1、嵌入式微控 S08AW原理与实践题 目： 楼层单元门禁系统的设计 学 院： 电气工程学院 班 级： 自动化 xxx 姓 名： xx 学 号： xx 楼层单元门禁系统的设计摘 要对通道进出权限的控制（密码输入进门的控制）；对讲系统（可实现门外和住户的对话及开门控制）。在异常情况下（输入密码错误）实现报警；本系统的核心器件是单片机，通过对单片机已经写入得程序的实现上述功能。可实现普通机械门锁所不能实现的自动门控系统。关键词：51 单片机；门禁系统；对讲通话系统；Proteus 仿真目 录摘 要 II1 绪论 31.1 门禁系统的分类 31.2 本课程主要的设计工作 31.3 本课程设计的意义 31
2、.4 本课程设计主要应用的场所 32 本课程设计总体方案设计 32.1 基于单片机的单元门禁系统的系统框图和基本工作原理 32.2 各模块的功能 32.3 小结 33 硬件电路的设计 33.1 门禁系统的硬件电路原理 33.2 各分电路设计 33.2.1 供电电源电路设计和锂电池充电电路设计 33.2.2 报警电路的设计 33.2.3 门号选择电路的设计 33.2.4 矩阵键盘的设计 33.2.5 LED 显示电路的设计 33.2.6 断电保护电路 33.2.7 通话电路的设计 33.3 小结 34 软件系统设计 34.1 编程语言及开发工具 34.2 软件系统的流程结构 34.3 断电密码储
3、存子程序 34.4 密码输入及其判断子程序 34.5 门号输入及其判断子程序 34.6 小结 35总结 16参 考 文 献 17附 录 191 绪论随着自动识别技术的发展，门控（门禁）系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，但是总体来说门控（门禁）系统大体分为这一下三类：密码门禁系统 , 刷卡门禁系统 ,生物识别门禁系统。随着电子信息技术的高速发展，门控系统应用的自识别技术更为先进（感应接触技术、生物识别技术等），设计也趋于更合理，控制器与识别仪分体设计，识别仪安装在门外，控制器安装在门内，即只有识别仪对控制器的输入线露在门外，其他所有控制线均在门内，因此在安全性方面有很大的提高，系统的可靠性、
4、管理和使用的方便性等方面也有很大的进步。1.1 门禁系统的分类随着科技的发展电子类的科技的更新日新月异，门控系统的应用已不局限在单一的出入口控制。它不仅可以应用于智能大厦或智能小区的门禁系统，还可以应用在远程控制、停车场控制、电梯控制、交通管理或与其他系统联动控制等多种控制场合。所以经过多年的发展，门禁系统发展很快。门禁系统可分为三类： （1）密码门禁系统电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性
5、已大大超过了机械锁。（2）刷卡门禁系统顾名思义此系统需要刷卡,通过刷入射频卡，对射频卡的辨别来实现开门和关门任务的功能，目前市面上的卡有很多种类：条码、磁卡、接触式 IC卡，非接触式 IC卡等，条码和磁卡，在超市和银行方面应用的比较多，接触式 IC卡，以前在公共电话中用的比较多，但接触式 IC卡，芯片外露易坏、易折，而非接触式 IC卡既射频卡，它把芯片和线圈封装卡片内，不容易损坏、不怕恶劣的环境，现在社会上很流行，可靠性也高。（3）生物识别门禁系统采用生物识别技术的门禁系统在安防行业应用已经越来越多,包括银行、监狱、部队等单位已经采用生物识别的门禁系统来加强其管理的安全性和使用的方便性。1.2
6、 本课程主要的设计工作1.2.1 课程设计内容设计一楼层单元门禁系统，能实现楼层住户密码开锁或呼叫开锁，能显示操作状态，阻止陌生人进入，能输出报警及显示。设计完整的电路原理图和编写相关程序。1.2.2 设计具体要求用 MCS-51系列单片机或其它 CPU作为控制器设计一完整的控制系统,需包括以下内容：各楼层需实现呼叫及对讲；用 LED显示；有密码输入按键；有声音及报警输出；当断电时能维持 24小时正常工作。用 PROTEUS 仿真其中一个功能。1.3 本课程设计的意义门控（门禁）系统是在传统的门锁基础上发展而来的，传统的门锁是一种单纯的机械装置，虽然经过不断地改进，安全性有所提高，但是无论如何
7、总能通过某种非正常的手段把它打开，其安全性较差。对于使用者来说，一把锁配一把钥匙，多把就需要多把钥匙，使用起来不方便。在出入较多的通道（办公室，酒店客房等），钥匙的管理也相当麻烦，遇到钥匙丢失或人员更换都要把钥匙一起更换。为了解决这些问题，出现了电子密码锁，这种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理效率，使通道管理进入了电子时代。综合市场上的楼宇对讲系统和电子密码锁，我设计出了集合两种功能并且自带防盗报警的多功能门控系统。1.4 本课程设计主要应用的场所由于此设计综合了基本的门禁系统和楼宇对讲系统的功能，因此其主要的应用场所为小区综合楼，集体居住宿舍，写字楼等的安全程度要求不是很高的
8、场所。2 本课程设计总体方案设计门控电路的硬件部分主要由主要供电电源电路、备用电源电路、单片机外围电路、键盘电路、LED显示电路、报警电路、通话电路等电路模块组成。分为三块电路设计，一块电路实现电源电路，第二块电路是与单片机直接控制相关的电路，第三块是对讲电路，采用这种设计是根据各个电路模块之间的距离和功能来划分的，说明起来也更加合理。2.1 基于单片机的单元门禁系统的系统框图和基本工作原理智能控制器由主要供电充电锂电池电路、蜂鸣报警电路、单片机及其外围电路、（键盘电路、LED显示电路）通话门铃电路的等电路模块组成。主框图如图 2.1 所示。单片机密码门禁系统如上图所表示，电源由主要供电充电锂
9、电池电路和变压电路组成，主要供电电路是由市电通过变压滤波整流稳压后直接向各部分电路供 12V和 5V电压。当断电时有锂电池供电。51 单片机是整个电路的核心部分，其中单片机 IO口的输入有 4x4 矩阵键盘、AT24C02 E 2ROM的储存器等，输出LED显示、报警电路、门铃通话电路2.2 各模块的功能变压电路：将市电压滤波整流稳压后对锂电池充电。充电锂电池电路：在断电的情况下能够继续想门控系统供电。4x4 矩阵键盘：实现住户输入密码开门，访客输入门号进行通话。AT24C02 E2ROM：实现对用户密码的储存。LED 显示：显示相关的信息。报警电路：当用户密码输入错误时报警提示。PAS500
10、1-NAT89C52单片机键盘矩阵4*4AT24C02断电保护供电充电锂电池电路通话电路LED 显示错误报警电路通话电路：访客通过输入门号，对住户进行通话。2.3 小结3 硬件电路的设计3.1 门禁系统的硬件电路原理硬件总体电路原理图如下所示，其中包括 LED显示模块，蜂鸣器报警模块，键盘模块和存储模块等，包括晶振电路复位电路、电源电路和锂电池充电电路。3.2 各分电路设计3.2.1 供电电源电路设计和锂电池充电电路设计如图 3.2.1.1所示电路为输出电压+5V、输出电流 1.5A的稳压电源。它由电源变压器 B，桥式整流电路 D1D4，滤波电容 C1、C3，防止自激电容 C2、C3 和一只固
11、定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。图 3.1 电路原理图 图 3.2.1.1220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路 D1D4 和滤波电容 C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805的 Vin和 GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过 LM7805的稳压和 C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为 TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、
12、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件锂电池充电电路设计：如图 3.2.1.2采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压 3伏即可。R1、Q1、W1、TL431 组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2 构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED 为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后 R4上的压降将降低，从而使 Q3截止， LED 将熄灭，为保证电池能够充足，请在指示灯熄灭后继续充 12小时。使用时请给 Q2、Q3 装上合适的散热器。本电路的优点是：制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且
13、不会损坏电池通过改变 W1可以对多节串联锂电池充电，改变 W可以对充电电流进行大范围调节。图 3.2.1.23.2.2 报警电路的设计此电路设计相当简单可以实现简单的提示及报警功能，由单片机输出一开关信号使报警灯和蜂鸣器工作。如下图 2.2.2所示。3.2.3 门号选择电路的设计本设计假想了本单元有 7层楼，每层楼有一位住户，从下到上依次是101、201、301、401、501、601、701。在设计门号选择电路时考虑到了使用 3线 8线译码器。当呼叫的为 101用户时单片机输出三位编码提供给译码器译码，在通过译码器呼叫该用户。3线 8线译码器工作原理：引脚图 真值表如当呼叫 101住户时，单
14、片机端口输 001，而译码器输出端输出 10111111，从而控制 101用户进行通话功能。仿真图如下图 3.2.3.1图 3.2.3.13.2.4 矩阵键盘的设计本设计是用 AT89S52的并行口 P1接 44矩阵键盘，如图 2.2.4a所示，矩阵键盘的每个按键有它的行值和列值 ，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和 CPU通信。对键盘的处理程序功能：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键
15、，通过软件查表，查出该键的功能及其键值。设计中方案中的键值及其功能如图中下标所示，其中键值 15为访客、键值 16为住户，键值 11为确认，键值 12为取消，键值 14为呼叫，0-9 为相应数字。矩阵键盘 Proteus仿真图3.2.5 LED 显示电路的设计本设计采用了共阴极的 LED数码管来实现显示，此 LED数码管是有一个共阴极端，然后有a,b,c,d,e,f,g,DP为控制数码管的显示，显示原理如下表：数码管编码 显示 数码管编码 显示 数码管编码 显示0x3f O 0x73 P 0x79 E0x37 N 0x40 - 0x76 H0x3f 0 0x06 1 0x5B 20x4F 3
16、0x66 4 0x6D 50x7D 6 0x07 7 0x7F 80x67 93.2.6 断电保护电路本电路主要是对用户密码的一种储存防止断电后密码丢失的作用，采用了 AT24C02芯片。该芯片是美国 Atmel公司的低功耗 CMOS型 E2PROM，内含 256x8位储存空间，具有工作电压宽（2.5-5.5V）、擦写次数多（大于 10000次）、写入速度快、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。该芯片采用 I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和 I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。AT24C02 中带有的片内地址寄存器。每写入或者读出一个数据字节后，该地
17、址寄存器自动加 1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。通过 SDA及 SCL两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。而因为用了 I2C规程，使用主从机双向通信，主机和从机均可工作于接收器和发送器状态。主机产生串行时钟信号并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。其电路图如下图 3.2.6.1图 3.2.6.1图中 AT24C02的 1、2、3 脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。在 AT89C52试验开发板上它们都接地，第 8脚和第 4脚分别为正负电源。第 5脚 SDA为串行数据输入和输出，数据通过这条双向 I2C总线串行传送
18、，在 AT89C52实验开发板上和单片机的 P2.6连接。第 6脚 SCL为串行时钟输入线，在 AT89C52实验开发板上和单片机的 P2.7连接。SDA 和 SCL都需要和正电源间各接一个 5.1K的上拉电阻。第 7引脚需要接地。3.2.7 通话电路的设计通话电路模块主要功能是方便访客进行访问。由单片机进行信号的输出，模拟电路进行通话。原理图如图 3.2.7.1所示，在这个门禁通话电路图中，图中有两个“SPEAKER”一个是扬声器，一个是麦克风。BC109C 的共基极放大模型，提供了良好的电压增益，同时提供一个低阻抗输入与扬声器相匹配。自身的直流偏置用于允许晶体管内部的电流增益变化 。LM3
19、86 作为一种音频集成功放芯片用来驱动扬声器。10K 的电位器作为音量控制，总增益可以与预设的 5K想适应。双刀双掷开关，控制的通话与被通话的方式以便于相互通话。手动操作开关（室内安装）允许双向沟通。单片机 P1.1口作为信号输出口控制三极管是电路导通达到通话的目的。图 3.2.7.13.3 小结本章节对门控系统的硬件设计进行了阐述，并对各个分电路进行了详细的设计，设计中采用了 51 系列单片机中的 AT89C52 单片机，它功能完善，价格低廉，可靠性高、有良好的通用性。还采用了 LED 数码管显示模块，可以实现建立了良好的人机交互界面的要求，操作起来将更加方便。设计中采用了 4X4 矩阵键盘
20、，可以有针对性的让访客输入门号进行通话，让住户输入密码开门。设计中采用了 8 路模拟开关 74ls138 译码器用于对 7 个门号进行通断。在供电充电电路中，可以自动投入备用电源，其中采用了锂电池充电电路。可以保护蓄电池，使其寿命更久4 软件系统设计4.1 编程语言及开发工具本系统的处理器是兼容 8051指令集的高速单片机 P89LPC932A1。为此，首选 Keil Vision 作为其开发工具。Keil Vision 是美国 Keil Software公司出品的 51系列兼容单片机 C语言软件开发系统。其功能强大，生成的代码紧凑，是目前世界上使用最广泛的 51系列兼容单片机开发工具。4.2
21、 软件系统的流程结构下图图为主程序流程图，程序基本上是通过对键值的扫描，当输入对应的键时，运行相应的子程序。从而实现相应的软件功能。成功开始读取密码键盘扫描访客 住户报警N NY Y4.3 断电密码储存子程序对于 AT24C02 E2PROM 芯片该芯片采用 I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和 I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。AT24C02 中带有的片内地址寄存器。每写入或者读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加 1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。通过 SDA及 SCL两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每
22、个器件。而因为用了 I2C规程，使用主从机双向通信，主机和从机均可工作于接收器和发送器状态。主机产生串行时钟信号并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。时序图如下：门号输入记起判断 门号输入记起判断取消取消呼叫 开门程序流程图如下：4.4 密码输入及其判断子程序此子程序段是由主程序连续下来的，由于纸张太小，无在一个主程序流程图中无法将所有子程序流程图设计出来，故在此小节说明。在密码子程序中，以数组查表的方式将输入的密码和初始的密码进行比较，判断对误，并显示。设置的 4位密码为*在每输入一位密码时，屏幕将显示输入的密码位数，在此流程图中未将这些程序段一一写出，当密码输入错误的时
23、候将显示“ERROR”同时输出报警信号。当密码输入正确时，屏幕将显示“OPEN”。流程图如下图4.4.1按下住户按键取消 按键输入密码NY4.5 门号输入及其判断子程序显示：空白显示：-密码（4 位）初始密码为：1 2 3 4 判断程序显示：-OPEN显示：-ERROR此子程序大致与上子程序相同，只是在算法上有不同。此程序是间接的存储起来，然后再经过加法运算，将所得到的结果储存，然后再进行与已存的门号数组进行比较，判断结果。输出也和上程序不同，此程序是输出到模拟开关 74LS138译码器上的编码信号。当门号输入正确时，相应的编码将在单片机的 P1.4P1.6产生。下图的程序流程图为门号流程图
24、4.5.1按下访客按键取消 输入数字门号NY4.6 小结显示：空白显示：-本设计中的门号为101201301401501601701P1.4P1.6 输出相应的编码并呼叫显示：相应的门号 取消此章节对此课题的软件设计部分进行了详细的说明。利用程序流程图每个功能基本流程并结合元件内部特殊的指令进行了讲述。5 总结我的课程设计题目是“楼层单元门禁系统设计”。一开始，有点茫然，不知道怎么着手，甚至完全不知道应该怎么去做这个课程设计。最后我在网上查阅相关资料，发现很多前辈们都做过这个系统，于是借鉴了前辈们的设计，并通过自己的想象，确立了系统框图，确立了系统框图之后思路就变得十分清晰。历经了 10天的奋
25、战，甚至有几天做上瘾了晚上 2点才睡觉，最后课程设计任务完成。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，是这次毕业设计，让我拥有了无数难忘的回忆和收获。设计初期是搜集资料文献。在老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。在邓老师的指导下，我对我的系统设计进行了一部分的修改，加入了一些我原来没有想到的部分，和摒弃了一些无关紧要的内容。在这段时期，我时常进出学校图书馆搜集资料，还在网上查找各类相关资料，在学校电子阅览室，我搜索了一些学术论文和期刊文章，搜索了外文文献资料；藉此了解到一些相关的知识。接下来，我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究，对比。并根
26、据设计的系统框图仔细研究各个部分的软件和硬件。并在 Proteus和 DXP 2004中画出了仿真图和原理图。为了画出自己满意的电路图，图表等，我仔细复习和学习了 protues及 DXP 2004软件的使用。掌握了许多的细节问题。此次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。在设计电路的方案时，方案中我选用了 AT89C52单片机、AT24C02 E2PROM芯片和 74LS138译码器芯片，可以将所需功能更加容易实现。在设计期间遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，通过网络上的检索，和问
27、老师和同学，在他们的帮助下一步一步的完成了设计。所以越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习是最好的学习途径，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成设计之后的体会。参 考 文 献1 黄惟公,邓成中,王燕.单片机原理与应用技术M,西安-西安电子科技大学出版社, 2007.082 喻宗泉,喻晗,李建民.单片机原理与应用技术M,西安-西安电子科技大学出版社,2006.53 吴春国，李文石.单片机控制电子锁技术剖析M,东北林业大学学出版社，2002.54 赖麒文.8051 单片机 C 语言彻底应用M,科学出版社，2002.35 王忠明，朱荣庭.串行 EEPROM AT24C256 在声级计中的应用J,井冈山学院学报，2005.86 张莹，阳璞琼.基于单片机的小区单元门禁系统的设计J,通信技术，2012.24(3)7 杨世恩.智能电子门禁系统研究与设计J,通信技术,2011,44(5):78-70.8 王汝淋.智能门禁控制系统，北京电子工业出版社.2004.99 陈龙. 居住小区智能化系统与技术. 中国建筑工业出版社，2002.1010 阎石.数字电子技术基础.清华大学电子学教研组.1997.2附录 A 门禁系统设计原理图
