智能门禁系统的设计制作本科毕业设计
天津职业技术师范大学
Tianjin University of Technology and Education 毕业设计
摘要
门禁系统是一种新型的智能管理模式，对于现今的安全管理起了不可替代的作用。在科技发展和社会财富不断增长的今天，为了加强主要工作管理区、进出口、珍贵物品的储存室、设备的控制管理中心、电梯口等重要通道安全防护处理办法，开发相应的智能门禁系统，来识别进出人员的身份资料，对进出通道进行安全防护和控制就有了很大的必要性。
通过对当代门禁系统发展概况和技术的研究，本方案提出以单片机为中央控制系统，加LCD液晶显示电路、键盘输入电路、读卡电路等外围电路，来完成非接触式IC 卡和密码两种方法控制的门禁系统。在具体的使用中，当感应卡接近读卡机或有密码通过键盘输入时，合法的卡信号正确的密码，继电器工作，电锁便会自动打开，非法卡和错误的密码将被禁止访问，并在显示器上提示卡是否合法，密码是否正确。系统设计简单，性能可佳，实用性较强。
关键词：智能门禁系统；非接触式IC卡；键盘密码
ABSTRACT
Access Control System is a new type of intelligent management,security management for today played an irreplaceable role. In technological development and socialy wealth growing today,in order to strengthen the management of the main work area an important channel to control the import and export management center, storage room precious items, equipment, elevator and other security approach, the development of appropriate smart access control systems, to identify the identity and out of personnel to carry out security and control channels have a great necessity.
By studying the development of contemporary overview of access control systems and technologies, the program made a microcontroller as the central control system, plus LCD display circuit, keyboard input circuit, circuit card reader and other peripheral circuits to complete non-contact IC card and two passwords methods to control access control system. In the specific use, when close proximity card reader or have the password via keyboard input, legitimate card signals the correct password, relay, power locks will open automatically, illegal card and the wrong password will be denied access, and tips on the display card is legitimate, the password is correct.System design is simple,the performance can be good,practical, strong.
Keywords: intelligent access control systems non-contact IC card keyboard password
目录
1 绪论 (1)
1.1 门禁系统简介 (1)
1.2 门禁系统的发展趋势 (1)
2 门控系统设计方案 (2)
2.1 门禁系统的方案选择 (2)
2.2 门禁系统的组成 (3)
2.3 系统实现功能 (3)
2.4 最小系统的设计 (3)
3 门禁系统的硬件设计 (5)
3.1 门禁控制器 (5)
3.2 射频卡与读写器 (9)
3.2.1 射频卡 (9)
3.2.2 读写器 (10)
3.3 电控锁 (11)
3.3.1 继电器 (11)
3.3.2 电控锁分类 (11)
3.4 键盘设计 (12)
3.5 LCD12864液晶显示 (12)
4 门禁系统的软件设计 (15)
4.1 软件开发环境 (15)
4.2 软件整体流程图 (15)
4.3 键盘程序流程 (16)
4.4 读卡程序流程 (16)
5 门禁的系统软硬件调试操作 (18)
5.1 硬件调试 (18)
5.2 软件调试 (18)
5.3 实际效果 (18)
结论 (20)
参考文献 (21)
附录程序 (22)
致谢 (29)
1 绪论
1.1 门禁系统简介
由于当今社会生活节奏快、压力大，经济也在不断发展前进，人们生活方式也在不知不觉中变化着，与此同时门禁系统得到广泛的普及。门禁系统在当今社会安全起着不可或缺的作用，运用自动识别技术来控制私人居住地和公司以及政府重要部门进出人员，将犯罪直接拒之门外。
门禁系统是信息时代的产物，是世界信息产业发展的一个新生领域。最早的传统门锁只是对于机械原理的运用，是纯粹的机械装置，虽在不断地进步，但也总能通过暴力等非正常方式打开，相对于门禁系统安全性较低，传统钥匙门锁在携带，丢失等情况下的处理较为复杂繁琐。随着继电器电子门锁的出现安全性和方便性得到了很大的改善。其实门禁系统就是在门口装有读取信息设备，只在进出人员经授权持有正确信息存储装置的情况下才可进去。这有效的管理了出入通道的开启和关闭，对进出人员在第一时间进行了控制监督，将危险系数降到最低。在长期发展的过程中，门禁系统已是种类繁多，具体可分为密码控制门禁系统 , 刷卡控制门禁系统 ,生物识别门禁系统等几大类。其中刷卡门禁的使用较为广泛。
1.2 门禁系统的发展趋势
在科技进步的过程中，电子行业首当其冲，其中门禁系统便得到了跨越式的进步，从萌芽已到了成熟期。门禁系统主要依赖于自动识别技术的支持，而无线通信和电子信息技术的进步，使得门禁系统中的自动识别技术更加成熟，这也是门控系统如今更加合理人性化的原因。
随着保密性的提高，有些用户需要更高级别的门禁系统。在门禁系统发展初期，接触式IC卡独占鳌头，但由于接触式IC卡磨损较大造成使用期限减短等问题，这驱使着识别系统的技术不断进步，非接触式将会占据市场。在国际大环境的促使下，非接触式IC卡产品将出现在国内将在各行各业行业中。非接触式在可靠性、使用方便快捷、成本上都将占据优势。而非接触式IC卡在居民小区的使用中会备受青睐，生物识别技术将会在安防等重要部门得到重视，门禁系统的发展将被推向高潮。
如今，现在，人们将目光转向了如何研发门禁系统的衍生功能，使门禁系统和其他科技结合起来，实现更多的功能。以门禁系统为基础添加其他相应的设备，以实现监控、对讲、报警等功能，同时门禁软件的稳定性和集成性将越来越高，从而为公安交警领域、机动车管理、企事业内部管理监督等更好地服务。
2 门控系统设计方案
2.1 门禁系统的方案选择
1、前端信息采集部分
前端信息采集部分一般有卡片读出式、密码输入和生物特征提取三大类。
（1）卡片式（即刷卡部分）
依卡片工作方式有接触式和感应式两类：接触式卡片有磁条卡、条码卡、红外线卡、铁码卡、集成电路智能卡（也成IC卡）等；感应卡由一片编程的特殊芯片和一组天线组成。天线用来发射和接受电磁波，芯片是感应卡的核心元件。感应卡具有防水、防污、能用与潮湿恶劣的环境等优点，刷卡时非常方便；感应速度快，节省时间，并且应具备隔感应特性，因此有隐秘性。目前多用于REID射频卡。
（2）密码输入式
密码输入式有电话面板固定式键盘和乱序键盘两种。电话面板固定式键盘的0~9在键盘的位置是固定不变的，因此，在输入密码是，易于被人记住仿冒，现仅用于与刷卡机配套使用。乱序键盘亦即0~9共10个数字在显示键盘上的排列方式不是固定式，而是随机的，每次使用时显示数字的顺序都是不同，这样就避免了被人窥视而泄露密码之可能。重要场所多采用这种方式。
（3）人体生物特征提取式
由于生物特征有着“人各有志、终身不变”和“随身携带”的特点，因此具有无法仿冒与借用、不怕遗失、不用携带、不会遗忘，具有独特性、唯一性、安全性，适用于高机密性场所及电脑中心的信息安全保护。目前一般有声音、签字、眼虹膜、掌形、指纹与面像等特征提取式，但现在比较成熟与使用最多的是指纹图像的采集处理与识别的门禁系统。
2、信息传输部分
信息传输部分有有线与无线传输之分。
（1）有线传输
门禁有联网型和非联网型（独立式），其有线传输多采用双绞线、电话线、电缆、光缆等。
（2）无线传输
无线传输采用微波、红外光波或移动通信网络等。
通过分析此系统卡片式和密码输入式相结合的方式通过无线传输来执行“钥匙”的功能。通过硬件与软件的结合来控制整个系统的正常工作。
2.2 门禁系统的组成
门禁系统的最基本的三要素为“3W”：When（何时）、Where（何地）、Who（何人）。
1、控制器：系统的大脑，系统的所有动作都是由它发出控制命令。
2、读卡器：系统的输入设备，有感应式和密码加感应式两种。
3、系统软件：通过软件我们使控制器按照我们的要求来控制整个系统。
4、电锁：对门的开关控制都是由它完成。
5、感应卡：人员进入管制通道的凭证。
6、键盘输入装置：执行密码输入动作。
7、显示器：对卡或密码的合法与正确进行提示。
在现今社会，门禁系统的应用范围越来越广泛，也正是由于门禁系统实用性强，市场需求大，应用广泛，我们便选此作为研究设计的课题。
2.3 系统实现功能
非接触式IC卡门禁系统已成为未来发展的重要方向。本设计将非接触IC卡和键盘密码结合起来分别控制门锁。通过控制系统使该设计实现以下功能：
1、通过上位机设置6位密码，设置后，密码保存到存储器AT24C02中，掉电数据保存功能。
2、支持非接触式IC卡授权功能。
3、支持非接触式IC卡注销功能。
4、自动识别非接触式IC卡功能。如刷授权过的IC卡，提示“合法卡”并且开门。如果刷未授权的IC卡，提示“非法卡”，不开门。
5、如忘记携带IC卡，可通过键盘手动输入密码功能。密码输入错误显示器会出现错误提示且继电器不工作（不开门）；若密码输入正确则继电器工作（开门）。
6、具有上位机保存数据功能。
这使得传统的机械门锁的钥匙被一张非接触式IC带取代，使财产保护更加安全，且可控制进出权限，记录进出人员信息。在卡片忘记携带的情况还可以通过键盘输入密码进去。
2.4 最小系统的设计
ST89C52单片机与ATC89C52在电子业内部有着广泛的赞誉，所以这两种芯片初步定为核心控制器。但是ST89C52单片机相较于ATC89C52单片机的性能更为优越，其芯片的可控性更高，而且价格更为便宜。还有AT89C52已经逐渐停产，所以最终选用AT89C52单片机。
STC89C52单片机具有低电压，功耗低，高性能CMOS8的特点。内部含有只读存
储器，具有8K字节，而且可编程可擦除。内核使用MCS-51，与传统的单片机相比，MCS-51的到了很大的改善，增添了很多新的功能，能够为控制系统提供相对较多的解决方案。
通过比较和系统设计，决定以STC89C52单片机作为系统的控制核心，以其为基础添加外围电路。门禁系统的工作主要分为传感、管理和执行三个步奏。其原理图如图2-1所示。
图2-1 门禁系统总电路原理图
3 门禁系统的硬件设计
本系统的硬件主要包括电源，门禁控制系统，读卡模块，矩阵键盘模块，显示模块，门控锁。最终通过各个模块之间合理连接，实现硬件电路的设计。主框图如图3-1所示。
图3-1 系统总框图
3.1 门禁控制器
控制器需要承受密码键盘输入、提示屏幕的显示、信息的运算和传输等的控制功能，可以说是真个设计的命脉。因此对于控制器的选择尤其重要。
对于门禁控制器的选择决定采用ST89C52单片机。此系列单片机在具备高性能CMOS8、低电压，功耗低的特点。含有只读存储器，具有8K字节，而且可编程可擦除。ST89S52同样使用的是8051单片机的内核，但是他在设计的过程中加入了许多其他51单片机没有的新功能。兼容MC51指令系统，含有8位CPU，可编程Flash，能够为控制系统提供相对较多的解决方案，使用方便。
其中还有如下特点：最高工作频率为35MHz的CPU，8k的内存，512K的RAM， 32 位I/O 口线。具有4KB EEPROM，MAX810复位电路，高密度非易失存储器。。3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断设置，全双工串行口。还可将STC89C52降至0Hz 静态逻辑操作。总控制电路如图3-2所示。
1.时钟电路
在单片机内部高增益反相放大器构成振荡电路，放大器有一个输入端和输出端，分别为引脚RXD和TXD。时钟的组成方法有内部和外部两种。
时钟电路的内部产生形式电路如图3-3(a)，把定时元件外接在输入端和输出端两引脚上，自激励震荡从便从内部振荡器产生。
时钟电路的外部产生方式电路如图3-3(b)，RXD与地相接，TXD与外部振荡器相接。对外部振荡信号，只需确保脉冲宽度，正常选用频率在12MHz以下的方波信号。
图3-2 单片机总控制电路
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图 3-3时钟电路
2.复位
（1）复位操作
单片机的初始化设置即为复位。最重要的一个作用是将PC初始化为0000H，使单片机起首执行的单元为0000H。在操作不当或运行发生错误时系统会处于死锁状态，这时可利用复位键将系统重启。
复位功能可对PC和别的寄存器产生影响，对及存的影响复位状态如表3-1所示。
表3-1 对复位状态的影响表
（2）复位信号及其产生
复位信号的输入端是RST端口。复位信号的有效电平是高电平，有效时间可保持24个振荡周期以上。当使用的晶振颇率为6MHz时，复位操作应在复位信号保持时间应在4us以后实现。出现复位信号的电路逻辑如图3-4所示。
图3-4 复位信号的电路逻辑图
完整的复位电路有两部分即芯片内、外。其中送至施密特触发器的复位信号(RST)是由外部电路产生的，之后会对每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出采样，经过这一系列的反应才能得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作分为手动复位和自动复位。
外部复位电路的电容充电，可以为复位电路提供电压，这样可以实现上电自动复位，其电路如图所示。这种情况下，当电源的上升时间在1ms以内时，自动上电复位便可完成。
按键手动复位有两种形式，即电平和脉冲。电平复位必须使复位端经电阻与电源，其电路如图所示；按键脉冲复位则需产生正脉冲，正脉冲是RC微分电路产生的，其电路如图3-5所示。
(a)上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3-5 复位电路
为保证复位信号高电平持续时间大于24个振荡周期，电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振。
图3-5（b）上电复位方式即为本系统中的复位电路。
3．ST89C52引脚介绍
VCC端：ST89C52的电源引脚，正常电压值是+5V，低电压是+3V--引脚40
GND端：单片机接地引脚。--引脚20
XTAL1端：单片机ST89C52的放大器的和时钟电路的输入端口。--引脚19
XTAL2端：单片机ST89C52的放大器的和时钟电路的输入端口。--引脚18
I/O端口引脚：
1）P0端口：8个漏极双向开放I/O口开放，每个端口可以独立控制。--引脚39至32
P0端口是单片机ST89C52的地址总线和数据总线的端口。P0口也可以作为通用的I/O口使用，但是51单片机P0口内部没有上拉电阻，为高电阻状态，因此需加上拉大约为10K欧的电阻，P0端口才能够驱动负载电路部分。这次设计中用P0口作为数码管段码的发送端。
2）P1端口是具有内部上拉电阻的I/O端口，每个端口都可以独立控制。--引脚1至8
3）P1端口是也具有内部上拉电阻的I/O端口，每个端口都可以独立控制，与P1端口相似。--引脚21至28
4）P3端口同样是具有内部上拉电阻的I/O端口，每个端口同样都可以独立控。--引脚10至17
而且P3口也可作为ST89C52的一些特殊功能口。
管脚备选功能如下：
RXD/P3.0：单片机的输入端口--引脚10
TXD/ P3.1：单片机输出端口--引脚11
INT0/ P3.2：单片机0中断--引脚12
INT1/ P3.3：单片机1中断--引脚13
T0/P3.4：单片机计时器的0输入端--引脚14
T1/P3.5：单片机计时器的1输入端--引脚15
WR/P3.6：控制外部程序存储器写工作--引脚16
RD/P3.7：控制外部程序存储器读曲工作--引脚17
RST端：单片机ST89C52的复位引脚，该引脚类似于计算机的开关元件。当触发复位引脚时，单片机ST89C52中的程序无论运行到那一步，都会清0，从头运行程序。同时但单片机死机时，也可以用复位引脚使单片机恢复正常工作状态。--引脚9 ALE/PROG端：单片机ST89C52的锁存引脚，当单片机需要外加存储设备的时候，通过触发ALE/PROG引脚，会将程序的地址为与数据位相隔离。有时也可用作一个频率是晶振频率1/6的时钟发射端口。--引脚30
PSEN端：该端口是当单片机ST89C52需要读取外部程序时，PSEN端口会产生一
个跳变，变为低电平有效，以便单片机能够正常运行所需读取的外部程序。--引脚29
EA/VPP端：当EA/VPP处于低电平时，该引脚会控制单片机ST89C52只读取外部的RAM内的程序，不会读取内部存储器的程序。当它处于高电平的时候，回去控制单片机ST89C52先读取内部存储器的程序，在读取外部ROM内的程序。
3.2 射频卡与读写器
3.2.1 射频卡
卡的选用有很多种，例如：接触式IC卡、非接触式IC卡、磁卡等，目前接触式IC卡的应用较为广泛，但其容易在长时间的使用磨损中造成芯片外漏、折断等一定的缺点。射频卡又被称作非接触式IC卡，射频与识别技术的整合，使无源和不接触这一问题得到解决，可以说是这一技术范围的一个飞跃。
非接触式IC卡的工作原理。线圈即为卡片内部的天线，这很容易封状到卡片内。ASIC由106KB波特率的接口，一个控制单元和EEPROM组成。
由于卡内的串联谐振电路有与读写器相同的频率，因此向IC发一组固定频率的电磁波，产生电磁共振，电容器充电，在电容的另一端接有一个电子泵是单向通的，可将这一电容内的电荷转移大到另一个电容，当电荷的积累使之达到2V时，便成为新的电源，为其他电路提供电压，使其工作。
非接触式IC卡的特点
1、可靠性高
射频技术的产生避免了卡与读写器之间的相互接触，从而排除了由于卡与读写器的借出而产生的问题。非接触式卡的芯片被封装在内部，这样芯片易脱落的静电击穿，折断等问题也得到了解。卡片的印刷发放和可靠性得到了大大的提升。
2、使用方便、快捷
无线通信技术与识别技术的结合，使卡片与读写器只要在规定距离范围内便可以完成操作，在使用无需插拔和不必关心卡的方向性问题，使用起来非常方便快捷。
3、防冲突
非接触式卡中的快速防冲突措施，使得卡片之间的数据干扰问题不在发生，
这样，读写器可以同时接收多张卡的信息。这提高了应用的并行性以及系统工作速度。
4、适合于多种应用
非接触式卡的存储结构特点使得它在不同的系统中都可以使用。使用者可依据不同的应用系统来设置不同的密码和访问条件。
5、加密性能好
非接触式卡必须经过读写器多次反复读入，使用时读写器和IC之间必须相互验证。卡中各个模块都有属于自己的使用密码和访问条件。可以看出，非接触式IC卡相对来说是一款具有很多优点，性价比较高的选择，因此本系统采用非接触式IC卡无线传输模块。
表3-2是常用的非接触式产品相关参数。
3.2.2 读写器
无线射频识别即RFID，可通过无线电信号对卡片数据进行读写，不需要与卡片之间进行接触。RFID分为低频（125k~134.2K）、高频（13.56Mhz）、超高频三种频率范围。RFID读写器的应用相当广泛，如：图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。
不同频率范围的RFID其特点也各不相同。
1.低频
该频段的工作模式为电感耦合，其在读写器线圈和IC卡线圈间存在着变压器耦合。能够很好的界说磁场的分布，但其存在场强下降较快，价格高的缺点。
2.高频
在该频率的感应器天线利用腐蚀印刷的方法即可完成，线圈绕制的方法被舍弃。感应器的工作方式为负载调制，读写器天线上的电压变化是利用感应器上的负载电阻的接通和断开来完成的，从而实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。负载电压的有无如果利用数据来控制，读写器便可识别卡的信息。因为感应器是电子标签的格式，因此能够把某些数据信息写入其中。具有传输速率高，价格合理的优势。
3. 超高频
超高频系统则是通过电场来传输能量。电场的能量下降速率适中，但是读取的区域的定义不容易完成。该频段读取距离比较远，可以承受十米范围内的无源。这是利用电容耦合的方式来实现的。
因为高频读取距离适中，且价格适中，因此本系统选用高频读写器，它可以完成