单片机；智能门锁；IC卡；指纹识别

PAGEPAGEI哈尔滨工业大学毕业设计（论文）I-摘要随着国民经济的发展和经济全球化进程的加快，越来越多的智能电子设备进入到我们的生活中，改变着我们的生后方式。在我们生活中常常因为忘记带钥匙而烦恼，同时传统的门锁在遭受到外力破坏后也很容易被打开，这就给我们的生活带来了风险，因此，针对小区安全的安全防护，智能门锁应运而生，智能门锁可以针对性的识别用户信息，并为指定的用户开锁，同时门锁没有外漏的锁芯等装置，无法用暴力打开，智能门锁的开锁方式可以使用射频卡等，极大的方便了用户开锁。针对目前的门锁问题设计一种基于单片机的智能门锁系统，系统采用读卡器对用户的射频卡进行识别，当用户携带射频卡刷读卡器时，射频卡的信息会被读取出来发送给单片机，单片机在针对用户的信息进行识别，如果信息正确则打开对应的门锁，否则门锁发出警告，如果用户忘记带射频卡，则可以通过指纹识别模块来进行指纹识别，如果指纹正确，门锁打开。同时系统还预留按键，可以通过输入密码来打开门锁，通过液晶模块，用户可以了解门锁系统的运行状态，通过软硬件设计，系统将实现智能门锁的功能。关键词：单片机；智能门锁；IC卡；指纹识别AbstractWiththedevelopmentofnationaleconomyandtheaccelerationofeconomICglobalization,moreandmoreelectronICdevICescomeintoourlife.ThesedevICesbringconveniencetoourlife,helppeopleimprovethequalityoflife,andthecommunityweliveinisgraduallybecomingintelligent.ManydevICeshavereplacedthetraditionaldevICes,suchasintelligentaccesscontrol,anditsemergencehasreplacedthetransmissionTheunifiedkeyanddoorlockenablepeopletoopenthedoorwithoutthekey,anddon'tworryaboutthelossofmoneywhenthedoorlockispried.Intelligentaccesscontrolsystemisacomprehensivemulti-disciplinaryhigh-techtechnologycollection,whIChinvolvesmanynewtechnICalfieldssuchaselectronICs,machinery,optICs,computertechnology,communICationtechnology,BiostatistICs,etc.Intheintelligentcommunity,theintelligentaccesscontrolisthefirstgatewaytoprotectthesocialorderandpublICsecurityofthecommunity.Therefore,accordingtothecurrentsituationoftheaccesscontrolinfrontofthedoor,anintelligentaccesscontrolsystemisdesigned,whIChcombinesthedoorcontrolsystemandembeddedtechnologytorealizetheintelligentaccesscontrolsystemoftheintelligentcommunity.Thesystemisbasedonsingle-chipmICrocomputer,andusesthefront-endcardreaderandRFcardtoidentifythehouseholdinformation.Iftheinformationmeetstherequirements,theaccesscontrolwillbeopened.Otherwise,thealarmwillbeprompted.TheLCDpartwilldisplaythesysteminformation,includingkeyinformationandpromptinformation.IfyouforgettobringtheRFcard,youcanidentifyitbyfingerprint,determinetheuser'sinformationbyfingerprintcomparison,andcontrolthedoorbyrelayOpeningandclosing:whentheidentifiedinformationconformstothecommunityuserinformation,openthecelldoorofthecommunitythroughtherelay;otherwise,alarmthroughthealarm;ifitisavisitor,youcandialthecorrespondinguser'sphonebypressingthekey,orunlocktheaccessbyenteringthepassword.InstallingintelligentaccesscontrolforthesmallareacaneffectivelyprotectthepersonalandpropertysecurityofthecommunityresidentsandimprovethecommunitySafetyfactorof.Keywords：MCU;intelligentaccesscontrol;RFcard;fingerprintidentifICation目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及意义 11.2国内外研究现状 21.3课题的设计目标 21.4课题研究的主要内容 3第2章系统设计与方案论证 42.1系统总体方案设计 42.2主控芯片的选择 52.3识别模块的选择 62.3.1读卡器的选择 62.3.2指纹模块的选择 62.4显示模块的选择 72.5信息存储模块的选择 82.6按键模块的选择 92.7系统电源模块的选择 10本章小结 10第3章系统硬件电路设计 123.1单片机电路设计 123.2读卡器电路设计 133.3指纹检测电路设计 143.4显示电路设计 143.5信息存储电路设计 153.6控制电路设计 163.7报警电路设计 173.8按键电路设计 173.9电源电路设计 18本章小结 19第4章系统的软件设计 204.1系统主程序设计 204.2信息识别子程序设计 214.3显示子程序设计 224.4按键子程序设计 234.5驱动子程序设计 24本章小结 25第5章系统实物调试 265.1硬件调试 265.2软件调试 27本章小结 28结论 29致谢 30参考文献 31附录一电路图 32附录二部分程序代码 33第1章绪论1.1课题背景及意义随着技术的发展，智能家居概念在我们的生活中屡见不鲜，同时智能家居技术也为我们的生活带来了便利，同时也改变了我们的生活方式，越来越多的智慧社区出现在我们的生活中，也为我们带来了更多的方便，可以感受到信息时代带给我们的改变，随着智能家居的发展，安防行业也与智能家居行业结合，让我们的生活变得更安全，其中与我们生活息息相关的产品就包括智能门锁，传统的门锁控制方式简单，破解难度低，依靠这种门锁已经不能够得到足够的安全性，因此，结合了嵌入式技术的智能门锁系统就应运而生了。门锁系统说我们生活中不可或缺的装置，将门锁升级为智能门锁可以提高我们财产和生活的安全性，传统的门锁系统知识单纯的依靠机械装置来，虽然一些机械锁设计的很巧妙，材料也是使用的复合材料，但是人们总能够通过各种暴力手段将门锁打开，同时，在一些人多的公共区域，需要没人都配有钥匙，这样很不方便管理，如果钥匙丢失更是存在安全隐患，因此，为了解决这些问题，就出现了智能门锁，这种门锁在一定程度上提高了安全性和便利性，人们不用再使用钥匙，省去了带大量钥匙的不便，同样的，智能门锁是我们生活中常见的安全防范手段，它能够对住宅等重要场所进行管理，保障用户的人身及财产的安全，减少或者防止一些违法活动的发生，通过智能门锁系统还可以对住户的出入进行记录，方便对用户的管理。智能门锁是在传统的机械锁的基础上演化而来的，传统的机械锁只是单纯的机械装置，很容易发生故障，且容易被外力打开，安全性较差，且无论多坚固，一旦钥匙丢失就会引起安全问题，任何人都能够打开门锁，随着人们需求的提高，出现了电子门锁，磁卡锁等电子门锁系统，抬高了对人员进出的管理，并且，随着电子器件的高集成度和生物识别技术的发展，出现了更先进的智能门锁，智能门锁系统发展完善是现代科技与人类文明相结合并逐步完善的过程。而门锁系统以其优良的性能和方便、安全的操作为人类社会生产力的发展做出了重要的贡献。同时与生物识别技术相结合的门锁系统也是一种新兴的门锁系统，通过各种生物特征采集传感器和生物统计学原理等手段密切结合，利用人体固有的生理特征和行为特征来进行个人身份认证技术，目前射频门锁系统应用最为广泛。1.2国内外研究现状国外门锁系统发展较早，并且门锁系统与自动识别技术同时发展并进行结合，国外的门锁厂家有休斯（HID）、西屋（WSE）、洛泰克（NTK），以色列的DDS、英国的集宝等品牌。这些门锁都是结合了自动识别的技术，门卡是内置了集成芯片的识别卡，由集成电路组成，并封装在卡片内，而第一张门锁卡是由法国的罗兰·莫雷诺在1974年设计出来的。并随着集成芯片技术的发展，芯片的集成度，容量，安全性都得到了很大的提高，同时随着存储技术的发展，使得门禁卡的设计和应用逐渐的剑入道人们的视野，目前一些欧美厂家的门禁锁技术正逐渐的进入成熟阶段，例如美国的HID公司、h1-dala公司、德国的Destele公司，还有一些生产读卡器的厂家，如美国的NorthernComputer公司、CSI公司。随着技术的成熟，越来越多的人们使用智能密码锁。我国的电子门锁系统在90年代开始使用，并且随着非接触式读写技术、射频卡技术及通讯技术的不断发展，将射频识别技术和传统门锁结合起来，解决了无源和免接触这一难题，是卡应用领域的一大突破。随着国内‘金卡工程’各类项目的深入开展，射频卡技术在社会经济生活的大部分领域得到了应用。国内经过近几年的市场准备，以及系统集成技术的不断完善，非接触式射频卡已经得到了行业人士以及相当-部分用户的认同。非接触式射频卡应用快捷、灵活，易于保管，可靠性高的众多方面赢得了国内人士的信心，可以预测，在不远的将来，非接触式射频卡会在更大范围的加以推广应用。1.3课题的设计目标随着社会经济的发展，人们的安全意识越来越强，同时对一些设备的需求也越来越大，传统的门锁已经不能满足这个科技时代和人员管理的需求，特别是在一些住户比较多的小区，一个单元楼内可能住着大量人员，流动性也比较大，同时还有一些外来快递人员，广告人员的进入，导致小区的治安很不稳定，如果要保证每个住户的安全就需要使用智能门锁系统，这种系统可以很大程度上的减少外来人员对其他用户的打扰，同时也增强了用户的安全性。目前市场上的很多门锁使用的是单一的方式，按键解锁等，这种方式灵活性差，安装成本高，因此需要对其进行改进，提高系统的灵活性和稳定性，如果将钥匙或者密码换成射频卡的形式，可以提高便利性，防止了不法分子利用外力破坏门锁等行为，通过特定的权限来打开门锁，通过射频卡授权对应的门锁，且所有的解锁记录都会被录入到电脑中，便于针对具体事情的发生时间进行查询，落实责任。同时智能门锁还可以将未经许可进入到小区内的人员拒之门外，保证小区的秩序。同时为了方便用户，系统还保留了按键和指纹识别，即使在射频卡丢失的情况下，也可以先将射频卡挂失，然后通过密码和指纹来打开门锁，提高了系统的灵活性，为住户提供多种选择，通过这样的设计实现了智能小区的智能门锁系统，可以大大提高小区的安全性，为住户提供便利，解决了传统门锁的低操作性，为广大用户带来新的生活方式。1.4课题研究的主要内容门锁系统采用AT89C51微控制器作为系统的核心，在外围增加按键电路、蜂鸣器电路、读卡器电路、继电器电路、指纹识别电路以及LCD1602显示电路等。门锁系统主要由CPU、电源指示、开锁指示电路、振荡电路、蜂鸣器电路、设置按键电路、继电器驱动模块、EEPROM数据存储模块、FM1208读卡模块、LCD显示模块等组成。当系统检测到射频卡时，通过对射频卡的序列号进行识别，如果射频卡符合要求，则进行解锁操作，否则发出报警提醒用户射频卡错误。单片机控制继电器和门锁系统。指纹模块可以对指纹进行识别，按键电路可以输入密码或者拨号，同时显示电路显示系统的信息，包括按下键盘时所代表的数字符号，指纹或者射频卡解锁时，显示正确，输入错误时显示错误等，本课题基本内容概括为以下几点：1.设计单片机系统实现对外围电路的控制；2.采用射频卡和读卡器模块、指纹识别模块进行身份识别；3.设计按键电路和报警电路，实现密码解锁和错误报警；4.通过单片机控制继电器，继电器控制门锁；5.液晶显示系统信息和提示。第2章系统设计与方案论证本系统的设计方案与论证主要针对基于单片机的智能门锁系统所使用的器件和模块进行选型，通过方案论正的方式选出适合课题的器件和模块，包括主控芯片的选择，射频模块、指纹模块的选择，外围的功能电路等几个主要器件、模块的方案论证。2.1系统总体方案设计根据目前门锁的研究现状和存在的一些安全隐患问题，进行基于单片机的智能门锁系统的总体方案研究。由系统硬件结构框图可知，框图的左侧为系统的信号输入，整个输入端的电路包括读卡器、指纹电路以及按键电路。系统中，射频卡的信号通过读卡器进行处理，读卡器对数据进行转换，并通过单片机进行数据的识别，指纹模块同样对指纹数据进行处理，并将数据发送给单片机。这两个模块是系统的前端采集模块，通过采集射频的信息和指纹信息来识别用户。框图的右侧是系统信号的输出端，包括报警电路、显示电路、继电器电路和数据存储电路，报警电路执行报警，当用户输入错误密码时会发出提示报警音，显示电路显示系统的数据信息，继电器控制门锁，数据存储电路可以保存用户的设置信息，通过系统的输入输出电路和单片机的控制实现智能门锁的全部功能，系统硬件结构框图如图2-1所示。图2-1系统硬件结构框图通过各个模块的组合和控制使系统完成对用户信息的识别和数据的处理，达到自动进行信息筛选和控制门锁的目的，保证小区内住户的人身安全和财产安全，系统的控制部分是单片机的最小系统，它在系统中用来处理数据和发送控制指令，其次是数据采集模块，读卡器和指纹模块，用户如果选择刷射频卡，则需要将射频卡靠近读卡器，读卡器根据射频信号来进行识别，并将其转换成数据信息发送给单片机，单片机将信息与数据库内存储的信息进行比对，如果能够对应上则开锁，否则发出报警，同样的指纹模块是对用户的指纹进行采集，并将指纹信息转换成数据信息，单片机对信息进行比对，如果能够对应上，则解锁，否则报警。按键电路可以进行密码的输入或者进行拨号，如果密码正确则解锁，否则报警，三种解锁方式可以满足用户的日常需求，及时是在忘记带射频卡的情况下依然能够通过个人的数据打开门禁，在系统的数据库中保存用户的信息，外来人员无法破解数据库中的信息，保证了信息的安全性，用户的信息都会存储在这个数据库中，永远不会丢失。通过各个模块的组合，系统将实现智能门锁的功能。2.2主控芯片的选择方案一：采用PCI单片机，它是8位单片机，处理能强，功耗低，通过汇编语言进行编程，可以通过内部的寄存器控制外围电路，然后在经过程序的控制实现数据的处理和控制指令的输出，有点是处理能力强，但是编程较麻烦。方案二：采用AT89C51单片机作为主控芯片，它是常用的8位单片机，内部有256K的存储空间，可以满足小系统的程序需求，同时它还有40个IO口可以使用，虽然没有内部的AD转换，但可以通过外部的传感器实现转换功能，而且它的数据IO口的能力也很强，可以满足大部分中低端设备的要求。方案三：采用ATmega28单片机，它的内部资源丰富，运行速度快，可以选择采用固件库开发，不必接触底层寄存器，内部有很多资源，可以使用外部的硬件资源，也可以使用内部的资源，增加了选择性，作为16位单片机，它的主频也得到了很大的提高，运行速度更快，价格也十分合适。通过方案论证和智能小区安防系统的需求，我们选择AT89C51芯片做为系统的主控芯片。1.单片机特性：单片机的存储空间有4K大小，通过PC机的上位机软件可实现对单片机内的程序的下载，擦除等，且功耗低，采用5V供电，是比较常见，适用场所比较多的8为单片机。不同作用的功能电路被集成在8位的CPU内部，而且内部还带有存储器，存储器被嵌入到芯片中。AT89C51是效率很高的8位的微型控制器。AT89C51的性价比较高，适合嵌入式系统，2.性能简介：单片机内部有通用的51内核，4KB的FLASH存储器，可以反复擦写程序次数达1000次，内部数据可长时间保留。标准的工作电压：4.0-5.5V之间均可以。完全的静态稳定工作的频率范围：0HZ-33MHz。内部有128×8B的RAM，4×8个I/O口，T0和T1两个16位的定时器/计数器，而且内部还带有5个中断。单片机在不工作时处于低功耗的待机状态，工作状态后根据IO口的工作状态来计算功耗。3.IO定义：VCC：系统电源；GND：工作地；I/O口：单片机一共有4组IO口包括P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7；RST：复位引脚。ALE/PROG：锁存端；PSEN：可与EEPROM芯片连接；EA/VDD：控制端；X1X2：外部晶振输入输出。2.3识别模块的选择2.3.1读卡器的选择方案一是使用接触式IC卡，接触式IC卡需要与卡槽等读卡设备接触才可读写数据，而且接触式IC卡芯片封装在PVC料卡片中，芯片外露，所以抗干扰能力差，容易损坏，且易被复制。方案二是使用非接触式IC卡，而非接触式IC卡芯片封装在PVC料中，通过卡中芯片无线电波可远距离与读卡设备进行感应即可读取数据。IC卡只要距离读卡器-定距离内，读卡器就可以读取卡内数据。虽然刷卡距离随着补偿电容的改变而改变，不过最大的刷卡距离有5至12CM。

相比来说，非接触式IC卡保密性好，安全性能高，储存量大，传递速度快，同时便于携带并且抗干扰能力强。和接触式IC卡相比，前者比较牢固不易被损坏、能适应恶劣的环境，可靠性很高，所以市面上普遍使用这种卡。根据上面的分析，最终选择目前被广泛应用的，而且成本不高可靠性好的IC卡，也就是市面上较多的MIFARES50卡，读卡器采用FM1208。2.3.2指纹模块的选择方案一：采用超声波指纹指纹模块。以超声波来测量的工具是目前市场上的前沿科技，超声波指纹识别的模块具有体积小，功耗低，集成快捷方便，外形美观等优点。目前主流的手机指纹识别的市场都是采用超声波的原理来实现的，但由于技术相对前沿，本身的生产的成本较高，生产的工艺较为复杂，而且跟嵌入式技术的结合需要大量的外围器件，不利于方便快捷的应用的不同的领域。方案二：光电式的指纹识别模块技术成熟，应用面积广泛生产工艺简单，适合大规模批量生产。光电式指纹识别模块主要的原理是基于红外光在人体指纹处的反射来实现的，目前应用很广，同时很容易与其他控制系统融合，经过长期的实践证明，这种指纹识别模块相对稳定，识别准确度高，本设计使用的是FM180指纹识别模块，这种模块可以与单片机直接通过串口进行传输数据，速度快，更容易操作。根据设计要求，方案一虽然虽然是目前比较流行的指纹识别模块，但是根据本设计的目的，这种目模块并不适合本次设计，它的成本太高，同时不利于维护，需要的环境要求较高，因此，不选用超声波指纹识别模块。相比而言，光电指纹识别模块更被人们熟知，它的应用范围广泛，识别精准稳定，适用于打卡、锁定、存储等系统中，同时可以通过多种单片机控制，使用灵活，性能稳定，因此选用第二种方案，使用FM180指纹模块。2.4显示模块的选择方案一：采用LCD12864液晶显示屏，它是一种大屏显示模块，可以显示4行字符，可以显示大量的图形或者汉字，带有背光功能，显示清晰，与其他显示模块相比，LCD在直观程度上和亮度清晰度上都存在和多优势，并且现在液晶显示已成为主流，被人们普遍接受，符合大众口味。方案二：采用8位数码管显示器，这种显示模块体积小，视角好，有多种组合方式，可以显示单位和多位数字，从物理特性上分为共阴和共阳两种连接方式，单片机通过IO口控制每段二极管来显示不同的数据，但是缺点是占用单片机的IO资源较多，不可以显示汉字或者图片等。方案三：采用LCD1602液晶模块，它可以显示两行的字符串，通过单片机控制内部的寄存来实现数据的显示，集成电路中还带有字库芯片和驱动芯片，不需要取模就可以直接显示汉子图形等，功耗低，体积小，适用于体积较小的产品中，为用户提供重要数据，且这种液晶操作简单，十分方便。为了满足智能小区安防系统的直观性，比较三种方案最终选用的是LCD1602液晶，通过它可以在模块上显示数据信息，通过的单片机的并行口进行控制和驱动，LCD1602的字面意思是指显示的内容为16x2，也就是可以显示两行，1602液晶可也显示上下两行，每行可以显示16个字符。1.模块主要特性：（1）最多可显示两行字符，每行字符有16个字符；（2）通过5V的直流电压进行供电；（3）工作室的最大功耗为30mW；（4）4-5V之间供电均可，最佳工作电压为5V；（5）模块带有背光功能，通过电位器调节对比度；（6）模块尺寸3X4.3CM，体积小便于安装。2.模块引脚：（1）VSS：液晶的模拟地；（2）VDD：电源的正极；（3）VL：液晶的调光引脚；（4）RS：数据和命令的发送端；（5）R/W：用来控制数据的读写；（6）EN：液晶的使能信号；（7）D0~D7：数据接收和发送；（8）BLA和BLK调节背光强度。2.5信息存储模块的选择方案一：将数据通过RS232上传至电脑进行存储。它的通信距离为几十米到上百米时，在很多数据传输领域广泛采用RS-232串行总线，51单片机与PC机通过RS-232标准总线串行通信，进行信号电平转换，这种凡事可靠稳定，但是由于是有线通讯，容易受到人为的破坏，同时通过电脑控制局限性太高，并不是很方便。方案二：采用AT24C02存储芯片实时的将数据进行存储。AT24C02是低功耗CMOS型E2PROM，一共有256*8b的存储空间，供电电压可在2.5V至5.5V，写入速度快(小于10ms)，抗干扰能力强，数据不易丢失，体积小等特点。它采用I2C总线式进行数据读写的串行操作，只占用很少的资源和I/O线。根据智能小区安防系统的要求，本模块是用于智能门锁的用户信息存储，因此需要系统的稳定性和容量较高，单片机的内部自带存储不能完全满足需求，因此使用AT24C02，可以很好地防止突然掉电，保存数据，因此，选用AT24C02更为有利。1.主要特性：AT24C02是一个4K大小的E2PROM芯片，内部含有256个8位字节，内部有一个8字节页写缓冲器，一个16字节页写缓冲器。该芯片通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。AT24C02是带有I2C总线接口的E2PROM存储器，具有掉电记忆的功能，并且可以象普通RAM一样用程序改写。它的容量是256个字节（00h～0ffh），有A2、A1、A0三位地址，可见2IC总线上可以连接8片AT24C02，它的寻址字节是A2A1A0。2.引脚说明：（1）SCL：串行时钟输入管脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。（2）SDA：双向串行数据/地址管脚，用于器件所有数据的发送或接收。（3）A0、A1、A2：器件地址输入端。这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。使用AT24C02最大可级联8个器件，如果只有一个24C02被总线寻址，这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到VSS。（4）WP：写保护。如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护，只能读。当WP管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。（5）VSS：电源地，VCC：电源正5V。2.6按键模块的选择方案一：使用4行4列的矩阵，这种矩阵键盘可以产生很多的组合，适用于按键需求比较大的系统中，通过单片机的一组IO口来连接按键接口，可以实现多种功能，但是需要的I/O资源较多，通常在需要多个按键控制的系统中使用。方案二：使用单个的独立按键，独立按键与单片机的IO单独相连，在按键需求较少的系统中使用，同时它还需要加上拉电阻来拉高电平，防止单片机的I/O因为受到干扰而导致错误的判断。方案三：使用电容触摸按键。这种按键使用起来更方便快捷，但是需要的环境要求比较高，相对来讲，粗触摸按键的可靠性更高，相比于弹性按键，它不存在抖动的情况，可以完全的实现按键的检测。通过对智能门锁系统的需求分析，本设计需要多个按键，每个按键对应不同的功能，因此，只需要设定独立的按键即可达到设定等功能的要求，这种独立按键电路简单，节省单片机的I/O资源，通过简单的电平控制就可以实现单间功能，单片机通过扫描按键来进行操作，例如当其中某个按键按下，则单片机检测到按键按下后，执行对应的程序。2.7系统电源模块的选择方案一：采用线性稳压芯片，这种电源电路是常见的供电电路，由其在嵌入式系统中，经常为系统提供稳定的电压，它的电路结构简单，稳定，而且有多种型号的芯片，可以使用AMS1117-3.3和外围滤波器建进行配合使用，为系统提供3.3V电压。方案二：采用成品的电源DC-DC模块，这种模块很成熟，可以提供稳定的电压，模块内部还集成了保护电路，可以对设备进行保护，同时这种模块的效率很高，可以提供很稳定的电压。方案三：采用LM78系列芯片来进行电压的转换，LM78系列的输入电压宽，可以通过电阻来调节输出的电压，再通过电容来进行滤波，输出稳定的电压，相对于其他的稳压芯片，LM78系列更加灵活，输入电压和输出电压可调，但是需要的外围器件比较多，对于一些简单的系统来讲，结构越简单，系统越稳定。通过方案论证，单片机及门锁控制系统使用5V的直流电压进行供电，因此使用LM78系列芯片稳压芯片为智能门锁系统供电，因此通过稳压芯片为不同的部分进行供电，保证了系统的稳定运行。1.芯片主要特性：（1）输出电压3.3V，精度可达到1%；（2）内部有过热保护和限流保护来保护芯片；（3）输入电压大于输出电压，不得超过5V；2.芯片引脚说明：（1）输出电压3.3V，精度可达到1%；（2）内部有过热保护和限流保护来保护芯片；（3）输入电压大于输出电压，不得超过5V；本章小结本章讨论了系统中各个部分的器件选型和系统的总体方案，确定了所使用的单片机的型号和内核，然后对系统的外围电路进行分析设计，通过方案的对比，选择出最适合系统的外围电路，然后在对芯片和模块的特性进行了解，方便在电路设计时可以有效的使用芯片和模块，最后确定了系统的各个型号。第3章系统硬件电路设计系统的硬件电路设计包括系统结构框图中的所有子电路，在模块和器件选型完毕后，对芯片的外围电路进行设计，并设计和计算器件的参数，完成WSN组网，使电路达到预期的功能，完成预期设计指标。3.1单片机电路设计单片机的最小系统电路是智能门锁系统的核心部分，是系统的运算处理单元，它包括四个部分，单片机芯片，晶振信号电路，复位信号电路，还有系统的电源，晶振和起振电容为单片机提供时钟脉冲，复位电路提供复位信号，可以进行手动复位，电源为单片机提供电能，当P0口连接液晶作为输出时，需要加上拉电阻为单片机的P0口提供驱动能力，在本次设计中，用到了单片机的内部定时器，IO口等资源，实现了湿度的检测和数据的显示，负载电路的控制，单片机最小系统电路图如图3-1所示。图3-1AT89C51单片机最小系统电路图单片机在系统中主要负责对信号进行处理，通过单片机最小系统来实现对外围电路的控制，包括对读卡器信号的采集和处理，指纹模块的信息采集和处理，液晶模块的数据传输，继电器控制电路的控制等，单片机的最小系统离不开时钟信号和复位信号更离不开电源，因此在系统中，复位的电路为单片机提供了时钟，复位可以防止程序卡死，电源为单片机的工作提供能量，当复位按键按下后，系统将重新执行单片机内部的程序，相应的系统的硬件部分也会重新运行，晶振电路是用来为单片机提供时钟信号的电路，单片机通过对时钟信号的计数来进行定时，延时等功能，两者缺一不可，复位按键通过阻容器件来实现单片机的复位，是单片机恢复到最初的状态，通过9脚与外围电路相连接，通过机械按键来实现复位信号的激活。晶振电路提供时钟信号，晶振包括输入端和输出端，并配合外部的电容提供信号。3.2读卡器电路设计此次课题设计上采用了市面上比较普遍的FM1208读卡模组。FM1208感应式读卡器主要是非接触式晶片的读卡模组，市面上使用的125KHz非接触式RFID晶片或者与其它规格较为类似的产品，它都可以进行信息的读取与数据的判断，开发者可以一次性开发感应式读卡以及相关应用系统，FM1208模块主要应用在身份识别环境中，在本次课题中对户主的信息的进行识别，读卡器电路如图3-2所示。图3-2读卡器电路图此读卡模组主要具有较高的独立性，二次开发比较容易，安装较为简单，对卡片的信息读取稳定性好，系统有较高的安全性，RFID信息不重复，而且难以被复制，可自主选择数据输出格式使用FM1208读卡模块，在5-7cm距离内读取时间不超过70ms。非接触式读卡系统电源为5V，系统中最重要的部分是感应线圈，它既可以与系统分开，也可以囊括在系统中，注意要将金属板放在线圈前面，这是为了防止给电磁场造成干扰。3.3指纹检测电路设计指纹传感器主要是利用光的折摄和反射原理，光学扫描系统的核心部件是电荷耦合设备CCD，CCD是一组光敏二极管，这种器件在光子的作用下可以产生电信号。每个光敏器件记录一个像素，即一个代表射中该点的光束的微小圆点。明暗像素共同构成了扫描场景的图像。在扫描仪系统中有一个模数转换器，用来处理模拟电子信号以产生该图像的数字表现形式。光学传感器模块的电路图如图3-3所示。图3-3指纹识别模块指纹检测模块通过串口与单片机进行通信，将单片机的P3.1和P3.2与指纹模块的TXD和RXD连接，通过串口进行数据的传递，当用户将指纹按到模块后，模块对指纹进行定时扫描，并将指纹进行解码的过程，然后形成数据，将数据发送给单片机。3.4显示电路设计通过LCD1602显示模块对养老院安全监控系统的检测数据进行显示，直观的了解当前环境的各项指标，它可以显示显两行字符和数字，通过单片机的并行口连接，外部可以通过一个电位器进行对比度的调节，模块包含一个驱动IC和一个控制IC，使用方便，数据表达直观。CC2530单片机控制液晶的读写等功能，实现单片机和液晶显示模块的数据通信和指令通信，如果数据模糊不清，可以通过调节电位器来调整对比度，因为液晶模块时集成模块，单片机不需要增加其他外围电路就可以直接控制液晶进行数据显示，省去了复杂的电路，使系统的操作更加简单，协调器节点使用液晶进行数据显示，终端节点不使用液晶进行数据显示，LCD1602液晶显示电路如图3-4所示。图3-4LCD1602液晶显示电路图基于单片机的智能门锁系统采用LCD1602进行数据的显示，在本课题中将通过它来显示各个数据，单片机通过控制液晶的读写引脚和内部的寄存器来控制液晶的数据显示，液晶与单片机是通过并行口来连接的，液晶显示模块的DB0DB7分别与单片机的P1_0到P1_7相连接，通过这8个I/O口接收单片机的数据，RS、RW、R分别是液晶模块的读写控制引脚，单片机需要控制这3个引脚来选择液晶的工作模式，VO为液晶的背光调节端口。3.5信息存储电路设计智能门锁系统存储的数据量比较大，实时性比较强，因此需要将显示的一些数据信息提前存储在数据芯片中，这样在显示不同内容的时候，只需要调用就可以，它的作用是为了保存用户设置的密码，它的SCL、SDA端分别接单片机的T0、T1端,用于与单片机之间读写操作的数据传输，WP接低电平表示单片机可以对器件进行正常的读/写操作，高电平表示芯片进入到写保护状态，只能通过单片机读到数据，不能往里写数据，E0、E1、E2是器件地址输入端，都接低电平所以增加数据存储电路来对数据进行存储，数据存储电路图如图3-5所示。图3-5数据存储电路图本系统使用的的存储芯片是AT24C02芯片，单片机通过控制SCL和SDA来将实现数据的读写和控制等功能的操作，通过这两个引脚来实现数据的传输，芯片的WP与单片机的P1.3相连接，单片机控制芯片的读写保护操作，SCL和SDA分别和单片机的P1.4、P1.5连接，单片机通过这三个引脚来控制读写芯片，地址线全部都接地，表明芯片的寻址从000开始，SCL和SDA都需要加上拉电阻增强单片机对芯片的控制能力，电阻的阻值一般取4.7K，通过单片机的控制，系统实现温度数据的写入和读取。3.6控制电路设计继电器电路是对门锁进行控制的电路，单片机的驱动能力有限，无法直接驱动大负载电路，因此要继电器电路来进行间接的控制，达到弱电控制强电的目的。在智能门锁系统中，通过开关量输出电路来控制门锁，当输入的射频信号或者指纹、密码正确时，单片机通过输出信号给晶闸管打开门锁，这些器件组成的电路就是门锁的驱动电路，继电器电路如图3-6所示。图3-6继电器控制电路门锁驱动电路由晶闸管，继电器两个主要部分组成，通过单片机的控制来实现对门锁的间接控制，继电器电路以及限流电阻等，图中Q3为晶闸管放大电路，它是由晶闸管、电阻组成的共集电极放大电路，主要是对单片机的驱动信号进行放大，然后在通过放大后的信号控制继电器，继电器的D1是续流二极管，防止电路中存有电荷导致继电器的触电遭到损坏，继电器的另一端连接门锁，通过单片机的信号来进行控制。3.7报警电路设计当系统检测到密码错误时，则系统通过蜂鸣器进行报警，提醒小区用户，但是对于单片机来讲，它的输出能力比较弱，与之连接的P0_0口的灌电流比较小，因此，仅靠51单片机的P0_0口电流来驱动蜂鸣器发出的声音会很弱，因此，需要将单片机发出的信号放大后再发送给蜂鸣器，这是就需要三极管来实现放大的作用，单片机与蜂鸣器的基极相连接，如果系统检测到浓度异常或者距离过近，则单片机会控制蜂鸣器进行报警，报警电路由两部分组成，包括三极管电路，蜂鸣器，三极管电路将单片机输出的电流放大，然后驱动蜂鸣器，报警电路如图3-7所示。图3-7报警电路图3.8按键电路设计本设计使用的是矩阵键盘，KP3到KP14时3*3的矩阵键盘，每个按键代表从1到9的九个数字，对应的是键盘功能，KP16代表*号键，KP17代表的是0号按键，KP14代表的是#号按键，KP5是设置按键，KP7是确定按键，KP13是退格按键，KP15是复位按键，每个按键代表不同的功能，同时它们必须要通过4.7K的上拉电阻与电源相连接，这样能有效防止单片机I/O收到干扰，产生误判断。具体电路如图3-8所示。图3-8按键电路3.9电源电路设计稳定的电源是系统稳定工作的前提，在基于单片机的智能小区门锁系统中，需要使用+5V电源，选择合适的变压器和转换芯片来为系统供电，配合外部的滤波电容，实现对纹波的滤除，电源电路如图3-9所示。图3-9电源电路图首先通过变压器将市电转变，220V交流转换成+5V交流电，通过整流二极管将交流转换成直流，二极管型号为1N4007，共使用4只，经过二极管输出后的电压可以达到+5V，为外部模块和传感器供电，然后在经过LM7805芯片将+5V电压为单片机最小系统供电，电源电路的输入和输出都需要连接滤波电容，通过滤波电容可以将电源中的纹波和高频干扰过滤掉，并在大电容两侧并联小电容，降低大电容的内阻，避免高频电源对单片机系统产生干扰。本章小结本章对硬件电路进行了设计，包括单片机的最小系统，通过最小系统对指纹模块的数据进行处理，同时还设置有矩阵键盘，通过键盘来输入密码或者设置解锁模式，液晶电路用来显示数据，例如用户的指纹信息，解锁时的密码等等，通过硬件电路的设计，完成了功能上的架构。

第4章系统的软件设计在系统的硬件基础上进行软件的编程，其中单片机的程序负责控制外围电路实现不同的功能，其中包括主程序的设计和子程序的设计，主程序通过调用子函数来实现数据的接收、转换、传递等。4.1系统主程序设计系统上电后首先进行单片机初始化，对使用到的子程序和寄存器进行初始化，初始化完毕后，通过控制液晶显示相应的信息，系统进入到一个稳定运行的状态，这时，如果单片机检测到读卡器或者指纹模块发送来的数据，则单片机将数据与存储芯片内的数据进行比较，如果与存储芯片内的某一组数据相同，则执行对应的密码锁，若没有相应的数据，则液晶显示器显示指纹错误，请重新输入，待用户重新输入在进行检测。如果系统开机后，设置按键被按下，则进入操作界面，通过界面上的指示，选取对应的功能。功能一，录入射频卡和指纹信息，选取录入功能后，程序控制单片机对模块进行驱动，指纹模块将对指纹进行录入，当录入成功后，系统会将指纹信息存出在AT24C02中，同时为每一个指纹和射频卡写一个编号。功能二，进行密码设定，选择密码设定功能后，通过数字键盘设定新的密码，设定后确认，下次系统开始后，将通过密码来进行解锁。功能三，消除密码/指纹，首先通过管理员密码进入到设定界面，选择消除密码/指纹，则系统再次开启后，将重新输入密码或者重新录入指纹。当无用户使用时，系统进入待机状态，当接收到射频信息后，系统被唤醒，开始执行程序。主程序主要是对射频信息、指纹信息进行检测和对键盘进行检测，同时判断是否信息正确，若有信息正确，则打开门锁，否则执行报警程序，系统数据被存储在EEPROM中，液晶模块显示系统的信息，主程序框图如图4-1所示。图4-1系统主程序流程图4.2信息识别子程序设计射频卡读卡器和指纹模块在单片机的命令下进行数据的采集，当有射频卡进入到射频卡读卡器线圈的工作范围内以后，门禁主机通过射频卡读卡器电路获得改卡的卡号信息，并对存储器进行读操作，判断该房间号是否正确。如果正确则语音提示“请输入密码”，密码正确后打开电子锁，否则有相应的错误提示。信息识别子程序如图4-2所示。图4-2传感器子程序流程图当单片机上电初始化后，读卡器和指纹模块开始初始化，如果单片机向识别模块发送指令，则读卡器和指纹模块将实时的发送数据给单片机。如果通过手动控制按键发送数据，则单片机得到按键信息后进行判断。当单片机接收到数据后，通过程序对数据进行处理，处理后对数据进行对比，并根据与数据库的对比结果来执行下一步的控制。4.3显示子程序设计基于单片机的智能门锁系统的过液晶来显示系统的传感器信息，液晶显示数据之前首先要设置好显示的位置，就是设置光标。然后需要设置清屏，将屏幕上之前的内容清楚。清屏结束之后，需要对下一组数据显示的位置进行初始化，以确定显示在哪一行那一列。设置好之后，如果有显示的内容则将显示的内容写入液晶，将显示内容写入对应的地址，最后液晶上就会显示出对应的内容，液晶显示程序流程图，如图4-3所示。图4-3显示子程序流程图4.4按键子程序设计系统初始化完毕后，单片机首先对I/O口进行扫描，当单片机检测到有某个按键被按下后，读取相应的键值，然后再根据相应的键值执行相应的子函数，执行完子函数后再回到初始状态。按键分别与单片机的8个IO口连接，通过上拉电阻与5V直流电相连接，因此，在按下按键的瞬间，单片机会接收到不规则的电平，这种电平会导致单片机的误判，因此需要增加按键的延时去抖程序，保证单片机接收到正确的指令，程序框图如图4-4所示。图4-4按键检测子程序流程图4.5驱动子程序设计单片机、传感器、晶体管初始化完毕后，系统进入正常的运行，通过前端的识别模块对射频信息或者指纹信息进行采集，采集完毕后，如果单片机未做出反馈，则控制电路不工作，当单片机判断密码正确后，则单片机控制驱动电路打开门锁，则单片机根据不同的情况进行不同的反馈，单片机通过控制晶闸管和继电器来控制门锁设备，具体流程图如图4-5所示。图4-5继电器控制程序流程图本章小结本章首先介绍了对系统的主程序进行设计，单片机是硬件电路的核心部分，通过写入不同的子程序来实现不同的功能，其次分析了系统中使用的涉及到的子程序设计有显示程序，最后通过这些子程序来实现系统的功能。第5章系统实物调试首先在软硬件功能都实现的基础上对系统进行联调，对硬件电路进行检测和调试，完善电路的功能，并对单片机进行程序的下载，验证主程序的逻辑是否符合实际，并对系统的进行运行测试。5.1硬件调试经过第三章的电路设计，系统具备了供电电路是否正常是系统能否正常工作的前提，因此首先对电源部分进行调试。接上电源，用交流档测量变压器次级输出电压应为9V，然后用直流档测整流器流滤波后的直流电压在18V左右；最后测经7805稳压后的电源电压5V。电源部分测量完毕后，对单片机的最小系统进行测试，上电后，单片机的各个I/O应该呈现高电平状态，通过万用表进行电压测量，电压应该在4.9-5.1V之间，然后测量复位电路是否发生电平变化，测量这些数据无误后，则单片机最小系统有效。通过万用表检查模块是否供电，然后通过像单片机中写入一段测试程序进行测试，如果单片机接收到数据，则通过指示灯表示单片机已经接收到数据，若指示灯没有点亮，说明硬件电路有问题，还需要进行调试。1.外接晶振调试通过示波器检测晶振是否起振，振幅，起振时间等参数是否满足要求，并进行波形保存和参数数据记录，如果晶振没有起振，一般说明主芯片没有正常工作，但有些芯片上电缺省采用内部晶振，需要软件配置后，外部晶振才可以起振；有些主芯片有CLKO管脚，即缺省32.768KHz的时钟输出，可通过示波器检查此管脚是否有时钟输出，开确定主芯片是否上电正常工作。2.复位信号调试复位信号电压是否满足设计要求，上电复位时间是否满足要求；如果外部有硬件看门狗，测试其是否按照设计要求复位。并进行相关波形保存和参数数据记录。3.液晶显示调试通过单片机与液晶连接的P0组的I/O口写入一段显示程序，如果液晶显示器能正常显示，说明，电路正确，如果不能正常显示，检查与I/O口连接的数据线。4.读卡器电路调试通过射频卡接近读卡器，如果读卡器发出读卡声音，则说明射频卡已经识别。5.指纹识别电路调试将指纹按在模块上，能够进行是识别说明系统电路无误。测量完关键电路后，对电路的按键电路等进行测量，同样是通过万用表进行点评的测量，待所有电路测量完毕后，系统的硬件电路就可以正常工作了。5.2软件调试软件调试与系统试机。经过以上几步的测试，说明外围电路都已工作正常，接下来对软件进行调试。这部分的调试是整个系统调试的重点。调试中采用模块程序逐一添加的方法进行，先对系统的数码管显示部分进行程序设计，通过程序来控制数码管显示数据，调节数码管显示电路的电阻值，再配合程序显示出正常的字符，待液晶完毕后，在对本设计中的关键部分进行程序设计，同时再在程序中加入滤波函数，将数据进行平均，得出最接近实际的数据。然后在程序中加入按键判断程序和通讯程序，通过现象验证程序的正确行，最终，系统实现了全部的功能，至此，整个系统制作完成。实物图如图5-1所示。图5-1实物图本章小结本章对系统的软硬件进行了调试，介绍了所需的调试工具，以及检查方法，还重点讲述了容易出现的问题以及出现问题的解决方法，并介绍了如何验证是否出现问题，以及如何运行可以确定为正常运行，通过调试使系统完成预期的功能。结论本设计通过单片机来控制系统的运行和数据的处理，用户的信息识别采用读卡器和指纹传感器，还有按键，然后通过程序设计，接收传感器发来的数字量，并将数字量进行处理，得到实际的用户信息，单片机接收到数据后通过液晶示出来。同时系统可以通过外部的按键来设定密码，系统一共有16个按键，如果系统运行期间不进行按键设置，则当单片机默认通过读卡器和指纹来进行识别，系统也设有报警电路，可以当系统密码错误是发出报警。通过硬件设计和软件设计，系统已经具备了对门锁的智能化控制。这种安防系统被应用在很多领域中，尤其是一些办公楼，公司，小区等。系统可以分为以下几点功能：（1）使用射频卡、指纹、按键进行解锁；（2）通过蜂鸣器进行状态提醒；（3）液晶模块显示系统信息；（4）继电器控制门锁，密码正确则打开。本文通过前面四章内容对该系统整体方案的提出，软件以及硬件的设计进行详细的论述概述了目前国内外门锁系统的发展状况，提出智能门锁系统的市场可行性。并机进行系统的设计方案以及系统工作特点分析。完成硬件电路中各个模块进行设计，包括元器件的选型，所选器件的工作原理以及端口功能。最后对系统的软件进行设计，包括单片机主要程序的编写，通过课题设计，系统已经能够实现智能门锁的预期功能，实现对门锁的更新。通过软硬件的调试，完成系统平台功能设计，并进行软硬件的联调，最终实现系统的预期功能。致谢首先要感谢论文指导老师和其他的各位老师们。指导老师对论文的研究方向做出了指导性的意见和推荐，在论文撰写过程中及时对遇到的困难和疑惑给予悉心指点，提出了许多有益的改善性意见，投入了超多的心血和精力。在此对周老师的帮忙和关怀表示诚挚的谢意!同时，还要感谢老师们和所有同学们，在论文编写中带给的大力支持和帮忙，带来极大的启发。度过了一段完美难忘的大学时光，也要感谢参考文献中的作者们，透过研究文章，对研究课题有了很好的出发点。最后，谢谢论文评阅老师们的辛苦工作。衷心感谢、朋友，以及同学们的鼓励和支持下才得以顺利完成此论文。参考文献[1]章晓智．应用飞思卡尔单片机的小区智能巡逻车设计[J]．淮南职业技术学院学报，2019，19(05)：125-127[2]焦灵侠．基于单片机的小区安防系统的研究[J]．现代信息科技，2019，3(18)：25-27[3]吴琼，王鹏，苏红，苏鸿飞．智能安防系统助推小区向智慧管理迈进[J]．电子测试，2019(18)：50-52[4]汪涛．基于物联网的智能小区系统设计[J]．中阿科技论坛(中英阿文)，2019(03)：21-24+127-130[5]阮有兵，徐海黎，万旭，沈标．基于人脸识别的智慧小区门禁系统[J]．电视技术，2019，43(01)：90-93+120[6]王雪飞．基于智能手机的小区门禁管理系统设计与实现[J]．数字技术与应用，2017(11)：139+142[7]张坤．智慧小区门禁系统的设计与实现[D]．重庆邮电大学，2017[8]杨荣秀．基于指纹识别技术的智能小区门禁系统的设计[J]．科技与企业，2016(05)：88+90[9]姚海燕．基于MCS-51单片机的智能门禁系统的设计[J]．常州信息职业技术学院学报，2016，15(01)：21-23[10]李玉丽．指纹识别门禁系统在智能小区的研究[J]．黑龙江科技信息，2015(34)：82-83[11]宋凡．智能小区裸眼3D门禁系统设计研究[D]．南昌大学，2015附录一电路图附录二部分程序代码#include<reg51.h>#include<intrins.h>sbitcp=P1^0;sbitsck=P1^1;sbitso=P1^2; 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