測控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、摘 要 本設(shè)計(jì)主要針對樓層單元門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)芯片AT89C51作為主控芯片；通過4x4矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)密碼的輸入與主要功能的選擇；通過AT24C1024實(shí)現(xiàn)密碼的存儲與斷電保護(hù)；通過LCD1602實(shí)現(xiàn)必要的顯示。設(shè)計(jì)從硬件電路和軟件兩方面全面的分析了門禁系統(tǒng)，硬件電路組成主要包括：密碼輸入模塊、密碼存儲模塊、顯示模塊、報警模塊和開鎖模塊等部分。設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)實(shí)用性，并且，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用很廣泛。關(guān)鍵詞：AT89C51 LCD1602 門禁系統(tǒng) AT24C1024引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對于高科技服務(wù)于生活的要求也越來越高，然而人們感受著高科技給他們帶來的極大便

2、利的同時，也帶來了許多不安全因素。例如，運(yùn)用高科技手段進(jìn)行盜竊、搶劫等犯罪行為與日俱增。怎樣才能使安全防范措施跟得上科技的發(fā)展？僅依靠單一的物理防范遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。于是智能門禁系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能門禁系統(tǒng)是一種綜合性的多學(xué)科的高科技技術(shù)集合，它涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等諸多新技術(shù)領(lǐng)域。1門禁系統(tǒng)的分類1.1按照門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理分類1. 獨(dú)立一體機(jī)：這種門禁系統(tǒng)是控制器自帶讀卡器的方式，優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，便于安裝，缺點(diǎn)是部分控制線必須露在門外，出門無須卡片或密碼即可出門，安全性較差。2. 控制器與讀卡器分體的：此種門禁系統(tǒng)控制器安裝在室內(nèi)，只有讀卡器輸入線露在室外其它所有

3、控制線均在室內(nèi)，而讀卡器傳遞的是數(shù)字信號，因此，若無有效卡片或密碼任何人都無法進(jìn)門。較于獨(dú)立一體機(jī)貴，但是安全性較之有很大的提高，以后門禁系統(tǒng)的首選。門禁控制器與讀卡器分開的方式中，又有單機(jī)型控制器和聯(lián)網(wǎng)型控制器。1. 單機(jī)型控制器：適于用小系統(tǒng)或安裝位置集中的單位，通常采用RS485通訊方式，優(yōu)點(diǎn)是投資小，通訊線路專用。缺點(diǎn)一旦安裝好就不能方便地更換管理中心的位置，不易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和異地控制。2. 網(wǎng)絡(luò)型：此類產(chǎn)品的通訊方式采用的是網(wǎng)絡(luò)常見的TCP/IP協(xié)議。優(yōu)點(diǎn)是控制器與管理中心是通過局域網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)的，管理中心位置可以隨時變更，不需要重新布線安裝，很容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制和異地控制。適用于大系統(tǒng)

4、或安裝位置分散的系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的通訊部分的穩(wěn)定依賴于局域網(wǎng)的穩(wěn)定。1.2按照門禁系統(tǒng)的進(jìn)出識別方式1. 密碼識別：通過檢驗(yàn)輸入密碼是否正確來識別進(jìn)出權(quán)限。優(yōu)點(diǎn)是操作方便，無須攜帶卡片且成本低；缺點(diǎn)是同時只能容納3組密碼，容易泄漏，安全性很差且只能單向控制和無進(jìn)出記錄。2. 卡片識別：通過讀卡或讀卡加密碼方式來識別進(jìn)出權(quán)限，按卡片種類又分為：（1）磁卡優(yōu)點(diǎn)：成本較低，安全性一般，可聯(lián)微機(jī)有開門記錄缺點(diǎn)：卡片是接觸式刷卡，設(shè)備有磨損，使用壽命較短，卡片容易復(fù)制，不易雙向控制，且信息容易因外界磁場丟失，使卡片無效。（2）射頻卡優(yōu)點(diǎn)：卡片與讀卡器間是非接觸方式，開門方便安全且壽命較長。安全性高，可

5、聯(lián)機(jī)使用，有開門記錄，可以實(shí)現(xiàn)雙向控制，卡片很難被復(fù)制。2 門禁系統(tǒng)的發(fā)展 最近幾年隨著感應(yīng)卡技術(shù)，生物識別技術(shù)的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進(jìn)入了成熟期，集成了微機(jī)自動識別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)等諸多技術(shù)。它是解決重要部門出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效措施。適合各種機(jī)要部門，如銀行、賓館、機(jī)房、軍械庫、機(jī)要室、辦公間、智能化小區(qū)、工廠等。在數(shù)字技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的今天，門禁系統(tǒng)早已超出了單純的門道及鑰匙管理，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外研制和使用的門禁系統(tǒng)主要集中在感應(yīng)門禁系統(tǒng)和生物識別門禁系統(tǒng)。在生物識別門禁系

6、統(tǒng)中又以指紋門禁系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識別理論以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，指紋自動識別系統(tǒng)的體積不斷縮小，其價格也將不斷降低。3.門禁控制系統(tǒng)的功能(1)刷卡記錄：當(dāng)人員進(jìn)/出門時需持卡在讀卡器前進(jìn)行讀卡，讀卡器讀取信息后，將信息傳送到主機(jī)，主單片機(jī)判斷該信息的合法性，并可發(fā)出警報。(2)信息顯示功能：選用帶液晶讀卡器，還可顯示時鐘，刷卡指示等信息。(3)記錄存檔及查詢功能：主機(jī)會將刷卡信息、日期、時間等數(shù)據(jù)保存以供查詢或直接傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行處理。所有讀卡資料均有電腦記錄。(4)密碼鍵盤功能：如果用戶想刷卡后按密碼才允許進(jìn)入?？?密碼的操作方式目的在于用于對安全性

7、要求更加高的場合。連續(xù)3次密碼輸入錯誤鍵盤自動鎖住。 (5)異常報警功能：門戶的狀態(tài)和行為，都可實(shí)時反映到控制室的電腦中，當(dāng)門打開的時間過長，非法闖入、門鎖被破壞等情況出現(xiàn)時，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)報警。(6)系統(tǒng)擴(kuò)展性好，具有聯(lián)網(wǎng)功能：模塊化的組網(wǎng)方式，集合RS422和IIC總線傳輸?shù)膬?yōu)勢，使系統(tǒng)的組網(wǎng)方式更加靈活，系統(tǒng)的擴(kuò)展更加方便。任務(wù)與分析任務(wù) 設(shè)計(jì)一樓層單元門禁系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)樓層住戶密碼開鎖或呼叫開鎖，能顯示操作狀態(tài)，阻止陌生人進(jìn)入，能輸出報警及顯示。設(shè)計(jì)完整的電路原理圖和編寫相關(guān)程序。 用MCS-51系列單片機(jī)或其它CPU作為控制器設(shè)計(jì)一完整控制系統(tǒng),需包括以下內(nèi)容： 各樓層需實(shí)現(xiàn)呼叫及對講

8、； 用LCD1602顯示或用LED顯示； 有密碼輸入按鍵； 有聲音及報警輸出； 當(dāng)斷電時能維持24小時正常工作。 用PROTEUS仿真其中一個功能。任務(wù)分析：第一步：選擇AT89C51單片機(jī)作為主控芯片第二步：設(shè)計(jì)4x4矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)密碼的輸入控制第三步：選用AT24C1024芯片，實(shí)現(xiàn)密碼存儲，斷電保護(hù)；第四步：選用LCD1602作為顯示，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)功能的要求第五步：設(shè)計(jì)開鎖電路，實(shí)現(xiàn)開鎖功能第六步：設(shè)計(jì)報警電路，實(shí)現(xiàn)報警功能 通過完成以上六步，即可設(shè)計(jì)出完整的門禁系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)方案 門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：鍵盤輸入模塊、顯示模塊、存儲模塊、報警電路、開鎖電路的設(shè)計(jì)。下文，將會對各個模塊

9、的硬件設(shè)計(jì)和軟件部分進(jìn)行詳細(xì)的論述與討論。第一部分是硬件電路的設(shè)計(jì)，第二部分是相關(guān)程序軟件的編寫。 第一部分：硬件電路的設(shè)計(jì) 1 控制芯片AT89C51及附屬電路 1.1 AT89C51的介紹和引腳封裝 AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MC

10、S-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。其引腳及封裝如下所示： 圖1 AT89C51引腳圖 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保

11、存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 1.2 復(fù)位電路 根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位 最簡單的上電復(fù)位電路。工作原理為：上電瞬間RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個時鐘周期以上的高電平，就能是單片機(jī)有效的復(fù)位。如圖2所示的上電與按鈕復(fù)位電路，常采用的是上電與按鈕復(fù)位電路。 圖2 上電與按鈕復(fù)位電路 1.3 晶振電路 51系列的單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到，即內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。 在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩電路，如圖3所示。圖中C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻

12、率、快速起振的作用，電容值一般為5pF30pF。晶體振蕩選用6MHz、12Mhz或24Mhz，采用串口時常使用11.0592MHz。內(nèi)部振蕩所得到的時鐘信號比較穩(wěn)定，應(yīng)用比較多。 外部振蕩方式把已有的時鐘信號引入單片機(jī)內(nèi)。 圖3 晶振電路2 鍵盤輸入模塊 由于獨(dú)立式鍵盤只適合于按鍵較少的場合，否則占用的端口太多，按鍵較多時，通常采用行列式鍵盤電路。但由于行列式鍵盤的管理程序較為復(fù)雜，需要采用鍵盤掃描技術(shù)，常用的鍵盤掃描技技術(shù)方式有掃描法、線反轉(zhuǎn)法、狀態(tài)矩陣法。所以本設(shè)計(jì)主要采用4x4矩陣鍵盤。掃描方式采用線反轉(zhuǎn)法。2.1 鍵抖動及消除鍵抖動鍵盤是有若干個按鍵組成的，它是單片機(jī)最簡單的輸入設(shè)備。

13、用戶通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)和指令，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對話。“鍵”就是一個簡單的開關(guān)，當(dāng)鍵按下時，相當(dāng)于開關(guān)閉合，當(dāng)鍵松開時，相當(dāng)于開關(guān)斷開。鍵在閉合和斷開時會存在抖動現(xiàn)象，鍵的抖動時間一般為5ms10ms，鍵抖動一次可能造成一次按鍵的多次閉合、釋放的問題。所以應(yīng)采用措施消除抖動的影響。應(yīng)用中有采用硬件去抖動和軟件去抖動兩種方法，常采用的軟件去抖動的方法。軟件去抖動即使，軟件延時5ms10ms的方法來消除抖動的影響。當(dāng)單片機(jī)檢測到有鍵閉合的時候，先延時5ms10ms，然后再檢測按鍵的狀態(tài)，如果仍然是閉合狀態(tài)，則認(rèn)為真正有按鍵按下。當(dāng)需要檢測按鍵釋放時，也可以采用同樣的方法。2.2 矩陣鍵盤 圖4 4x4矩

14、陣鍵盤2.3 線反轉(zhuǎn)掃描法 I/O端分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，鍵按下時，行線和列線將發(fā)生短路。過程如下：（1） 先從P1端口的高4位輸出低電平（列）。低4位輸出高電平（行），即P1=0x0f，從P1口讀取鍵盤狀態(tài)。這時如果低4位中 只要有一位出現(xiàn)“0”，說明此行中有按鍵按下。各行中有鍵按下從P1口讀取的數(shù)值依次是：0EH、0DH、0BH、07H。（2）再從P1口的低4位輸出低電平（列）。高4位輸出高電平（行），即P1=0xf0，從P1口讀取鍵盤狀態(tài)。這時如果高4位中 只要有一位出現(xiàn)“0”，說明此列中有按鍵按下。各列中有鍵按下從P1口讀取的數(shù)值依次是：E0H、D0H、B0H、70H

15、。（3）將兩次讀取的特征值，進(jìn)行組合，得到當(dāng)前按鍵的特征碼。3 密碼存儲模塊3.1 24C02C介紹24C02C串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存儲器件，遵循二線制協(xié)議，由于其具有抗干擾能力強(qiáng)、接口方便，體積小，數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點(diǎn)，在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應(yīng)用。24C02C中帶有的片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實(shí)現(xiàn)對下一個存儲單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線。通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCL(串行時鐘線)兩根線在連到總線上的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件。24C02

16、C正是運(yùn)用了I²C規(guī)程，使用主/從機(jī)雙向通信，主機(jī)(通常為單片機(jī))和從機(jī)均可工作于接收器和發(fā)送器狀態(tài)。主機(jī)產(chǎn)生串行時鐘信號(通過SCL引腳)并發(fā)出控制字，控制總線的傳送方向，并產(chǎn)生開始和停止的條件。無論是主機(jī)還是從機(jī)，接收到一個字節(jié)后必須發(fā)出一個確認(rèn)信號ACK。管腳描述：SCL 為串行時鐘：串行時鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘SDL 為串行數(shù)據(jù)/地址：雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收SDL，A0、A1、A2 為器件地址輸入端：當(dāng)使用24C02 時最大可級聯(lián)8個器件，如果只有一個24C02被總線尋址，這三個地址輸入腳A0、A1、A2可懸空或連接到Vss

17、。WP為寫保護(hù)：如果WP 管腳連接到Vcc 所有的內(nèi)容都被寫保護(hù)只能讀當(dāng)WP, 管腳連接到Vss 或懸空,允許器件進(jìn)行正常的讀/寫操作。管腳圖如圖5所示。 圖5 24C02C引腳圖3.2 24C02C電路連接圖 圖6 24C02C連接圖4 顯示模塊 了解系統(tǒng)的運(yùn)行與工作狀態(tài)顯示器是不可缺少的，顯示器是一個典型的輸出設(shè)備并且它的實(shí)際應(yīng)用也是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都會使用到顯示器其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以是LED發(fā)光二極管或者數(shù)碼管。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0D7和

18、RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。4.1 LCD1602引腳圖 圖7 LCD1602引腳圖 基本操作程序：讀狀態(tài)：令RS=L，RW=L， E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù)：令RS=H，RW=H，E=H 輸出：無寫指令：令RS=L，RW=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：令RS=H，RW=L，D0D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出：無4.2 LCD1602顯示電路 圖8 顯示電路5 報警及開鎖電路 5.1 開鎖電路開鎖步驟如下：首先按下鍵盤上的開鎖按鍵，然后利用鍵盤上的數(shù)字鍵09輸入密碼，最后按下確認(rèn)鍵。當(dāng)用戶輸入密碼后

19、，單片機(jī)自動識別密碼，如果密碼不符。具體電路如圖所示。 5.2 報警電路 圖 蜂鳴電路第二部分 相關(guān)程序軟件的編寫 為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。把一個程序分成具有多個明確任務(wù)的程序模塊，分別編制、調(diào)試后再把它們連接在一起形成一個完整的程序。 1 鍵掃描程序舉例 uchar keyscan() uchar scan1,scan2,keycode,j; P1=0xf0; scan1=P1; if(scan1&0xf0)!=0xf0) /判鍵是否按下 delaykeyms(10); /延時10ms scan1=P1; if(scan

20、1&0xf0)!=0xf0) /二次判鍵是否按下 P1=0x0f; scan2=P1; keycode=scan1|scan2; /組合成鍵編碼for(j=0;j<=15;j+) if(keycode= key_codej) /查表得鍵值 key=j; return(key); else P1=0xff; return (16);2 LCD1602顯示程序舉例void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a>0;a-)for(b=100;b>0;b-); void write_command(uchar command)P0=command;

21、lcdrs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;lcdrs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void lcd_init()write_command(0x38);delay(20);write_command(0x0f);delay(20);write_command(0x06);delay(20);write_command(0x01);delay(20);3 24C02C相關(guān)程序舉例uchar a;/voi

22、d delay()/ ; / ; void start() /開始信號sda=1;delay();scl=1;delay();sda=0;delay();void stop() /停止sda=0;delay();scl=1;delay();sda=1;delay();void respons() /應(yīng)答uchar i;scl=1;delay();while(sda=1)&&(i<250)i+;scl=0;delay();void init()sda=1;delay();scl=1;delay();void write_byte(uchar ch)uchar i,temp;

23、temp=ch;for(i=0;i<8;i+)temp=temp<<1;scl=0; delay();sda=CY;delay();scl=1;delay();scl=0;delay();sda=1;delay();uchar read_byte()uchar i,k;scl=0;delay();sda=1;delay();for(i=0;i<8;i+)scl=1;delay();k=(k<<1)|sda;scl=0;delay();return k;void write24c08date(uchar address,uchar ch)start();wri

24、te_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();write_byte(ch);respons();stop();delayms(8);uchar read24c08date(uchar address)uchar ch;start();write_byte(0xa0);respons();write_byte(address);respons();start();write_byte(0xa1);respons();ch=read_byte();stop();return ch;delayms(8);void memory_init(

25、)uchar i;for(i=0;i<100;i+)write24c08date(i,0);delayms(8);4主程序 void main()uchar number=0,number1=0;lcd_init();relay=1;for(number=0;number<6;number+) /24c02里面取出正確的密碼keyvalue4number=read24c08date(1+number);delayms(5);for(number=0;namenumber!='0'number+)write_date(namenumber);delayms(10);write_command(0x0c);write_command(0x80+0x40); for(number=0;name1number!='0'number+) write_date(name1number);delayms(10); write_command(0x0f);write_command(0x80+0x40+4);i=0;while(1)keyscan();if(ke