光二极管和电阻组成。本设计中当密码输入次数达到3次时，系统就会报警，并提示密码输入错误。报警电路则用到了蜂鸣器和发光二极管。声光报警电路与主控电路芯片接线图如图7所示。本设计中使用的三极管是NPN三极管5401。当单片机的I/O口电平为高电平时，NPN三极管就会导通，蜂鸣器就会发出声音，同时发光二极管发光。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器内部有一个简单的振荡电路，当通入直流电时，能够将直流电转化为一定频率的脉冲信号，从而实现磁场交变，带动钼片振动发音。无源蜂鸣器内部没有驱动电路，当通入交流电后，利用电磁感应现象，通过电磁铁和永磁铁相吸和相斥发出声音。通过比较本设计采用了有源蜂鸣器。
图7 声光报警电路与主控芯片接线图
3、软件开发
本设计的软件开发由初始化、矩阵键盘模块、刷卡处理模块、指纹识别模块、LCD液晶显示模块、继电器驱动模块、声光报警模块构成。在电源接通后，智能门禁系统在不停的检测矩阵键盘模块、刷卡模块和指纹识别模块是否有可识别的信号，根据识别结果，配合相应的继电器、蜂鸣器和发给二极管的动作，以实现智能门禁系统的开锁功能。
4、结语
智能门禁系统通过采用STC89C2单片机作为主控芯片，利用矩阵键盘模块、刷卡模块和指纹识别模块采集和识别相关人员的信息，通过控制电磁锁最终实现对门禁的管理，该系统具有实现成本低、安全性高、功耗低等优点。本文在传统门禁系统基础上，融合了一系列新型的技术手段，提出了一种安全性更高、适应性更强、用户体验更友好的智能门禁系统解决方案。如今，在这个智能化的时代，融合新兴技术手段的新型智能门禁系统发展前景广阔，超强的市场竞争力深受人们的青睐。智能门禁系统取得智能化、人性化的进步，为人们的人身安全和财产安全带来强有力的保障，为高科技创新技术更好的服务于人类社会做出更大的贡献。
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作者简介：杜永峰（1978—），男，陕西宝鸡人，广东海洋大学寸金学院智能制造学院，讲师，硕士，主要从事人工智能、电气制图，工厂供电方面的教学与研究 。
课题信息：课题名称：基于单片机的智能门禁系统设计；课题负责人：杜永峰；课题来源：2018年院级大创项目；课题编号：CJDC2018025。
