基于单片机的门禁系统设计毕业设计Word格式文档下载.docx
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entranceguardsystem;
Combinationlock;
AT89S51;
4x4matrixkeyboard
第1章前言
1.1门禁系统的定义
随着电子技术在现实生活中的广泛应用，人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利，特别是在20世纪80年代，门禁系统的出现更为人们出入口门禁安全提供了方便。
门禁系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，如图1-1所示，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术[1]。
它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。
适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间，智能小区，工厂等。
图1-1现代化门禁系统示意图
1.2门禁系统的发展现状和趋势
楼宇对讲系统在欧美国家、香港、台湾等地区已采用近20多年，自1992年起，国外楼宇对讲系统生产制造商陆续到中国开拓市场。
时至今日，国内的生产厂商已猛增至260家左右，以深圳白兰公司为代表的国内楼宇对讲系统的市场占有率达80%左右[2]。
自2000年以来，有实力的厂家集中开发联网型楼宇智能小区，楼宇智能系统集成度越来越高，首先实现了多门口机多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能，另外一些厂家还集成了三表远抄、监控及巡更等系统、产品的稳定性在进一步提高。
室内分机主要有对讲及可视对讲两大类产品，基本功能为对讲（可视对讲）、开锁。
随着产品的不断丰富，许多产品还具备了监控、安防报警、户户通、信息接收、远程电话报警、留影留言提取、家电控制等功能。
现在，许多技术应用到室内分机上，如无线接收技术、视频字符叠加技术等。
无线电技术用于室内机接收报警探头的信号，适用于难以布线的场合。
室内机在原理设计上有两大类型：
一类是带编码的室内分机，其分支器可以做得简单一些，但室内分机成本要高一些；
另一类编码由门口主机或分支器完成，室内分机做得很简单。
彩色室内分机的液晶屏目前还没国产化，成本较高，这是制约彩色可视楼宇对讲系统应用的瓶颈。
可视分机方面趋向于超薄免提壁挂，但流行最多的仍是壁挂式黑白可视分机。
室内分机在楼宇对讲系统中占据成本较大，从发展来看，以带安防报警、信息发布的彩色分机在高档楼盘中应用较多，中档以黑白可视对讲分机居多，低档配套为对讲分机。
对讲门禁系统正形成为一个相对独立的产业部门，与电视监控、防盗报警、门禁管理、智能停车场等共同组成了安防产业。
销售量增加，竞价行业严重，利润率降低，部分厂商意识到竞价行业将带来毫无生存空间的严重后果，故致力于提升产品品质，增加对售后服务的投入，加快产品开发的进度，楼宇对讲市场区逐渐成形。
对讲门禁成为市场主流，普通对讲仍具有一定的市场，可视对讲市场增长缓慢。
楼宇对讲的目前市场主流的普通对讲，在处于市场导入阶段的欠发达地区市场潜力巨大，而可视对讲由于其价位高，功能有过剩之嫌，市场增长缓慢。
但是，可视对讲在高级住宅或别墅的配套上将呈上升趋势。
可视门禁的功能趋向多样化和综合化[5]。
近三年，由于受金融危机及经济不景气等影响，国外品牌销售不畅。
虽然国外品牌厂家纷纷改变行销策略，试图拓展市场，却无力改变颓势。
国内楼宇对讲生产厂商数量多，但规模相对较小。
1.3门禁系统的背景以及研究目的和意义
近年来，在城区住宅小区普遍提出小区智能化，国家建设部对此也提出了具体的要求。
但是由于商业运筹、价格、技术等诸多原因，使实际应用中，起主导作用的还是普通楼宇对讲系统，并且在普通楼宇对讲系统中带报警功能的系统也不被人们看好。
另外，由于普通楼宇对讲系统用于千家万户，属于公用设施，因此要求普通楼宇对讲系统面耐用性强，系统运行可靠性高，同时价格要低，系统维护方便。
这些要求相互矛盾，给普及楼宇对讲系统的设计提出了较高的要求[6]。
门禁系统研究的是对讲门禁系统，对讲系统提供舒适、安全、方便的家庭生活空间。
在室内通过对讲机对来访者进行识别，既可免除烦扰，又可简化开门程序，是房屋的理想设施。
对讲系统也可以在遇到紧急情况或特发事件时，在室内通过副机来向保安管理中心进行紧急报警，达到防盗的目的并为处理突发事件提供保障。
随着社会的发展，人类的进步，人们对生活、居住质量的要求也越来越高，安全、舒适的居住环境已成为现代化住宅小区（或智能化住宅小区）的基础。
对讲门禁系统越来越受到用户的欢迎和喜爱，同时又大大促进了楼宇对讲门禁系统的发展。
楼宇对讲门禁系统适应了社会的信息化，实现了住户和访客双向通话功能，增加了安全可靠性，有效地保护了住户的人身安全和财产安全，成为二十一世纪房地产投资开发的主导方向，正在成为小康住宅不可缺少的配套设施[7]。
可以说，微型计算机和单片机的迅速发展和它在各个领域智能化应用为智能对讲门禁提供了条件和技术，楼宇对讲门禁系统所涉及的各项技术的背景均是成熟的，其技术发展符合现代数字化技术的潮流，它是信息化社会发展的必然趋势。
1.4门禁系统研究的主要内容
对讲门禁系统主要分为大门口主机和室内用户机两大部分，本课题研究的主要内容是在了解对讲门禁整个系统的工作原理及功能前提下，设计室内用户机的单片机程序。
它以单片机AT89S51作为系统控制核心部件，配以语音呼叫开锁模块、密码开锁模块以及按键和显示器等组成。
采用汇编语言编写单片机程序，实现室内机和室外机之间能够实现双向通话，利用键盘来作为控制信号输入，实现相应部分电路的控制——拨号、密码修改，开门信号发送等。
要求各系统能正确、有效地执行命。
1.4.1总体设计方案选定
方案一：
采用数字电路控制。
其原理方框图如图1－2所示。
图1-2数字密码锁电路方案
采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。
用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；
如果用户输入密码的时间超过40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。
方案二：
采用以AT89S51为核心的单片机控制方案，其原理如图1－3所示。
图1-3单片机控制方案
单片机：
本部分的功能包括写入和读取各种控制命令及数据处理，同时还要对各执行单元进行控制。
单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。
键盘部分：
本部分由用户通过键盘输入各种信息送入到单片机进行处理。
显示部分：
本部分完成的是单片机处理后的数据和信息的显示以及系统提示信息的显示。
语音对讲部分：
本部分通过与单片机的协作完成来访者与房主的语音对讲。
密码存储部分：
本部分完成存储原始密码和用户更改密码数据的功能。
其它部分：
本部分的目的是为了提高系统的可用性和实用性。
主要包括电源部分、复位部分、晶振部分、开锁部分和报警部分。
电源部分主要的功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其它的部分提供电源。
复位部分功能是使单片机在出现故障时进行成功的复位。
晶振部分功能是给单片机提供时钟。
开锁部分主要是根据单片机数据处理的结果驱动继电器控制开锁的操作[10]。
报警部分主要的功能就是在错误操作下实现蜂鸣器叫和发光二级管亮的报警信号。
本方案利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的门禁系统功能，还能添加掉电存储、声光提示等功能。
通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。
1.4.2门禁系统单片机硬件资源的分配
P0.0～P0.6用于数码管显示。
P1.0～P1.7用于键盘电路的控制。
P2.0用于开锁电路的控制。
P2.1、P2.2用于蜂鸣器和报警灯的控制。
P3.0～P3.5用于语音模块控制。
第2章系统的硬件设计
2.2单片机最小系统设计
本次设计中，选用Ateml公司的51系列单片机AT89S51芯片作为门禁系统的数据处理及操作控制芯片。
只有单片机芯片是无法完成数据处理及控制功能的，必须有附加的电路，使单片机芯片组成一个可运行的系统才能实现其功能，由AT89S51单片机连同附加电路构成的单片机最小系统作为主控[11]。
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
单片机AT89S51引脚如图2-1所示。
2.1.1AT89S51简介
◇与MCS-51兼容
◇4K字节可编程闪烁存储器
◇寿命：
1000写/擦循环
◇数据保留时间：
10年
◇全静态工作：
0Hz-24Hz
◇三级程序存储器锁定
◇128*8位内部RAM
◇32可编程I/O线
◇两个16位定时器/计数器
◇5个中断源
◇可编程串行通道
◇低功耗的闲置和掉电模式图2-1单片机AT89S51引脚图
◇片内振荡器和时钟电路
引脚功能说明:
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL），Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL），在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号[12]。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。
DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。
XTAL1：
接外部晶体的微调电容的另一端。
在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲如图2-2所示。
图2-2外部时钟电路的引脚连接图
XTAL2：
接外部晶体和微调电容的一端。
在内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。
要检查单片机的振荡电路是否正确工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出[13]。
2.1.2单片机晶振电路
AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图2-3所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
2.1.3单片机复位电路
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
复位电路如图2-4所示。
图2-3晶振电路图2-4复位电路
2.2键盘电路
使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。
其原理如图2-5所示。
图2-5系统键盘电路
每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×
M个按键的键盘。
在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。
对键的识别通常有两种方法：
一种是常用的逐行扫描查询法；
另一种是速度较快的线反转法。
对照图2-5所示的4×
4键盘，说明线反转个工作原理[14]。
首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。
方法是：
向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。
如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。
依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；
如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键[15]。
2.3显示电路
2.3.1数码管简介
数码管显示也称为LED显示，是一种主动发光的信息显示方式，它的每一个字段由一个发光的二极管组成，其外形和引脚如图2-6所示。
图2-6数码管外形及引脚
2.3.2驱动芯片简介
门禁系统显示部门的驱动模块由74LS247和74LS138构成，其引脚如图2-7所示。
图2-774LS247、74LS138的引脚图
74LS247和74LS138的真值表如表2-1和2-2所示。
表2-174LS247的真值表
表2-274LS138的真值表
2.3.3显示电路设计
门禁系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的，门禁系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的一个串行口，利用74LS247驱动数码管发光显示数码和74LS138控制位选信号，就可以完成单片机的显示功能，用P0.0—P0.3接74LS247的A，B，C，D四端口，74LS247的输出口接LED的七段显示；
而P0.4—P0.6接74LS138的A，B，C三个输入口，74LS138的输出口接LED的位显示。
通过软件实现数字和位控制[16]。
用74LS247可以控制输出什么字型。
74LS247的逻辑功能表如表2-1，用74LS138控制位循环显示，其逻辑功能表如表2-2，显示电路的电路原理图如图2-8所示。
图2-8系统显示电路
2.4语音电路
2.4.1MC34118的简介
本系统的语音电路选取MC34118，MC34118是MOTOROLA免提式电话机专用集成电路，工作在半双工状态的转换芯片。
由放大器、电平检测器、衰减器、监听器、滤波器及控制单元组成。
用在普通模拟电话机内消除侧音的一块芯片，能够比较满意的禁止麦克风录到本机喇叭播放的声音。
它比较放音和录音的电平，谁小就禁止谁，全双工通信变成了半双工通讯，不过通话时一般感觉不到。
MC34118的内部比较复杂，有4个电平比较器，两个背景噪音监视器，一个AGC，一个拨号音检测器，两个衰减器，一个控制衰减器的控制模块，还有一些放大电路[18]。
MC34118有如下优点：
衰减器增益范围较宽，发送和接收之间为520dB；
采用电话线路供电时工作电压为3.0～6.5V；
具有四点信号检测控制系统提高了控制灵敏度；
发送和接收通道设有背景噪声监测器；
采用外接电阻控制发送放大器的增益，并提供静音功能；
芯片有工作/等待两种操作方式；
根据用户的需要可外接滤波器；
芯片有拨号音输入时，拨号音检测器禁止接收放大器为空闲方式；
图2-9为MC34118的引脚图
图2-9MC34118的引脚图
引脚的功能：
（1）脚（FO）是滤波器输出脚；
（2）脚（FI）是滤波器输入脚；
（3）脚（CD）是芯片关闭脚，该脚为低电平（小于0.8V）时芯片才能正常工作.该脚为高电平（大于2V）时.芯片关闭不工作；
（4）脚（VCC）是正电源输入脚.工作电压范围为2.8~6.5V（5mA时）；
（5）脚（HTO+）是第二级混合放大器的输出脚，该放大器的增益为-1、0，这样在HTO+和HTO-之间可以实现差动输出；
（6）脚（HTO-）是第一级混合放大器的输出脚，该放大器的增益由外接负反馈电阻的阻值决定；
（7）脚（HTI）是第一级混合放大器的输入脚；
（8）脚（TXO）是发送衰耗器的输出脚；
（9）脚（TXI）是发送衰耗器的输入脚；
（10）脚（MICO）是微高放大器的输出脚.改变该脚与（11）脚之间的电阻阻值.可以改变放大器的增益；
（11）脚（MICI）是为高放大器的输入脚；
（12）脚（AUTE）是静音输入脚，该脚为低电平（小于0.8V）时.芯片处于正常工作状态，该脚为高电平（大于2.0V）时，关闭微音放大器，而对其它电路无影响；
（13）脚（VLC）是受话音量控制输入脚.调节该脚与（15）脚（VB）之间的电位器.就可以调节受话音量；
（14）脚（CT）是衰耗控制器的输出脚.改变该脚的电阻和电容的值.就可改变从发送转到接收方式或从接收转到发送方式的转换时间，当该脚点位高于（15）脚（VB）240mV时.芯片处于接收状态.当该脚电位低于（15）脚（VB）-240mV时.芯片处于发送状态.当该脚点位等于（15）脚（VB）电位时.芯片处于等待状态；
（15）脚（VB）是电压输出脚.输出电压等于Vcc/2，该脚不但是芯片的交流地，而且也是为音量控制提供偏置；
（16）脚（CPT）是发送背景噪音监视器的外接元件脚，改变该脚上电阻和电容的值，就可改变发送背景噪音监视器的建立时间；
（17）脚（TLI2）是第二发送电平检测器的输入脚；
（18）脚（TLO2）是第二发送电平检测器的输出脚，也是发送背景噪音监视器的输入脚；
（19）脚（RLO2）是第二接收电平检测器的输出脚；
（20）脚（RLI2）是第二接收电平检测器的输入脚；
（21）脚（RXI）是接收衰耗器和拨号音检测器的输入脚；
（22）脚（RXO）是接收衰耗器的输出脚；
（23）脚（TLI1）是第一发送电平检测器的输入脚；
（24）脚（TLO1）是第一发送电平检测器的输出脚；
（25）脚（RLO1）是第一接收电平检测器的输出脚，也是接收背景噪音监视器的输入脚；
（26）脚（RLI1）是第一接收电平检测器的输入脚；
（27）脚（CPR）是接收背景噪音监视器的外接元件脚，改变该脚上电阻和电容的值.就可改变接收背景噪音监视器的建立时间；
（28）脚（GND）是接地脚；
2.4.2语音电路设计
本系统的语音电路选取MC34118模块，MC34118是MOTOROLA免提式电话机专用集成电路，工作在半双工状态的转换芯片。
语音电路如图2-10所示。
图2-10系统语音通信电路
2.5开锁电路
门禁系统的开锁、上锁控制电路如上图所示，系统的开锁、上锁通过继电器完成，继电器通过单片机的I/O
端口控制，当P2.0口输出高电平
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