門禁系統(tǒng)設(shè)計

1、.門禁系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計內(nèi)容：1.門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計；2.門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計。設(shè)計目標(biāo)：1.通過RFID技術(shù)，驗證射頻門禁卡的合法性，控制電子門鎖的開啟；2.門禁卡信息進(jìn)行管理。系統(tǒng)功能：1.卡片的使用模式：采用13.56MHz非接觸式物聯(lián)網(wǎng)射頻卡；2.刷卡開門：用戶進(jìn)入門禁管制區(qū)域時需刷卡，讀卡器讀取信息后，將信息傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)首先判斷信息是否合法，如合法則發(fā)出開門指令，不合法則發(fā)出報警，同時記錄用戶刷卡事件；3.管理控制；對控制器的記錄進(jìn)行收集管理，可增加、刪除、更新用戶信息；4.記錄存儲；系統(tǒng)可將門禁控制器運(yùn)行產(chǎn)生的所有用戶刷卡事件、報警時間等進(jìn)行記錄；5.報警功能：如發(fā)生控制器異常、非法卡

2、開門等事件時系統(tǒng)發(fā)出報警信號。門禁系統(tǒng)設(shè)計框圖51單片機(jī)刷卡模塊非接觸式IC卡感應(yīng)區(qū)域液晶LCD12864顯示（顯示信息）繼電器模塊（模擬門開）晶振、復(fù)位電路電源供電報警模塊（蜂鳴器）按鍵模塊讀卡器：讀射頻卡信息。按鍵模塊：注冊通行卡。按下設(shè)置鍵，把工作模式切換到注冊模式后，刷卡并顯示卡號自動注冊。注冊完成后液晶顯示注冊完成。再次刷這張IC卡時，就能開門。注銷通行卡（清除存儲器的卡號數(shù)據(jù)） 按下設(shè)置鍵，把工作模式切換到注銷模式后，刷卡并顯示自動注銷，就把存儲里保存的卡號數(shù)據(jù)清除。清除數(shù)據(jù)后，IC卡已經(jīng)處于注銷狀態(tài)一 硬件設(shè)計內(nèi)容(系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計)1.各模塊選用的硬件介紹刷卡模塊、單片機(jī)模塊

3、、繼電器模塊、按鍵模塊以及蜂鳴器模塊組成。其用高頻讀卡器模塊FM1702，能讀寫荷蘭Philips公司的Mifare非接觸式射頻卡，讀卡距離約10cm?？刂颇K采用STC89C52單片機(jī)，它具有8K可編程 Flash 存儲器。單片機(jī)與讀卡器通信是采用SPI通信。1.1 STC89C52單片機(jī)介紹控制的核心選用STC89C52。其主要性能如下：1. STC89C52單片機(jī)與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品能夠兼容 2. 在系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器8K字節(jié)3.擦寫周期可達(dá)到100000次4.程序存儲器可做到三級加密5.可編程I/O口線數(shù)量達(dá)到32個 6.總共有三個16位計數(shù)器 7.中斷源的數(shù)目達(dá)到了8個

4、 8.單片機(jī)具有全雙工UART串行通道 9.不啟動是能耗低 10.停電以后中斷可復(fù)位（1）功能特性描述 該STC89C52單片機(jī)作為低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器擁有8K。運(yùn)用Atmel 公司獨(dú)特的高密度難丟失存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 上的80C51 產(chǎn)品說明可以和引腳完全的兼容。單片機(jī)上Flash做到程序存儲器在系統(tǒng)中可以編程，大眾化編程器也可進(jìn)行編程。在單片機(jī)的芯片上，有 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，做到了 STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、極為有效的的解決方案。 （2）引腳圖如下：圖1.1 STC89C52引腳圖（3）引

5、腳介紹：VCC :接電源 GND:接地 P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。 在 flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外

6、部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX） ，具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表1.1 P0口第二功能引腳第2功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入） ，時鐘輸出 P1.1 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口

7、，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器 （例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p2 輸出緩沖

8、器能驅(qū)動 4 個TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL） 。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表1.2 P3口第二功能引腳第2功能P3.0 RXD (串行口輸入端)P3.1 TXD （串行口輸出端）P3.2 （外部中斷0請求輸入端，低電平有效）P3.3 （外部中斷1請求輸入端，低電平有效）表1.3 P3口第二功能引腳第2功能P3.4 T0 （定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）P3.5T1 （定

9、時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2 個機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸

10、出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。 如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置 “1”， ALE操作將無效。 這一位置 “1”，ALE僅在執(zhí)行 MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個 ALE使能標(biāo)志位 （地址為8EH的SFR的第0位） 的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。 當(dāng) AT89S52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。 EA/VPP:訪問外

11、部程序存儲器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。 為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。1.2 FM1702高頻讀卡器模塊介紹 性能參數(shù)：1、 輸入電壓：55.5V 2、 輸入電流：刷卡電流25mA 3、 通訊方式：SPI4、 有效刷卡高度：3-10cm(視天線、卡和周圍環(huán)境而不同) 5、 使用環(huán)境：-2570 攝氏度6、 尺寸：95.8*54.3 (單位：mm) 1.3 Mifare射頻卡介紹本

12、設(shè)計中采用的射頻卡為Mifare射頻卡,其核心是PHILIPS公司的Mifare1IC S50系列微芯片?？ㄆ蠠o源,工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號禍合到卡片上天線而產(chǎn)生電能,一般可達(dá)2V以上,供卡片上IC工作。工作頻率13.56MHZ。Mifare的主要指標(biāo)容量為8K位EEPROM分為16個扇區(qū),每個扇區(qū)為4塊,每塊16個字節(jié),以塊為存取單位每個扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問控制每張卡有唯一序列號,為32位具有防沖突機(jī)制,支持多卡操作無電源,自帶天線,內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路數(shù)據(jù)保存期為10年,可改寫10萬次,讀無限次工作頻率:13.56MHZ通信速率:106KBPS讀

13、寫距離:10mm以內(nèi)(與讀寫器有關(guān))（1）卡與讀寫器的通訊復(fù)位應(yīng)答 Mifare卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的,當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時,讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊,從而確定該卡是否為M1射頻卡,即驗證卡片的卡型。防沖突機(jī)制 當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時,防沖突機(jī)制會從其中選擇一張進(jìn)行操作,未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡,該過程會返回被選卡的序列號。選擇卡片 選擇被選中的卡的序列號,并同時返回卡的容量代碼。三次互相確認(rèn) 選定要處理的卡片之后,讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號,并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗,在三次相互認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時,則必須進(jìn)行另一扇

14、區(qū)密碼校驗。）（2）系統(tǒng)的工作方式為：STC89C52控制FM1702,驅(qū)動天線對Mifare卡進(jìn)行讀寫操作；然后根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其他接口器件,如和上位PC機(jī)之間進(jìn)行通信,把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。與上位機(jī)的通信采用RS485通信模塊,通信距離能夠達(dá)到1200米左右。整個系統(tǒng)由5V電源供電。（3）工作原理：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在無源Mifare中。讀寫器的主要任務(wù)是傳輸能量給Mifare卡,并建立與之的通信。單片機(jī)控制MF RC500，將其接收到的信號通過RS485傳送給上位PC機(jī)。然后等待上位機(jī)傳回的信號，確定是否控制執(zhí)行器開門，還是報警。2 STC89C52的電路連接本系統(tǒng)中, STC89C52電路連接圖

15、如下圖2.2所示,采用SPI通信方式進(jìn)行連接,與FM1702模塊芯片的數(shù)據(jù)總線相連。P0口的一部分端口線與FM1702sl芯片的控制總線相連,在電源和地之間加上一個排阻，上電如果初始化成功，則提示可以刷卡，如初始化失敗，則一直停留在初始化界面。 圖2.2刷卡模塊接口原理圖圖2.3 STC89C52接線圖3 LCD12864液晶顯示屏的介紹LCD12864液晶顯示屏是帶中文字庫的128X64 是一種具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體 中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192 個16*16 點漢字，和128 個16*8

16、 點ASCII 字符 集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84 行1616 點 陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶 顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。3.1顯示屏模塊模塊連接電路圖圖3.4顯示屏模塊連接圖單片機(jī)與顯示屏的接口電路部分：液晶顯示屏的數(shù)據(jù)接口線與單片機(jī)的P1口相連，P0.0,P0.1,P0.2用于使能和控制對液晶屏的讀寫等操作。4 AT 24C02介紹AT24C02是低電壓工作的2K位串行電

17、可擦除制度存儲器，內(nèi)部組織為256個字節(jié)，每個字節(jié)8位，該芯片被廣泛應(yīng)用于低電壓及低消耗的工商業(yè)領(lǐng)域。4.1AT 24C02存儲模塊模塊連接電路圖圖3.7存儲器模塊接口原理圖4.2 主要特性：1.工作電壓：1.8V5.5V 2.輸入/輸出引腳兼容5V 3.應(yīng)用在內(nèi)部結(jié)構(gòu)：128x8(1K),256x8(2K),512x8(4K),1024x8(8K),2048x8(16K) 4.二線串行接口 5.輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲 6.雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 7.兼容400KHz（1.8V,2.5V,2.7V,3.6V） 8.支持硬件寫保護(hù) 9.高可靠性：讀寫次數(shù)：1,000,000次極限額定參數(shù)：

18、 引腳定義：表3.4引腳定義引腳名稱引腳功能A0-A2器件地址輸入SDA串行數(shù)據(jù)輸入輸出SCL串行時鐘輸入WP寫保護(hù)VCC電源GND地引腳描述： 串行時鐘信號引腳（SCL）：在SCL輸入時鐘信號的上升沿將數(shù)據(jù)送入EEPROM器件，并在時鐘的下降沿將數(shù)據(jù)讀出。串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳（SDA）：引腳可實現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)傳輸。該引腳為開漏輸出，可與其他多個開漏輸出器件或開集電極器件線或鏈接。器件/頁 地址腳（A2，A1，A0）：A2，A1和A0引腳為AT24C02的硬件地址輸入引腳，在一個總線上最一個總線上最多可尋址八個2K器件，A2，A1和A0必須內(nèi)部鏈接。寫保護(hù)（WP）引腳：AT24C02具有用于

19、硬件數(shù)據(jù)寫保護(hù)功能的引腳。當(dāng)該引腳接GND時，允許正常的讀寫操作，當(dāng)該引腳接VCC時，芯片啟動寫保護(hù)功能。5電子鎖控制電子鎖控制采用9012三極管驅(qū)動5V繼電器,單片機(jī)的輸出OUT通過9012三極管驅(qū)動繼電器, 繼電器的輸出直接接繼電器線圈的一端,線圈的另一端接GND。繼電器的公共點和長開點分別接電子鎖的兩跟控制線由于電子鎖的開關(guān)是靠兩根控制線是否連通來控制的,當(dāng)兩根控制線接在一起時就開門,反之如果兩根控制線斷開就鎖門。因此當(dāng)單片機(jī)的輸出端輸出高電平時三極管倒通,9012的輸入端為低電平,由于9012在這電路中起到開關(guān)作用,因此9012輸出為高電平。此時繼電器線圈上有電流流過,繼電器吸合,電子

20、鎖的兩根控制線接通,電子鎖開門。反之,如果單片機(jī)輸出高電平三極管不倒通, 9012三極管的輸出為低電平,因此繼電器線圈沒電路,繼電器不動作,電子鎖的控制線保持?jǐn)嚅_,電子鎖鎖門。電路圖如下：圖3.8 繼電器模塊電路6報警電路報警電路有一個直流蜂鳴器和9012三極管構(gòu)成,電路圖如圖所示。圖中Alarm為單片機(jī)的P2.4腳,當(dāng)需要蜂鳴器報警時只需要將單片機(jī)的P2.4管腳置為高電平,三極管倒通,電流從+5V電源經(jīng)過蜂鳴器和三極管的CE極流向地，蜂鳴器有電流流過則發(fā)聲報警。當(dāng)單片機(jī)P2.4管腳為低電平時,三極管截止,沒有電流從蜂鳴器流過,蜂鳴器停止發(fā)聲,因此通過控制單片機(jī)P2.4管腳的高電平時間就可以控

21、制縫鳴器的報警時間。圖3.9蜂鳴器模塊7射頻卡讀卡器塊的復(fù)位電路射頻卡讀卡器塊的采用了按鍵復(fù)位電路， 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障,可通過按下復(fù)位按鍵，系統(tǒng)將復(fù)位,讓系統(tǒng)重新初始化運(yùn)行。圖3.10單片機(jī)復(fù)位模塊8按鍵模塊射頻卡讀卡器在系統(tǒng)初始化后進(jìn)入工作模式，通過按鍵來切換各種模式。工作模式按下K1即進(jìn)入注冊模式，再次按下K1進(jìn)入注冊模式，接著按K1循環(huán)到工作模式。圖3.11 按鍵模塊9LED顯示模塊圖3.12LCD顯示模塊射頻卡讀卡器工作模式下刷卡，當(dāng)PowerLed為低電平D1亮，則表示刷卡成功此卡為合法卡允許進(jìn)入。當(dāng)LED為低電平時D2亮，說明此是所刷的卡編號并未存儲在存儲器中進(jìn)入報警狀態(tài)。二射頻卡讀

22、卡器的軟件設(shè)計現(xiàn)在單片機(jī)編程使用的語言大多為匯編語言和C語言。運(yùn)用匯編語言編程的好處是代碼生成效率高,程序運(yùn)行速度快；不足是程序的可讀性和可移植性比較差,用匯編語言編寫單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序的周期長,調(diào)試和排錯相當(dāng)困難。C語言是一種通用的計算機(jī)程序設(shè)計語言,它既可用來編寫計算機(jī)的系統(tǒng)程序,也可用來編寫一般的應(yīng)用程序,用它編寫的程序,具有較好的可讀性和可移植性。所以在本設(shè)計中運(yùn)用C語言進(jìn)行射頻卡讀卡器程序設(shè)計。1系統(tǒng)流程及主程序介紹系統(tǒng)工作是按固定順序執(zhí)行的，主要流程如圖開始初始化讀卡等待驗證合法卡開門報警不開門非法卡延遲后自動是否合法系統(tǒng)工作流程圖2讀卡器讀卡器主程序內(nèi)用要完成系統(tǒng)初始化，讀卡器和

23、高頻頻FM1702模塊的中斷處理程序，以及與PC機(jī)通信中斷處理程序等操作.3讀卡過程及程序設(shè)計介紹讀卡器軟件編程來進(jìn)行對射頻卡的一系列操作,主要有：防沖突程序、卡片的讀寫程序以及對卡片數(shù)據(jù)塊的操作等。讀卡程序的設(shè)計思路是在系統(tǒng)初始化后,射頻場檢測有Mifare1卡進(jìn)入射頻天線的有效范圍,讀卡程序按頃序啟動防沖突程序和認(rèn)證程序,驗證成功后最后操作卡片讀寫程序。程序流程圖見圖所示,下面介紹其中的幾個主要過程。3.1尋卡過程Mifare1卡是一種以被動方式工作的卡,進(jìn)入射頻區(qū)的Mifare1卡上電后進(jìn)入IDLE狀態(tài),它通過吸收感應(yīng)區(qū)內(nèi)的磁場能量進(jìn)行工作,不會主動發(fā)出信號。讀卡器必須不間斷地向外發(fā)出請求信號,符合條件的卡只有在接收到請求信號之后才會進(jìn)行響。程序中用Mf500ComReq（）函數(shù)不斷向外循環(huán)發(fā)請求信號,檢查感應(yīng)區(qū)是否有符合條件的卡,一旦有符合條件的卡進(jìn)入并被選中,程序退出循環(huán)請求過程,進(jìn)入防沖突過程。Request std指令分為和Request all兩個指令。Request al指令的功能是在天線范圍內(nèi)檢查所有符合條件的卡,無論是處于IDLE狀態(tài)還HALT狀態(tài)的卡,都會響應(yīng)。Request std指令只對天線范圍內(nèi)處于IDLE狀態(tài)的卡有效,對HALT狀態(tài)的卡無效。考慮到至少有兩張卡同時進(jìn)入感應(yīng)區(qū)的可能,設(shè)計中采用Request all指令, Mf500ComReq（