指纹识别的门禁系统的设计与仿真
摘 要嵌入式系统概念以及技术的发展使得指纹门禁控制系统得到了更快更全面的发展，并且在用户使用度方面实现了大幅度的普及。本课题将主要以指纹门禁控制系统作为研究设计目标，将采用AT89C51芯片作为主控单片机，外部结合FPM10A型指纹识别模块、键盘模块、液晶显示器以及报警器等模块，设计了一款能够实现指纹信息读取、判别、密码输入、密码修改以及报警功能的指纹门禁系统，在课题的设计方法上，本论文采用了层次分明的模块化设计，通过原理图和流程图的形式对各模块的硬件和软件设计原理和方法进行了详细的描述，通过最后的成果分析本系统适合推向未来指纹门禁系统市场，相比于先用产品具有更低的成本和更高的性能。
目录
一、 引言 1
（一） 智能门禁的发展背景 1
（二） 智能门禁的发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） FPM10A型指纹识别模块 5
（四） LCD1602点阵显示器简介 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 指纹门禁系统的硬件结构框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
1. 时钟电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） 指纹识别模块电路设计 9
（四） 时间日期产生电路设计 9
（五） AT24C02型存储器电路设计 10
（六） 点阵显示器电路设计 10
（七） 指纹门禁系统键盘电路设计 11
（八） 门锁电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 指纹门禁系统的软件工作流程设计 13
（二） 点阵显示工作流程设计 14
（三） 4*4键盘按键检测流程设计 15
（四） 门锁控制流程图设计 16
五、 Proteus软件仿真 17
（一） Proteus软件仿真 17
（二） 系统仿真 19
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总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 元件列表 25
附录三 程序 27
引言
智能门禁的发展背景
随着智能概念的不断深入人心，生产生活中许多我们常用的家居或者电器都被嵌入了智能元素，本课题将要设计的这款门禁系统内部嵌入了一片8位处理器芯片，通过软硬件的配合，也将实现很大程度上的智能功能。智能门禁是近几年来随着16位和32位处理器的不断成熟以及在生活中各个角落的不断普及所带来的一个全新概念，它突破了传统门禁的局限，不再单单是一个金属的机械结构，处理器的强大处理作用使得它具有了“思考”功能，不但能够实现传统铁门阻挡陌生人或盗贼侵入室内的普通功能，更能够对访问者的身份进行检测、判断以及危险时声音提示的智能功能，一些高端的门禁系统更是实现了通信组网的功能，得益于以太网技术的成熟，将整个小区的楼宇门禁组成一个整体网络，实现对单元内各个门禁的统一监测和管理，大大提升了防盗性能，降低了危害发生的可能性。智能门禁的实现需要软硬件两方面的支持，该项技术的实现得益于智能技术以及微处理器技术的发展成熟，在这之前传统门禁已经盛行过一段时间，这段时期的门禁主要依靠坚固的金属结构来实现其功能，智能概念还没有与金属结构相碰撞出火花，在半导体技术成熟之后，键盘式门禁系统快速出现在全国大大小小的小区中，这种类型的门禁系统的典型的特征是布线复杂，将电话通信技术与铁门相结合，探访者通过键盘按下所要访问的房间号，号码拨通后主人将通过语音通话来对探访者的身份进行人工判断，主人判断过后将按下门阀开启按键，门禁将在电动方式下自动被打开，而若探访者不允许被进入，门阀将不会被打开，这种类型的电子门禁系统在盛行过一段时间后，许多用户提出了是否可以实现门禁系统对探访者身份的自动识别和判断，若身份合法则自动将门阀开启，方便探访者进入，这项要求在指纹身份识别技术成熟后得到了实现，通过该项技术，探访者只需在指纹识别区域触碰一下即可完成身份读取和判别，若身份合法，则门禁系统自动将门阀开启，这在一定意义上大大方便了门禁的使用，实现了很大程度上的智能概念，本课题也将采用指纹识别技术来实现一款智能门禁控制系统。
智能门禁的发展现状
纵观这几年新型智能小区不断涌现在大中小城市中，门禁作为一项重要的安防措施，小区设计者和楼房购买者对于门禁的需求和要求不断提升，为提升现代小区的整体智能水平，门禁系统作为其中重要的一个部分，吸引了大量的企业和高校研究小组开始对门禁系统进行研究，目前性能最先进的智能门禁系统能够将面容识别以及音纹分析功能嵌入到其内部处理器中，通过内部高性能的处理器的强大处理作用，实现了更多途径的身份识别功能。
本文主要研究内容
在对指纹门禁控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对指纹门禁控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；为了能够验证本系统的设计正确性以及可行性，在文章第五章对控制系统进行了仿真。
1）能实现51单片机最小系统的设计，实现对指纹识别模块、液晶屏以及按键等模块的驱动；
2）能实现51单片机对液晶屏的驱动，显示门禁系统运行参数的显示；
3）通过指纹识别模块对指纹进行识别、检测以及处理，并将处理结果发送给单片机；
4）门禁系统还可通过输入密码来实现门禁的开启，如果密码输入正确则立即打开门禁；
5）通过Proteus进行系统仿真。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路产出很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
目录
一、 引言 1
（一） 智能门禁的发展背景 1
（二） 智能门禁的发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51单片机 4
（三） FPM10A型指纹识别模块 5
（四） LCD1602点阵显示器简介 5
（五） HK4100FDC5V继电器介绍 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 指纹门禁系统的硬件结构框图设计 7
（二） 最小系统设计 7
1. 时钟电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） 指纹识别模块电路设计 9
（四） 时间日期产生电路设计 9
（五） AT24C02型存储器电路设计 10
（六） 点阵显示器电路设计 10
（七） 指纹门禁系统键盘电路设计 11
（八） 门锁电路设计 12
四、 软件系统设计 13
（一） 指纹门禁系统的软件工作流程设计 13
（二） 点阵显示工作流程设计 14
（三） 4*4键盘按键检测流程设计 15
（四） 门锁控制流程图设计 16
五、 Proteus软件仿真 17
（一） Proteus软件仿真 17
（二） 系统仿真 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
总 结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 元件列表 25
附录三 程序 27
引言
智能门禁的发展背景
随着智能概念的不断深入人心，生产生活中许多我们常用的家居或者电器都被嵌入了智能元素，本课题将要设计的这款门禁系统内部嵌入了一片8位处理器芯片，通过软硬件的配合，也将实现很大程度上的智能功能。智能门禁是近几年来随着16位和32位处理器的不断成熟以及在生活中各个角落的不断普及所带来的一个全新概念，它突破了传统门禁的局限，不再单单是一个金属的机械结构，处理器的强大处理作用使得它具有了“思考”功能，不但能够实现传统铁门阻挡陌生人或盗贼侵入室内的普通功能，更能够对访问者的身份进行检测、判断以及危险时声音提示的智能功能，一些高端的门禁系统更是实现了通信组网的功能，得益于以太网技术的成熟，将整个小区的楼宇门禁组成一个整体网络，实现对单元内各个门禁的统一监测和管理，大大提升了防盗性能，降低了危害发生的可能性。智能门禁的实现需要软硬件两方面的支持，该项技术的实现得益于智能技术以及微处理器技术的发展成熟，在这之前传统门禁已经盛行过一段时间，这段时期的门禁主要依靠坚固的金属结构来实现其功能，智能概念还没有与金属结构相碰撞出火花，在半导体技术成熟之后，键盘式门禁系统快速出现在全国大大小小的小区中，这种类型的门禁系统的典型的特征是布线复杂，将电话通信技术与铁门相结合，探访者通过键盘按下所要访问的房间号，号码拨通后主人将通过语音通话来对探访者的身份进行人工判断，主人判断过后将按下门阀开启按键，门禁将在电动方式下自动被打开，而若探访者不允许被进入，门阀将不会被打开，这种类型的电子门禁系统在盛行过一段时间后，许多用户提出了是否可以实现门禁系统对探访者身份的自动识别和判断，若身份合法则自动将门阀开启，方便探访者进入，这项要求在指纹身份识别技术成熟后得到了实现，通过该项技术，探访者只需在指纹识别区域触碰一下即可完成身份读取和判别，若身份合法，则门禁系统自动将门阀开启，这在一定意义上大大方便了门禁的使用，实现了很大程度上的智能概念，本课题也将采用指纹识别技术来实现一款智能门禁控制系统。
智能门禁的发展现状
纵观这几年新型智能小区不断涌现在大中小城市中，门禁作为一项重要的安防措施，小区设计者和楼房购买者对于门禁的需求和要求不断提升，为提升现代小区的整体智能水平，门禁系统作为其中重要的一个部分，吸引了大量的企业和高校研究小组开始对门禁系统进行研究，目前性能最先进的智能门禁系统能够将面容识别以及音纹分析功能嵌入到其内部处理器中，通过内部高性能的处理器的强大处理作用，实现了更多途径的身份识别功能。
本文主要研究内容
在对指纹门禁控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对指纹门禁控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图；为了能够验证本系统的设计正确性以及可行性，在文章第五章对控制系统进行了仿真。
1）能实现51单片机最小系统的设计，实现对指纹识别模块、液晶屏以及按键等模块的驱动；
2）能实现51单片机对液晶屏的驱动，显示门禁系统运行参数的显示；
3）通过指纹识别模块对指纹进行识别、检测以及处理，并将处理结果发送给单片机；
4）门禁系统还可通过输入密码来实现门禁的开启，如果密码输入正确则立即打开门禁；
5）通过Proteus进行系统仿真。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，在进过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能为本次毕业设计道路产出很大的障碍，对于毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用单芯紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
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