某商用写字楼门禁和电子考勤系统的设计毕业论文.docx
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某商用写字楼门禁和电子考勤系统的设计毕业论文
某商用写字楼门禁和电子考勤系统的设计毕业论文
第一章绪论
1.1课题的来源
当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。
人们正感受着高科技带来的极大方便和益处，同时，人们对于高科技服务于生活的要求也越来越高。
现代信息识别技术的发展是现代科技发展中最活跃的一部分，自从条形码识别技术诞生以来，先后出现了磁条读写技术、接触式IC卡读写技术、光电卡读写技术、非接触式IC卡读写技术，每一种新技术的诞生都曾经给人民生活带来极大的便利。
随着信息时代的到来，计算机在各行业都得到越来越多的应用，商用写字楼信息管理的计算机化、网络化和数据库化将是建设现代化商务办公必不可少的基本条件。
随着人们对门禁系统性能各方面要求的不断提高，现在智能门禁系统的应用范围越来越广泛。
人们对智能门禁系统的应用己不再局限于单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还能与其它联动控制设备等一起构成多种控制功能的系统。
1.2门禁考勤系统的发展[1][2]
目前，一些企业、学校、政府机关、金融系统、军事系统等，为了学习、工作的安全与有效，不希望什么人都可以进出，只允许某些有权限的人方可进出，而且在一些场合，需要规定什么时间段可以进出。
传统的方法是工作人员对出入人员进行登记放行，上下班采用纸张签到，这种方法费事、费力又存在很多漏洞，不利于管理。
随着技术的进步，门禁考勤系统逐渐由原来钥匙开门、手工登记，到IC卡的门禁考勤管理，最后到现在的非接触式IC卡门禁考勤系统。
非接触式门禁考勤系统采用个人识别卡方式工作，给每个有权进入的人发一张个人识别卡，相当于一把钥匙。
系统根据该卡的卡号和当前时间等信息，判断该卡持有人是否可以进出，同时还可以记录每个职工是否按时上下班。
门禁考勤系统的另一个优点是可以随时增加和删除某一张卡，不必担心卡丢失后造成损失。
门禁是一种以CPU处理器为核心的控制器、信息采集器和电控锁等组成的控制网络系统，通过系统的信息读取、处理，实现对各种门锁开关的自动控制。
按信息读取的方式可分为:
插卡式、感应式、图像识别式、眼睛虹膜识别式等。
门禁考勤系统属于楼宇自动化系统部分，能有效的提高管理的层次和效果，具有对门户出入控制、考勤、安保防盗、报警等多种功能，既方便了内部人员的自由出入，又杜绝了外来人员随意进出。
它将结束钥匙时代，成为现代社会进出管理的新潮流。
1.3门禁考勤系统国内外发展的现状
门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门禁系统的知名品
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，其价格也将不断降低。
生物特征识别技术将会更加注重安全性、便携型、精确性、鲁棒性和可用性。
核心算法研究方面，在指纹识别技术研究继续深入的同时，面像、虹膜识别技术
也将会加速发展，新式的识别技术，如静脉识别等，也会不断产生。
核心技术研
究将更加关注不清楚部分或难以采集的特殊特征的处理方式，大规模数据库快速
检索和数据挖掘方法也正在加速研究中。
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左右。
国内生产的感应式门禁系统和指纹门禁系统价格较国外类产品价格低大约10％—50％左右。
但系统的可靠性稍差一些。
第二章基于非接触IC卡的门禁考勤系统概述
2.1射频识别技术
非接触式IC卡（又称射频卡）是90年代初发展起来的新技术，它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；它的表面无裸露芯片，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，而且非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。
非接触式IC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。
非接触式IC的读写过程，通常由非接触式IC卡与读写器之间通过调制的射频信号来完成。
非接触式IC卡本身是无源体，当读写器对非接触式IC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。
由非接触式IC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。
非接触式IC卡与传统的接触式IC卡相比，它在继承了接触式IC卡的优点的同时，如容量大、安全性高外，又克服了接触式IC卡所无法避免的缺点，如读写故障率高，由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡不便、易受恶意攻击等。
非接触式IC卡完全密封的形式及无接触的工作方式，使之不受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近IC芯片的自然寿命，因而卡本身的使用期限以及操作的便利性都大大的高于接触式IC卡。
可见，非接触式IC卡存在着磁卡和接触IC卡无可比拟的优点，使之一经问世，便立刻引起了世界广泛的关注。
同时，国际标准ISO0536和ISO14443阐述了对非接触式IC卡的有关规定，将使非接触式IC卡发挥更大的应用潜力。
毫无疑问，集众家之大成的非接触式IC卡将在身份识别、金融、电子货币、公共交通、智能楼宇、小区物业、社会保障等诸多领域独领风骚。
2.2门禁考勤系统概述
2.2.1门禁考勤系统的概念[3]
门禁考勤系统由门禁控制器、读卡器、通讯转换器、门禁考勤软件和电子门锁组成，读卡方式属非接触读卡方式，持卡人只要将卡在读卡器附近，快速晃动一次，读卡器就能感应到有卡并将卡中的信息（卡号）发送到主机，主机进行检查卡合法性，然后决定是否进行开门动作。
整个过程只要在有效的刷卡范围内均可实现门禁管理功能。
2.2.2门禁考勤系统工作原理[4]
门禁系统的工作原理：
系统利用无线射频识别卡中的晶片编码唯一的特性，将卡的唯一编码先预置于控制器的数据库中，当持卡人持卡通过由控制系统的管制通道时，读卡器将持卡人所持卡的编码资料读入，并将这些编码资料通过数据传输线路传输到门禁主机。
门禁主机将收到的编码资料与数据库中预存的资料进行比较，如果符合预先设置的通行条件，门禁主机将向执行器发出开锁指令，允许持卡人通过；如果不符合通行条件门禁主机不发出开锁命令，不允许持卡人通行。
遇到非法入侵等情况，门禁主机会自动报警并发出开锁信号。
考勤系统的工作原理：
利用系统每次读卡（无论是否发出开锁指令）记录，根据用户自行设置的考勤规则、考勤部门、考勤班次及加班设置等规则，系统按照上班时间段的收起读卡记录，下班时间段的末次读卡记录作为考勤记录的原则自动分析、整理持卡人的考勤记录，生成考勤日报和考勤月报，并打印出考勤报表，共管理者参考。
2.2.3门禁考勤系统的组成[5]
门禁考勤系统一般有目标识别子系统（读卡器）、信息管理子系统和控制执行机构三部分组成，如下图2.1所示：
信息管理子系统
控制执行机构
目标识别子系统
图2.1门禁系统组成框图
（1）系统的前端设备为各种出入口目标的识别装置和门锁启闭装置。
包括识别卡、读卡器、电子门锁、指示信号和警号等。
主要用来接受人员输入的信息，再转换成电信号送到控制器中。
同时根据来自控制器的信号，完成开锁、闭锁、报警等功能。
（2）控制器接受底层设备发来的相关信息，同自己存储的信息相比较以作出判断，然后再发出处理的信息。
当然也接受控制主机发来的命令。
单个控制器可以组成一个简单的门禁考勤系统来管理一个门或多个门。
多个控制器可以通过通信网络同计算机连接起来就组成了可集中监控的门禁考勤系统。
（3）管理计算机（上位机）装有门禁系统管理软件，它管理着系统中所有的控制器，向它们发送命令，对它们精心设置，接受发来的信息，完成系统中所有信息的分析与处理。
2.2.4门禁考勤系统的功能[5]
（1）管理各类进入人员并制作相应的通行证，设置各种进出的权限。
（2）对某时间段出入的人员或某人的出入情况实时统计、查询和打印。
（3）在特殊数情况下，可以使用上位机命令开门。
（4）凭有效的卡片，代码和特征，根据其进出权限允许进入或拒绝进入。
属于黑名单者将报警。
（5）系统的控制器可以通过总线的方式与控制中心连接，记录所有合法进入人员的信息，包括人员的姓名、进入时间和出门时等。
（6）方便管理者对员工考勤情况进行快速、方便和智能地管理。
2.3门禁考勤系统的设计方案
门禁考勤主要设计目标是，设计一种具有对人员进出授权、记录、查询和统计等多种功能，还可作为人事管理、考勤管理等使用，可与任何机电设备产品及控制系统配合使用的智能卡门禁系统。
本门禁系统既能方便内部人员的自由出入，又能杜绝外来人员随意进出，提高安全防范能力。
以下是本设计的智能卡门禁系统的单机应用的框图，如图2.2：
图2.2单机应用的框图
本门禁考勤系统共有五部分组成：
主控计算机及门禁管理软件、RS232—RS422/485转换器、门禁控制器、读卡器以及电子锁等执行机构组成，所有的门禁装置可以组成一个总线型的拓扑网络，主机和各个节点的门禁控制器之间采用RS485的全双工通信方式。
本门禁考勤系统是一种总线型有线传输出入口控制系统，本门禁考勤系统可以采用RS422/485总线型网络组网。
其信号传输方式采用RS485/422方式，系统网络的传输有效距离为1200米以内，如需延长则增加中继信号放大器即可。
RS485/422方式传输的信号到达信号转换器后，由信号转换器转换为标准的RS232信号，与计算机串行口连接。
如下是本门禁系统的联网图，如图2.3：
图2.3联网应用方案图
2.4本门禁考勤系统特点及功能
（1）可以通过系统打开某个门或所有门；
（2）员工或住户的个人识别卡读卡后，经系统认可方能打开门；
（3）系统实时显示当前所有门的进出情况；
（4）建立用户数据库，使之与个人识别卡进行一一对应；
（5）建立操作者权限控制等级，以便于多级安全管理；
（6）可以通过系统软件来查询哪些人（卡）能打开该门；
（7）系统对设备的故障进事实监控，以便维护人员及时维护；
（8）员工在系统中任何一台考勤机上刷卡，在管理员和领导的计算机上可以马上弹出该员工的照片、部门、是否迟到等信息；
（9）系统可以在任意时刻显示目前已到员工、迟到员工、外出员工等信息；
（10）可以设置多个考勤时间，而且考勤参数可以针对每一个员工设置；
（11）可以管理和查询员工的信息，可以自动生成考勤工资，可以按公司、部门、个人进行考勤统计、分析、报表，供管理人员分析迟到的主要原因，分析迟到的人员分布、季节分布等，供加强管理和改善员工的交通状况参考。
（12）无钥匙开门。
由于实现门禁，对于无卡人员将被挡在门外。
前来办事人员可通过门前电话与相关部门沟通，由该部门协助开门。
挡住了广告、推销等闲杂人员，提升了公司的安全等级。
第三章门禁考勤系统的硬件设计
3.1门禁控制器简介及功能
控制器是门禁考勤系统的核心，它由一台微处理机以及相应的外围电路组成。
如果将读卡器比作系统的眼睛，将电磁锁比作系统的手，那么控制器就是系统的大脑，由它来辨别是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段，从而控制电磁锁是否打开。
它可独立控制4个门的单项进出或两个门的双向进出。
通过RS485总线，可将127个DCU组成一个控制网络，最多可以管理508个门点。
门控部分主要以集中控制器为中心，向上通过网卡或Modem接到管理中心，向下则通过RS485转换器进入RS485总线，采用令牌方式对各个门进行数据采集，并进行数据处理后，发往管理中心。
门禁控制器的功能主要包括：
（1）运用感应卡进行出入人员记录。
（2）声音信息及报警提示。
（3）具有通信接口与上位机连接
（4）与上位机通信接口是RS485
（5）系统可用20000～40000张IC卡片。
（6）上位机开机时，可以实时处理各子系统事件；上位机不工作时，控制器可以保存2048条事件记录。
（7）具有异常情况时自控及恢复功能，如硬件设有看门狗及掉电检测等电路。
（8）具有高度自检功能，允许上位机对控制器进行全透明检测，并由此可进行大部分的故障检测。
（9）具有进／出核对，上／下班考勤等事件记录功能。
3.2读卡电路[3]
门禁控制系统读卡电路如3.2图所示。
实现的功能过程是：
上电以后，当非接触式IC卡进入读写器工作区域内，读卡器向卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读卡器发射的频率相同。
在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使卡内电容有了电荷。
在这个电容的另一端，接有一个单向导电的电子泵，将这电容内的电荷送到另一电容内储存。
当所积累的电荷达到2V时，此电容作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射给读卡器。
图3.2门禁控制系统读卡电路图
TXTC—TXC读卡器与控制器通信控制端口；
SICO—TIO读卡器与控制器数据通信端口；
ANT1，ANT2输出天线与IC卡实现无线通信。
3.3RS485通信电路
如图3.3所示为以芯片SN75176为主体构成的通信电路。
SN75176芯片有一个发送器与一个接收器，非常适合作为RS485总线驱动芯片，其工作电压范围为3.0—5.5V，可以完成TTL电平与RS485电平的转换。
图3.3RS485通信电路
各引脚功能如下：
R—RXDSN75176与控制器通信接收端口；
D—TXDSN75176与控制器通信发送端口；
RE，DE—TRSN75176与控制器通信控制端口；
当使能信号TR为低电平（TR=0）时，SN75176处于接收状态，芯片作为接收器；当使能信号TR为高电平（TR=1）时，SN75176处于发送状态，芯片作为发射器。
B—RX485SN75176同上位机通信接收端口；
A—TX485SN75176同上位机通信发送端口。
3.4存储器的扩展
3.4.1存储器的选型
由于本系统需要存储的卡片的信息很多，并且对于门禁系统来说所要记录的卡片数越多越好，所以单片机所需的存储空间相对要增加，AT89C52单片机本身只带有265字节的RAM和8K的Flash，因此要对其存储系统进行扩展。
存储器有并行存储器和串行存储器之分，并行存储器存储容量大，数据传送速度快，但是芯片大，管脚多，需要占用CPU大量的I/O引脚，外部扩展也很复杂。
串行存储器的体积小，与CPU的接口简单，一般只要占用2～3根I/O口线。
考虑到AT89C52单片机本身的I/O口的限制，以及本门禁系统的硬件设计中几乎把AT89C52单片机的I/O口用完，再者是存储器存储速率的快慢以及容易布线的特点，综合考虑以上因素，本系统的外部存储器采用了串行存储器。
串行EEPROM存储器生产厂家很多，典型的有美国ATMEL公司、Microchip和美国国家半导体公司等都生产这样的产品。
我们选用了ATMEL公司的AT24XX系列。
目前AT24XX系列实用的存储器种类相对比较多，有AT24C01/02/04/08/16/64/128等，它们的存储容量分别是1Kbit、2Kbit、4Kbit、8Kbit、16Kbit、64Kbit以及128Kbit，这些产品所需的电压低，功耗小，很适合对电压和功耗要求很严格的场合。
本系统我们用AT24C64，它与容量更大的同系列存储器兼容，如AT24C128和AT24C256等，替换更为方便，以便于将来存储卡片数的增加和系统升级。
AT24C64是2线制的串行EEPROM存储器，支持IIC总线数据传输协议，8KB的存储容量，只用两根线与AT89C52单片机构成串行接口。
AT24C64与AT89C52单片机的接口电路图如图3.4所示。
图3.4AT24C64与AT89C52单片机的接口电路图
AT24C64与AT89C52单片机连接的2根线是：
SCL接AT89C52单片机的P2.0，同步时钟输入。
SDA接AT89C52单片机的P2.1，串行数据输入输出，这两根线都需要接上拉电阻。
AT24C64另外的几根线：
WP接地，写保护引脚，WP=0，允许读写操作。
A0、Al、A2AT24C64地址引脚，必须接固定电平。
3.4.2存储器的数据接口
存储器AT24C64为8引脚的DIP封装，其外观如图3.5所示。
管脚的定义如下：
A0、Al、A2是地址引脚，这三个脚不同的连接，使得CPU可以寻址8个AT2
4C64，8个芯片都有自己的固定地址，分别对应A0、Al、A2组成的3位2进制数的值，从000到111，我们选择000和100。
SDA是双向串行数据/地址的复用引脚，用于数据的接受和发送。
SDA是个开漏输出引脚，可以和其他的开漏输出或集电极开路的门电路输出直接进行接线，不会有任何硬件的损害。
SCL是串行时钟输入线，为接收数据和发送数据产生时钟节拍。
WP是写保护线，接到高电平（5V）是对存储器进行写屏蔽，接地电平（0v）时，允许对存储器写入数据。
本系统中一直接地。
图3.5AT24C64的DIP封装图
3.5IIC总线接口
IIC总线（InterIntegrateCircuitBUS）全称是芯片间总线，它是一种由PHI-
LIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
它可以两根连线实现全双工同步数据传输，可以极为方便的构成外围器件扩展系统。
3.5.1IIC总线的特点
IIC总线最主要的优点是其简单性和有效性。
由于接口直接在组件之上，因此IIC总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。
IIC总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
IIC总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering），其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控器。
一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。
当然，在任何时间点上只能有一个主控。
3.5.2IIC总线的构成及信号类型
IIC总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行IIC总线，可发送和接收数据。
在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。
各种带有IIC总线接口的电路均并联在这条总线上，这就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，IIC总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。
CPU发出的数据信号分为地址码和有效数据两部分，地址码用来选址，即接通需要接收收据的器件。
器件选通后，就可以向选通的器件发送有效数据。
这样，各器件虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。
IIC总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：
开始信号、结束信号和应答信号。
●开始信号：
SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
●结束信号：
SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
●应答信号：
接收数据的IC在接收到数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示己收到数据。
主控器向接收单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，主控器接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。
若未收到应答信号，由判断为接收单元出现故障。
3.5.3IIC总线基本操作
IIC规程运用主/从双向通讯。
器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。
主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。
总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。
SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。
3.6看门狗电路
看门狗电路的使用是为了防止单片机进入死机状态或者程序跑飞，看门狗电路能在单片机发生故障进入死机状态时，重新复位单片机。
当前有多种看门狗的芯片，如MAXIM公司的MAX802，MAX813等。
而且，有好多种单片机中本身就集成有看门狗。
但是本系统选择的单片机AT89C52没有集成的看门狗电路，所以在系统电路设计时加了一个看门狗电路。
不过一个外部的看门狗是比单片机自带的看门狗系统要好，因为它不依赖于单片机。
本系统采用看门狗电路MAX813作为程序运行监控器。
MAX813是具有电源监控电路的微处理器芯片，它不仅内部有看门狗定时电路，而且能对电源电压实现检测。
它具有四个功能：
1、看门狗计时器功能，如果看门狗输入在1。
6s内没变化，就会产生看门狗输出；2、电压检测功能，掉电或电源检测电压低于1。
25V时，产生掉电输出；3、上电复位功能，系统上电时自动产生脉宽20Oms的复位脉冲；4、人工复位功能，当人工复位端输入低电平时，产生复位信号输出。
MAX813的外观图如图3.6所示。
其主要引脚定义为：
图3.6MAX813引脚图
：
手动复位端。
当该端输日低电平保持140ms以上，MAX813就能产生复位信号。
该复位信号脉宽为2OOms。
PFI：
电源故障输入端。
当该端输入电压低于1。
25V时，MAX813使电源输出端产生的信号由高电平变为低电平。
：
电源故障输出端。
电源正常时，保持高电平;电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。
WDI：
看门狗信号输入端。
程序正常运行时，必须间隔1。
6s之内使该端输入反向信号。
若该端输入信号超过1。
6s未改变方向，则产生看门狗输出。
RST：
复位信号输出端。
上电时，自动产生200ms的复位信号；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号。
：
看门狗信号输出端。
正常工作时输出高电平，看门狗输出时，该段输出信号由高电平变为低电平。
在程序设计时，设定执行程序中全部任务的时间比看门狗延时周期短，并且对于每项任务设置一个标志，使看门狗对多项任务进行监视，只有当全部标志置位，也就是在程序跑飞或进入死循环造成系统失效时，将由看门狗发出一个复位信号，使系统能尽快复位并恢复正常工作。
看门狗的电路原理图如图3.7所示：
图3.7看门狗器件MAX813的连接图
并且在程序设计时，在程序存储区中每隔一段区域放置一个软件陷阱，可以将跑飞的程序纳入正确的系统运行轨道。
由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的区域，如程序区、表格、未使用的ROM区、未使用的中断向量区等，故不会影响程序的执行效率。
3.7RS485—RS232转换电路
由于本门禁系统考虑到控制器和管理上位机的距离有时很远，所以在数据传输中采用了RS485格式，要想和上位机通信，必须把单片机传送过来的信号进行转换。
此转换器不仅可以用到本门禁系统中，还可以用到所有的需要RS232—RS422/485的场合，是一种通用的转换器。
转换器的电路图如下图3.8所示：
图3.8RS232/RS485转换电路
目前，大部分PC机的通信端口为9芯片D行插头。
在实际的串行通信时，通常只使用其中的RTS、RXD、TXD、GND四个口，就可以构成简单的四线通信电路。
笨熊利用RS232工作时RTS和TXD（RXD）之间的电平关系。
其
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