基于IAP15F2K61S2的門禁控制系統的設計與實現

張開宇 高國偉，2

1. 北京信息科技大學 傳感器北京市重點實驗室，北京 100101；2. 北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室 北京100101

一、引言

隨著單片機系統的完善和價格的降低，人們開始從傳統的鎖具轉向電子門禁鎖具。傳統鎖具需要隨身攜帶鑰匙，十分不便，且當鑰匙丟失時傳統鎖具也就喪失了鎖具的功能，不僅給自己帶來不便，同時留下了安全隱患。電子門禁在這方面擁有無可比擬的優勢，指紋開鎖、密碼開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，多數電子門禁系統使用的是STM32。STM32的門禁系統成本高昂，不利于民間普及。基于上述原因，基于IAP15F2K61S2設計了一種人數適當、操作簡單、成本低廉且安全性高的實驗室或者家用的門禁控制系統，由顯示模塊顯示信息，通過外部按鍵來輸入密碼，還可以通過IC卡來進行開鎖，從而來控制進出的人員，使房屋的安全系數增加。測試結果表明，所設計系統具有可行性。

二、系統的總體設計

系統框圖如圖1所示。本系統主要采用了按鍵模塊、IC卡識別模塊（MFRC522門禁卡）、12864液晶顯示模塊、報警模塊、AT24C02儲存模塊、15F2K61S2單片機模塊組成硬件電路，通過Keil uVision4來編寫相關的控制程序，實現對房屋門鎖的控制，并實現報警的功能[2]。

門禁控制系統安裝在門口位置，充當門鎖的作用[3]。首先由單片機讀取AT24C02儲存的密碼、指紋信息、IC卡信息，然后通過單片機檢測到的按鍵輸入密碼、指紋信息或者IC卡信息，再和AT24C02中存儲的密碼、指紋信息、IC卡信息進行比對，如果正確就打開門鎖。當密碼連續輸入三次錯誤后，蜂鳴器就會響起達到報警效果[4]。

三、硬件設計

圖2所示為系統硬件電路圖。硬件設計分為七大模塊，其中主要模塊有單片機控制模塊、儲存模塊、按鍵輸入模塊、IC卡識別模塊、顯示模塊、蜂鳴器報警模塊以及穩壓器模塊[5]。

1、單片機最小系統

單片機最小系統主要由單片機電路、復位電路和晶振電路三部分構成。

核心的單片機電路選用了宏晶公司具有較高性價比的單片機IAP15F2K61S2，這款芯片共3通道捕獲/比較單元（CCP/PWM/PCA）也可以用來實現3個定時器或者3個中斷。共有6個定時器，2個16位可重裝載定時器，兼容普通8051的定時器T0/T1，并且實現時鐘輸出，兩個獨立的串口/雙工口，分時切換可當4個串口使用。3路PWM/PCA，8路高速10位A/D轉換，可對外來的數字信號進行處理，顯示并可以產生報警信號。

復位電路由按鍵KEY1、電解電容C4和電阻R6組成。其可以滿足手動復位和上電自動復位。系統在上電時，按鍵兩端會產生電壓差進行手動復位，就是非自動的手動按鍵復位。系統上電后，檢測到電壓由低到高后，在這期間單片機通過R6和R5與接地形成一條通路，把高電平拉成低電平，使得單片機經歷從高電位到低電位的過程，從而實現了單片機自動進行復位，即上電復位。

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

2、存儲模塊

存儲模塊使用的是AT24C02，AT24C02內部含有256個8位字節，其有一個8字節的頁寫緩沖器。并且AT24C02通過I2C總線接口進行操作，有一個專門的寫保護。工作溫度為，100萬次的擦寫周期，完全滿足設計需求。AT24C02芯片引腳5、6、7和單片機的P3.5、P3.4、P3.3相連，實現通信。

3、鍵盤輸入模塊

鍵盤模塊采用4×4的矩陣鍵盤與單片機的P0口相連。4×4矩陣鍵盤具有10個數字鍵和6個功能鍵。本質上來講是一種信號采集裝置，是將采集到的按鍵信號轉換為單片機可以理解的數字信號[6]。

本次測試環境為人工輸入，通過測試4×4鍵盤可任意滿足正常的數字輸入和功能鍵的需求。其準確性和靈敏性以及錯誤率均可達到要求。

4、顯示模塊

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

5、穩壓模塊

穩壓器模塊采用了LM1117，其壓差為1.2V，線性調整率為0.2%（Max），負載調整率為0.4%（Max），使用溫度在。其輸出的電流可到達800mA，符合使用條件。

6、報警電路設計

此次系統采用5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管Q2來驅動，可以通過控制單片機的P3.2引腳方波的輸出形式控制蜂鳴器的報警方式。電路簡單，工作可靠，不用額外的單片機I/O口。

7、IC卡模塊

IC卡識別模塊采用了MFRC522門禁卡模塊，如圖3所示。采用Philips MFRC522原裝芯片設計讀卡電路，使用方便，成本低廉。其應用于13.56MHz的非接觸式通信中的讀寫卡芯片。采用了調制和解調的概念，使其可以完成13.56MHz下的所有類型的被動式非接觸式通信方式和協議[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，方便簡單，開關位按鍵開關。

9、系統特點

本次設計的門禁控制系統具有以下特點：

（1）數據的采集接收是以單片機為控制核心的，LCD顯示以及按鍵、IC卡、指紋識別控制電路記錄信息，不需要電腦連接，用戶即可與門禁系統進行交互，完成數據錄入、采集、儲存、計算、分析、開鎖、關鎖等動作；

（2）系統功耗低只需要5V電壓即可帶動，體積小，避開了當前的STM32芯片，使用IAP15F2K61S2有效地降低了成本，使其具有極高的性價比；

（3）從安裝的角度出發，系統高度集成，安裝方便，無需電腦連接即可工作，有單片機和外圍模塊實現人機交互，LCD12864顯示；

（4）軟件編寫采用keil，包括了C語言編譯器、宏編譯、連接器等，兼顧了實用性和數據處理的方便性。

四、系統軟件設計

門禁系統的軟件部分采用C語言編寫。按系統的功能分為若干子模塊，然后進行編寫，系統中采用查詢方式編寫[8]。主程序主要功能為對外部輸入的信息分析和處理進而判斷執行哪部分子程序，或者激活蜂鳴報警模塊。軟件程序流程圖如圖4所示。

給系統接上電源以后，主控芯片對系統進行初始化，4×4鍵盤和IC卡模塊進入工作狀態，然后讀取儲存芯片AT24C02中保存的數據，包括密碼、指紋信息和IC卡信息，按鍵時由單片機進行按鍵掃描。該系統中有10個數字鍵，2個特殊符號鍵，4個功能鍵。特殊符號鍵為#、*。功能鍵分別為開門、刪除、返回首頁、門鈴。其中需要輸入管理員密碼才可改密。當有按鍵按下時，單片機首先判斷用戶輸入的是功能鍵、數字鍵還是特殊鍵。如果為數字鍵，門禁系統則記錄輸入的數字并儲存，直到用戶按下功能鍵來執行相應的功能。按下確定鍵時，單片機開始將用戶輸入的數字和儲存器里儲存的密碼進行比對，判斷是否正確。連續輸入錯誤三次及三次以上時，蜂鳴器開始連續響起5s，報警程序啟動。按下刪除鍵時，清空輸入的密碼。按下門鈴鍵時，則蜂鳴器響起，提供門鈴功能，松開則不響。錄入指紋時，單片機判斷指紋信息與存儲的信息是否相符，相符則執行開門程序，不符時則蜂鳴器響1s提示錯誤。當感應到IC卡時，單片機讀取信息與儲存器內的信息進行比對，相同時開門，否則蜂鳴器響1s提示錯誤。門內設置有開門鍵，按下則可打開門鎖。

五、仿真結果

通過模擬輸入正確密碼和錯誤密碼來測試門禁是否可以正常運行，密碼、IC卡和指紋均可打開門禁。其他功能如修改密碼、增加IC卡用戶以及刪除IC卡用戶。通過圖5看出門禁系統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正常工作。

上述仿真結果是在實驗室進行的模擬門禁，人工按鍵和刷卡來測試系統能否正常工作和系統的穩定性。由圖5看出系統可以正常運行并實現所有設計的功能。在重復按鍵50次和重復刷卡50次的實驗中，系統沒有出現錯誤，可以判定系統穩定性達到了要求。在實驗中輸入正確的密碼可以開鎖，輸入錯誤的密碼會有密碼錯誤的提示，且連續輸入密碼錯誤3次會觸發蜂鳴器報警，測試成功。

當然系統還可以繼續升級，可以和電腦相連實現云服務等。本系統的控制環節僅僅為簡單的家用系統，企業等多人數的管理明顯不符合系統的應用場景[9]。應引入云端處理，使得單片機系統和計算機以及互聯網相連接達到更加方便強大的功能。

六、結束語

設計的門禁系統功能齊全，可以滿足人們日常需要，同時其穩定性和安全性也滿足要求。整個門禁控制系統電路簡單，安全性高，安裝簡單，性價比高。隨著時代的發展，單片機的成本逐漸下降，電子門禁系統將會越來越普及[9]。許多家庭和實驗室已經開始安裝門禁系統，所以門禁系統的前景十分美好。該系統設計采用較為廉價的單片機以及存儲單元，綜合成本低廉，操作簡單可靠，在市場上將會有較強的競爭力，具有遠大的前景。