门禁系统课程设计Word格式.docx
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3.5.4电机与单片机的接口电路40
第四章软件设计41
4.1软件设计的流程41
4.2开发环境42
4.3部分程序代码43
第五章结语59
参考文献60
第一章绪论
1.1课题研究背景
出入口门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。
它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。
使用各种机要部门，如银行，宾馆，机房，军械库，机要室，办公室，智能化小区，工厂等。
在数字技术网络技术飞速发展的今天门禁技术得到了迅猛的发展。
门禁系统早已超越了单传的门道以及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出去管理系统。
它在工作环境安全，人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。
门禁,又称出入管理控制系统，是一种将信息技术、电子技术和机械锁有机地结合在一起，对进出人员进行适当级别的权限鉴别，并进行相应控制的数字化管理系统。
目前门禁系统是基于非接触式感应IC卡识别技术，由管理系统、控制器、感应式读卡器、电子锁等组成的一个功能强大的智能型网络门禁系统，人员手持一张合法的感应式IC卡即可通过IC卡识读设备自动控制授权允许开启的电子锁。
可是IC卡也很容易丢失，而且到了小区门口还要停下来刷卡，浪费汽油，况且下雨天这样会很麻烦。
1.2智能门禁系统在国内外的研究现状
门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展起来的，国外门禁系统的知识品牌有美国的休斯（HID）、西屋（WSE）、洛泰克（NTK），以色列的DDS、英国的集宝等品牌。
国内从事门禁系统有深圳红门、门吉利、捷顺、北京青云等公司。
目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。
在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。
随着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体积不断缩小，其价格也不断降低。
据国际生物认证团（IBG）的预测：
美国生物认证市场2002年突破7亿美元，其中指纹识别占近50%，虹膜识别占8%。
美国生物认证市场到2005年将达到19亿美元，指纹识别占近40%，虹膜识别占10%左右。
美国生物识别市场在未来几年中仍将会保持高速增长的趋势，纵观门禁市场发展，预计未来1－3年中国门禁市场的平均增长比例将达20％以上。
目前国外生产的门禁系统安全性较高，但是价格昂贵，感应式门禁系统控制器的价格从4000到3万元不等，包括读卡器、门锁、控制器、软件在内的一套系统报价在万元以上。
国内生产的感应式门禁系统和指纹门禁系统价格较国外同类产品价格低大约10%-50%，但系统的可靠性稍差。
高级智能型门禁控制系统是当前门禁系统的重要发展方向，高级智能型门禁系统是一种联网式门禁系统，功能也比较完善。
但对于一般的企业住宅小区来说，并不是最理想的选择。
这种门禁系统常用于国防、军事等单位。
1.3课题主要研究内容及结构
本课题主要研究基于wifi的简易门禁系统的设计，应用wifi模块实现车载控制端对道闸的开关，系统主要包括发送模块，显示模块，道闸模块等，这些模块构成一个综合的系统，能够满足普通小区停车场车辆不停车状态下的出入。
课题结构如下：
介绍了课题的背景知识，智能门禁系统在国内外的研究现状以及研究的意义。
第二章系统总体设计方案及论证
本章对设计前的方案进行了选择和分析，最终确定一种方便，可行的实施方案。
第三章门禁系统主要硬件电路设计
本章对系统中的主要硬件模块做了阐述，并且给出了各部分的电路图。
第四章软件设计
本章对系统软件开发环境已经部分源程序做了解释，给出整个系统的软件流程图。
2.1门禁系统工作原理
基于wifi的门禁系统主要依靠PC或手机终端对无线模块发送开锁信号，wifi模块接收到信号之后传递给主控模块进行分析处理，若信号有效，则打开道闸，在道闸打开的前提下，系统会在道闸打开之后5S自动将道闸关闭，若车辆出门，则置于内部的红外对管会获取车辆信息，并且在无需开门信号的前提下自动将道闸打开。
若信号无效，则不打开道闸，在一般状态之下系统给出当前温度以及时间信息。
2.2门禁系统的总体结构图
2.3门禁系统方案选择
2.3.1主控芯片的选择
方案一：
采用AT89S51作为系统控制器。
它的功耗低，技术成熟，成本低，引脚较少，硬件布线较简单。
但实时性不好，复杂的控制算法难以实现；
另外，增加的外围电路数据转换速度慢，因此放弃此方案。
方案二：
采用MSP430单片机，430系列是一个16位的，具有精简指令集的，超低功耗的混合型单片机，另外430系列单片机集成了丰富的片内外设，由于本设计需要较多的I/O口，因此430具有强大的综合优势。
综上，此方案选用MSP430F149作为系统主控芯片。
2.3.2显示器的选择
LED数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，结构简单，显示亮度高，价格便宜，使用简单，可是显示效果会受外部环境影响较大，加上单片机扫描显示会导致亮度不均匀等情况，短时间的电流过载也可能会发光管造成永久性的损坏，由于本次设计需要显示的内容较多，因此此方案局限性太大。
LCD12864液晶显示器画质高并且不会闪烁，和单片机系统的借口简单可靠，操作方便。
而且12864作为128*64点阵的液晶屏可以显示数字，字母和汉字等，适合本设计。
综上，此系统选用LCD12864作为显示器。
2.3.3温度传感器的选择
数字温度传感器DS18B20具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
测温范围为－55℃～＋125℃，固有测温分辨率是0.5℃。
最为重要的是单片机可以直接读取温度，方便，高效。
集成温度传感器AD590实质上是一种半导体集成电路，线性好、精度中、灵敏度高、体积小，常用于测温和热电偶的冷端补偿。
测温范围为-55℃～+150℃。
非线性误差为±
0.3℃。
可是温度值要通过A/D转换器才能被单片机读取，且线路连接比较麻烦。
综合上述，选择方案一。
3.1系统主控芯—MSP430F149
3.1.1MSP430主要性能
MSP430F149具有如下主要性能：
●功耗低。
典型功耗是：
2.2V时钟频率1MHZ时，活动模式为0.2MA，关闭模式仅为0.0001MA，且具有5种节能方式。
●高效16位RISC-CPU，27条指令，8MHZ时钟频率时，指令周期时间125ns,绝大多数指令一个时钟周期完成；
32KHZ时钟频率时，16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHZ时钟频率时的执行速度。
●低电压供电、宽工作电压范围：
1.8V-3.6V。
●灵活的时钟系统（两个外部时钟和一个内部时钟）
●低时钟频率可实现高速通信。
●具有串行在线编程能力。
●强大的中断能力。
●唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需0.006ms。
●ESD保护，抗干扰能力强。
3.1.2MSP430x14x引脚功能
如图3-1为MSP430F149的引脚图。
引脚具体说明，如下表所示：
3.1.3电源电路
本系统需要5V供电，因此供电电路利用LM2576设计5V稳压电路。
LM2576的特性如下：
（1）有3.3V、5V、12V、15V和可调电压输出多种系列。
（2）输出电压可调的范围为1.23V～37V（HV型号的可达57V）,负载电压的输出容差最大为±
4％。
（3）最少只需要4个外围元件,可达3A的输出电流。
（4）宽的输入电压范围,HV型号甚至可达40V～60V。
（5）内部振荡器产生52KHz的固定频率。
（6）可用TTL电平关闭输出,低功耗待机模式,典型待机电流为50μA。
（7）BUCK式降压器,较高的转换效率。
（8）过热和过流保护。
（9）可实现Buck-Boost式正-负电压转换器。
5V稳压电路外围元件的选择：
（1）输入电容CIN1
电容作为旁路电容,防止在输入端出现大的瞬态电压。
还有,当你的输入电压波动较大,输出电流有较高,容量一定要选用大些,470μF--10000μF都是可行的选择;
电容的电流均方根值至少要为直流负载电流的1/2;
基于安全考虑,电容的额定耐压值要为最大输入电压的1.5倍。
千万不要选用瓷片电容,会造成严重的噪声干扰。
（2）续流二极管
首选肖特基二极管,因为此类二极管开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短。
（3）储能电感
LM2576既可工作于连续型也可非连续型,流过电感的电流若是连续的为连续型,电感电流在一个开关周期内降到零为非连续型。
（4）输出端电容COUT
推荐使用1μF--470μF之间的低ESR的钽电容。
若电容值太大,反而会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。
COUT用来输出滤波以及提高环路的稳定性。
如果电容的ESR太小,就有可能使反馈环路不稳定,导致输出端振荡。
这几乎是稳压器的共性,包括LDO等也有这一现象。
利用LM2576芯片实现5V电源电路的设计如下图所示：
3.1.4时钟电路
MSP430x14X系列单片机基础时钟模块结构如下图：
从图中可以看出，它有3个时钟源输入端：
●LFXT1CLK低频时钟源，按低频时钟晶体，也可接高频时钟晶体，陶瓷谐振器或直接外接时钟信号源。
●XT2CLK高频时钟源，按标准高频晶体，也可接陶瓷谐振器或直接外接450kHz~8MHz时钟信号源。
●DCOCLK片内可以数字控制的RC振荡器。
本系统使用XT2高频时钟源，晶振电路如下图：
3.1.5复位电路
在单片机系统中，为了保证系统上电时进行初始化，上电后REST管脚被CR1上拉电阻为高电平，当按键CS1被按下时REST被置低电平。
复位电路如下图所示。
3.1.6异步通信
●异步通信寄存器
MSP430系列有些型号的期间中有两个通信硬件模块USART0和USART1，因此它们有两套寄存器，如MSP430F149。
USART0的寄存器如下表所列：
MSP430USART模块配置为异步模式时的结构如下图：
●波特率的产生
所谓波特率，是指单位时间内传送的二进制数据位数，以bit/s为单位，是衡量串行数据传送速度快慢的重要指标和参数。
在异步串行通信时，波特率的产生是必须的。
MSP430单片机的波特率产生部分如下图所示，由时钟源输入选择与分频，波特率产生器，调整器和波特率寄存器等构成。
其中，整个模块的时钟源输入通过控制寄存器UxTCTL中的SSEL0和SSEL1选择来自内部的3个时钟或外部输入时钟，以决定最终进入模块的时钟信号BRCLK的频率，时钟信号BRCLK进入一个15位分频器，通过一系列的硬件控制，当计数器的计数值减到0的时候，输出触发器翻转，最终输出两个移位寄存器使用的移位时钟BITCLK信号，所以BITCLK信号周期的一半就是定时器，即分频计数器的定时时间。
图波特率产生器结构图
MSP430的波特率发生器首先使用一个16位计数器和一个比较器，当发送和接受数据时，计数器装载着INT（N/2），其中N是UxBR1和UxBR0存储值。
计数器重新装载为版周期的计数值INT（N/2），从而给出一个N个BRCLK时钟的周期。
对于给定的BRCLK时钟源，分频因子N由送到分频计数器的时钟频率（BRCLK）和所需的波特率来决定，即
如果使用常用的波特率与常用晶体产生的BRCLK，则一般得不到整数的N，分频计数器可实现分频因子N的整数部分，其次，调整器可使得小数部分尽可能准确，那么分频因子N可定义如下：
其中，N为目标分频因子，UxBR为UxBR1和UxBR0中的16位数据值；
n为总字符位数，m为调整器寄存器UXMCTL中的各数据位（1或0）
波特率由下式计算：
3.2通信模块—USR_WIFI232
3.2.1模块功能描述
1.无线组网
HF-A11x的无线模块即可以配置成一个无线STA，也可以配置成AP。
所以HF-A11x逻辑上支持2个无线接口，一个作为STA，另一个接口相当于一个AP，其它STA可以通过这个模块的AP接口连入无线网络。
所以，利用HF-A11x可以提供十分灵活的组网方式和网络拓扑。
HF-A11x的功能模块如下图所示：
HF-A11x的功能结构
说明：
AP：
即无线接入点，是一个无线网络的中心节点。
通常使用的无线路由器就是一个AP，其它无线终端可以通过AP相互连接。
STA：
即无线站点，是一个无线网络的终端，如笔记本电脑、PDA等。
2.安全机制
HF-A11x模块支持多种无线网络加密方式，能充分保证数据的安全传输，包括：
①WEP
②WAP-PSK/TKIP
③WAP-PSK/AES
④WAP2-PSK/TKIP
⑤WAP2-PSK/AES
3.地址绑定
HF-A11x模块支持在联网过程中（作为STA，去连接AP过程中）绑定目的网络的BSSID的功能。
根据802.11协议规定，不同的无线网络可以具有相同的网络名称（即SSID/ESSID），但是必须对应一个唯一的BSSID地址（即MAC地址）。
非法入侵者可以通过建立具有相同的SSID/ESSID的无线网络的方法，是的网络中的STA连接到非法的AP上，从而造成网络的泄密。
通过BSSID地址绑定，可以防止STA接入到非法的网络上，从而提高无线网络的安全性。
4.以太网接口功能
HF-A11x模块提供一个100M以太网接口，通过这个100M以太网接口，用户可以实现WIFI口，串口，以太网口，三个接口互通。
在组网方面，HF-A11x模块支持桥接模式和路由模式来对应不同的具体应用。
5.工作模式
HF-A11x模块支持两种工作模式：
透明传输模式和协议传输模式。
透明传输模式可以实现串口即插即用，从而最大程度的降低用户使用的复杂度。
协议传输模式可以实现用户
数据的准确传输。
用户可以根据实际需要设置不同的工作模式，并保存在Flash中，上
电起动后模块会自动进入该工作模式。
HF-A11x模块上电起动后，会根据用户预先设置好的参数，自动的去连接无线网络及服务器，并且进行设置的工作模式，按预设的串口参数打开串口。
用户需要预设的参数有：
☆无线网络参数
■网络名称（SSID）
■安全模式
■密钥
☆默认TCP/UDP连接参数
■协议类型
■连接类型（server或client）
■目的端口
■目的IP地址
☆串口参数
■波特率
■数据位
■校验位
■停止位
■硬件流控
☆工作模式
■透明传输
■协议传输模式
6.网络协议
HF-A11x模块支持TCP/UDP网络协议，协议端口可以通过web方式或串口的AT+命令设置。
HF-A11x网络侧的接口可以是server，也可以是client，通过web方式或串口的AT+命令设置。
7.参数设置
HF-A11x模块支持web方式的参数设置，用户可以使用IE浏览器十分方便的进行设置。
如果模块已经连接到某个无线网络，则只要PC机也连入同一个网络就可以进行设置，另外因为HF-A11x同时也是一个AP，所以PC机也可以连接到需要设置的模块上进行设置。
8.固件升级
HF-A11x模块支持web方式的在线固体升级
9.GPIO功能
HF-A11x模块最多可以提供7个GPIO。
其中包括3个指示引脚，4个UART引脚，根据需要都可以制定为GPIO引脚。
作为GPIO时，可以从网络发送几个特定指令控制GPIO的输出高、低电平，也可以读入GPIO状态。
3.2.2模块设置及使用
●模块设置
1.网页配置
保持WIFI网络连接，登录http:
//10.10.100.254,即可进入设置网页，默认用户和密码均为admin
2.配置软件通过串口配置
将模块的串口连接到计算机串口，安装设置软件运行库
，然后运行All_Config_serial_cn.exe，点击连接模块，成功后点读取设置，即可进入配置
3.配置软件通过WIFI配置
运行A11_Config_net_cn.exe
WIFI模块上电，等待WIFI模块启动完成，让WIFI网卡加入HF-All_AP这个无线网络，WIFI建立连接成功后，模块会自动和配置软件建立连接，点击读取设置，即可进行设置。
4．手工AT指令配置
发送三个加号+++，注意无回车换行等任何其他字符，收到字符a，三秒之内回应字符a，收到+ok的提示，即进入了AT命令模式，发送AT+H加回车，可以获得帮助提示，发送AT+ENTM加回车回到数据透明传输模式。
更详细AT指令说明请参考详细手册文档，测试过程截图如下（发送的内容看不到，只看到返回的内容）
模块加入普通路由器的网络
1.登录WIFI路由器了解一些信息，SSID名称，用户名和密码，加密方式。
2.输入WIFI模块默认的IP地址10.10.100.254进入配置界面，选择模块工作在终端模式
3.进入无线终端接口设置子界面，根据要连入的WIFI路由器的信息设置SSID（无线网络名称），用户名和密码，选择加密方式。
4.进入模块管理子页面，重启模块，也可以断电重启
4.完成之后，从无线路由器的DHCP列表里面能找到模块已经主动连入路由器创建的网络
●模块测试
1.硬件连接
关于串口的连接，模块的引脚引出为3.3TTL电平，不能直接和计算机相连，需要带底板或者用户有TTL转RS232的转接线再连接到计算机上。
硬件连接妥当后，给模块供电，红色电源指示灯亮，等待大约20秒（内部LINUX系统启动），Ready灯亮起，表示系统启动完成，可以操作了，进入下一步。
2.网络连接
搜索网络，如下图的HF-Allx_AP即是模块的默认网络名称（SSID）
加入网络，选择自动获取IP，WIFI模块支持DHCPServer功能并默认开启
此时模块的Link指示灯亮起。
3.收发测试
打开测试软件USR-TCP232-Test.exe,选择硬件连接到的计算机的串口号，这里是COM3，选择波特率57600，此为WIFI模块内部串口默认的波特率，点打开串口。
网络设置区选择TCPclient模式，服务器IP地址输入10.10.100.254，此为WIFI模块默认的IP地址，服务器端口号8899，此为模块默认监听的TCP端口号，点击连接建立TCP连接。
至此，就可以在串口和网络之间进行数据收发测试了，串口到网络的数据流向是：
计算机串口->
模块串口->
模块WIFI->
计算机网络，网络到串口的数据流向是：
计算机网络->
计算机串口。
测试过程可以看到模块的TXD和RXD指示灯在有数据通过时闪烁。
4.安卓手机和串口通讯
保持计算机上的测试软件开启状态，链接也依然开启。
手机开启WIFI功能，找到并加入HF-AllX的WIFI网络。
在手机上启动有人网络助手软件，切换到TCPClient界面，点击增加，创建一个到10.10.100.254的8899端口的TCP连接，创建成功后，会建立和WIFI模块的TCP连接。
建立连接成功后，手机发送数据，计算机上的串口会收到信息，计算机的串口发送信息，计算机上测试软件的网络部分会收到信息，同时手机上的网络助手也会收到信息。
3.3显示电路
3.3.1LCD12864的基本参数及引脚说明
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；
其显示分辨率为128×
64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×
4行16×
16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
基本特性:
（1）低电源电压（VDD:
+3.0～+5.5V）
（2）显示分辨率:
128×
64点
（3）内置汉字字库，提供8192个16×
16点阵汉字（简繁体可选）
（4）内置128个16×
8点阵字符
（5）2MHZ时钟频率
（6）显示方式：
STN、半透、正显
（7）驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS
（8）视角方向：
6点
（9）背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5～1/10
（10）通讯方式：
串行、并口可选
（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压
（12）无需片选信号，简化软件设计
（13）工作温度:
0℃～+55℃,存储温度:
-20℃～+60℃
芯片管脚：
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3~5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
使能信号
7
DB0
三态数据线
8
DB1
三态
升级会员 