基于STC89C52单片机的门禁锁设计电气自动化专业

1、基于STC89C52单片机的门禁锁设计Entrance Guard Combination Lock Design ControlBased on STC89C52摘 要根据现代人对生活中安保问题的追求，我所选择的方案是基于单片机的门禁指纹密码锁系统。以STC89C52单片机为主模块，经过指纹模块完成读取指纹、存储指纹、对比指纹，并通过液晶显示信息结果，同时增加直流继电器与发光二极管模拟开锁的动作再加上GSM模块短信通知以此来实现门禁的系统设计。在科技飞速发展的今天，生活中有很多密码需要人们记忆，这对于大多人来说是十分不方便再加之各种入室抢劫按键发生，普通的门禁设

2、计已经完全不符合人们的要求。而根据每个人都是一个不同的个体以及拥有不同的生理特征可以帮助我们解决这个问题。本系统具有稳定、操作方便、体积较小而且安全性能更优，适合家庭及规模较小部门使用。关键词：指纹电子密码；GSM；STC89C52AbstractAccording to the modern people's pursuit of the security problems in our daily life, the scheme I choose is the access control fingerprint code lock system based on single

3、chip microcomputer. The main module is STC89C52 single chip microcomputer, and the fingerprint is read, stored and compared through the fingerprint module. The system design of access control is realized by LCD display information result, at the same time adding the action of DC relay and light-emit

4、ting diode analog unlocking and GSM module short message notification to realize the system design of access control. Today, with the rapid development of science and technology, There are a lot of passwords in life that people need to remember, which is very inconvenient for most people, coupled wi

5、th all kinds of burglary button occurrence, common entrance guard. This system is stable, easy to operate, and can help us solve this problem according to the fact that everyone is a different individual and has different physiological characteristics. Small size and better safety performance, suita

6、ble for home and small-scale use.Key words: Intelligent desk lamp;pyroelectricity;STC89C5-II-目录摘 要IAbstractI1 序言11.1指纹密码锁研究背景及意义11.2 指纹密码锁的发展前景12毕业设计内容22.1毕业设计内容及实现功能22.2系统分析23系统硬件设计33.1单片机最小系统33.1.2复位电路53.2液晶显示模块53.3蜂鸣器模块63.4指纹模块73.5记忆存储模块83.6按键模块83.7继电器模块93.8GSM模块104系统的软件设计104.1软件介绍104.1.1编程语言及开发环

7、境104.2主程序设计114.3 液晶显示模块程序设计124.4 GSM程序设计124.5按键模块程序设计134.6指纹模块程序设计144.7延时模块155系统测试155.1 硬件测试155.2软件测试166总结16参考文献17致谢18附录19附录一 元件清单19附录二 原理图20附录三 PCB图21附录四 实物图22-III-1 序言1.1指纹密码锁研究背景及意义在现代生活节奏如此之快的环境下，处理家庭防盗这个问题受到越来越多人的关注，越来越多的高科技犯罪手法令人头疼，因此人们需要更安全便利的门禁系统来保护自身安全以防止悲剧发生。然而在传统的门禁系统中钥匙、数字密码、IC卡等识别方式，由于构

8、造简单、安全性能低，存在易丢失、易假冒、易盗用的缺点，存在极大的安全隐患，根本不能满足现代人的高要求。然而各种基于人体生理特征的识别技术受到了广大用户的喜爱，从实用角度来看，指纹识别技术因其便利且稳定不随年龄变化而被广泛使用，拥有广大市场需求。它是使用人体的每个指纹都有属于自己的特殊记号进而对每个个体的身份进行区分对待，指纹识别包括指纹录入、指纹特征提取和指纹特征匹配三大部分。过去，它的应用范围一般是重要的国家领域。在最近的几年中，它渐渐的被普通百姓所信赖并且在现代生活和工作中应用的很广发，我们在日常中也随处可见运用指纹技术的产品，指纹技术正在一步步渗透进我们的日常生活刷新我们对现代生活的认知

9、。虽然指纹只是每个人手掌上皮肤组织的一小部分，但它包含了大量属于每个人的特定信息。每个指纹的纹路都不一样，是属于每个个体的特征。论人体的生理特征唯一性和不可复制性，既可以提升安全程度也能方便认证，不需要记住各种密码1。1.2 指纹密码锁的发展前景目前市场上运用生物特征有手型、脸型、虹膜、指纹等，但是由于技术理论与实际生产之间存在一定的差距，由于不同行业、不同人、不同场合对安全水平的要求不同，有些技术根本无法大规模应用。例如，虹膜技术虽然特别安全，但成本也很高，应用过程也比较复杂，只能用于军事、政治等机密领域,距离全民普及还有很长一段路2。在我国，指纹识别技术差不多是与各国同一时期发展起来，所以

10、无论是在技术研究还是在市场推广都比较成熟，不比国外差。但是还是由于种种原因，目前在市场上还没做到全民化，但是因其特有优势会受到越来越多人的关注。华为荣耀系列、三星、小米5等手机已经实现了指纹解锁，智能手机领域的普及反映了指纹由于其快捷安全系数高的特点受到各方人士的追捧，因此在日后，会更广发应用于日常生活的方方面面，为高品质的生活提供更便利的服务。2毕业设计内容2.1毕业设计内容及实现功能名称：基于STC89C52单片机的门禁指纹密码锁设计内容：设计一个门禁系统，可以根据指纹、数字密码解锁，若是多次输入错误密码则通知户主（1） 采集多个用户的指纹信息形成数据库3。（2） 通过指纹输入，若输入的指

11、纹匹配不成功，则会振动提示；超过三次，便只能采取数字密码（3） 通过AT24c02芯片存储密码，密码可以更改，更改时需要输入两遍确认（4） 开锁指示灯 LCD12864液晶显示器进行显示相关操作步骤（5） 指纹、数字密码输入错误，延时30秒再次输入，三次错误，蜂鸣器响，报警锁死，并且发短信通知户主2.2系统分析振动模块液晶显示模块指纹识别模块LED 模块延时模块AT24C02片外存储模块单片机最小系统蜂鸣器模块继电器按键模块GSM模块图2-2 系统方框图系统控制核心就是单片机最小系统，它是整个设计系统的中央处理单元，类似于人类的大脑工作模式，我们从外部所收集到的信息都需要经过它的内部处理才可以

12、达到我们所想要的运作模式。然后就是指纹模块和按键模块，在管理员模式下，通过液晶显示屏的指导下进行指纹录制、删除形成指纹库，同时设置数字密码。在输入指纹与指纹库匹配不正确，振动提示，模拟现实生活中经常由于姿势不对而引起的错误输入；延时模块授予用户一小段缓冲的时间以思考正确密码；蜂鸣器在输入错误的数字密码时会发出警报以示提醒；继电器和LED灯模拟密码输入正确开门动作；在指纹密码输入错误三次以及数字密码错误三次后，将通过GSM模块发报警短信给户主以此来实现一个报警的安防功能；因此基本符合现代人对门禁的要求甚至更优于当前市场上的各类门禁。3系统硬件设计3.1单片机最小系统单片机是由一个单一的集成电路芯

13、片，其内部包括一个中央处理单元、存储器和I/O接口电路都是具有计算机功能的设备。因此，在使用单片机时可以方便地结合相应的软件和外部设备连接成为单片机控制系统。而STC89C52单片机是比较稳定、运行速度快却功耗所需低的一种芯片，此外本身的8K字节的程序存储空间、512字节的数据存储空间，4K字节的EEPROM存储空间，可以直接使用串口下载等特点成为本设计的第一选择4。本方案的主要程序是由液晶显示还有按键程序等构成。主程序的工作流程如下描绘：首先是进行系统各个模块的初始化动作。当然其中包含了开机液晶显示、键盘扫描、指纹模块建立通信、GSM模块初始化。简单介绍所需要用到的重要接口：其中P0口和P1

14、口都是8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，其中作为输入时，P0锁存器必需置1，P1锁存器也是如此，都可以驱动4个TTL负载。端口P2：8位准双向I/O接口。当它用作I/O接口时，它可以直接连接到外部I/O设备；当芯片外存储器连接或I/O扩展，寻址规模超过256字节时，P2端口可以直接用作高8位地址总线。端口P3：为8位准双向I/O接口，特殊之处在于能够将每一位用于第二功能。XTAL1：作为振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端。XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出端。图3-1 单片机引脚图3.1.1晶振电路晶振电路的实际任务是给单片机工作提供时钟信号的，在单片机

15、内部有一个高增益的反相放大器用于构成内部振荡器。引脚XTAL1和XTAL2是这个放大器的输入输出端子。在片外的陶瓷谐振器或者是石英晶体则是作为反馈元件和放大器组成了一个自激振荡器。系统的晶振如图3-2所示，然而，由于两个外部电容的容量不同，振荡频率会受到影响，操作的稳定性也会受到影响，并且启动振动的难度和温度的稳定性也会受到影响。例如，使用石英晶体，电容大约为30pf，如果使用陶瓷振荡器，电容应该是40pf。在我的设计中，STC89C52的工作频率要求在024MHZ，所以使用11MHz晶振和22Pf的电容，此时机械周期约为1us，符合设计要求。如图3-2所示。图3-2晶振电路3.1.2复位电路

16、复位电路的初始性能是在系统供电时给出复位信号，当系统的电源保持稳定时，复位信号自动撤销。为了设计更好的完成，直到电源稳定一段时间后，复位信号才会被撤销。是为了避免抖动而影响复位。在操作开始时，单片机必须进行复位，使系统内部的CPU和各个部件都处于一个确定的初始状态，并从初始状态开始工作。单片机的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当整个系统处于正常工作状态并且振荡器开始稳定时，如果REST引脚上有一个高电平能够保持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就会响应并重新复位系统。单片机系统的复位模式为:手动按键复位和上电复位，复位电路如图3-3当K5按下时，C2被短路，复

17、位引脚直接接到电源上，系统执行复位操作，本次设计在上电初有一次复位，还有按键手动复位。本次设计中选用的电容电阻分别为10uF、10K。图3-1-2 复位电路图3.2液晶显示模块该方案选用LCD12864液晶屏，查询了很多资料发现很多设计都是采用LED液晶屏来完成参数设置和要求的结果显示，但是明显可以看到显示的信息量少、操作不方便很不适合广泛使用。而液晶显示器(LCD)具有的显示方式有其他显示器件不可超越的优势之处。对于LCD12864液晶屏想必大家都已经不陌生了，在我们的日常生活中，如大家所使用的计算机、万用表等都是利用了LCD显示，这是因为LCD 12864液晶显示屏有以下特点：首先功耗低，

18、而且体积小不占面积，很适用于小型的门禁锁设计再加上重量轻，超薄，符合现代人对于轻便的追求。基本我们所需要的显示如字母数字以及各种混合内容的显示都可。为了便于使用还提供了三个控制接口，分别是8 位微处理器接口，4 位微处理器接口和串行接口5。还有一个优势就是整个设计只要一个最小微系统即可因为我们所用到的所有功能例如显示RAM、字型产生器都包括在一个芯片里面，便能达到我们所要的结果，因此，我们选择LCD12864这款液晶显示屏。图3-2液晶显示电路设计3.3蜂鸣器模块翻阅了很多资料之后我发现很多的设计都会采用蜂鸣器，利用蜂鸣器来发出提示，例如按钮是否按下，操作开始结束，或出出故障等。蜂鸣器简称喇叭

19、，是一种集成的电子语音设备。蜂鸣器的发声原理其实很简单，在电源接通后，振荡器产生一个音频信号，当信号电流通过电磁线圈时，电磁线圈产生一个磁场来驱动隔膜振动，以达到预期的效果。蜂鸣器类似于家用电器的喇叭，所以它也有类似的用法。它通常在高电流环境下工作，所以它必须有一定电流才能工作。然而，由于单片机I / O口引脚输出电流很小，所以蜂鸣器不能仅由单片机的TTL水平输出驱动，所以我们需要添加一个电流放大电路。这个设计使用一个非常简单的电路实现蜂鸣器连接，使用三极管放大驱动蜂鸣器。电路连接如图3-3所示。在本设计电路中，翻阅了很多资料发现可以使用PNP管9012为开关控制蜂鸣器，由图3-3可以看出只要

20、给引脚一个低电平，三极管会导通，蜂鸣器响达到报警效果，限流电阻的作用是串联于电路中，限制串联分支电路的电流，防止串联元件被电流烧坏，同时限流电阻也能起分压作用，起到了保护电路的作用。选择PNP管9012是为了防止I / O口的输出一开始的高电平而导致在系统启动和复位后蜂鸣器自动发出声音。图3-3蜂鸣器电路3.4指纹模块指纹模块是门禁密码锁的关键部分，用于解决指纹采集和指纹识别。指纹模块按照不同的识别方式可以分为三类：光学指纹模块，采用折射原理和光反射原理，通过CMOS图形芯片拍摄每个手指的指纹图像，再提取指纹特征文件。电容指纹模块:因为每个人的手指平面都是高低不平，此时手指平面上的各个部分接触

21、到的平面实际距离也不一样，而随之产生的电容/电感数值也不同，设备会将这些不同的数据进行汇总进而实现指纹采集部分。射频指纹模块:相当于雷达的一个检测功能利用的是微量的射频信号，然而刮擦指纹芯片不易操作不易保存，当今市场上几乎没有人会使用。综上所述，我们选择了光学指纹模块，指纹模块型号是ZFM60。主要运行器件为DSP芯片在内部，型号为AS606，外部CMOS芯片的主要功能类似于“摄像头”，拍照的对象是指纹，生成不同的指纹特征。具体工作流程为:扫描指纹(输入图像）、生成特征、合成模板(形成专用指纹库、完成指纹输入)6。指纹模板是“拍照”，对COMS芯片采集到的指纹信息进行模糊处理提取，两种记录信息

22、的产生0和1，然后自动存储在指纹模块的Flash芯片，便于比较。当运行到指纹识别部分，指纹模块首先会让CMOS芯片去采集指纹，然后匹配存储在Flash芯片中是否存在指纹数据，如果指纹数据库的数据符合指纹数据库的数据，则可以返回指纹最开始的编码，因此我们可以简单地使用单片机或计算机来识别和注册我们的指纹7。图3-4指纹模块电路3.5记忆存储模块用记忆存储器AT24C02作为电路的记忆存储部分，之所以选择它作为核心用来记忆用户一开始就设置好的数字密码。因为我只用到了8个字节的数据，而一片AT24C02拥有256字节存储空间所以只需要一片就够了，而且AT24C02还有一个特殊的功能，它是一种能够长久

23、记忆的的器件，并且存储器的内部数据能够保留到100年以上，所需功耗也很低，非常适合应用到门禁系统中。图3-5AT24C02引脚图3.6按键模块用户在输入和修改密码时都会用到按键并且本次设计可能会用到较多的按键，因此选择的是4*4的16矩阵键盘模式。当我判断是否为有效按键，选择的方法也很简单即根据所表现出来的高低电平不同来解决这个问题；高电平表示断开则低电平就是闭合，因此便可轻松辨别出是否按下。在使用单片机对按键处理触及到一个必须过程即按键去抖动的影响。由于外界干扰的作用，按键会有电平抖动，可以通过硬件或软件消除按键抖动的，为了减少硬件电路模块的设计，本设计使用软件消斗。软件消抖是在这个过程中加

24、入一个延时程序即当检测到按键按下时延长一段时候后观察是否处在闭合状态，若是则表示该按键为有效按键以此来消除抖动和干扰所带来的不利影响。图3-6按键模块电路图3.7继电器模块继电器模拟开关门，红色二极管突出效果，JDQ1引脚是与单片机P3.6引脚连接，单片机通过控制三极管的导通状况来控制继电器的开关以达到我们所要的结果，电路接上一个发光二极管LED，是为了是效果更佳明显，输入密码正确，继电器导通，二极管亮。图3-7继电器模块3.8GSM模块由于手机就是由CPU、GPRS/GSM模块、IO口设备组成，所以GSM模块又称手机模块。SIM900A是一款不管在大小还是在使用结果的可靠度上都是良好的无线模

25、块，这是一个实用的系统，操作简单，学习方便，价格低廉，所以我们选择了SIM900A。GSM短消息的性能可以有效、快速地实现信息的传输。它已广泛应用于许多行业，特别是在远程监控领域。当密码输入错误次数达到设定值，经过单片机处理后，由SIM900A的GSM模块直接发送报警短信信息到特定用户的移动终端上，显示有非法人员闯入。该系统利用了GSM移动通信网络短信息业务快速性和稳定性，能够很好的辅助门禁安保的设计。GSM通信模块是数据传输的主要组成部分，它采集用户手机短信进行转换，通过串口与单片机通信，通过SIM卡架安装SIM卡8。SIM900A可以通过软件设计控制以减少硬件所带来的干扰。图3-8GSM模

26、块4系统的软件设计4.1软件介绍4.1.1编程语言及开发环境众所周知，设计出一个完整的作品是需要有完善的硬件和相应设计合理的软件相结合。在大二时刚刚接触C语言便发现这是是一门简单易懂的程序语言，相对应那么多复杂的程序语言这是最受大学生欢迎的一种，在当今的各种设计中均由应用。具有高效、灵活等特点。C语言在许多方面上都有显著的优势。本设计使用Keil C51编译器，编写和调试程序非常方便9。 Protel99S也是受众面很广的软件，在使用过程中就可以发现这是一个可以同时设计电路原理图、印刷电路板还有编辑语言功能的软件，修改编辑方便，没有太多麻烦的步骤为广大使用者提供了很大的便利。4.2主程序设计本

27、次设计的流程图如图4-1所示，首先是系统各个模块初始化，包括液晶显示初始化，液晶显示屏上会出现提示。接着就是按键循环扫描状态与指纹识别状态选择。进入指纹识别模式下，指纹匹配成功则成功解锁；匹配不正确，则会有振动提示，超过三次则只能采取数字密码解锁。当进入按键循环模式，根据不同按键的不同功能以及液晶显示屏的提示进行操作，如密码的设置，指纹的录制等。若是使用数字密码进行解锁，超过三次则锁死并且启动报警模块。在新一轮的循环能够重新启动之前，推迟30s时间。图4-1 主程序流程图4.3 液晶显示模块程序设计选用的是LCD12864液晶显示屏，其内部已经有文字库，所以简单方便。我们只需要通过软件设计通过

28、单片机发送指令，就能显示我们所要的文字。其中包括系统模式和指纹信息等，全部是采用中文显示，方便查看和应用。首先要确定我们所要文字显示的位置坐标，再发送想要显示的字符，但是要注意发送前要检查液晶显示屏是否处于空闲状态，本设计使用并行口方式通信。图4-2为该模块程序流程图。图4-2 液晶显示子程序流程图4.4 GSM程序设计通过软件设计 AT+CMGC Send an SMS command（发出一条短消息命令） AT+CMGW Write SMS message to memory（向SIM内存中写入待发的短消息）串行异步通信接口在单片机和GSM模块中得到广泛应用，短消息服务（SMS）是由信令信

29、道传输，这也是一个GSM通信网络的特点，它不需要拨号连接，只是发送的消息内容与目标数据的短信服务中心（可以绑定不同的手机号码，通过软件设计收到报警信息）然后将它自动通过短信服务中心，然后被送到目的地。即使当目的GSM终端没有启动其内部存储的信息不会丢失10。图4-3报警模块子程序流程图4.5按键模块程序设计 图4-4 按键循环子程序流程图4.6指纹模块程序设计FPM10指纹识别模块自身具有完善的功能，只要通过单片机对其发送相应的命令，指纹模块就会执行相应的操作11。本次设计所涉及到的指纹收集、指纹图像处理、模板存储、模板搜索对和删除以及编号等过程，均在指纹识别模块里完成，因此要保证单片机与指纹

30、识别模块的通信畅通，通过相应的驱动指令来控制指纹识别模块的动作和读取需要的讯息。当指纹系统工作时，用户将手指放在指纹传感器上。指纹模块提取指纹信息，生成指纹特征，然后将指纹特征与指纹特征库中的指纹特征进行比较，如果对比成功，指纹模块发送识别成功信号，此时继电器动作，指示灯亮，液晶显示屏显示识别结果和指纹编号；如果识别失败，指纹模块发送识别失败信号，此时振动点击动作，继电器无动作。图4-5指纹采集流程图图4-6指纹识别模块4.7延时模块直接通过软件设计作为本设计的一个辅助性能图4-7 延时子程序流程图5系统测试5.1 硬件测试在焊接过程中，要注意器件引脚的正负以及每个器件的焊接顺序，严格从低到高

31、，防止虚焊。同时不能粗心大意，避免器件错拿、短路等情况发生，影响结果以及进度。焊接工作完成后，要仔细检查液晶显示屏屏幕是否有损坏，同时要把SIM卡先插入卡座，避免上电后烧坏器件。上电之后， 注意各个元器件是否存在过热发烫的现象。如果发现存在问题，要立刻切断电源，再次认真检查电路连接和器件安装。插入芯片后，依照原理图用万用表检测电路的电流电压。晶振片是否起作用；液晶显示屏能否正常亮起；按键是否正常。用示波器检测电路电流电压的稳定性。给芯片烧写程序后，按下“密码”按键，观察是否进入管理员模式。我们先测试一下指纹模块，在管理员模式下，液晶显示屏会有操作提示，按下“1”进入指纹录制状态，进行指纹的录入

32、；录入成功之后，开始模拟解锁，若是姿势不正确，会有振动提醒，若是匹配成功，则指示灯亮2S，继电器动作；指纹输入错误三次，只能进行数字解锁。回到主界面，按下“密码”进行数字密码的设置，输入正确密码则开锁成功，输入错误密码，蜂鸣器响，超过三次则发送报警短信，整个系统进入锁死状态，进入倒计时30S。5.2软件测试首先调试液晶显示屏程序，让液晶显示屏显示一遍所有的状态中文字符和数字。测试按键程序，三个按键对指纹模块的操作能正确的让模块进入相应工作模式，且液晶显示屏能正确反应当前工作状态。调整时间的三个按键也能正常工作，调整时间。按下按键将系统置于识别模式，按下指纹，检测振动电机是否正常响起。按下能识别

33、的指纹后继电器模块的LED指示灯能正常亮起。整合程序中的各个子程序，调整先后顺序，做到程序能正常工作。软件平台采用keil 51，先理清整个设计的流程，画出每个模块的程序流程图，在根据每个模块之间的不同来编写程序，阅读数据手册对各寄存器准确使用，期间要不停验证程序是否成功，是否符合要求，并且不断的改正。本设计采用语言为C51。6总结是否以上就是我这段时间所做的毕业设计基于51单片机的指纹密码门禁卡设计，在开始本次设计时，通过图书馆查阅书籍以及期刊文献搜集到的资料，再加上老师的指点，结合生活中的实际需求，虽然这不是一个全新的课题研究，但在这段时间的学习过程中受益颇多。本设计采用STC90C51单

34、片机作为控制芯片，利用液晶显示、数字密码、指纹模块进行指纹的录入识别以及GSM的报警短信模块，继电器模拟开锁动作，并且正确率高达百分之95，基本符合最初的设计想法以及当代人对门禁系统的要求，也更加智能化。但是通过这段时间的研究发现，这种门禁设计可以进行改革，今后的密码锁可以加入红外技术或者无线电技术为辅助性能，这样就能实现一个远程的操作同时也更能受到现代人的喜爱。同时也应该放弃手动按键输入数字密码，利用传感器技术利用声控来实现密码输入会更安全往更人性化高科技方向发展，此次设计未能实现此等功能也是一个遗憾。在整个过程中，能够基本实现所预想的功能，对于日常生活的指纹识别要求也能达到。在此次毕业设计的整个过程中不仅让我复习到四年所学的知识也锻炼了自己的自学能力，从四处搜集资料再到动手实践进一步深刻的认识到理论实践结合的重要性。在今后的学习生活中，我也将继续研究发展指纹识别门禁系统，完善不足之处，使之达到更高的使用需求。参考文献1田捷, 杨鑫. 生物特征识别技术