优秀毕业设计密码门禁系统设计.docx

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优秀毕业设计密码门禁系统设计

摘要

本设计使用AT89C51实现基于单片机的密码门禁系统的设计，其主要具有如下两种模式：

业主模式和访客模式；在业主模式下，设置8位密码，密码通过键盘输入；若密码正确，亮绿色灯，蜂鸣器发出核对通过声并将锁打开；若输入密码错误，则亮黄灯并发警示声提示错误；若密码连续输入错误超过3次，亮红灯，蜂鸣器发报警声，并且锁定键盘。

在访客模式下，房间号通过键盘输入，为3位，若输入的房间号存在亮绿灯，向居民发送请求并发核对通过声；若输入的房间号不存在，则亮黄灯并发警示声提示错误；若房间号连续输入错误超过3次，亮红灯，蜂鸣器发报警声，并且锁定键盘。

密码门禁系统的设计主要有三部分组成：

4×4矩阵键盘接口电路、密码锁的控制电路、八位七段LED数码管显示电路。

另外还有LED提示灯，报警蜂鸣器等。

本文设计的密码门禁系统以单片机AT89C51为核心，从单片机最小系统设计、键盘设计、显示电路、开锁电路及报警电路等几个方面出发，详细研究和设计了密码门禁系统的各个部分，完成了系统的软件编程。

关键词：

AT89C51；LED；4×4矩阵键盘；密码锁

Passwordentranceguardsystem

Abstract

ThisdesignuseAT89C51realizesthepasswordentranceguardsystemwhichbasedonsinglechipdesign.Itmainlyhasthefollowingtwomodes:

theownermodeandthevisitorsmode.Inownermode,setupeightpassword,passwordthroughthekeyboardinput;Iftheinputpasswordcorrect,lightgreenlight,thebuzzersendout"mistakes"soundandwillopenthelock;Iftheinputpasswordmistake,thebrightyellowlighttohinterror;Ifthepasswordinputthewrongmorethanthreetimes,brightredlight,thebuzzersendout"drops"sound,andlockthekeyboard.Inthevisitormode,inputowner’sdoornumber,requestthescreencallsandopeningthedoor.Theownercanchoosetoopenthedoororrefusedtocallthescreen.

Passwordentranceguardsystemdesignofthreemainparts:

4×4matrixkeyboardinterfacecircuit,passwordslockcontrolcircuit,totalcathodeseventh--8LEDdisplaycircuit,andanotherLEDlights,alarmbuzzer,etc.

Inthispaper,thedesignpasswordentranceguardsystembasedonthesinglechipcomputerAT89C51,startwithsinglechipminimizesystemdesign,thekeyboarddesign,displaycircuit,theunlockcircuit,thealarmcircuitandseveralotheraspect,detailedresearchanddesigntheallpartsoftheentranceguardsystem,completethesystemsoftwareprogramming.

Keywords:

AT89C51；LED；4×4matrixkeyboard；Passwordslock

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章绪论1

1.1本课题研究的背景和意义1

1.2密码门禁系统的概述1

1.3密码门禁系统的发展趋势1

1.4本次设计的任务1

第二章系统的总体设计3

2.1系统的结构3

2.2系统的可行性分析3

第三章硬件电路设计5

3.1单片机AT89C51的简介5

3.1.1AT89C51主要特性5

3.1.2AT89C51的引脚6

3.1.3存储器结构7

3.1.4振荡特性8

3.1.5芯片擦除8

3.24×4矩阵键盘8

3.2.1键盘识别方法8

3.2.2如何消除键的抖动9

3.2.3按键的设置9

3.3振荡电路9

3.4复位电路10

3.5显示电路10

3.6报警电路11

3.7设计、仿真电路图12

第四章软件程序设计13

4.1软件设计原则13

4.2软件设计流程图14

第五章系统功能15

结束语18

致谢19

参考文献（References）20

附录A外文翻译_原文部分21

附录B外文翻译_译文部分25

附录C程序清单27

第一章绪论

1.1本课题研究的背景和意义

社会治安仍是当今社会面临的一个重大安全问题，如何应用高科技手段提高安全防范措施，更有效地阻止犯罪行为的发生是科技工作者义不容辞的责任。

在目前的形势下，对于普通单元楼，仅仅依靠普通的门锁、防盗门来保证单元楼居民的安全是不够的。

因为眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。

所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。

经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。

有关专家人士剖析，弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小手一定条件的限制。

此外即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。

况且在钥匙丢失后，传统机械锁的安全性将大大下降。

如果能安装一套适合于整个单元楼的简易门禁系统，将会有助于保护居民的安全。

鉴于此，我们的“密码门禁系统”—带液晶显示和报警功能的数字密码锁便应运而生。

1.2密码门禁系统的概述

门禁就是出入口控制，在人们进出重要通道的时候进行适当级别的权限鉴别，以区分是否能通过的一种管理手段。

门禁系统属于智能弱电系统中的一种安防系统，作为一种新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，计算及技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。

它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。

门禁系统通过在建筑物内的主要管理区、出入口、电梯厅、设备控制中心机房及贵重物品的库房等重要部门的通道口安装门磁、电控锁或读卡器等控制装置，由计算机或管理人员在中心控制监控，能够对各个通道口的位置、通行对象及通行时间、方向等进行实时控制或设定程序控制，从而实现对出入口的控制。

门禁系统一般由门禁控制器、门禁读取器、输入口、电控锁、门禁软件、电源和相关门禁应用设备几部分组成。

常见的门禁系统有：

密码门禁系统、非接触IC卡门禁系统，指纹、虹膜、掌型等生物识别门禁系统等。

密码门禁系统的核心部分是电子密码锁，电子密码锁以51单片机为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存储、识别和显示、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接受传感器送来的报警信号、发送数据等功能。

具有很高的安全性、可靠性、低成本、低功耗、易操作等优点。

1.3密码门禁系统的发展趋势

随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。

而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。

密码门禁系统的核心部分密码锁发展到现在已有许多品种出现，如数字密码锁、红外线控制密码锁、电子密码锁、智能密码锁、单拨式电子密码锁和拨码盘式全机械式密码锁等等。

但集自动报警、远程通信、远程控制、信息记录为一体的机电一体化的密码门禁系统将是未来的发展趋势。

1.4本次设计的任务

本次设计就是要完成一个基于单片机的密码门禁系统，它用于一个单元楼的门锁控制。

设有两种工作模式：

居民和访客。

当输入8位密码并按下开锁键后启用居民模式，当输入三位房门号并按下呼叫键后启用访客模式。

在居民模式下，如果输入的密码正确则开锁，如果密码错误则提示警告，如果输入密码错误超过三次则发出报警并自动锁定键盘。

在访客模式下，用户输入房门号呼叫居民，居民可以在房内选择是否开锁。

第二章系统的总体设计

2.1系统的结构

基于单片机的密码门禁系统的结构如图2-1所示，各部分主要功能如下：

图2-1密码门禁系统结构

①AT89C51即单片机，对系统的各项数据、指令进行处理。

②八位七段数码管显示电路，用于输入时显示密码和房间号。

③振荡电路，用于产生时间数据。

④矩阵键盘输入电路，用于密码，房间号输入及系统操作。

⑤报警电路，用于系统被恶意试探或输入密码错误超过三次时发出报警信号。

2.2系统可行性分析

本次设计使用ATMEL公司的AT89C51实现基于单片机的密码门禁的设计，其组要有如下功能：

AT89C51单片机P2口作为键盘口，其中P2.0~P2.3为键盘扫描输入线，P2.4~P2.7为键盘扫描输出线，组成4×4共16个按键，10个数字键，A、B、C3个字母键，D、E、F3个功能键。

P0.0~P0.2为八位七段LED数码管显示位控口，P0.5~P0.7为指示灯控制口，其中P0.5控制绿LED灯，表示输入的密码或房间号正确；P0.6控制红LED灯，表示连续输入密码或房间号3次后报警；P0.7控制黄LED灯，表示输入的密码或房间号错误，但次数为到3次。

P1口为八位七段LED数码管显示段控口。

P0.3输出呼叫信号来呼叫居民，P3.6输出开锁控制信号驱动电磁锁，P3.7输出音频控制信号。

通电复位，电路进入就绪状态，等待居民输入密码或房间号。

当输入密码或房间号后，通过对按下功能键的判断来选择开门、呼叫、重新输入操作。

当输入的密码正确，则发出密码正确声音和开锁信号并亮绿色LED灯；当输入密码错误，则发出密码错误警示音并亮黄色LED灯；当连续3次输入密码错误则发出报警声并亮红色LED灯。

输入的房间号存在，则发出呼叫声音、呼叫信号并亮绿色LED灯；当输入房间号不存在，则发出房间号不存在警示音并亮黄色LED灯；当连续3次输入房间号不存在则发出报警声并亮红色LED灯。

主要的设计实施过程：

首先，选用ATMEL公司的单片机AT89C51，并选择其他电子元器件。

第二步，设计硬件电路原理图，并在Proteus中完成布线。

第三步，使用KeviluVision3软件编写单片机的汇编语言程序。

第四步，使用Proteus和KeviluVision3进行软硬件联调。

第三章硬件电路设计

3.1单片机AT89C51的简介

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图3-1所示：

图3-1AT89C51外形及引脚排列

3.1.1AT89C51主要特性

主要特性：

1、与MCS-51兼容

2、4K字节可编程FLASH存储器

3、寿命：

1000写/擦循环

4、数据保留时间：

10年

5、全静态工作：

0Hz-24MHz

6、三级程序存储器锁定

7、128×8位内部RAM

8、32可编程I/O线

9、两个16位定时器/计数器

10、5个中断源

11、可编程串行通道

12、低功耗的闲置和掉电模式

13、片内振荡器和时钟电路

特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，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。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.1.2AT89C51引脚

引脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P1口部分引脚还具有第二功能，P1口第二功能如表3-1所示：

表3-2P1口第二功能

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口每个引脚还具有第二功能，P1口第二功能如表3-2所示：

表3-2P3口第二功能

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.3存储器结构

程序存储器：

如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。

对于89C51，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H~1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址范围为：

2000H~1FFFH。

数据存储器：

AT89C51有128字节片内存储器。

它由RAM块和特殊功能寄存器（SFR）块组成。

RAM块有128个字节，其编址为00H~7FH；SFR块占128个字节，其编址为80H~FFH，两者连续但不重复。

3.1.4振荡特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.5芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.24×4矩阵键盘

本系统的输入功能基本可以由键盘完成。

键盘按其结构形式可以分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。

编码式键盘是由其内部硬件电路自动产生被按键的编码。

这种键盘使用方便，但价格昂贵。

非编码式键盘主要由软件产生被按键的编码。

它结构简单、价格便宜，但使用起来不如编码式键盘方便，键盘管理程序的编码也较为复杂。

单片机系统中普遍使用非编码式键盘。

这类键盘应主要解决以下几个问题：

①键的识别；②如何消除键的抖动；。

在以上几个问题中，最主要的是键的识别。

3.2.1键盘识别方法

非编码式键盘识别闭合键通常有两种方法：

一种称为行扫描发法，另一种称为线反转法。

在本次设计中，采用类似于线反转法的一种键盘识别方法。

矩阵键盘接线如图3-2所示：

图3-2矩阵键盘接线图

具体识别方法如下所述：

首先将行线作为输出线，列线作为输入线。

先通过行线输出全“0”信号，读入列线值。

如果此时有键被按下，则必然使某1列线值为0。

然后逐列判断找出值为0的列，记下列号。

再将行线和列线的输入输出关系互换，并且通过列线输出全“0”信号，读入行线值。

然后逐行判断找出值为0的行，记下行号。

这样，当一个键被按下时，必定可以读得一对唯一的行号和列号。

为了使获取键值方便，设定：

从上到下，行号依次为0、1、2、3；从左到右，列号依次为0、4、8、12。

如此，被按下键的键值为行号与列号之和。

3.2.2如何消除键的抖动

由于按键为机械开关结构，因此机械触点的弹性及电压突跳等原因，往往在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动，如图3-3所示。

图3-2键闭合和断开时的电压抖动

为了保证见识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行状态的输入，为此需要进行去抖动处理（消抖）。

去抖动有硬件和软件两种方法。

硬件方法就是加消抖电路，从根本上避免抖动的产生；软件方法则采用时间延迟以避开抖动，待信号稳定之后，在进行键扫描。

一般情况下，延迟消抖得时间约为10~20ms。

在本次设计中，为简单起见，采用软件延迟消抖的方法。

3.2.3按键的设置

本系统的按键设置主要分为数字字母键和功能键两部分。

数字包括0~9，字母键包括A、b、C，功能键包括开门、呼叫、清除。

矩阵键盘的界面设置如图3-3所示：

图3-3矩阵键盘界面

其中开门键为输入密码后，请求开锁用；呼叫键为输入房间号后，请求呼叫居民用；清除键为将当前输入的内容清除，重新输入用。

3.3振荡电路

时钟电路分为内部方式和外部方式两种电路，XTAL1和XTAL2分别构成片内振荡器的反相放大器的输入端和输出端，如图3-4所示。

可采用石英晶体或陶瓷振荡器。

由于输入到内部时钟电路是经过一个二分频触发器的，故不需要对外部时钟信号的工作周期提出特别要求，但必须遵守最小和最大电压高低电平的要求，在晶体振荡器的两端并联两个电容C1，C2参数为30pF，对振荡器频率有微调作用，振荡范围为1.2MHZ~12MHZ。

图3-4振荡电路

3.4复位电路

复位电路可以分为上电复位和外部按键复位两种复位方式。

本次设计采用的是复合复位电路，既有上电复位也有外部按键复位。

复位电路如图3-5所示：

图3-5复位电路

3.5显示电路

本设计中显示电路包括两个部分：

绿红黄LED灯及共阴极八位七段LED数码管显示器。

LED灯接口电路、LED数码管接口电路分别如图3-6、3-7所示：

图3-6LED灯接口电路

图3-6LED数码管接口电路

如果要在同一时刻显示不同的字符，从电路上看这是办不到的，只能利用人眼对视觉的残留效应，采用动态扫描显示的方法，逐个地循环点亮各位数码管，每位显示2ms左右，使人看起来就好像在同时显示不同的字符一样。

为了实现LED显示器的动态扫描显示，除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常所说的“段控”和“位控”。

因此对于多位LED数码管显示器的接口电路来说，需要有两个输出口，其中一个用于输出显示段码；另一个用于输出位控信号。

在此通过三八译码器使P0.0、P0.1、P0.2三个口控制显示器的八位。

3.6报警电路

本设计带有声音提示及自动报警功能，当输入密码或房间号后有相应提示音；当连续输入密码或房间号次数超过3次后则自动发出报警声音。

其设计思路如图3-7所示：

当输入产生某种结果后，AT89C51单片机发出声音从P3.7端口输出到LM386，经放大后送入喇叭。

图3-7音频电路

3.7设计、仿真电路图

图3-8设计、仿真电路

第四章软件程序设计

4.1软件设计原则

软件是系统的灵魂，如果没有软件，那么硬件也心痛虚设，只有配合了软件，硬件电路才可以完成人们设计它时的一些功能，所以软件设计就显得比较重要了。

但是软件的设计是建立在硬件的基础上的，它是在硬件电路的基础上，编写程序，使得CPU能够按照人们的设想给出脉冲从而在硬件电路上实现其功能。

在本次软件设计中，单片机应用软件系统的设计包括功能模块划分、程序流程确立、模块接口设计以及程序代码编写。

依据系统的功能要求，将整体软件系统分割成若干个独立的程序模块。

在软件设计中，从以下几个方面考虑了设计原则。

（1）程序代码效率。

汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点目标代码简短，占用内存少，执行速度快，效率高。

（2）程序错误分析。

主要是对一些错误的语句的识别纠正。

4.2软件设计流程图

键分析程序流程图如