小区楼层单元门禁系统课程设计报告附带电路图分析.docx
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小区楼层单元门禁系统课程设计报告附带电路图分析
楼层单元门禁系统的设计
附录………………………………………………………………………………………17
1.总体要求：
题目主要研究内容及预期达到的目标：
设计一套简易的门禁系统的电路图。
撰写设计报告，总体框图及总体工作原理说明，各部分电路图及工作原理和元件及参数选择说明，总体程序流程图。
题目所涉及的知识面：
模拟电路技术，数字电路技术，单片机技术，射频技术。
相关知识链接：
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。
生物识别系统按照识别对象来分主要有：
1. 指纹：
是目前较成熟和适合于大规模应用的生物识别特征。
2. 掌形：
技术和产品也比较成熟，但是由于其体积大和价格较贵，限制了应用。
3. 虹膜：
是目前误识率最低的产品之一，可以达到百万分之一的精度，但是由于其使用的不方便和价格昂贵及体积较大受到较多的使用限制。
4. 面相：
由于其使用的方便性，这也是一种可以大规模推广应用的生物特征，但是由于目前的误识率比较高和受到周围环境的影响（如 灯光、气候等）,导致
1.2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。
1.3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
PAS5001-N
如上图所表示，电源由主要供电充电锂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、AT24C02E2ROM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。
AT24C02E2ROM：
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。
通话电路：
访客通过输入门号，对住户进行通话。
2.3小结
本系统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。
理论上能初步实现小区单元门禁系统的功能。
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。
图3.1电路原理图
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D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地搭成的。
图3.2.1.1
Proteus仿真：
仿真图
220V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D1～D4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、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1—2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W２可以对充电电流进行大范围调节。
图3.2.1.2
3.2.2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。
开锁电路设计
当正确开启门禁时，开锁电路工作：
引脚24变为低电平，Q2导通，Q3导通，此时继电器线圈导通，继电器工作，开关被拉下，实现开锁功能，而D5是用来保护电路的。
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3.2.3.1
3.2.4矩阵键盘的设计
本设计是用AT89S52的并行口P1接4×4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，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
3.2.5LED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
E
0x37
N
0x40
-
0x76
H
0x3f
0
0x06
1
0x5B
2
0x4F
3
0x66
4
0x6D
5
0x7D
6
0x07
7
0x7F
8
0x67
9
仿真图：
3.2.6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，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。
LM386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3.2.7.1
3.3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，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KeilμVision作为其开发工具。
KeilμVision是美国KeilSoftware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
NN
YY
4.3断电密码储存子程序
对于AT24C02E2PROM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：
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
N
Y
4.5门号输入及其判断子程序
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P1.4~P1.6产生。
下图的程序流程图为门号流程图4.5.1
按下访客按键
取消
输入数字门号
N
Y
4.6小结
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。
参考文献
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附录A门禁系统设计原理图
附录B门禁系统设计仿真图
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