智能建筑门禁系统设计.docx

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智能建筑门禁系统设计

西南科技大学

电气工程及其自动化专业

方向设计报告

设计名称：

智能建筑门禁系统的设计

姓名：

学号:

班级：

指导教师：

起止日期：

2014年11月6日-2014年12月5日

西南科技大学信息工程学院制

方向设计任务书

学生班级：

学生姓名：

学号：

设计名称：

基于51单片机的智能建筑门禁系统

起止日期：

2014年11月6日-2014年12月5日指导教师：

设计要求：

1.查阅资料对门禁系统进行学习；

2.采用密码识别方法控制是否进入，当且仅当正确输入密码后才能开启门禁系统，开启一段时间后自动关闭；

3.为更好的保证门禁系统的安全，采用每个账号对应一个密码的方式进行；

4.设置一个特殊账号及密码对其他账号进行管理，包括对其他账号密码进行修改;

5.按要求完成设计报告。

方向设计学生日志

时间

设计内容

2014年11月7日

与导师进行交流，对设计进行解读并确定设计要求

2014年11月14日

准备相关资料并购买所需元器件

2014年11月18日

根据设计要求确定控制程序的大致框架

2014年11月25日

结合仿真软件和开发板编写和调试程序

2014年11月28日

焊接硬件电路并下载程序进行硬件调试

2014年11月30日

整理相关资料和程序书写方向设计报告

2014年12月3日

对报告格式内容有针对性的进行修改

智能建筑门禁系统的设计

摘要：

随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，大大促进了智能建筑的迅速发展。

门禁系统是智能建筑的重要组成部分，得到了广泛应用。

同时门禁安全已经受到了广泛的关注。

随着科学技术的发展，城市现代化的突飞猛进，电梯作为一种迅捷、高效、安全、可靠的垂直运输设备，成为人们不可缺少的交通工具。

本文介绍了一种应用STC89C52单片机设计的智能密码锁，本系统的设计主要有三部分组成：

4×4矩阵键盘接口电路、LCD1602液晶显示电路和LED提示灯。

系统为保证安全性采用了为每个用户提供一个独立的账号，并分配一个唯一的密码，当且仅当两者对应上才能开启门禁。

在此基础上，系统设置了一个管理员账号，可以对其他普通账号进行密码的修改工作，以保证在其密码泄露或者遗失的时候保障系统的安全。

关键词：

51单片机；智能建筑；门禁系统

Thedesignofaccesscontrol systemofintelligentbuilding

Abstract:

Withthedevelopmentofscienceandtechnology andthe improvementoflivingstandards, 

greatlypromoted thedevelopmentofintelligentbuilding.Accesscontrol systemisanimportantpartofintellgentbuilding,hasbeenwidelyapplied. Atthesametime security hasreceivedextensiveattention.

 Withthedevelopmentofscienceandtechnology, makeaspurtofprogress ofcitymodernization, theelevator asaquick, efficient vertical transportequipment,safe, reliable, becomesanindispensablemeansoftransportation.

Thispaperintroduces anapplicationofSTC89C52 singlechipintelligentpassword lock design, thedesignofthesystem iscomposedofthreeparts:

 4 *4matrix keyboardinterfacecircuit, LCD1602liquidcrystaldisplay circuitandtheLED indicatinglamp. Inordertoensurethe safetyof the system by providingaseparate account foreachuser, and isassignedaunique code, ifandonlyif thetwocorrespondingtotheopen access. Onthisbasis, thesystem setsanadministratoraccount, thepasswordcanbe forother

ordinaryaccount revisionwork, toensurethe security system when leakage orlost in the password

security.

Keywords:

51MCU; intelligentbuilding; accesscontrolsystem

一、设计目的和意义

1.1研究背景及意义

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。

二、控制要求

2.1功能要求

本次设计就是要完成一个基于单片机的智能建筑的门禁系统，它用于一个智能建筑的单元的门禁系统。

做到能够安全稳定的运行需达到如下几点：

1、能有效的控制门禁系统工作在正常情况下；

2、为更好的保证门禁系统的安全，采用每个账号对应一个密码的方式进行；

3、当且仅当正确输入账号和对应的密码后才能开启门禁系统，开启一段时间后自动关闭；

4、设置一个管理员账号及密码对其他账号进行管理，可对其他账号密码进行修改，以保证某个账号和密码泄露后影响整个系统的安全；

5、在输入相关信息的时候具有更正功能，在输入过程中和门禁已经开启的情况下具有紧急关门按钮。

2.2设计要求

本设计需用到的硬件电路有：

单片机最小系统电路、4×4矩阵键盘电路、LCD1602液晶显示电路和LED提示灯。

整个系统采用3节干电池供电，采用电池盒的方式安装，提供整个系统的电力，同时能保证整个系统能够具有很高机动性。

显示部分采用LCD1602液晶显示，在初始状态下显示的是相关提示语，当有按键按下后提示输入相关信息，当密码输入正确的情况下显示相关提示语，提示进入。

所有信息的输入采用4×4矩阵键盘进行，做到对按键的反馈准确及时。

在正确输入账号密码的时候，除有相关文字的提示外，还具有LED指示灯，LED指示灯当且仅当输入账号密码正确的情况下亮起。

当按下紧急关门按键的时候，LED提示灯熄灭，即LED指示灯在本设计中充当门禁的作用。

最后为了保证门禁开启后的安全性，防止其他为本楼用户进入，门禁在开启一段时间后需要自动关闭。

三、设计方案论证

本设计有多种方案选择，如：

可以采用数字电路控制：

用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码控制系统的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改），电路将锁定键盘保持，防止他人的非法操作。

采用数字电路设计方案时设计虽然简单，但控制的准确性和灵活性差。

故不采用。

由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。

一般来说在选取

单片机时从下面几个方面考虑：

性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性，除了以上的一些还有一些最基本的,比如：

中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等。

在开发过程中单片机还受到：

开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素。

另外，我们对单片比较熟悉也很重要。

基于以上因素本设计选用单片机STC89C52作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码控制功能。

在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接LED数码管用于显示作用。

当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键0－9输入密码。

密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入，当用户需要修改密码时，通知管理员登陆管理员账号对需要修改的用户密码进行修改。

输入无误后按下确认键就可以修改密码。

先可以看出此方案的控制灵活，准确性好，且保密性强还具有扩展功能，因此此次设计采用此方案。

四、系统设计

4.1 系统可行性分析

本次设计使用STC公司的STC89C52实现基于单片机的密码门禁的设计，其组要有如下功能：

 STC89C52单片机P1口作为键盘口，其中P1.0~P1.3为键盘扫描输入线，P1.4~P1.7为键盘扫描输出线，组成4×4共16个按键，10个数字键，A、B、C、D、E、F6个功能键。

P0口和P2.4~P2.6分别构成LCD1062的数据线和控制线。

LED指示灯通过P2.1进行控制。

首先，选用STC公司的单片机STC89C51，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Kevil uVision2软件编写单片机的C语言程序。

第四步，使用Proteus和Kevil uVision2进行软硬件联调。

第五步，根据经过调试了的电路图焊接硬件电路，并完成先关电路的功能测试。

第五步，将调试过得C语言程序下载到硬件电路中，测试能否设计功能。

4.2 设计原理

本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器等部分组成。

其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。

由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路，在开锁电路部分，为了更直观更方便的展示，采用是用LED指示灯代替其完成工作，即当需要开锁的时候，LED指示灯点亮；当需要关锁的时候，LED指示灯关闭。

本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。

其中硬件部分由电源输入部分、

键盘输入部分、复位部分、晶振部分、显示部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、密码设置程序、和延时程序等组成。

图

4-1系统结构图

4.3 硬件设计

4.3.1STC89C52单片机简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去然后外围接上复位电路、振荡电路、键盘控制、LED显示电路等子模块。

本设计所用的STC89C52及其所用端口如图4-2所示。

图4-2STC89C52连接图

4.3.2键盘识别方法

单片机使用的键盘相对于计算机键盘较简单,它是一种常开型的开关，平时键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。

 实际电路中键盘的结构通常有两种结构形式：

独立式键盘和矩阵式键盘，一般按键较少时采用独立式键盘，在按键较多时采用矩阵式键盘。

图4-34×4矩阵键盘

 矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线与列线组成，按键位于行、列的交 叉点上。

一个 3×3 的行列结构可以构成一个有 9 个按键的键盘。

同理一个 4×4 的行、列结构 可以构成一个 16 按键的键盘，很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多 I/O 接口。

图 4-3就是一个 4×4 矩阵式键盘。

4.3.3复位和晶振电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。

无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。

在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。

地址锁存信号ALE也为高电平。

根据实际情况选择如图4-5所示的复位电路。

该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。

增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。

当复位按键按下后电容C1通过R15放电。

当电容C1放电结束后，RST端的电位由R11与R15分压比决定。

由于R11<

R11的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电 。

AT89C51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图4-4所示方式连接。

晶振、电容C2／C3及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在5～30pF之间。

根据实际情况，本设计中采用12MHZ做系统的外部晶振。

电容取值为20pF。

图4-4晶振电路

图4-5复位电路

4.3.4显示电路

本设计采用的是LCD1602作为显示部分，LCD1602液晶能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。

LCD1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

其显示特性能够很好的满足本设计的设计要求，在本设计中采用P0口作为数据段，P2.4~P2.6作为控制段，其相关连接图如图4-6所示.

图4-6LCD1602连接图

4.3.5开锁指示电路

本设计中为了能方便的指示出可以开锁的状态，采用一个LED指示灯对该状态进行显示。

显示的状态为，仅当账号密码输入完全正确的情况下，点亮LED灯，其他情况下都应该关闭LED灯。

为了保证门禁的更加安全和稳定，在按键部分设置了一个强制关门的功能，当账号和密码正确输入后，门禁开启，LED指示灯点亮，此时如果按下强制关门按键门禁关闭，LED指示灯关闭。

在本设计中根据单片机的性能特征，采用灌电流的方式连接，即采用电流方向为流向单片机的方向。

本设计的指示电路如图4-7所示。

图4-7开锁指示电路

4.4 软件设计

4.4.1软件开发环境

本设计采用的是keiluvision2集成编译软件，KeiluVision2是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。

KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。

C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。

C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：

编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。

uVision2IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境，其集成的编译环境如图4-8所示。

图4-8keiluvision2编译界面

4.4.1软件流程

本设计软件流程图如图4-9所示，具体程序见附录。

图4-8软件流程图

五、设计结果及分析

5.1 设计结果

本设计所做实物运行结果如下：

1、供电部分采用4节电池盒3节电池供电的方式供电，供给整个系统供电量，保障了整个系统的正常运行；

2、单片机复位电路、晶振电路工作正常使单片机运行正常；

3、 4×4 矩阵式键盘的16个按键都工作正常，单片机对于案件按下反馈迅速，并能正确的对按键进行编码，并对编码进行正确的输入对应的数字或者功能；

4、LCD1602液晶工作正常，通过电位器能够调节液晶的背光显示，同时能够准确的显示需要显示的内容，包换对应的提示语、账号信息和密码；

5、开锁指示灯能在账号和密码输入正确后正常的点亮，并能在紧急关闭的按键按下后，马上关闭；

6、系统开机后，液晶显示“Pressthekey!

”提示输入账号和密码，当有按键按下后转换到输入账号和密码的界面。

当输入4为账号后，自动转换到下一行输入密码，当输入完4为密码后按下确定按钮，如果密码正确液晶显示“Hello!

PleaseEnter!

”并点亮开锁指示灯。

当门禁开启一段时间后自动关闭，恢复到初始状态；

7、为了保证安全在不同用户的基础上设置了管理员账号，可以对其他账号进行修改密码，但在初始状态下登录管理员账号便可进入修改密码界面，按动上翻和下翻便可以选择需要修改的账号，通过按钮输入修改后的密码按确认便可以修改密码，点击退出回到初始化状态。

5.2 结果分析

对应上述功能分析如下：

1、为了确保系统供电的稳定采用干电池供电的方式，因为如果用其他供电方式可能会因为其他供电方式的不稳定导致门禁系统就无法工作，采用3节干电池供电的方式能够保证供电，并且整个系统的耗电量很低可以保证长时间的供电；

2、该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位；

3、本设计采用的4×4 矩阵式键盘采用的是行列反转的方式进行扫描。

它由行线与列线组成，按键位于行、列的交 叉点上。

具体方法是，当行值不全为高时，保存此时的行值，将此时的行值从行输出，再采集此时的列值，并保存此时的列值。

最后将行值和列值组合起来进行编码查表，并可以判断此时按键的按下情况；

4、LCD1602能够显示2行字符每行16个字符，共计32个字符。

在本设计中根据其工作时序定义了相关子程序，并在主程序中进行调用，用于显示提示语、账号和字符。

5、本设计中为了能方便的指示出可以开锁的状态，采用一个LED指示灯对该状态进行显示。

显示的状态为，仅当账号密码输入完全正确的情况下，点亮LED灯，其他情况下都应该关闭LED灯。

为了保证门禁的更加安全和稳定，在按键部分设置了一个强制关门的功能，当账号和密码正确输入后，门禁开启，LED指示灯点亮，此时如果按下强制关门按键门禁关闭，LED指示灯关闭。

6、在程序分配了5个普通账号，其账号分别是0001~0005，其密码分别是5191~5194。

管理员账号是2011，密码是5194。

其实通过数组的方式建立的，并在判断程序中对其进行对应的验证工作，并将验证的结果进行反馈，以提供给其他程序进行工作。

包括显示相关提示语和控制开锁显示电路工作。

7、当密码判断程序中验证到账号和密码是管理员账号后，并开启修改密码的模式，此时可以选择需