基于51系列单片机的智能ic卡门禁控制系统设计方案说明文本.docx
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基于51系列单片机的智能ic卡门禁控制系统设计方案说明文本
毕业设计（论文）中文摘要
基于51系列单片机的智能IC卡门禁控制系统设计
摘要：
本设计采用AT89C51单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及8位数码管显示电路等。
门禁系统主要由CPU、复位电路、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、读卡模块、显示模块等组成。
采用IC卡完成刷卡进门，通过具体程序设计实现：
当刷卡时，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开，指示灯熄灭；当遇到非法卡时不显示卡号，门锁不开，蜂鸣器发出警报。
本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。
关键词：
门禁系统单片机读卡器电控锁，IC卡
毕业设计（论文）外文摘要
TitleBasedonthe51SeriesMCUintelligentICcardaccess
controlsystemdesign
Abstract
ThisdesignusesAT89C51singlechipmicrocomputerasthecontrolcore,peripheryandabuzzercontrolcircuit,thedoorindicatorlightcircuit,theelectriccontrollockcircuitandthe8digitaltubedisplaycircuit.AccesscontrolsystemismainlycomposedofCPU,resetcircuit,thepowerindicator,workinstructions,oscillationcircuit,abuzzercircuit,lockcircuit,cardreadermodule,displaymoduleandothercomponents.UsingICcardtocompletethecarddoor,throughspecificprogramming:
whentheswipeofacard,suchascardaccesspermit,thedisplaymodulefordisplayingthenumber,atthesametimerelaywillopendoorlocks,theindicationlampisoff;whentheillegalcarddoesnotshowthecardnumber,doornotopen,buzzeralarm.Thissystemhastheadvantagesofsimpledesign,goodperformance,hasacertainpracticality.
Keywords：
AccesscontrolsystemSinglechipmicrocomputer
CardreaderElectriccontrollock
目次
1引言………………………………………………………………………1
2门禁系统方案设计与选择…………………………………………………………2
2.1方案的选择……………………………………………………………………2
2.2IC卡的选择…………………………………………………………………3
2.3设计原理………………………………………………………………………3
2.4设计功能…………………………………………………………………………3
3门禁系统硬件电路的设计………………………………………………………4
3.1门禁系统电路基本原理…………………………………………………………4
3.1.1门禁系统结构图………………………………………………………………4
3.1.2门禁系统主要组成……………………………………………………………4
3.1.3门禁系统工作原理……………………………………………………………4
3.2门禁系统整体电路图…………………………………………………………5
3.3门禁系统各部分电路图………………………………………………………5
3.3.1主控芯片AT89C51……………………………………………………………5
3.3.2门锁电路………………………………………………………………………8
3.3.3报警电路……………………………………………………………………9
3.3.4工作指示灯电路……………………………………………………………9
3.3.5读卡模块……………………………………………………………………10
3.3.6显示模块……………………………………………………………………13
4门禁系统软件设计与调试………………………………………………………15
4.1系统软件设计基本思路………………………………………………………15
4.2系统软件主流程图…………………………………………………………16
4.3软件调试………………………………………………………………………17
4.3.1程序调试用到的软件及工具…………………………………………………17
4.3.2KEILC51简介…………………………………………………………………18
4.3.3调试过程………………………………………………………………………18
5门禁系统的仿真………………………………………………………………19
5.1整体电路的功能仿真………………………………………………………19
5.1.1系统通电后无刷卡时的仿真………………………………………………19
5.1.2合法卡刷卡时的仿真………………………………………………………20
5.1.3非法卡刷卡时的仿真………………………………………………………21
5.2调试分析………………………………………………………………………21
结论…………………………………………………………………………………22
参考文献……………………………………………………………………………23
致谢………………………………………………………………………………24
附录A程序清单……………………………………………………………………25
1引言
在当今社会，随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁控制系统的应用范围越来越广泛，因此门禁控制系统的研发已成为现代科技领域的一个热门课题。
目前，门禁控制系统已成为安防系统中极为重要的组成部分，在发达国家中，门禁控制系统正在以远高于其它安防类产品的速度迅猛发展。
门禁控制系统之所以能够在无数多的安防类产品中异军突起，其根本原因在于门禁系统改变了以往的安防类产品，如：
防盗报警，闭路监控等被动的安全防范方式，以主动的控制替代了被动的监视，通过对主要的通道控制，大大地防范了犯罪分子从正常的通道侵入，并且还可以在罪案发生的同时通过对通道门的控制限制犯罪分子的活动范围，制止犯罪或减少损失。
此外，人们对门禁控制系统的应用已经不再局限于单一出入口的控制，而且还将它应用于智能大厦和高档社区的门禁控制、安防报警、考勤管理、电梯控制、停车场控制、楼宇控制等。
本文介绍了基于AT89C51单片机IC卡门禁控制系统研究与实施，以单片机为核心采用编程的方法来实现门禁控制系统的功能。
根据设计的要求，对卡号的比较和开关门的指令进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。
在程序运行中，通过读卡器读取卡号，再将卡号传送到单片机内进行比对，从而实现门禁功能。
2门禁系统的方案设计与选择
2.1方案的选择
门禁系统有许多种方案：
主要有联网和不联网型。
联网型的结构图如图2-1所示。
图2-1联网型结构图
联网型门禁系统的优点：
（1）实时联网
（2）刷卡后立即把数据传输到主机上
（3）便于查询并能生成报表
缺点：
（1）计算机要求24小时开机
（2）计算机或管理机万一有故障系统瘫痪
（3）有问题影响面大
不联网型门禁系统的优点：
单台刷卡机就能工作，不用布线，操作简单方便。
缺点：
不便于查询。
根据以上分析，我们的课题选择了不联网型。
因为此设计简单，提交作品方便，易操作。
2.2IC卡的选择
目前市面上的卡有很多种类：
条码、磁卡、接触式IC卡，非接触式IC卡等，条码和磁卡，在超市和银行方面应用的比较多，接触式IC卡，以前在公共电话中用的
比较多，但接触式IC卡，芯片外露易坏、易折，而非接触式IC卡既射频卡，它把芯片和线圈封装卡片内，不容易损坏、不怕恶劣的环境，现在社会上很流行，可靠性也高。
根据卡的分析，我们选择目前流行最广，可靠性高，成本低的只读卡，即采用EM4000型的IC卡。
2.3设计原理
本设计中利用了AT89C51单片机作为主控元件，单片机是一个微型计算机，它包含了中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等。
在设计中，利用了单片机与复位电路、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、读卡模块、显示模块组成门禁控制系统。
AT89C51是整个门禁控制系统的核心部分，通过程序的编写和执行，实现门禁功能，显示功能以及警报功能。
2.4设计功能
本设计为IC卡门禁控制系统。
其门禁控制可实现的功能：
当刷卡时，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开，指示灯熄灭。
当遇到非法卡时不显示卡号，门锁不开，蜂鸣器发出警报。
3门禁系统硬件电路的设计
3.1电路基本原理
3.1.1门禁系统结构图
该门禁系统结构图如下图所示。
图3-1门禁系统结构图
3.1.2门禁系统主要组成
该门禁系统由CPU、复位电路、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、读卡模块、显示模块组成。
3.1.3门禁系统的工作原理
当刷卡时，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开指示灯点熄灭。
当非法卡刷卡时，不显示卡号，门锁不打开，蜂鸣器发出警报。
3.2门禁系统电路原理图
在AT89C51单片机的基础上，外围增加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及8位数码管显示电路等，构成了门禁系统的控制电路。
其电路原理图如下图所示。
图3-2门禁系统电路原理图
3.3各部分电路原理
3.3.1主控芯片AT89C51
AT89C51是一种带有4K字节闪烁可擦除可编程只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微型处理器，俗称为单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集相兼容。
由于将闪烁存储器和多功能8位CPU组合在单一芯片中，因此AT89C51是一种高效微型控制器。
主要特性：
（1）与MCS-51兼容
（2）4K字节可编程闪烁存储器
（3）寿命：
1000写/擦循环
（4）数据保留时间：
10年
（5）全静态工作：
0Hz-24MHz
（6）三级程序存储器锁定
（7）128×8位内部RAM
（8）32可编程I/O线
（9）两个16位定时器/计数器
（10）5个中断源
（11）可编程串行通道
（12）低功耗的闲置和掉电模式
（13）片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
（1）VCC：
供电电压。
（2）GND：
接地。
（3）P0口：
P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每一个脚可以吸收8TTL门电流。
当P1口第一次写入1时，被定义为高阻输入。
P0能用于外部的程序数据存储器，可以将它定义为数据/地址的第八位。
（4）P1口：
P1口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的缓冲器能够吸收4TTL门电流。
P1口的管脚写入1之后，被内部上拉为高电平，可用于输入，P1口被外部下拉为低电平时，将会输出电流，这是因为其内部上拉的缘故。
（5）P2口：
P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输
入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2
口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
（6）P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51些特殊功能，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA端保持为低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
当加密方式1时，内部会被/EA锁定为RESET；当/EA保持为高电平时，则在此期间内部程序存储器。
XTAL1：
内部时钟工作电路的输入以及反向振荡放大器的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
AT89C51的芯片原理图如下图所示
图3-3AT89C51芯片原理图
3.3.2门锁电路
门锁电路如图3-4所示，以Q16的基极作为门控信号的输入端与P1.3口相连，此电路由12V继电器、限流二极管、5.1K偏置电阻以及9014与8050两个三级管复合成的驱动电路组成。
在这里用到复合管的优点：
是为了用低电平控制，考虑到由于
AT89S52的I/O口输出高电平时的驱动能力可能会不足，所以本电路采用复合三级管就可以避免驱动能力不足的情况发生。
门锁电路的工作原理：
当P1.3口输出高电平时Q1导通，Q2截止，此时继电器的控制线圈为开路，继电器不动作。
门锁接于继电器常闭端，门锁闭合，门处于锁死状态。
当P1.3口输出低电平时Q1截止，Q2导通，此时继电器的控制线圈闭合，继电器动作。
继电器常闭端断开，门锁打开，门处于打开状态。
图3-4门锁电路
3.3.3报警电路
报警电路如图3-5所示，以Q1的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与P1.2口相连，主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1K偏置电阻组成。
报警工作原理：
当P1.2输出高电平时，Q3导通，Q4截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响。
当P1.2输出低电平时，Q3截止，Q4导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。
图3-5报警电路
3.3.4工作指示灯电路
工作指示灯电路如图3-6所示，以Q5的基极与P1.5口相连，由三极管9013、发光二极管、限流电阻组成。
指示灯工作原理：
当P1.5口输出高电平时，Q5导通，发光二极管点亮。
当P1.5口输出低电平时，Q5截止，发光二极管熄灭。
图3-6工作指示灯电路
3.3.5读卡模块
设计上我们采用IC射频卡读卡器。
EM9913BF125KHz感应式读卡模组是针对125KHz非接触式RFID晶片而设计的读卡模组，它能针对目前市面上125KHz非接触
式RFID晶片如凌航科技GK4001晶片或其它规格现相近产品进行资料读取与资料判
断，使用者可以一次开发感应式读卡及相关应用系统，该模块主要范围为互动式玩具、门禁管制系统、人员考勤管理、动物或物品辨识及产品管理，此读卡模组主要优缺点
叙述如下：
优点：
（1）独立性高，二次开发容易，安装简单
（2）资料读取稳定性高
（3）系统安全性高，RFID资料不重复且难以复制
缺点：
电脑必须24小时开机
硬件/软件功能：
125KHz感应式读卡机系统如图3-8所示。
使用EM9913BF模块，在5-15cm距离内读取GK4001的时间不超过70ms。
感应式读卡系统电源DC5V，感应线圈（Antenna）为系统必需，感应线圈可以与系统分开放置，亦可设计与系统中，为防止感应电磁场干扰，请勿将金属板置于感应线圈前后。
软件功能模组：
1、Manchester码解码2、组织输出格式3、相应输入控制信号4、控制信号输入5、卡片数据输出
图3-7读卡器示意图
硬件/软件规则：
（1）读卡模块硬件结构
RF电路为125KHz解码比较电路，当EM格式卡片进入电磁场范围，引起感应电压振幅变化（amplitudemodulation）时，用以解码。
内部微控制器依据Manchester码的规则将这些方波信号转成16进制码。
（2）读卡模块软件功能组成
a.卡片进入感应范围，触发读卡模块进入读卡状态。
b.读卡模块读入资料整理成输出格式。
c.读卡模块将读入资料整理成输出格式。
d.读卡模块将数据按RS232和Wiegand26格式输出。
（3）读卡模块资料输入/输出引脚
Number
Name
I/O
Description
1
DC5V
输入
+5V直流输入
2
ANT
输入
线圈引脚输入
3
NC
空引脚
4
GND
输入
接地
5
NC
空引脚
6
ENLED
输入
指示灯控制线，低电平使用
7
ENBEEP
输入
蜂鸣器控制线，低电平使用
8
OK_SD
输出
Wiegand26数据输出指示
9
BZ
输出
蜂鸣器信号线
10
D0
输出
Wiegand26数据DATAO输出
11
D1
输出
Wiegand26数据DATA1输出
12
LED
输出
指示灯信号输出
13
TXD
输出
RS232数据输出
（4）读卡模块输出规格
a.RS232串行口规格
RS232数据由内部控制器产生，内部控制器将40bits数据（注：
内码总计64bits其中9bits作为数据头，15bits作为校验位，40bits为卡号数据）转换为10位ASCII码。
b.外观尺寸图
轮廓尺寸:
56.6mm×37.2mm（不包括引脚长度）
外观形状:
图3-8读卡器外型图
（5）读卡原理
图3-9读卡器引脚连接示意图
非接触式射频卡的基本原理：
每个卡片内部有一个小芯片和感应线圈，价格低廉，国内最普及的EMIC卡，大多为瑞士nEM或台湾GK公司的4100、4102系列芯片+线圈+卡基封装而成。
每张卡有且只有一个唯一的，不可更改和复制的ID内码（64位2进制机密的永不重复的卡号），因其安全可靠，价格低廉而大量应用于身份识别、产品防伪等领域。
读卡器卡号输出格式的说明：
由于历史的原因，或者不同领域习惯的原因，最常见到的有五种读卡方式，我们采用的读卡格式如下：
将10位十六进制的ASCⅡ字符串，即10Hex格式的倒数第5、第6位，转换为3位十进制卡号，在将后4位，转换为5位十进制卡号，中间用“，”分开，即“2H+4H”，即将2H“6F”转换为“111”，4H“6c3a”转换为“27706”，最终将2段连在一起输出为“111，27706”。
3.3.6显示模块
显示部分有二种方案可供选择；一种是采用LCD液晶显示，该方案具有低压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但本设计要求显示的数据量小，不能发挥其显示内容丰富的优点，同时占用I/O口线较多。
第二种方案采用LED数码管显示，该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，且其可靠性也优于LCD的显示，所以，通过比较，选用第二种方案数码管显示。
显示模块由6个数码管和6个74LS164组成，采用串行静态显示的方法。
将数码管的8个输入端与74LS164的输出端Q0~Q7相连。
P1.0和74LS164的CLK连接，P1.4接74LS164的A端。
数码管连接电路如图3-11所示：
74LS164原理：
74LS164是一块14个引脚双面直插式芯片，它的工作电源比较宽，可以是3V至12V的电压；它工作的频率范围也比较宽，从0--5MHZ都能正常工作。
它是一个串行输入，并行输出的移位寄存器，并带有清除端的IC芯片，它为8位串入并出移位寄存器，1、2为串行输入端，Q0～Q7为并行输出端，CLK为移位时钟脉冲，上升沿移入一位；MR为清零端，低电平时并行输出为零。
VCC与GND为工作电源脚：
它一般正常工作电压为正5V。
CLR（/MR）端：
为清除端，当此脚为低电平时，使得74LS164输出全部为0；CLK端：
时钟脉冲输入端，在CP脉冲的上升沿的作用下实现移位，在CLK为0，芯片不工作；CLR为1时，74LS164保持原始状态不发生变化。
图3-11显示模块电路图
4门禁系统软件设计
4.1系统软件设计整体思路
一个应用系统要完成各项功能，首先必须要拥有完善的硬件作为保证，同时还必须要拥有相应的设计合理的软件作为支持。
尤其是在微机应用十分发达的今天，许多需要由硬件来完成的工作，都可以通过软件的编程来代替。
甚至有些需要采用非常复杂的硬件来完成的工作，有时采用软件编程会使工作变得很简单。
因此充分地利用其内部十分丰富的硬件和软件资源，采用与51系列单片机相对应的51汇编语言以及结构化程序设计方法进行软件编程。
程序设计的语言分为三种：
机器语言、高
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