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1、智能控制设计大赛 2010/5/12所在单位: 华南理工大学自动化学院 09 一班作者：09 自动化 王艺霖09 自动化 杨开宇09 自动化 程世杰密码门禁系统 2 / 50目录设计任务及要求 4摘要 5一、 方案论证与比较 61. 密码锁部分 62. 控制器部分 73. 计数系统部分 74. 直流电源部分 85. 门轴旋转角度判定部分 8二、 系统的具体设计及实现 91. 系统总框图 92. 硬件设计101) 门禁物理模型设计构造 10A. 模型顶部卡槽11B. 电机控制器12C. 内筒及单向齿设计132) 4*4 键盘设计133) 报警装置设计 144) 电磁继电器 155) 光电对管 1
2、56) LCD 屏 16 3 / 507) 单片机、晶振及复位按键 173. 软件设计1) 主程序部分 172) 基础类函数 183) 功能函数 19三、 测试、结果及分析 201. 基本功能部分 202. 发挥功能部分 21参考文献 22附录一、完整的系统原理图 23附录二、完整的系统源代码 24 4 / 50密码门禁系统论文一、 设计任务设计一个密码门禁系统。对人流量进行统计，并用密码形式限制使用人员。门禁形式如图所示，为转盘加 4 个把手。要求参赛队自行制作，实现门禁关闭时，转盘锁死；开启时可被每个通行人员推行转动 90度角，并记录人数。其系统的示意图如图一所示：图一 门禁俯视图二、 设
3、计要求1. 基本要求：1) 要求使用者在入口处通过键盘输入密码，当密码正确时，允许通过；2) 当密码正确允许人员通过时，开始计时；当超过设定时间，门禁自动再次关闭，禁止通行，需要重新输入密码；3) 能对一天内通过门禁的人数及时间进行统计并显示。2. 扩展要求：1) 使用非实体按键（如触摸屏和光感按键）进行输入；2) 当输入密码错误次数超过 3 次时，声光报警；3) 门禁自动关闭时间可修改； 5 / 504) 其他创新。 摘要在现代社会中，密码门禁系统不仅应用在科研工厂领域，其功用也逐渐体现在其他方面。随着人们生活质量的提高和安全意识的加强，酒店商场甚至一些家庭中都出现了密码门禁的影子，密码门禁
4、将更好的服务于人们的日常生活生产，给予人们更多的安全保障。目前，单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，都起到了很大的作用。对于密码门禁的要求，主要是保证其安全系数高，使用灵活度较好，保密性高，能够较为准确地达到设定的要求。本密码门禁系统设计采用电磁继电器控制器进行门锁的控制，通过大量物理结构的优化，使得密码门的开闭更为合理、便捷，也使得一些原本复杂的计数统计工作，在物理模型的帮助下，变得更为简单、精确。AT89S52 单片机作为整个系统的核心部分，联系了各个功能区的工作和信息反馈，并最终对统计数据进行合理处理，呈递给液晶屏显示。通过 4*4 矩阵键盘录入密码等信息，同时可查看全部共六大
5、模块的功能并操作。对人数、通过时间等的记录，是通过 LM339 光电对管进行测量的，它能很方便、快捷地测量出所需数据，同时，组合安装起来较为简便。对于各功能模块，最终统计数据的显示，我们是通过 1602LCD 液晶屏来显现的，它具有直观、清晰、显示信息量大的的特点。该系统的优越性在于它的物理硬件结构功能较为强大，很大程度上辅助了软件部分的功能，同时，诸多的性能优化，也使得这一系统功能更为全面，更附和实际情况的需求。关键字：AT89S52 单片机，LM339 光电对管，1602 液晶屏，物理结构，性能优化。 6 / 50一、 方案论证与比较1. 密码锁部分方案一：采用数字电路控制。采用数字密码锁
6、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。电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，其中设置UPS 电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。密码锁电路包含：键盘输入、密码修改
7、、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。方案二：采用一种是用以 AT89S52 为核心的单片机控制方案。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，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。 7 / 50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。2. 控制器部分方案一：电磁铁控制器采用自制电磁铁控制器控制门栓的开闭，通过单片机供给电磁铁控制器电路一个电信号，使该电路导通，吸起作为门栓的铁片，从而实现对密
8、码门的开闭控制。该系统的好处在于电路结构较为简单，控制电路开闭的变量很少，便于调整和控制。方案二：电机控制器采用电机代替电磁铁控制门栓的开闭，电机工作时，门栓被带离中心套筒的卡槽处，并压缩外壁弹簧；电机停止转动，门栓则被弹簧弹回中心套筒卡槽中。通过比较以上两种方案，方案一自制电磁铁的铁芯等材料不易选购，且很难达到满意的情况，而方案二用电机取代，制作更为简便，且效果十分显著。所以我们采用了第二种方案。3. 计数系统部分方案一：在密码门中心套筒中安装光电管，每转过 90 度角记录一次时间和人数。优点：能很方便的记录人数和时间信息；缺点：无法避免门转过 90 度角而人未过门的情况，导致记录错误。方案
9、二：通过 LM339 光电对管与一对金属触片同时控制，实现了门开闭状态反馈系统与记录人数、时间的系统单独进行，联合判断。只有当人转动转门并过了光电对管，才会进行计数统计。通过比较以上两种方案，方案二较之方案一更为严谨周密，避免 8 / 50了门开人未过的情况影响最后计数结果，且系统结构更为清晰，制作简便。所以我们选择了第二种方案。4. 直流电源部分方案一：通过单片机直接输出一个高电位给电机控制器系统，使得电机带动弹簧销子弹开，从而使得门锁解开。缺点:单片机输出的高电位并不稳定，且达不到电机正常工作所需电压，从而使整个门锁控制电路效果不明显。方案二：对电机控制器系统外接一独立电源，通过单片机控制
10、该电源的导通与否，从而控制电机的正常工作。通过比较以上两种方案，方案二能提供较为稳定的工作电压，使电机控制器系统能正常运行，方便操作，所以我们选择了第二种方案。5. 门轴旋转角度判定部分 方案一：通过一对光电对管测量门轴的旋转角度，从而控制电机的开关，以控制门把是否每次均能转到 90 度位置。缺点：系统较为复杂，制作难度高，且精确度不高。方案二：在门把活动轨迹上每 90 度设置一个凹槽，同时在每两个凹槽之间，制作一个凸型轨道，通过此设计，使得门把在较小外力作用下，即可精确的滑动至指定位置，不会出现任何偏差。通过比较以上两种方案，方案二通过简单的物理模型，实现了方案一需通过光电对管、电机等复杂原
11、件组合才能实现的结果，设计制作更简便，可操作性更强，且精确度优于前者，所以我们选择了第 9 / 50二种方案。 10 / 50二、 系统的具体设计及实现1. 系统总框图图二 系统各部件关系图本密码门禁系统以 AT89S52 单片机为系统核心，配合 LCD 显示屏、声光报警系统、键盘输入系统以及电磁铁控制器系统，很好的实现了对于密码门的开关，过门人数、时间的统计，同时，还实现了对于密码锁系统的修改、数据的查询等功能。如图二所示。 11 / 502. 硬件设计1) 门禁物理模型设计构造 图 2-1 物理模型总外观图 2-3 外筒剖切 图2-2 物理模型拆解图 12 / 50A. 模型顶部细节图 2
12、-4 模型顶部细节图 2-5 门把转动电位变化如图，4 个同样的凸起坡度，使得门把被推过一个小角度后自己滑回下一个正位。同时，凹槽的设计，使得门把手能在门锁状态下，精确地停留在 90 度角位置，保证了系统的稳定性。 13 / 50B. 电机控制器 图 2-5 电机控制器结构当对直流电机供电时，电机带动弹簧销子摊开，压缩弹簧；当电机停止转动的时候，弹簧将销子弹回，卡入内筒的固定孔内，从而将门锁死。 图 2-6 电机控制器 14 / 50C. 内筒及单向齿设计 D.图 2-7 内筒及单向齿2) 4*4 键盘设计 在本系统中，针对用户调整各项参数时的需要，我们采用了4*4 键盘，只占用 8 个 IO
13、 口（P1 口）就实现了 16 个按键，使操作界面更加人性化，操作过程更加简单、方便。键盘的原理图如 15 / 50下图 2-8 所示。 16 / 50 17 / 50图 2-8 矩阵键盘3) 报警装置设计 报警装置由 LED 灯和蜂鸣器组成。当在规定时间内连续输错三次，则会输出警告提示，同时蜂鸣器报警。期间，无法继续进行任何操作，待警报结束，需重新操作。图 2-9 报警装置（LED 灯、蜂鸣器）4) 电磁继电器 当密码输入正确，控制电路会给予电磁控制器系统一个高电位，使电机开始工作，弹起弹簧销子，从而解开锁门状态。 18 / 50图 2-10 电磁继电器5) 光电对管 本装置的一对光电对管是
14、用以记录过门人数以及过门时间，它仅在门把手不处于 90 度正位时才会检测，由光电门和门把手下的触片电位共同判断是否有人经过，使结果更加准确。 19 / 50图 2-11 光电对管6) LCD 屏 本系统采用 1602LCD 液晶显示屏作为显示部分，当把需要显示内容发送给液晶显示器，其便会自动显示出来。液晶模块和单片机相连接，如图 2-12 所示。图 2-12 LCD 液晶显示屏 20 / 507) 单片机、晶振及复位按键 图 2-13 单片机、晶振及复位按键3. 软件设计 1) 全局变量（不只这些，这里只是特别声明出来便于后面阅读）：asstick, asstickswitch, wrongtimes2) 主程序部分 回显时间：调用回显函数来回显系统内部的时钟菜单选择：开门 查看记录 修改开门延迟
