張開(kāi)宇 高國(guó)偉，2

1. 北京信息科技大學(xué) 傳感器北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100101

一、引言

隨著單片機(jī)系統(tǒng)的完善和價(jià)格的降低，人們開(kāi)始從傳統(tǒng)的鎖具轉(zhuǎn)向電子門(mén)禁鎖具。傳統(tǒng)鎖具需要隨身攜帶鑰匙，十分不便，且當(dāng)鑰匙丟失時(shí)傳統(tǒng)鎖具也就喪失了鎖具的功能，不僅給自己帶來(lái)不便，同時(shí)留下了安全隱患。電子門(mén)禁在這方面擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，指紋開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖使得人們不需要隨身攜帶笨重的鑰匙且安全度大大提高[1]。

目前，多數(shù)電子門(mén)禁系統(tǒng)使用的是STM32。STM32的門(mén)禁系統(tǒng)成本高昂，不利于民間普及?；谏鲜鲈?，基于IAP15F2K61S2設(shè)計(jì)了一種人數(shù)適當(dāng)、操作簡(jiǎn)單、成本低廉且安全性高的實(shí)驗(yàn)室或者家用的門(mén)禁控制系統(tǒng)，由顯示模塊顯示信息，通過(guò)外部按鍵來(lái)輸入密碼，還可以通過(guò)IC卡來(lái)進(jìn)行開(kāi)鎖，從而來(lái)控制進(jìn)出的人員，使房屋的安全系數(shù)增加。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有可行性。

二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要采用了按鍵模塊、IC卡識(shí)別模塊（MFRC522門(mén)禁卡）、12864液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、AT24C02儲(chǔ)存模塊、15F2K61S2單片機(jī)模塊組成硬件電路，通過(guò)Keil uVision4來(lái)編寫(xiě)相關(guān)的控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋門(mén)鎖的控制，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能[2]。

門(mén)禁控制系統(tǒng)安裝在門(mén)口位置，充當(dāng)門(mén)鎖的作用[3]。首先由單片機(jī)讀取AT24C02儲(chǔ)存的密碼、指紋信息、IC卡信息，然后通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)到的按鍵輸入密碼、指紋信息或者IC卡信息，再和AT24C02中存儲(chǔ)的密碼、指紋信息、IC卡信息進(jìn)行比對(duì)，如果正確就打開(kāi)門(mén)鎖。當(dāng)密碼連續(xù)輸入三次錯(cuò)誤后，蜂鳴器就會(huì)響起達(dá)到報(bào)警效果[4]。

三、硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為系統(tǒng)硬件電路圖。硬件設(shè)計(jì)分為七大模塊，其中主要模塊有單片機(jī)控制模塊、儲(chǔ)存模塊、按鍵輸入模塊、IC卡識(shí)別模塊、顯示模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊以及穩(wěn)壓器模塊[5]。

1、單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由單片機(jī)電路、復(fù)位電路和晶振電路三部分構(gòu)成。

核心的單片機(jī)電路選用了宏晶公司具有較高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)IAP15F2K61S2，這款芯片共3通道捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA）也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器或者3個(gè)中斷。共有6個(gè)定時(shí)器，2個(gè)16位可重裝載定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器T0/T1，并且實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘輸出，兩個(gè)獨(dú)立的串口/雙工口，分時(shí)切換可當(dāng)4個(gè)串口使用。3路PWM/PCA，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，可對(duì)外來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，顯示并可以產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

復(fù)位電路由按鍵KEY1、電解電容C4和電阻R6組成。其可以滿(mǎn)足手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)在上電時(shí)，按鍵兩端會(huì)產(chǎn)生電壓差進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，就是非自動(dòng)的手動(dòng)按鍵復(fù)位。系統(tǒng)上電后，檢測(cè)到電壓由低到高后，在這期間單片機(jī)通過(guò)R6和R5與接地形成一條通路，把高電平拉成低電平，使得單片機(jī)經(jīng)歷從高電位到低電位的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，即上電復(fù)位。

晶振電路由晶振Y1和電容C3和C5組成，本次設(shè)計(jì)用11.0592MHz晶振和47pF的電容組成，其中電容是幫助晶振起振，使數(shù)字控制器上電以后可以正常工作。

2、存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊使用的是AT24C02，AT24C02內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，其有一個(gè)8字節(jié)的頁(yè)寫(xiě)緩沖器。并且AT24C02通過(guò)I2C總線(xiàn)接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)。工作溫度為，100萬(wàn)次的擦寫(xiě)周期，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。AT24C02芯片引腳5、6、7和單片機(jī)的P3.5、P3.4、P3.3相連，實(shí)現(xiàn)通信。

3、鍵盤(pán)輸入模塊

鍵盤(pán)模塊采用4×4的矩陣鍵盤(pán)與單片機(jī)的P0口相連。4×4矩陣鍵盤(pán)具有10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵。本質(zhì)上來(lái)講是一種信號(hào)采集裝置，是將采集到的按鍵信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以理解的數(shù)字信號(hào)[6]。

本次測(cè)試環(huán)境為人工輸入，通過(guò)測(cè)試4×4鍵盤(pán)可任意滿(mǎn)足正常的數(shù)字輸入和功能鍵的需求。其準(zhǔn)確性和靈敏性以及錯(cuò)誤率均可達(dá)到要求。

4、顯示模塊

顯示模塊采用液晶12864模塊，其分辨率達(dá)到128×64，完全滿(mǎn)足日常使用，引腳4、5、6分別連接單片機(jī) P2.5、P2.6、P2.7。引腳 7～14，16～18沒(méi)有用到則不連接。

5、穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓器模塊采用了LM1117，其壓差為1.2V，線(xiàn)性調(diào)整率為0.2%（Max），負(fù)載調(diào)整率為0.4%（Max），使用溫度在。其輸出的電流可到達(dá)800mA，符合使用條件。

6、報(bào)警電路設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)采用5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管Q2來(lái)驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)控制單片機(jī)的P3.2引腳方波的輸出形式控制蜂鳴器的報(bào)警方式。電路簡(jiǎn)單，工作可靠，不用額外的單片機(jī)I/O口。

7、IC卡模塊

IC卡識(shí)別模塊采用了MFRC522門(mén)禁卡模塊，如圖3所示。采用Philips MFRC522原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方便，成本低廉。其應(yīng)用于13.56MHz的非接觸式通信中的讀寫(xiě)卡芯片。采用了調(diào)制和解調(diào)的概念，使其可以完成13.56MHz下的所有類(lèi)型的被動(dòng)式非接觸式通信方式和協(xié)議[7]。

8、供電電路

本次采用的是DC直流插座供電，可外接220V交流電，方便簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)位按鍵開(kāi)關(guān)。

9、系統(tǒng)特點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)的門(mén)禁控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)的采集接收是以單片機(jī)為控制核心的，LCD顯示以及按鍵、IC卡、指紋識(shí)別控制電路記錄信息，不需要電腦連接，用戶(hù)即可與門(mén)禁系統(tǒng)進(jìn)行交互，完成數(shù)據(jù)錄入、采集、儲(chǔ)存、計(jì)算、分析、開(kāi)鎖、關(guān)鎖等動(dòng)作；

（2）系統(tǒng)功耗低只需要5V電壓即可帶動(dòng)，體積小，避開(kāi)了當(dāng)前的STM32芯片，使用IAP15F2K61S2有效地降低了成本，使其具有極高的性?xún)r(jià)比；

（3）從安裝的角度出發(fā)，系統(tǒng)高度集成，安裝方便，無(wú)需電腦連接即可工作，有單片機(jī)和外圍模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，LCD12864顯示；

（4）軟件編寫(xiě)采用keil，包括了C語(yǔ)言編譯器、宏編譯、連接器等，兼顧了實(shí)用性和數(shù)據(jù)處理的方便性。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

門(mén)禁系統(tǒng)的軟件部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。按系統(tǒng)的功能分為若干子模塊，然后進(jìn)行編寫(xiě)，系統(tǒng)中采用查詢(xún)方式編寫(xiě)[8]。主程序主要功能為對(duì)外部輸入的信息分析和處理進(jìn)而判斷執(zhí)行哪部分子程序，或者激活蜂鳴報(bào)警模塊。軟件程序流程圖如圖4所示。

給系統(tǒng)接上電源以后，主控芯片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，4×4鍵盤(pán)和IC卡模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，然后讀取儲(chǔ)存芯片AT24C02中保存的數(shù)據(jù)，包括密碼、指紋信息和IC卡信息，按鍵時(shí)由單片機(jī)進(jìn)行按鍵掃描。該系統(tǒng)中有10個(gè)數(shù)字鍵，2個(gè)特殊符號(hào)鍵，4個(gè)功能鍵。特殊符號(hào)鍵為#、*。功能鍵分別為開(kāi)門(mén)、刪除、返回首頁(yè)、門(mén)鈴。其中需要輸入管理員密碼才可改密。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)首先判斷用戶(hù)輸入的是功能鍵、數(shù)字鍵還是特殊鍵。如果為數(shù)字鍵，門(mén)禁系統(tǒng)則記錄輸入的數(shù)字并儲(chǔ)存，直到用戶(hù)按下功能鍵來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的功能。按下確定鍵時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始將用戶(hù)輸入的數(shù)字和儲(chǔ)存器里儲(chǔ)存的密碼進(jìn)行比對(duì)，判斷是否正確。連續(xù)輸入錯(cuò)誤三次及三次以上時(shí)，蜂鳴器開(kāi)始連續(xù)響起5s，報(bào)警程序啟動(dòng)。按下刪除鍵時(shí)，清空輸入的密碼。按下門(mén)鈴鍵時(shí)，則蜂鳴器響起，提供門(mén)鈴功能，松開(kāi)則不響。錄入指紋時(shí)，單片機(jī)判斷指紋信息與存儲(chǔ)的信息是否相符，相符則執(zhí)行開(kāi)門(mén)程序，不符時(shí)則蜂鳴器響1s提示錯(cuò)誤。當(dāng)感應(yīng)到IC卡時(shí)，單片機(jī)讀取信息與儲(chǔ)存器內(nèi)的信息進(jìn)行比對(duì)，相同時(shí)開(kāi)門(mén)，否則蜂鳴器響1s提示錯(cuò)誤。門(mén)內(nèi)設(shè)置有開(kāi)門(mén)鍵，按下則可打開(kāi)門(mén)鎖。

五、仿真結(jié)果

通過(guò)模擬輸入正確密碼和錯(cuò)誤密碼來(lái)測(cè)試門(mén)禁是否可以正常運(yùn)行，密碼、IC卡和指紋均可打開(kāi)門(mén)禁。其他功能如修改密碼、增加IC卡用戶(hù)以及刪除IC卡用戶(hù)。通過(guò)圖5看出門(mén)禁系統(tǒng)正常工作且管理員程序可以正常工作，以及IC卡的增加和刪除用戶(hù)正常工作。

上述仿真結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬門(mén)禁，人工按鍵和刷卡來(lái)測(cè)試系統(tǒng)能否正常工作和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由圖5看出系統(tǒng)可以正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)的功能。在重復(fù)按鍵50次和重復(fù)刷卡50次的實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以判定系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到了要求。在實(shí)驗(yàn)中輸入正確的密碼可以開(kāi)鎖，輸入錯(cuò)誤的密碼會(huì)有密碼錯(cuò)誤的提示，且連續(xù)輸入密碼錯(cuò)誤3次會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，測(cè)試成功。

當(dāng)然系統(tǒng)還可以繼續(xù)升級(jí)，可以和電腦相連實(shí)現(xiàn)云服務(wù)等。本系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)僅僅為簡(jiǎn)單的家用系統(tǒng)，企業(yè)等多人數(shù)的管理明顯不符合系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景[9]。應(yīng)引入云端處理，使得單片機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)以及互聯(lián)網(wǎng)相連接達(dá)到更加方便強(qiáng)大的功能。

六、結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的門(mén)禁系統(tǒng)功能齊全，可以滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｐ枰?，同時(shí)其穩(wěn)定性和安全性也滿(mǎn)足要求。整個(gè)門(mén)禁控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，安全性高，安裝簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高。隨著時(shí)代的發(fā)展，單片機(jī)的成本逐漸下降，電子門(mén)禁系統(tǒng)將會(huì)越來(lái)越普及[9]。許多家庭和實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始安裝門(mén)禁系統(tǒng)，所以門(mén)禁系統(tǒng)的前景十分美好。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用較為廉價(jià)的單片機(jī)以及存儲(chǔ)單元，綜合成本低廉，操作簡(jiǎn)單可靠，在市場(chǎng)上將會(huì)有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有遠(yuǎn)大的前景。