智能门禁系统毕业设计Word格式文档下载.docx
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1课题研究背景
1.1智能门禁系统的研究目的和意义
从过去到现在，人们都养成使用简单的门锁来防止他们的财产被盗，同时也是防止一些人员在不被允许的情况下进出房间等私密场所，这种简单的方法一直延续了上千年。
然而普通的门锁却始终离不开钥匙，一把钥匙开一把锁的定理持续了很久，但是现如今人们生活中需要加锁的地方变得越来越多，使用传统的门锁就会导致自己需要随身携带很多把钥匙，但是钥匙一旦多了就会带来很多不便。
如果我们每天都需要携带很多钥匙，就会很容易弄混、丢失或者被盗，所以安全性和便捷性很差。
如今，伴随着科技高速发展，传统的门锁早已经不能满足现在人们对生命财产安全方面的需求，为了从根本上改变这种局面，于是智能门禁系统就孕育，它集成了机械、电子、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等多种新技术，它也是新时代很优秀的产物。
1.2智能门禁系统的现状分析
门禁系统，众所周知也被称为出入口管理系统。
现如今科技飞速发展，智能门禁系统也已进化成为一套较为安全、功能性完善的控制管理系统。
它对通道和出入口的管理已经不是以前简单的钥匙和锁的管理，它能够对内部进行有效的智能化管理。
它不仅能够时时刻刻记录人员的进出时间与进出情况，限制人员的出入范围，而且也可以很好的拒绝非法人物进入。
同时，它也能够有效的保护人们的生命财产不受到他人的侵犯。
门禁管理系统在安全防范系统中扮演着很重要的角色，在当今社会下，门禁系统发展的很迅速，已经被广泛的应用在了办公室，智能大厦，宾馆，智能小区等各种大门、房间、通道的管理。
如今社会，房地产发展如日中天，小区门禁系统也随之成为小区住宅楼不可缺少的安全配套设施，它很好的保护住户的人身和财产安全。
目前，现在对智能门禁系统的研究从开始的认知教育和试用阶段，进入到了研发阶段。
但仍然在智能门禁系统的设计和研发上发现一些问题，比如说：
对国外已有的门禁系统进行仿造；
普遍采用国外现有的集成模块，如门禁控制器，识别和读卡模块等；
产品的形式较为单一，而且消耗了大量的资金。
在技术层面，当前中国有很多企业模仿国外的门禁系统，目前的做法主要有两种，一种是采购国外厂家生产的系统零部件，比如读写器、门控器等，然后对这些芯片进行二次软硬件的设计。
这种系列的系统性能相对较好，满足那种对安全要求较高的场所也是完全可以应付的，因此这种系统价格也相对比较昂贵。
另外一种是只是购买国外的核心芯片，对国外一些其它优良部件进行研究和仿制。
这种方法依据不同情况，可以作非原则性的变动，能够随时满足人们对门禁系统上的一些合理性要求，并且费用比较少。
从门禁系统的内部结构出发就容易看出，国内大多数的系统是以控制器为核心研制的，而门控器部分则是由国外厂家进行开发。
目前国内先进的智能门禁系统的研发正处于滞后状态，不过我们相信在未来，我国科技人才一定能够研发出完全属于我们自己的智能门禁系统。
1.3研究的目标与内容
智能门禁系统采用STC89C52微控制器作为系统的核心，在外围增加按键电路、蜂鸣器电路、开锁指示灯电路、电机驱动电路以及1602LCD显示电路等。
门禁系统主要由CPU、电源指示、开锁指示电路、振荡电路、蜂鸣器电路、设置按键电路、电机驱动模块、24C02存储模块、RC522读卡模块、LCD显示模块等组成，使用无线射频卡刷卡进门。
本门禁系统的工作原理如下：
（1）当射频卡刷卡时，蜂鸣器就会发出响声，如过此卡权限为有效卡，显示模块将会显示卡号，与此同时驱动电机转动将门锁打开，指示灯点亮，等刷卡结束后电机停止转动将门锁锁闭，指示灯熄灭。
（2）当按下出门按钮时，将门锁打开，指示灯点亮。
（3）程序中含有对射频卡权限的判断，当读卡器遇到射频卡时，显示器显示卡号。
如果是有效卡，指示灯亮起，蜂鸣器响起，电机转动表示门锁打开；
如果识别为无效卡时，则系统不采取任何动作。
（4）可以更改射频卡的权限，通过按下相应的存储和取消按钮来实现射频卡权限的赋予和收回。
2系统总体设计
2.1总体设计方案
本课题设计采用STC89C52微控制器作为系统的核心，在外围增加按键电路、蜂鸣器电路、开锁指示灯电路、电机驱动电路以及1602LCD显示电路等。
门禁系统主要由CPU、电源指示、开锁指示电路、振荡电路、蜂鸣器电路、设置按键电路、电机驱动模块、24C02存储模块、RC522读卡模块、LCD显示模块等组成。
此智能门禁系统能实现当射频卡刷卡时，显示模块显示卡号信息，如此卡为合法卡，指示灯点亮，蜂鸣器响起，同时驱动电路将电机转动表示门锁打开。
程序中还增加了射频卡权限的赋予，遇到合法卡时，电机转动，门锁打开，如果想收回权限，只要在刷卡的时候按下取消按钮，那么这张卡就变成非法卡，无法打开驱动电机转动将门锁打开。
而当非法卡刷卡时，显示卡号但电机不转动门锁不打开，如果赋予这张卡权限，只要在刷卡的时候，按下存储按钮，这张卡就会变成合法卡，就能是电机转动，打开门锁。
RFID（射频识别）技术:
是一种无线通信技术，它可以通过无线射频信号来辨别特定目标，同时读写相关数据，也就是两者不用通过接触就可以建立联系。
它是利用无线射频信号的空间耦合传输特性，来实现对能目标物体的自动识别。
射频识别技术是本世纪十大重要技术之一，这早已被世界所公认。
基本的RFID系统，一般含有以下几个部分：
一个是存储有目标物相关信息的智能卡（即RFID智能卡）、在读写器和RFID单元之间传输RF信号的天线、一个则来接收来自RFID智能卡返回的RF信号并将解码的数据传到主机系统以供处理的RFID读写器。
目前，射频识别系统如今在物联网、物流交通管理、仓储管理以及生产线追踪等领域被广泛的应用，也正是因为这些技术，极大的提高了效率，给社会创造了巨大利益。
CPU的选择:
在这个课题的设计上，选择了51单片机系统，因为单片机发展成熟且完善，此次设计功能上不是特别复杂，也没有复杂的运算，只有几个外接电路，况且单片机的成本较低，而且功能也完全可以满足此次课题设计。
虽然DSP和ARM系统在功能和拓展上都比51单片机系统要高，但是它们价格都相对昂贵，而且对于本次课题设计而言，性能也有过剩。
因此，结合自己所学的知识和性价比，经过比较最终选择了技术成熟、价格便宜、设计简单、使用方便的单片机平台。
射频卡的选择：
目前市面上有很多种类的射频卡。
条码和磁卡，我们见的比较多，现如今超市和银行使用的都是这种卡，个人的银行卡都是磁卡。
接触式IC卡，大家过去见的比较多，就是要用公共电话拨电话时使用的卡片（然而随着手机的普及，公共电话也早已退出人们的视野），但接触式IC卡，芯片外露易坏、易折。
而非接触式IC卡也就是无线射频卡，由于它的芯片和线圈都设计在卡片内，和接触式IC卡相比，前者比较牢固不易被损坏、能适应恶劣的环境，可靠性很高，所以市面上普遍使用这种卡。
根据上面的分析，最终选择目前被广泛应用的，而且成本不高可靠性好的IC卡，也就是市面上较多的MIFARES50卡。
2.2总体设计思路
此次设计以STC89C52单片机为控制核心，当IC卡靠近RC522读卡模块时，读卡模块识别到IC卡的信息，然后判断是否是有效卡，并将信息传给单片机，然后控制1602显示器显示IC卡的信息，如果是有效卡，单片机将会点亮指示灯，并使电机转动用来表示门锁打开，如果是无效卡，指示灯不会点亮电机也不会转动。
如果要将权限赋予新卡，将卡贴近，按下存储键，那么新卡的信息就会被存储在24C02存储器中，同理如果要收回有效卡的权限，只要将卡贴近，按下删除键即可。
智能门禁系统平台硬件框架图如图2-1：
图2-1硬件框架图
软件设计上，根据功能有以下几个模块编程。
包括主程序模块、读卡模块、显示模块，存储模块、延时子程序模块和中断子程序模块等。
当卡片靠近读卡模块时指示灯亮起，屏幕显示卡片信息，然后程序判断权限，如果合法，开锁模块程序点亮指示灯，使电机转动。
如果不是合法卡，是否赋予权限，如果赋予权限电机转动，指示灯亮起，如果不赋予则返回。
智能门禁系统软件流程图如图2-2。
图2-2软件流程图
3硬件设计方案
3.1最小系统设计
智能门禁系统采用的是STC89C52微控制器作为控制核心，这款单片机是由STC公司研发的，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。
内部含有8K字节的Flash，512字节的RAM，32位的I/O口线，看门狗定时器，4KBEEPROM和MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
可以看出89C52单片机功能还是很强大的，完成此次课题设计也是措措有余。
根据这款单片机的特点，然后结合本次课题设计的要求，控制核心需要实现下面的几个功能：
（1）接收读卡模块发送过来的数据，并进行处理。
（2）控制电机转动和蜂鸣器。
（3）控制1602LCD输出显示。
（4）处理键盘反馈的数据。
89C52单片机引脚，如图3-1：
图3-189C52引脚图
在89C52单片机的基础上，STC89C52微控制器作为系统的核心，在外围增加按键电路、蜂鸣器电路、开锁指示灯电路、电机驱动电路以及1602LCD显示电路等。
构成了智能门禁系统的控制电路。
如图3-2，P0.0到P0.7连接上拉排阻，同时接1602数据总线，1脚接VCC，加上拉电阻增加电流。
9管脚接复位电路；
X1和X2接晶振电路。
P22管脚接蜂鸣器电路；
与P31和P32连接的分别为取消和存储按钮；
P13、14、15、16连接RC522读卡模组；
P23管脚接电机驱动模组。
图3-2智能门禁最小系统原理图
3.2各单元电路原理
3.2.1蜂鸣器电路
图3-3蜂鸣器原理图
蜂鸣器原理图，如上图3-3所示：
单片机通过P2.2来控制蜂鸣器的工作与关闭，通过三极管放大电流使蜂鸣器发出响声。
当P2.2=1时，PNP三极管关闭，蜂鸣器停止工作。
当P2.2=0时，PNP三级管导通，蜂鸣器开始工作。
从而单片机只需要P2.2输出0或者1开关控制蜂鸣器即可。
功能说明：
（1）刷卡时，蜂鸣器响起，二极管被点亮说明此卡为有效卡。
（2）刷卡时，蜂鸣器没有响应，二极管也没反应，说明此卡为无效卡。
（3）没有卡时，蜂鸣器没有响应，二极管也不会点亮。
3.2.2显示模块
课题的显示部分选择采用1602LCD液晶显示，该方案具有低压、功耗低，平板型结构、所能显示的信息比较多、没有电磁辐射、而且使用寿命长等优点。
1602液晶也叫1602工业字符型液晶，是一种能够显示字母、数字和符号等的点阵型液晶模块。
它的构成是由多个5*7或者是5*11的点阵字符位，其中每一个字符位都可以显示一个字符，同时字符位之间都有一个点距的距离，每行之间也有一个点距的距离，因此起到了字符与字符和行与行之间的间隔作用。
1602LCD可以显示两行，每一行有16个工业字符液晶模块，总共能显示32个字符和数字。
这些字符包括常见的阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等，每一个字符对都应着一个唯一的编号，也就是一个特定的代码。
举个例子：
为了显示阿拉伯数字“1”，而“1”对应的代码是00110001B（31H），显示时模块调用地址31H中存储的点阵字符图形并将其显示在液晶屏上，于是我们就能看到阿拉伯数字“1”。
市面很多的字符型液晶都是在HD44780液晶芯片基础开发来的，由于它们的工作原理相同，因此只要是能在HD44780液晶芯片上运行的程序，都可以应用在其它的字符型液晶上。
此次课题设计之所以使用1602LCD,是因为设计要求显示的内容不多，只需显示提示刷卡和刷卡时的卡号。
用1602LCD显示能够达到预期的效果，而且价格相对便宜。
系统初始化时，显示器第一行显示：
“PUSHYOURCARD!
”，表示请你刷卡；
第二行显示：
“CARDNUM:
2”，表示当前系统刷过并且被记录下来的有的卡的张数。
当有卡刷入时，第一行显示射频卡类型，第二行显示卡号。
1602显示电路原理图，如图3-4所示：
图3-41602显示电路原理图
3.2.3控制电路
为了给此次课题设计加入更人性化的功能，特加入了可以更改射频卡权限的功能，当射频卡靠近读卡模组，若是新卡（即无权限卡）时，电机是不会转动的，如果要赋予这张卡的权限（即当这张卡靠近读卡器时电机能转动门打开），只要按一下Store存储按键，即可将这张新卡存储下来。
当下次这张卡再次靠近时，就能显示卡号把门打开。
同理，要想收回旧卡的权限，让旧卡刷卡时不能让门打开，只要在靠近读卡器的时候按一下Cancle取消按钮即可收回权限。
图3-5为按键原理图。
图3-5按键原理图
3.2.4读卡模块
此次课题设计上采用了市面上比较普遍的RC522读卡模组。
RC522感应式读卡器主要是非接触式晶片的读卡模组，市面上使用的125KHz非接触式RFID晶片或者与其它规格较为类似的产品，它都可以进行信息的读取与数据的判断，开发者可以一次性开发感应式读卡以及相关应用系统，RC522模块主要应用有：
公交一卡通、智能门禁管理系统、人员签到管理、动物或物品辨识及产品管理。
此读卡模组主要具有如下优点：
（1）系统有较高的独立性，二次开发比较容易，安装较为简单
（2）对卡片的信息读取稳定性好
（3）系统有较高的安全性，RFID信息不重复，而且难以被复制
（4）可自主选择数据输出格式
缺点：
主机必须24小时开机，否则数据传送会中断。
硬件/软件功能：
RC522非接触式读卡器系统如图3-6所示：
使用RC522读卡模块，在5-7cm距离内读取时间不超过70ms。
非接触式读卡系统电源为5V，系统中最重要的部分是感应线圈，它既可以与系统分开，也可以囊括在系统中，注意要将金属板放在线圈前面，这是为了防止电磁场造成干扰。
图3-6读卡模块图
数据输出格式：
输出48位6个字节的数据。
数据开始的第一字节是射频卡的识别码，后面4个字节为射频卡的卡号，数据的最后一个字节是数据的校验和。
校验和为BYTE类型，用于校验目的地一组数据项的和，运算过程进位将会被丢弃。
当每个字节的高位先输出时，此时的输出方式为同步串行；
当每个字节的低位先输出，此时的输出方式为异步串行。
数据的输出波特率为9600Bits/S。
数据输出波形，如图3-7所示：
图3-7输出波形
（1）当刷卡时，通过读卡天线的识别，获取射频卡的信息。
（2）将获取到的射频卡的信息，经过SO脚传送到单片机芯片上。
（3）当CP脚传送低电平时，则说明正在刷卡，闲置时为高电平。
图3-8为读卡模块电路原理图。
图3-8读卡模块电路原理图
3.2.5电机驱动模块
工作原理：
本次智能门禁系统设计用电机转动来模拟开门效果，当卡片靠近读卡模块时，若识别为有效卡，那么指示灯将会亮起，蜂鸣器发出声音，电机转动。
如果此时按下取消按钮，那么这张卡下次刷卡时，系统不做反应，也就是不打开门锁。
若为无效卡时系统不做反应，此时按下存储按钮，待这张卡下次刷卡时，系统将会判定为有效卡，指示灯亮起，蜂鸣器发出声音，电机转动。
为了让电机能正常运行，并且系统有两个5V电源，其中一个为电机驱动模块供电。
驱动电路主要采用市场上普遍被应用的驱动芯片L9110H，有它来驱动电机转动模拟开锁效果，L9110H为一块集成电路、高电流、高电压、四通道驱动，它的额定工作电流为1A，最大可达1.5A，所以采用单独电源供电，VSS电压最小4.5V，最大可达36V，可直接的对电机进行控制，无需隔离电路。
L9110H从主控单片机STC89C52那里接受指令直接控制电机的工作状态。
可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便。
L9910有8个管脚，2和3号管脚同时接VCC，5和8号管脚同时接GND。
1号、6号管脚分别为A路输出管脚和A路输入管脚，4号、7号管脚分别为B路输出管脚和B路输入管脚。
为了达到效果，本次课题设计使用L9110驱动模块来驱动电机转动。
如图3-9：
图3-9电机驱动模块原理图
3.2.6存储模块
为了实现对卡片权限的设置，就需要用一个芯片存储卡片的信息，在本次设计中使用24C02存储芯片，AT24C02是2K位CMOSE2PROM串行电可擦除只读存储器，内部组织为256个字节，每个字节8位。
该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。
管脚配置：
24C02与单片机的接口非常简单，如图3-10：
图3-1024C02管脚图
管脚描述：
SCL管脚：
实现串行时钟的功能，它是一个输入管脚，与单片机的P21号管脚相连。
SCL串行时钟输入管脚实现发送和接收器件产生的数据的时钟的功能。
SDA串行数据/地址：
AT24C02双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。
A0、A1、A2器件地址输入端：
这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。
当使用AT24C02时最大可级联8个器件。
如果只有一个AT24C02被总线寻址，这三个地址输入脚（A0、A1、A2）可悬空或连接到Vss，如果只有一个AT24C01被总线寻址这三个地址输入脚（A0、A1、A2）必须连接到Vss。
如图3-11为存储模块原理图：
图3-11存储模块原理图
4系统软件设计
4.1软件设计思路
软件设计上，根据功能分了几个模块编程，包括主程序模块、读卡模块、显示模块，存储模块、延时子程序模块和中断子程序模块等。
系统工作时当卡片靠近读卡模块时指示灯亮起，屏幕显示卡片信息，然后程序判断权限，若合法，开锁模块程序点亮指示灯，蜂鸣器发出警报，电机转动模拟门锁打开。
若非合法卡，是否赋予权限，如果赋予权限电机转动，指示灯亮起，蜂鸣器发出警报，如果不赋予则返回。
4.2射频模块软件工作流程
如图4-1射频模块子程序流程图：
图4-1射频软件模块工作流程图
RC522的接收和发送数据的流程：
相对于飞利浦公司生产的RC500、RC530等基站芯片，RC522系统内部结构更加简洁明了，由于删除了RC522芯片内的E2PROM，芯片的指令集也被大大减少了。
还有RC522简化了载波调制电路，发送电路和解调和解码电路的控制，同时删除了校准接收电路I时钟、Q时钟以及校准发送与接收时钟相位等繁琐的操作，极大的提高了RC522的工作效率。
工作过程：
模块与单片机接口如下：
#defineRF_LPCTL
BIT3
P2.3
射频卡休眠控制---RST
#defineRF_SS
BIT7
p2.7
射频卡从机选择（SS）---SDA
#defineRF_SCLK
BIT6
p2.6
射频卡数据时钟输出（SCLK）
#defineRF_DATA_OUT
BIT5
p2.5
射频卡数据输出（MOSI）
#defineRF_DATA_IN
BIT1
p2.1
射频模块输入（MISO）
需要完成4个步骤：
寻卡→防冲撞处理→选卡→读卡/写卡，就能完成对模块内部的数据块进行读写。
第一步：
寻卡
status2=PcdRequest（0x52,Temp）;
//寻卡
参数Temp为返回的卡类型
if（status2==MI_OK）
{
tochar（Temp[0]）;
tochar（Temp[1]）;
//输出卡类型
}
比如，当Temp[0]=04，Temp[1]=00时，卡类型为S50。
第二步：
防冲撞处理
status2=PcdAnticoll（UID）;
//防冲撞处理，输出卡片序列号，4字节
if（status2==MI_OK）
{
PutString0（"
CardIdis:
"
）;
tochar（UID[0]）;
tochar（UID[1]）;
tochar（UID[2]）;
tochar（UID[3]）;
//输出卡片序列号
第三步：
选卡。
status2=PcdSelect（UID）;
//选择卡片，输入卡片序列号，4字节
第四步：
在读写卡之前需要先进行认证。
status2=PcdAuthState（PICC_AUTHENT
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