基于RFID的门禁控制系统设计.docx

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基于RFID的门禁控制系统设计

摘要

智能门禁系统在自动化应用中十分普遍，它为人们日常生活提供便利和保障人们的生活安全，随着社会和经济的发展需要，智能识别技术开始运用于许多行业，特别安全系数特别高的行业（银行、机密机构）、门控行业等，智能门禁系统的便利性和安全性让它越来越受到重视。

本设计分析了RFID门禁系统的国内外发展现状、未来发展趋势和目前主要存在的问题，提出了基于RFID门禁控制系统的设计方案。

先阐述了RFID门禁控制系统的组成、系统的基本工作原理，分析了系统的硬件电路设计、软件设计过程，对硬件子电路的选型设计、子程序设计、串口通讯程序设计等作了详细的介绍。

门禁系统采用AT89C52单片机作为控制核心，由MFRC500读卡控制单元、射频天线电路、看门狗复位电路、报警电路、电控锁控制电路组成。

在仿真通过键盘输入模拟读卡器数据读入，系统通过输入密码与设定密码对比，实现对通道进出权限的控制（密码输入进门的控制）；在异常情况下（非法侵入、门超时未关）自动报警、手动报警。

关键词：

RFID门禁系统;射频技术；智能控制;MFRC500

Abstract

Theintelligententranceguardsystemisverycommoninautomationapplications,itprovidesconvenienceandguaranteepeople'slifesafetyofpeople'sdailylife,alongwiththedevelopmentofsocietyandeconomy,theintelligentrecognitiontechnologyhasbeenusedinmanyindustries,especiallythesafetycoefficientofparticularlyhighindustry（bank）,gatedindustry,convenienceandsecurityintelligentaccesscontrolsystemtomakeitmoreandmoreattention.

AnalysisofthedesignoftheRFIDaccesscontrolsystemathomeandabroad,thefuturedevelopmenttrendandmainproblems,putforwardadesignschemeofaccesscontrolsystembasedonRFID.Firstelaboratedthebasicprinciple,systemcompositionofRFIDaccesscontrolsystem,analyzesthesystemhardwarecircuitdesign,softwaredesign,hardwaredesign,selectionofthesubcircuitsubroutinedesign,serialcommunicationprogramdesignindetail.

AccesscontrolsystemusingAT89C52microcontrollerascontrolcore,theMFRC500cardcontrolmodule,RFcircuit,watchdogresetcircuit,alarmcircuit,electriccontrollockcontrolcircuit.Throughthekeyboardinputanalogcardreaderreadsdatainthesimulationsystem,usingapasswordandthepasswordcomparison,controltheimportpermissiononthechannel（controlpassworddoor）;inexceptionalcircumstances（illegalintrusion,notclosingthedoorovertime）automaticalarm,manualalarm.

Keywords:

RFIDsystem;RFID;intelligentcontrol;MFRC500

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1课题研究的背景

从古到今，人们保护自己的财产都是通过传统的锁，来控制进出人员，几千年下来都是沿用这种方法，这种普通的门锁始终离不开钥匙，必须要用与之配对的钥匙，门锁多了钥匙就是一大串，即不便于携带又容易丢失，造成不必要的损失，普通门锁又很容易通过其它手段打开，安全性差。

在现代都市里更注重安全、美观和便利，公司的形象体现了管理者的气度与品位，也是对客户尊重和对公司自身实力的体现。

如果在现代化办公大楼的门上挂一把“铁将军”，那是多么的别扭，显得与都市格格不入。

但是，如果通过某种特殊的“钥匙”，当然“钥匙”可以做成卡片、可爱的布娃娃或者手机挂坠，即符合人们审美观念又方便携带，“钥匙”一晃，门自动打开，犹如王者归来，那将是一种全新的感受，在注重安全情报的今天，必须有一种无可替代、模仿和复制的身份识别技术才能达到安全要求。

1.1.2课题研究的意义

随着经济的发展和社会需要，传统门锁不能满足现代人们的安全需要，正是在这种需求的刺激下产生了智能门控系统，它集合了电子、机械、光学、生物识别、计算机技术和通信技术等新技术开发出来的。

智能门禁系统就是智能ID卡识别和机械门锁的集合，用计算机实行智能化的管理控制，弥补了很多传统门锁的不足之处。

根据居民小区、安全部门等不同的安全级别要求，在小区、重要会所等出入口安装智能门禁系统，所有的信息采集与记录由计算机控制中心操作，可以实时采集人员出入信息，并且可以在一些特殊情况下提供证据，目前门禁系统打大力推广，已经取得了较好的经济和社会效益。

射频识别技术（RadioFrequencyIdentification：

RFID）是一种非接触式的自动识别技术，它通过无线射频识别IC卡内的信息，整个过程无需人工操作和监管。

RFID无线射频技术具有防磁、防水、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签数据可以加密（更改）、存储数据容量等优点。

在这种背景下，本课题提出了基于RFID门禁控制系统的设计方案，具体分析和研究了其中的控制系统部分。

智能门禁控制系统作为人身安全和财产安全的重要措施之一，对其的研究具有深远的进步意义

1.2门禁系统的发展及国内外研究状况

1.2.1门禁系统的发展

所谓门禁系统，就是对出入人员的控制，早期门禁系统的基本功能就是在何时何地控制控制何许人出入，以及实现报警和人员出入信息记录，以此保障人身和财产安全。

随着科技和社会要求飞速发展，门禁系统也开始向自动化、智能化发展。

近年来，随着计算机技术和网络控制系统在社会各个领域的发展，门禁系统结合计算机技术和网络技术，显示出了它强大的发展空间和美好的运用前景，伴随着电子锁的发展，非接触式的智能IC卡、通过输入密码认证门禁控制系统开始走进人们的生活。

随着接非触式智能IC卡门禁系统的应用，市场运用范围，人们对门禁各方面提出了更多要求，比如信息载体（IC卡）便于携带、安全性高、操作简单等。

由于IC卡具有无机械磨损、维护方便、操作简单等特点，具有美好的发展前景，因此受到越来越多的关注。

1.2.2门禁系统国外研究状况

欧美门禁系统市场开始进入成熟阶段，其产业分工明确，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。

生产控制器的公司只研究生产控制器和软件程序。

由于市场的不断成熟发展，人们在感受到门禁系统带来的便利性和使用性后，可以自行购买零部件组装而成一套完整的门禁系统。

从目前门禁系统的发展趋势和运用前景来看，磁卡和接触式门禁系统开始逐渐退出市场，非接触式门禁系统以它优越的性能和运用领域开始主导门禁系统市场。

IC卡在国外很早就得到重视并且开始大量的投入研究，特别是在美国和欧洲，但在近几年才开始非接触式IC卡方面的研究使用。

非接触式IC卡、读卡器设计和生产关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，单只有美国能实现大批次的设计生产。

当今世界上非接触式IC卡主流产品是飞利浦（Philips）公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443TypeA标准。

欧洲及其他发展中国家的一些IC卡、读卡器制造商都以Mifare技术为标准进行设计生产。

1.2.3门禁系统国内研究状况

我国本土厂商（如爱迪尔、华本、芯微）等已经成功研发了指纹识别芯片，国内对门禁系统的研究已经从认识研究阶段发展到自主研究阶段，而在系统的结构方面，国内的门禁系统的核心就是控制器，门控器大多由国外企业开发研制，但国内大部分厂家对门禁系统的研究任然处于仿制阶段，没有对门禁系统核心技术惊醒自主研究开发。

1.3门禁系统发展趋势与主要存在的问题

1.3.1门禁系统的发展趋势

根据中国安防网2013统计数据，国内门禁系统市场规模预计达到33亿人民币，所占比列额巨大，与门禁防盗报警系统、视频监控系统安防系统“三大台柱”。

按市场来说，在20门以下的小项目中，国内厂商占主要份额，而在100门及以上的大项目中，国有企业只能占到25%的市场份额。

在这短暂的十年里，我国的门禁控制系统的研究发展速度很快，特别是近几年来，我国的年发卡量均超亿张，年增长率达到30％～40％，成为IC卡发展运用最多的国家之一。

我国IC卡开始成为推动世界IC卡发展的主要动力。

门禁系统不断地革新发展，门禁系统产品在功能开发和安全要求上开始满足个领域需求，现在各门禁厂商开始着力于发展产品附加价值，如视频识别、监控系统、电子巡更、访客服务记录等。

在今后的安防系统中，门禁系统将与工程商、软件开发商甚至保安公司、物业等进行越来越多元化的合作，在不同和运用场合和适应不同的控制要求，门禁系统将进化成为更加智能的新生命。

1.3.2门禁系统主要存在的问题

1、兼容、标准化：

系统兼容的概念包括两种情况，一是相同系统中不同技术板块的结合;二是不同系统、不同技术板块的结合。

多系统兼容主要体现在按照使用对象的不同档次划分，不同类别、不同技术的系统模块结合。

由于标准不统一而导致的兼容、标准化问题的产生，这使得使用者在进行自主购买安装时出现问题，必须有专业人士指导运用才能避免这个问题，但是过程繁琐，所以在这部分还需要相关部门来制定标准。

2、抗干扰能力：

抗干扰能力是目前门禁控制系统中主要存在的问题。

在产品质量和行业标准方面有待改进，而在实地施工中，雷暴多发区域、线材选择不当、布线不规范等导致的各种干扰问题。

3、降低研制成本：

门禁系统在销售、工程安装、服务方面的成本费用较高，随着产品标准化、行业标准化的进程，工程安装服务、服务社会化，产品研制成本需要逐步降低。

。

1.3.3本文主要研究的问题

本文根据目前国内门禁系统的发展，做出了基于RFID的门禁系统的研究设计，论文在探讨了基于RFID门禁系统的发展现状主要存在的问题，研究了读卡天线的设计和总线数据传输结构，设计系统的硬件电路设计和软件设计，门禁系统工作的电路原理图、仿真图的绘制，设计主程序流程图和子程序模块，并进行联机调试。

本文的结构安排：

第1章绪论。

主要论述设计的背景及其意义、国内外研究现状与现实存在的问题。

第2章门禁控制系统的总体设计。

主要论门禁系统的构成及门禁系统模块概述。

第3章门禁系统硬件电路设计。

主要讲述门禁系统基本工作原理和、设计框图及外围模块电路（射频读写模块、天线模块、通讯模块、看门狗、液晶、存储）等的设计。

第4章门禁系统软件设计。

主要讲述软件设计框图、主程序设计流程和各个子程序模块的设计。

第5章系统调试。

主要讲述了程序的编译与调试。

第6章protues仿真。

主要讲述密码输入、密码输入错误、密码输入成功、手/自动报警、开门/关门的仿真结果

第2章门禁控制系统的总体设计

2.1门禁系统的构成

门禁系统工作站上运行门禁控制服务程序，门禁控制服务程序的任务就是实现数据的传输功能，它的主要任务就是将读卡器采集的信息传输到中央处理器。

实现RS485和TCP/IP通讯协议的转换，直接控制门禁读卡器的动作的并不是门禁工作站本身，而是向下它是通过RS485总线通过轮寻的方式与门禁读卡器控制器进行信息交互。

实时记录从门禁读卡器采集数据的时间与内容，它是通过局域网以TCP/IP协议与管理中心服务器进行的通讯，传递门禁读卡器的读卡内容及管理中心服务器的各种控制命令。

同时它是通过RS485总线通过轮寻的方式与门禁读卡器进行实时信息交互，根据服务器发出的动作指令控制门锁的闭合，从而达到智能控制门锁的目的。

2.2门禁系统模块总体设计

依据上述功能的分析，系统中模块分别为：

数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、显示模块、串口发送/接收模块、密码输入模块、报警机制模块和门锁控制模块。

基于MFRC500门禁控制系统是以无线射频读写器为核心，非接触式IC卡作为信息媒介的一套智能控制系统。

门禁控制系统的工作原理是先由中央AT89C52控制MFRC500射频识别读写器，读写器再驱动天线电路进行读取非接触式IC卡的载体信息，（CPU）AT89C52根据所得数据控制输出量，经放大电路放大后分别作用于控制门锁继电器和读取门磁信号，且整个系统与上位PC机之间进行实时通讯，获得工作指令以及数据传输系统状态等。

图2.2系统总体设计模块

2.2.1系统设计基本原则

智能门禁控制系统作为现代发展的的安全技术防范手段之一，控制系统自身具有隐藏性、实时性等特点，在众多领域得到普遍运用。

智能门禁控制系统处于安全防范技术的尖端项目之一，应具有实用性、实时性、完整性、安全性、可扩展性、稳定性、易维护性等特点。

1.系统的实用性

智能门禁控制系统的设计功能应符合实际要求，在对于不同客户对象要求的情况下，还要设计满足客户信息。

门禁系统是一项集成性应用系统，设计应该符合实际应用的需要。

如果在设计系统时盲目的追求高端性、超前性，就会与现实要求背道而驰，偏离系统设计的最初目的。

2.系统的实时性

智能门禁控制系统中任何一个系统环节出现错误或停机将直接影响到整个系统的正常运作，门禁系统各子系统应尽可能不出现错误环节、停机情况，以保证整个工作运行。

3.系统的完整性

智能门禁控制系统设计要求保证功能完善，设备齐全，管理方便，是设计应考虑的一个因素。

4.系统的安全性

智能门禁控制系统中个子模块的正常运行的同时，还应达到合中国或国际有关的安全标准，并能在恶劣环境下正常工作，系统信息传输及使用过程中不易被盗取等方面。

5.系统的可扩展性

智能门禁控制系统的技术不断革新和发展，客户需求也在发生变化，因此门禁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的其它功能的实际需要，比如可以随着用户的需求可以灵活增减或更新各子系统，满足不同时期的不同需求，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。

6.系统的稳定性

智能门禁控制系统和我们的日常生活和财产安全密切相关，门禁系统的基本职能是保护人身和财产的安全，系统开始投入使用就要求连续不间断的运行，确保信息采集不会中断，所以系统稳定性对于门禁控制系统来说就显得非常重要。

第3章门禁系统硬件电路设计

3.1门禁系统工作原理和电路设计主框图

智能门禁控制系统由供电电源电路、备用电源充电电路、报警电路、电控锁电路、看门狗复位电路、单片机AT89C52及其外围电路等模块组成。

系统总体硬件电路如图3.1所示：

图3.1系统总体硬件电路

由于系统主要由CPU、时钟芯片、MFRC500、四位开关量输入/输出、看门狗以及RS485通信模块等组成。

门禁系统的常规工作方式是当有IC卡进入读卡器工作范围时，由CPU控制MFRC500读卡器控制芯片，再由读卡器驱动天线对IC卡进行信息读写操作，再根据所得的数据对其它硬件电路模块，如存储模块、时钟模块等，进行相应的响应操作，最后，再通过RS485总线与PC机之间进行实时数据通信，把采集到的人员数据传输给上位机。

在门禁控制系统中，中央处理器CPU采用Atmel公司的AT89C52，是因为AT89C52开发简单，运行稳定。

存储模块芯片采用24C64，用于存储系统实时采集到的的数据、事件和日期记录。

为了防止系统“死机”，使用X25045作为看门狗复位主控芯片，芯片内置读写存储模块，可用来存储一些系统参数。

与上位机的通信采用RS485实时通信模式，通信距离可以达到1km左右。

图3.1.1MFRC500与AT89C52的接口电路

MFRC500是非接触式通信中高集成读卡模块芯片，该芯片采用13.56Mhz的工作频率工作模式。

该读卡IC系列采用领先的的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

发送器部分通过电磁感应原理，不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离（100mm）。

接收器部分设计采用一个坚固而有效的解调和解码电路，用于接收ISO兼容的应答器信号。

数字部分处理ISO帧的错误检测。

此外，它还支持快速加密算法用于验证MIFARE系列产品，为系统数据传输的安全性、保密性提供技术支持，待信息传输至MFRC500端时，进行解调处理，解调成系统能识别的信号。

如图3.1.1为MFRC500与CPU的接口原理图，本系统采用中断工作模式，即中央处理器利用MFRC500提供中断信息对其进行控制，根据系统的需要，可以采用查询方式对MFRC500进行读写操作控制。

3.2各部分外围电路设计

3.2.1看门狗模块

门禁系统是一个连续不间断运行的系统，单片机在运行过程中可能受到外界的电磁干扰造成程序紊乱，或者陷入死循环，所以在智能门禁控制的设计时加入了看门狗自动复位电路设计。

在该系统中看门狗电路采用X25045芯片，将定时器、电压实时监控和串行读写存储集成一体的专用复位芯片。

当系统发生故障时，会超过设定的时间限定值，电路中的看门狗复位电路将通过复位端向中央处理器发出复位信号，当单片机收到到传输过来的高电平时，将系统重新启动。

它的电压实时监控功能还可以保护系统免受过高/低电压的影响，当电源的电压降到允许的范围之下时，门禁控制系统将自动复位，直到电源电压返回到稳定值为止，X25045芯片的引脚如图3.2.1所示。

图3.2.1看门狗X25045接线图

对X25045的控制操作主要通过CS、SO、SCK和SI端口进行实时串行通信完成的。

其中SCK端是外部输入的时钟同步信号。

当芯片定改指令、数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；在读取数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。

数据的输入/输出都是高位在先。

芯片内部共有6条指令，WREN和WRDI是写使能开关的开/关指令、RDSR和WRSR是状态寄存器的读/写指令、READ和WRITE是存储单元的读/写指令。

AT89C52内部没有硬件接口，因此本系统利用了单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个端口和软件模拟读写时序的方式与X25045通信。

3.2.2串行E2PROM存储电路设计

门禁系统所用到的读卡器在系统上具有一定的独立工作性，读卡器与上位机PC并不是实时通讯，而是每隔一定的时间向读卡器徐询问一次读卡信息，这是读卡器才把读取的信息传输给上位机PC,存储内容自动清空以便于下次打卡信息存储。

运用过程中，使用人员的进出的频繁度直接决定读卡器内存要求。

存储器有并行存储器和串行存储器之分，其中并行存储器存储容量较大，数据传送速度快、效率高，但芯片体积大、而且长时间的工作会造成大量打发热，管脚多、需要占用CPU大量的I/O口，外部扩展复杂。

然而串行存储器体积小，与CPU接口简单，一般只要占用CPU的2至3个I/O端口。

在由上比较，此次设计中我们选用串行存储器。

由于存储容量过小，可用于存放兼容系统参数，因此在此设计中选用AT24C64，它与更高容量的存储器（如AT24C128/256）兼容，出现问题是易于更换。

AT24C64由SCL、SDA引脚进行串行通信的读写存储器。

AT24C64与CPU的接口电路见图3.2.2：

图3.2.224C64接线图

AT24C64与CPU连接的2根线是：

（1）SCL接CPU的P2.2，同步时钟输入。

（2）SDA接CPU的P2.1，串行数据输入/输出。

这两根线连接须接上拉电阻。

（3）WP接地，写保护脚，WP=0芯片允许读写操作。

（4）A0,A1,A2接地，芯片地址引脚，都要接固定电平。

3.2.3报警电路设计

在本设计中，当出现非法入侵、门锁延时未关或输入的密码不正确时，会进行报警。

报警电路采用蜂鸣器和LED灯（红）作为报警电路执行器件，将蜂鸣器与LED灯（红）并联连接，正端连接到+5V系统电源，负端连接到三级管的发射极，集电极接地，基极连接到1k电阻的一端另一端连接到单片机的P2.7引脚上。

当单片机发出动作指令1时，在蜂鸣器响的同时LED（红）灯亮。

在整个电路运用中三级管起到开关作用，与三级管相连电阻是为了防止电流过大而烧毁三级管。

同理与LED灯相连的340Ω电阻也是起保护LED灯的作用，防止瞬间电流过大造成蜂鸣器和LED灯（红）烧毁，报警电路原理图如图3.2.3所示。

图3.2.3报警电路接线

3.2.4门控电路设计

本设计的门控电路用LED（绿）灯进行模拟，当IC卡进入到无线射频工作区域时，读卡器驱动天线读取IC卡信息，病传输给单片机进行信息对比，单片机信息对比完毕发出开门指令时，LED（绿）灯亮，且门锁自动打开；将继电器正端通过340Ω电阻连接到+5V电源，另一端接到三极管集电极，三极管基极连接到单片机的P2.6引脚上，将LED（绿）灯与继电器并联。

当给P2.6引脚送0时，继电器开启，LED（绿）灯亮，送1时，继电器关闭，LED（绿）灯灭。

门控电路原理图如图3.2.4所示：

3.2.4门控电路原理图

3.2.5实时时钟芯片DS1302电路设计

此次设计中需要对信息采集、动作操作时间进行准确记录，所以要用到时钟芯片。

这里采用DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片DS1302,它拥有31个字节的静态RAM和实时时间,通过简单的串行接口连接可以与单片机进行实时时钟通信。

提供秒、分、时日、日期、月及年份信息,每月的天数和闰年的天数都会系统自动调整计算。

时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。

DS1302时钟芯片与单片机之间的信息传递通过简单地同步串行的方式进行通信,仅需用到RES复位、I/O数据线、SCLK串行时钟.时钟的读/写数据以一个字节或多个个字节、最高可达满状态的31字节的字符组方式通信。

图3.2.5实时时钟芯片DS1302接线图

DS1302的引脚图及外围的电路如上图2.4.4c所示，X1X2接12KHz晶振，为时钟芯片提供时钟脉冲。

复位脚RESET、数据I/O及串行时钟引脚SCLK，VCC1,VCC2接电管脚，Vcc2接+5V系统电源，Vcc1接系统备用电源。

对与单片机的时间进行实时通信采用串行通信方式，RESETT为通信允许信号，当RESET=1允许进行实时通讯，RESET=0时禁止通信；I/O为双向串行数据传送信号，SCLK为串行数据的位同步脉冲信号。

实时时钟芯片DS1302通过RESET、SCLK和I/O三个管脚与单片