基于单片机的IC卡门禁系统的设计毕业设计.docx

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基于单片机的IC卡门禁系统的设计毕业设计

基于单片机的IC卡门禁系统的设计毕业设计

基于单片机的IC卡门禁系统的设计

摘要

本论文介绍了可加强安全的智能门禁系统。

论文具体的介绍了门禁系统的组成、读卡器的硬件设计以及系统的软件开发内容。

提供了门禁读卡器的电路原理图，和主要程序设计的流程图和程序。

重点分析了单片机与FM1702高频读卡器频模块的接口电路、报警电路、门锁继电器电路、液晶12864电路以及单片机最小系统。

读卡器主要有读卡模块、单片机控制模块、射频天线以及智能IC卡组成。

读卡器能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式射频卡。

当有卡进入时则读卡内数据后通过单片机进行处理后程序自动判断是不是合法IC卡，并且将卡号传送到液晶12864上显示。

读卡器的软件部分重点介绍了读卡过程的程序设计,包括询卡、选取卡片、读取卡片、判别IC卡是否合法等。

读卡器选用内部集成有8K字节Flash程序存贮器的STC89C52单片机作控制器，系统采用SPI通信，其接口管脚少、连线简易，便于缩小读卡器的体积。

关键词：

门禁系统；STC89C52；读卡器

ThedesignofICcardentranceguardsystembasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

Thispaperintroducestheintelligententranceguardsystemsecuritycanbestrengthened.Thisthesisintroducesthesoftwaredevelopmentcontent,accesscontrolsystem,thehardwaredesignofcardreaderandsystem.Providesaccesstoreadcircuitdiagramthecardreader,andthemainflowchartandprogram.FocusontheanalysisofthesinglechipcomputerandFM1702interfacecircuit,thehigh-frequencyreadcardreadermoduleandalarmcircuit,frequencylockrelaycircuit,LCD12864circuitandMCUminimumsystem.Thereaderhasreadcardmodule,MCUcontrolmodule,RFantennaandintelligentICcard.ThecardreadercanreadandwritePhilipsHolland'sMifareofcontactlessRFcard.WhenthecardenteredwillreadthecarddataprocessingprogramtoautomaticallydetermineIsitright?

LegitimateICcardthroughthemicrocontroller,andthenumberistransmittedtotheliquidcrystaldisplay12864.Thecardreadersoftwarepartemphaticallyintroducestheprogramdesigncardprocess,includinginquiringcard,selectcardreadcard,ICcard,judgingthelegalityof.读卡器选用内部集成有8K字节Flash程序存贮器的STC89C52单片机作控制器，系统采用SPI通信，其接口管脚少、连线简易，便于缩小读卡器的体积。

Cardreaderwithintegratedwithinternal8KbytesofFlashprogrammemoryofSTC89C52singlechipmicrocomputerascontroller,thesystemusestheSPIcommunicationinterface,theconnectionpinisless,simple,easytoreducethevolumeofthecardreader

Keywords：

entranceguardsystem;AT98S52;devices,cardreader

1绪论

1.1选题论证

当今社会，时代变化着人们对门禁系统的要求也越来越高，门禁系统得以广泛的应用，所以门禁系统的开发已成为现代科技领域的一个火热课题。

现在，安全防范系统中，门禁系统是一个极其重要的一部分，在许多发达国家中，门禁系统正以远高于其它品种的安防产品的进度迅猛发展，门禁系统能在众多安防产品中脱颖而出。

主要原因是因为其从根本改变了以往安防产品，类如闭路监控，防盗报警等安防方式都十分的被动，以主动的控制替代了被动监视的方式，进过控制主要通道，极大的防止了非法者从正常通道的入侵，并且可以通过对通道门的控制限制非法者的活动范围，制止犯罪或减少损失。

1.2门禁系统概括

门禁安全管理系统是一种新型现代化的安全管理系统，它包括微机自动识别技术和现代安全管理措施。

它包含电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等许多新技术。

它极大的保护了出入口的安全。

适用于各种机要部门，如银行、监狱、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。

智能门禁系统是保护出入口安全的系统,该系统控制人员的出入以及他们的活动区域。

门禁系统控制的基本原理是：

按照每个人的活动范围,提前制作出各种层次的卡或预定密码。

在相关出入口等处安装读卡器,持卡人把自己的卡片放到读卡器上进行识别,读卡器把读到的卡号等信息发送到计算机,通过计算机判断,当身份符合,门锁就开启,否则就将报警。

1.2.1门禁系统组成

门禁系统由控制器，读卡器，电控锁，识别卡和存储器、报警器等部分组成。

门禁系统的核心是控制器,打个比方读卡器是系统的眼睛,电控锁是系统的手,那么控制器就是系统的大脑。

1.2.2门禁系统功能

限制人员的进出区域,拒绝非法进入者,保护财产不受任何非法者侵犯。

当请求进入的人员身份合法便可经过控制中心认证,电子锁将打开否则电锁将不会开启。

1.2.3门禁系统的发展过程

出入口门禁系统望文生义就是对出入口通道进行管理的系统，它是以传统的门锁为基础上发展而来的。

传统的机械门锁只是一种单纯的的机械装置，不管其结构设计多么完美，使用的材料多么坚固，非法者总是不折手段的将其打开。

在出入频繁的通道，钥匙的管理实在麻烦，当钥匙的丢失或是人员的更改往往都要换掉所有的钥匙和机械锁。

为了解决这些麻烦问题，电子磁卡锁，电子密码锁因运而生，这两种锁的出现一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断的使用中，两种电子锁的本身缺陷就逐渐显现，磁卡锁的关键问题是信息遭到复制，卡片与读卡机具之间的长期磨损导致其故障率高，安全系数低。

密码锁的关键问题是密码容易泄露，无法查找泄露源头，安全系数很低。

并且这个时代的产品由于大多采用读卡部分与控制部分合并一起安装在门外，外面的人可以轻易的打开门锁。

这时的门禁系统还处于早期不成熟阶段，所以当时的门禁系统通常被人称为电子锁，得不到广泛的运用。

随着感应卡技术，生物识别技术的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，门禁系统的应用领域也越来越广。

1.2.4门禁系统的优越性

（1）使用寿命长。

射频卡和读卡器无需机械接触即可工作,从而避免了因机械磨损而导致的故障，大大延长了使用寿命。

（2）使用方便。

射频卡卡使用非常简单，不需固定方向和位置，决不会有黑暗中找不到锁孔的烦恼。

（3）安全可靠。

每张卡生产出了来时都有固定的编码，卡和读卡器都不会被复制，且防水、防磁，抗干扰。

即使卡片不慎丢失，也不需再劳神伤财的去换锁，只需在控制器或系统软件将卡片删除便可，确保系统的安全性和可靠性。

（4）一卡多用。

机械锁每个门至少配一把钥匙，而射频卡支持一卡多门，只要随身携带一张卡，便可以通过能被认证的通道，再也不用带沉甸甸的钥匙。

1.2.5门禁系统的国内外现状

自动识别技术的迅速发展带动了门禁系统的发展,国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯、西屋、洛泰克,以色列的DDS，英国的集宝等品牌。

国内也有许多门禁系统的品牌如捷顺、北京青云等公司。

现在国内外研发和应用门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。

指纹门禁系统是生物识别门禁系统中应用最为广泛的。

在计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟,指纹自动识别系统的大小逐渐缩小,其价格也在不断的降低。

1.3课题背景及意义

门禁系统，又被称为出入口控制系统，如今科学技术的强大使其已发展为一套现代化的、功能齐全的管理系统。

它对出入门和通道的管理也早已不再是以往的机械锁管理。

它不在当作简单进出口管理使用，更多的帮助了内部的有序化管理。

它能够每时每刻的自动记录人员的出入情况，准确的控制内部人员的出入区域和出入时间，并且能够委婉的拒绝不速之客进入。

同时极大地保护人们的财产不受到侵犯。

门禁管理系统已经是安全防范系统中极为重要的一个组成部分，在许多发达国家中，它正以远高于其它类安防产品的进度高速的发展着，在各个场所中都得以广泛的应用。

如今的现代都市对美观要求极高，公司形象体现了其所追求的时尚和品味，也是给顾客良好的印象。

很难想象，在追求智能化无纸办公的今天，在华丽高档的玻璃大门装上一把丑陋的机械锁将会是一件令人多么尴尬和寒碜的事情啊！

但是，当能用手中的卡片使大门就应声而开，那将是多么的高端、大气、上档次。

此外，如今人们十分注重商业情报和安全，以往的个人身份鉴别手段己不能完全满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。

只有不易被他人代替、仿制、甚至本人也无法转让的身份识别凭证才能得到人们的认可。

因此，从易用性、安全性、成熟性、造价性等方面综合比较，IC卡门禁技术正在以惊人的速度迅猛发展。

这正是我们研究IC门禁管理系统的意义所在。

1.4本论文拟解决的关键问题与解决方法

⑴关键问题

①怎样采集合法开锁人的信息

②怎样实现IC卡是否合法

③怎样控制门的开关以及报警

⑵解决方法

①用STC89C52单片机控制FM1702高频读卡器实现对学生犯人信息的采集

②采用事先将IC卡号保持到存储器中进行保存，刷卡时查找存储器的卡号是否存在。

③采用单片机控制继电器电子锁与蜂鸣器来控制门开关和报警。

2系统结构与设计原则

门禁系统的核心部分是门禁读卡器，他可以读取非接触式IC卡，本设计的主要任务就是对读卡器的设计。

由于门禁系统都应用于重要场所，所以其设计要符合一定标准。

2.1门禁读卡器

门禁系统的关键部件是读卡器，他是有控制单片机及外围扩展器件、读卡模块、射频天线、电源接口、串行通信接口等几部分组成，接上+5V电源就可以读卡，接上串行口可以与PC机通信。

读卡器在门禁系统中是主要的工作机，它是射频卡与PC机和开关门设备之间的桥梁，其数量较多，根据需要安装在方便的地方。

他可以联网工作，通过RS-232串行口与PC机相连。

读卡器是主动操作的，只有非接触式IC卡进入读卡器天线射频能量范围，读卡器便通过射频信号与智能卡通信，在联网的情况下，读卡器能将采集的数据直接传给PC管理机。

2.2非接触式IC卡

非接触式IC卡又叫射频卡,是90年代初发展起来的新技术.射频卡由感应天线、控制芯片、存储单元组成,并完全密封在一个标准PVC卡片中,无外露部分。

射频卡本身是无源体,当读写器对射频卡进行读写操作时,读写器发出的射频信号由两部分叠加组成：

一部分是电源信号,该信号由卡接收后,与其本身的LC产生谐振,产生一个瞬间能量来供给芯片工作,另一部分则经解调后,控制芯片完成密码验证、数据的读取、修改、存储等,并返回给读写器。

射频卡成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源和免接触的难题：

射频卡无需专门的供电电源,它与读写器间无机械接触,避免了接触故障；它表面无裸露芯片,可防水,且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题：

射频卡使用时没有正反面,而且射频卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点,由射频卡所形成的读写系统,无论是硬件结构,还是软件控制的操作过程较之接触式卡都得到了很大的简化,同时借助于先进的管理软件和网络支持可在很多领域得到应用。

2.3智能门禁系统的设计原则

智能门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段,在经济发达国家的智能大厦及宾馆等得到了广泛应用,由于系统具有隐蔽性、及时性等特点,其在许多领域得以运用。

智能门禁系统具有智能性、高可靠性、实时性,。

系统的设计应当做到以下原则：

（1）实用性。

智能门禁系统要从实际情况来制定具体内用。

仅仅简单的去最求超前,只会使金钱白白的流失,功能用不到的情况。

所以实用性是智能门禁系统必须注重的原则。

（2）实时性。

智能门禁系统不可应为一个子系统使得整个系统瘫痪，必须有效的保证系统时刻处于运行状态。

（3）完整性。

智能门禁系统必须功能齐全，管理方便。

所以保证智能门禁系统的完整性是必须要考虑的原则。

（4）系统的安全性。

智能门禁系统必须保证系统和设备的完美运行，保证所有系统设备不能被复制、篡改，并且绝对不能使任何信息泄露。

（5）可扩展性。

科技在不断的发展，智能门禁系统也在不断的改善，门禁系统还在不断发展，所以我们系统设计时,对需要实现的功能进行了合理配置,并且这种配置是可以改变的,设置甚至在工程完成后,这种配置的改变也是可能的和方便的。

系统软件根据需求进行相应的升级和完善。

（6）易维护性。

智能门禁系统在工作中要做到易维修。

极大方便人们的使用，做到插电可用的效果。

2.4门禁模块图

2.4.1设计框图：

键盘输入

图2.1设计框架图

2.4.2本课题研究门禁系统，其运行模块图如下

图2.2运行模块图

读卡器：

读射频卡信息。

按键模块：

注册通行卡。

按下设置键，把工作模式切换到注册模式后，刷卡并显示卡号自动注册。

注册完成后液晶显示注册完成。

再次刷这张IC卡时，就能开门。

注销通行卡（清除存储器的卡号数据）

按下设置键，把工作模式切换到注销模式后，刷卡并显示自动注销，就把存储里保存的卡号数据清除。

清除数据后，IC卡已经处于注销状态。

3系统硬件电路图设计

3.1各模块选用的硬件介绍

读卡器主要有刷卡模块、单片机模块、继电器模块、按键模块以及蜂鸣器模块组成。

其用高频读卡器模块FM1702，能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式射频卡，读卡距离约10cm。

控制模块采用STC89C52单片机，它具有8K可编程Flash存储器。

单片机与读卡器通信是采用SPI通信。

3.1.1STC89C52单片机介绍

控制的核心选用STC89C52。

其主要性能如下：

1.STC89C52单片机与MCS-51单片机产品能够兼容

2.在系统内可编程Flash存储器8K字节

3.擦写周期可达到100000次

4.程序存储器可做到三级加密

5.可编程I/O口线数量达到32个

6.总共有三个16位计数器

7.中断源的数目达到了8个

8.单片机具有全双工UART串行通道

9.不启动是能耗低

10.停电以后中断可复位

（1）功能特性描述

该STC89C52单片机作为低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，系统可编程Flash存储器拥有8K。

运用Atmel公司独特的高密度难丢失存储器技术制造，与工业上的80C51产品说明可以和引脚完全的兼容。

单片机上Flash做到程序存储器在系统中可以编程，大众化编程器也可进行编程。

在单片机的芯片上，有8位CPU和在系统可编程Flash，做到了STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、极为有效的的解决方案。

（2）引脚图如下：

图3.1STC89C52引脚图

（3）引脚介绍：

VCC:

接电源

GND:

接地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校

验时，P1口接收低8位地址字节。

表3.1P0口第二功能

引脚

第2功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表3.2P3口第二功能

引脚

第2功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

（外部中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

（外部中断1请求输入端，低电平有效）

表3.3P3口第二功能

引脚

第2功能

P3.4

T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）

P3.5

T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）

P3.6

（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或

时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

3.1.2FM1702高频读卡器模块介绍

管脚定义：

（从上到下）

1、GND

2、VCC（5V）

3、RST

4、CS

5、SI

6、SCK

7、SO

性能参数：

1、输入电压：

5～5.5V

2、输入电流：

刷卡电流<25mA

3、通讯方式：

SPI

4、有效刷卡高度：

3-10cm（视天线、卡和周围环境而不同）

5、使用环境：

-25~70摄氏度

6、尺寸：

95.8*54.3（单位：

mm）

3.1.3Mifare射频卡介绍

本设计中采用的射频卡为Mifare射频卡,其核心是PHILIPS公司的Mifare1ICS50系列微芯片。

卡片上无源,工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号祸合到卡片上天线而产生电能,一般可达2V以上,供卡片上IC工作。

工作频率13.56MHZ。

Mifare的主要指标

容量为8K位EEPROM

分为16个扇区,每个扇区为4块,每块16个字节,以块为存取单位

每个扇区有独立的一组密码及访问控制

每张卡有唯一序列号,为32位

具有防冲突机制,支持多卡操作

无电源,自带天线,内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路

数据保存期为10年,可改写10万次,读无限次

工作频率:

13.56MHZ

通信速率:

106KBPS

读写距离:

10mm以内（与读写器有关）

（1）卡与读写器的通讯

①复位应答Mifare卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的,当有卡片进入读写器的操作范围时,读写器以特定的协议与它通讯,从而确定该卡是否为M1射频卡,即验证卡片的卡型。

②防冲突机制当有多张卡进入读写器操作范围时,防冲突机制会从其中选择一张进行操作,未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡,该过程会返回被选卡的序列号。

③选择卡片选择被选中的卡的序列号,并同时返回卡的容量代码。

④三次互相确认选定要处理的卡片之后,读写器就确定要访问的扇区号,并对该扇区密码进行密码校验,在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。

（在选择另一扇区时,则必须进行另一扇区密码校验。

）

（2）系统的工作方式为：

STC89C52控制FM1702,驱动天线对Mifare卡进行读写操作；