智能门禁系统毕业设计.docx
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智能门禁系统毕业设计
滨江学院
毕业论文（设计）
题目智能门禁系统设计
院系滨江学院
专业电子信息工程
学生姓名尤佳
学号20092305004
指导教师裴晓芳
职称副教授
二Ｏ一三年五月二十日
ABSTRCT19
附录2系统仿真图21
附录3元器件清单22
智能门禁系统设计
尤佳
南京信息工程大学滨江学院电子工程系，南京210044
摘要：
随着时代的发展，小区房地产事业如火如荼，越来越多的人群住进了小区房。
小区的安全要求与日俱增，为了满足目前小区安全系统的需求，本文提出了一种简易的门禁系统。
本文提出的门禁系统是以STC89C52单片机为核心控制处理器，控制MFRC500驱动天线对Mifare卡进行读写操作，外围扩展按键、液晶显示、和存储模块等。
实验表明，本设计可以满足当代智能门禁系统的基本要求。
关键词：
小区；门禁系统；STC89C52；天线；MFRC500
1引言
随着社会经济的发展，城镇面貌发生了巨大的变换，一栋栋的小区住宅楼拔地而起，人们住进了舒适的小区房。
现在科技日新月异，人们也享受着高科技带来的便捷生活。
同时，科技也给人们的日常生活带来了隐患，利用高科技盗窃的案件越来越多，人们也越来越重视住宅安全问题，在这种情况下，门禁系统应运而生。
1.1研究背景
从古至今，人们习惯用普通的门锁来保护他们的财产，以及防止非法人员进出房间等私密场所，这种简单的方法一直延续了很久。
然而普通的门锁始终离不开钥匙，而且每把门锁需要一把与之相对应的钥匙，需要加锁的地方也越来越多，导致需要随声携带很多把钥匙。
钥匙多了就不方便于携带，并且容易丢失和被盗，安全很差。
在科技高速发展的现在，传统的门锁已经不能满足人们对安防的需求，为了从根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的基础上开发出来的，它也是新时代很优秀的产物。
众所周知门禁系统，也被称为出入口控制系统[1]。
在科技发达的今天，门禁系统已发展成为一套现代化，功能齐全的管理系统。
它对出入口及通道的管理已经不再是单纯的钥匙和锁的管理，它能够帮助内部有序化管理。
它能够时刻记录人员的出入时间、出入情况等，限制人员的出入范围，也可以很好的拒绝非法人物进入。
同时，它也可以有效的预防了财产受到非法侵犯。
门禁管理系统已经成为了安全防范系统中很重要的部分，它在当今社会发展的很迅速，已经广泛的应用在了办公室，宾馆，智能大厦，智能小区等各种大门、通道、房间的管理。
当今社会的房地产发展如火如荼，小区门禁系统成为小区住宅楼不可缺少的配套设施，它很好的保护了住户的人身安全和财产安全。
微型计算机和单片机的迅速发展，它们在各领域的智能化应用为智能门禁系统提供了技术和条件。
门禁系统在今后仍会有很好的发展前景。
1.2研究目的及意义
门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，是一种新型现代化安全管理系统。
在社会财富不断增长的今天，建筑物内的主要管理区、出入口、贵重物品的库房、设备控制中心、电梯口等重要部门的通道口都需要加强安全防护措施，这就需要开发出与之相对应的智能门禁系统，识别出入口人员的身份，对出入口进行控制。
同样小区门禁系统是保障住户的人身财产安全的重要方法。
并且可以通过小区门禁系统的设计，熟悉掌握单片机的特点、编程技巧以及其应用，同时在设计过程加深对其他相关课程内容的学习、理解和掌握。
论文研究的意义：
（1）小区门禁系统是安全防范系统中常见的设施，能够对智能住宅的重要通道进行管理，保障住户的人身及财产安全，减少或防止非法行为的发生。
（2）小区门禁系统可以对住户及访客的出入情况进行常规统计管理，并记录档案为突发事件提供相关资料，便于以后的查阅。
（3）该设计可以为住户和访客提供了便捷有效的出入方式，方便了人们间的交往，实现了社会的融洽相处。
1.3国内外的研究现状
目前，国内对门禁系统的研究已经从认知教育和试用进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与研发过程中还有一些不足之处，其表现为：
（1）对国外已有的系统进行仿造；
（2）采用国外现有的集成模块，如门禁控制器，读写器，天线模板等；（3）产品形式缺乏多样化、投入资金消耗量大。
在技术方面，中国当前也有很多企业仿制国外的门禁系统，目前的做法有两种，一是采购外国商家的系统零部件，例如门控器，读写器等，再对这些芯片进行二次软硬件的设计。
此系列系统的性能较好，能够满足那些对安全有严格要求的场所，但是价格昂贵。
二是，在购买核心芯片之外，对国外其他部件的优质产品进行研制。
此方式容易变通，可以随时满足客户对门禁系统的合理性要求，且价格比较便宜。
从内部系统结构出发可看出，国内的门禁系统多数以控制器为核心研制的，门控器部分由国外厂家开发。
就是门禁控制器要接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。
国内在目前先进的智能系统的研发处于滞后状态，不过相信在未来我国一定能够研发出完全属于自己的智能系统。
2系统总体方案设计
该设计是基于小区门禁系统实现的，当有卡进入10cm射频区，蜂鸣器响一声，绿灯闪烁，显示卡号，门打开，红灯亮，液晶显示读卡成功。
当按键按下，表示门关上，红灯灭。
当卡无效时，蜂鸣器响一声，绿灯闪烁，显示卡号，液晶显示读卡错误。
此外，可由串口设置可通行卡号。
系统的硬件由单片机、按键、液晶显示、声光提示电路，数据存储、非接触式IC卡读写器件、收发天线及与上位机（PC机）的串口通信接口等构成，系统框图如图2.1。
步骤如下：
①读写器由STC89C52芯片作主控制器。
其控制MFRC500驱动天线对Mifare卡进行读写操作。
②接着，通过反馈数据对另外的接口电路进行响应操作。
（1）AT24C02串行EEPROM，存储刷卡IC卡号信息。
（2）液晶显示卡号及读卡成功与否的信息。
（3）按键模拟关门。
（4）蜂鸣器，发光二极管作为声光提示电路，以作操作响应。
③由PC机供电。
图2.1系统框图
3系统的硬件电路设计
3.1读卡模块
读写操作可以通过无线电波在射频卡与读写器之间来完成。
二者之间的通讯频率有多种规范，本设计为13．56MHz。
当读写器对无源卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两方面组成：
一方面是电源供给部分，该信号由卡接收后与本身的LC振荡器产生谐振来供给芯片工作；另一方面则是指令和数据信号，指导芯片对数据的读取、修改、储存等，返回信号给读写器，完成一次读写操作，写给读写器。
因此，读写器的基本任务就是启动数据载体（应答器），与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触的数据载体之间传送数据。
非接触通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读写器自己来处理[2]。
MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成射频识别系统中的成员。
其系统利用调制以及译码概念，它集成了在13.56MHz状态下类型的被动非接触式通信方式以及协议。
MFRC500支持ISO14443A所有的层，内部发送器部分无需增加有源电路就能够直接驱动近距离的操作天线（距离可达100mm）；接收器部分提供一个稳定可靠的调制和解码电路，用于ISO14443兼容的应答器信号；数字部分处理ISO14443A帧和错码检测（奇偶与CRC）。
此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证Mifare卡系列产品。
连接到任何8位微处理器的并行接口极大的提高了读写器或终端的设计的灵活性[3]。
1、MFRC500功能框图
MFRC500是PHILIPS公司为Mifare卡设计的专用读卡芯片，它与非接触式IC卡之间的通信标准兼容ISO144443A，其功能框图如图3.1所示[4]：
图3.1MFRC500的功能框图
2、MFRC500的引脚介绍
引脚功能如图3.2所示[5]：
图3.2MFRC500的引脚图
表1引脚对应功能介绍
引脚名称
功能描述
OSCIN
晶振输入端。
振荡器反相放大器输入，该脚也作为外部时钟输入（fosc=13.56MHz）
OSCOUT
晶振输出端。
振荡器反向放大器输出
RSTPD
复位以及掉电。
高电平时，灌电流关闭，振荡器停止，输入端和外部断开；下降沿时启动内部复位
IRQ
中断请求。
TVDD
发送器电源。
提供TX1和TX2输出电源
TVSS
发送器地。
提供TX1和TX2输出电源
TX1
发送器1。
发送经过调制的13.56MHz能量载波
TX2
发送器2。
发送经过调制的13.56MHz能量载波
NCS
片选端。
激活与选择MFRC500的微处理器接口
NWR
MFRC500寄存器写入数据D0～D7选通
NRD
MFRC500寄存器读出数据D0～D7选通
D0～D7
8位双向数据总线
AD0～AD7
8位双向数据及地址总线
ALE
地址锁存使能。
高电平时使AD0～AD5锁存成内部地址
A0
地址线0寄存器地址位0
A1
地址线1寄存器地址位1
A2
地址线2寄存器地址位2
DVDD
数字电源
DVSS
数字地
AVDD
模拟电源
AVSS
模拟地
RX
接收器输入卡应答输入脚，这种应答为经过天线电路耦合的调制13.56MHz载波
VMID
引脚输出内部参考电压。
3、MFRC500的硬件连接
MFRC500芯片是完成无线通信的主要模块，同时是射频卡关键接口芯片。
通过寄存器的设定，芯片对发送缓冲区中的数据调制，获得发送的信号。
然后信号通过TX1、TX2脚驱动的天线通过电磁波形式发出去。
另一端，响应的射频卡通过RF场的负载进行调制。
然后天线获取射频卡的响应信号，通过天线匹配电路的处理，最终传送到芯片的RX脚。
信号的检测和解调是由MFRC500内部接收缓冲器完成的（根据寄存器的设定）。
处理后的数据发送到并行口由单片机读取。
MFRC500的ADO～AD7（双向数据和地址复用总线），接单片机STC89C52的ADO～AD7（P0口）。
MFRC500的NWR（写禁止），接单片机的WR（写信号）。
MFRC500的NRD（读禁止），接单片机的RD（读信号）。
MFRC500的NCS（片选端），接单片机的P2.6口。
MFRCSOO的ALE（地址锁存使能端），接单片机的地址锁存信号。
MFRC500的IRQ（中断请求），接单片机的中断口INT0。
MFRC500的RSTPD（复位和掉电），接单片机的中断口INT1。
其接口电路图如图3.3所示：
图3.3MFRC500的硬件连接图
3.2天线模块
作为一种转能器的天线在发射时，它把射频卡高频电流转化为空间电磁波；接收时，它又把从空间截获的电磁波转换为高频电流送入读写器。
对应用于射频识别系统中的小功率、短距离无线收发设备来说，天线设计占据相当重要的比例。
天线设计基本要达到以下要求：
▲功率匹配，充分利用可用能量。
▲电流最大，即产生最大的磁通量。
▲足够带宽，无失真地传送载波信号。
读写器与天线连接有两种方式：
一是直接匹配的天线，适合距离较短的系统；另一种是50Ω匹配天线，适合距离较长的系统。
本次设计采用第一种直接匹配的天线，天线模块主要包括低通滤波电路、接收电路、天线匹配电路和天线线圈，其工作过程为：
天线接收到的信号经过天线匹配电路送到RX脚。
MFRC500的内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。
然后数据发送到并行接口，由单片机读取。
天线电路如图3.4所示[5]：
图3.4天线电路
3.2.1.低通滤波电路
Mifare系统工作频率是13.56MHz（由一个石英晶振产生）。
这种频率的主要作用是驱动MFRC500与天线。
13.56MHz的能量载波的基频，不但能够产生13.56MHz大小的发射功率，与此同时，发射更高的谐波，广播频段中发射功率的幅值在国际EMC条例有严格定义。
因此,要符合这一规范必须对输出信号进行适当的滤波。
低通滤波器包括元件L0和C0。
3.2.2.接收电路
MFRC500的内部接收部分通过副载波双边带的概念进行卡响应的调整，通过内部产生的VMID电势成为RX脚的输入电势。
为提供一个稳定的参考电压，从VMID脚接一个对地的电容C4，进行滤波稳压，以便提供一个稳定的参考电压。
同时，读卡器的接收部分要在RX和VMID脚之间接一个分压器。
另外，为增强效果，在天线线圈与分压器之间串接了一个电容。
接收电路包括的元件有R1、R2、C3和C4。
3.2.3.直接匹配天线的阻抗匹配
电容C1、C2的值取决于天线的电气特性和环境的影响。
表2显示了天线线圈电感值与电容C1，C2a，C2b之间的对应关系。
本文设计的天线电感估算值为1.3uH，匹配电路中参考电容值C1为27pF，C2a和C2b均为180pF。
表2匹配电路的电容值
天线线圈电感量[uH]
C1[pF]
C2a[pF]
C2b[pF]
0.8
27
270
330
0.9
27
270
270
1.0
27
270
270
1.1
27
180‖22
220
1.2
27
180
180‖22
1.3
27
180
180
1.4
27
150
180
1.5
27
150
150
1.6
27
120‖10
150
1.7
27
120
150
1.8
27
120
120
上述定容参考值是在理想状态下的，在实际应用中，由于各种因素的影响，这种设定并不一定能取得预想效果。
所以，需要根据天线的调谐来确定具体电容值。
调试方法为：
首先在C1和C2的两端分别并联一个可调电容，然后在系统工作中，不断调节电容的大小。
当到达调谐状态时，记录下可调电容的值。
再加入匹配电路中，进行整个系统的调试，最终确定匹配电路中电容的值：
C1=15pF，C2a=C2b=150pF。
3.2.4天线尺寸
谐振电路的谐振频率可调谐至读写器的工作频率13.56MHz，其值通过汤姆逊公式得出
（1）
从式
（1）可以看出，天线的频率跟LC有关。
天线尺寸越大，则线圈的电感L就越大，对应的电容C就需要变小。
如果天线的电感超过5uH时，电容C的匹配会变得困难，设计天线时要考虑天线的线圈电感值不大于5uH，而且天线导体宽度要在0.5～1.5mm范围内。
本文采用边长都为a，由线圈绕成的矩形天线，离中心垂直距离为X处的磁通量密度由公式
（2）算出:
B=
（2）
其中u0=4π×10-7H/m其为磁场常数。
N是匝数，I是电流强度。
B和X成反比，磁场强度随距离增加而变弱。
天线线圈电感可由阻抗分析仪测量得到或者公式估算法得到近似的电感值。
天线电感的估算公式如（3）:
（3）
上式中L为天线电感估计值，单位为nH。
l1为一圈天线导线环的长度，单位cm。
D1为PCB线圈导线的宽度。
若线圈为环形，则K=107，若线圈为矩形，则K=147；N是线圈匝数。
从公式
（2）与（3）中得到，增大N可增大B，可以延长线圈工作距离，而天线线圈电感L和线圈匝数N的1.8次方成反比，那么增加匝数N会使L增大，又由前面的公式
（1）知L不应超过5uH，因此必须在线圈能提供B的情况下保证N尽量的小。
综上所述，N采用3圈，为制作出电感较小的天线线圈，通过导线在PCB板上绕制成矩形线圈的方式制作天线线圈。
导线线宽为1mm，矩形长宽分别为72mm×37mm。
天线线圈在2层结构PCB的底层，顶层布有屏蔽环，且该屏蔽环是不闭合的。
这样就较好的吸收了天线线圈本身产生的电场，改良了天线的EMC性能[7]。
3.3MCU部分
系统中选用低功耗、高性能的CMOS8位单片机STC89C52。
片内含8kBytes闪烁可编程可擦除只读存储器（In-systemprogrammable），兼容80C51及MCS-51指令系统。
3.3.1STC89C52的引脚介绍
P0口：
8位双向I/O口，在访问外部存储器时，P0口用于分时传送低八位地址（地址总线）和8位数据信号（信号总线）。
P0能驱动8个LSTTL门。
P1口：
8位准双向I/O口。
对P1端口写“1”时，可作为输入口使用。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P2口：
8位准双向I/O口。
在访问外部存储器时，P0口用于分时传送高八位地址（地址总线），P2口负载能力为4个LSTTL门。
P3口：
8位准双向I/O口。
亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号和一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行口输入端）
P3.1TXD（串行口输出端）
P3.2INTO（外部中断0请求输入端）
P3.3INT1（外部中断1请求输入端）
P3.4TO（定时/计数器0外部信号输入端）
P3.5T1（定时/计数器1外部信号输入端）
P3.6WR（外部RAM写选通信号输出端）
P3.7RD（外部RAM读选通信号输出端）
RST：
复位信号输入端。
只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，单片机即可复位。
ALE/PROG：
正常使用时为ALE功能，用来锁存P0送出的低8位地址。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于编程脉冲输入（PROG）。
PSEN：
外ROM读选通信号。
读ROM时，每个机器周期两次PSEN有效。
EA/VPP：
内外ROM选择端/编程电源。
XTAL1、XTAL2：
晶体振荡电路反相输入端和输出端[8]。
图3.5STC89C52的引脚图
3.3.2MCU电路的硬件连接
MCU是经过对读写模块MFRC500内核特殊的内存寄存器的读写来控制MFRC500。
MFRC500射频模块的D0～D7（数据端口）和单片机数据端口P0口直接连接进行数据传送，中断请求口IRQ和单片机的中断0（INT0）连接，单片机利用MFRC500提供中断信息对其进行控制。
读写器的控制单片机原理如图3.6所示。
图3.6STC89C52电路
STC89C52的通用射频卡读写器的设计和实现方案。
系统实现了对Mifare卡读写操作和以下优点：
（1）该系统可靠性比较高（天线设计合理的情况下），有效距离可达10cm。
（2）接口方式较多，IO口操作简单，对MFRC500进行控制并获取相应信息方便。
（3）由计算机通过一定的方式发送命令，即可对卡操作，便于二次开发，实用价值大。
3.4AT24C02串行EEPROM
由于AT24C02接口少，容量满足设计需要。
因此选用AT24C02串行EEPROM用来保存卡号。
它具有2Kbit的位存储容量。
对AT24C02的读写操作使用I2C总线协议传送。
在系统的设计中，对24C02的写操作采用字节写，读操作采用顺序读的方式。
如图3.7所示，SDA是双向数据线，接CPU的P1.6；SCL是时钟线，在该脚的上升沿时，系统将数据输入到每个EEPROM器件，在下降沿时输出，接CPU的P1.1；WP是写保护线，一般接地，表示允许读写操作[9]。
图3.7存储电路
3.5声光提示电路
选择蜂鸣器作为发声的器件，是因为它的使用广泛而常见，并且价格便宜。
单片机的P3口输出高电平电流很小（为30到60uA），难以驱动蜂鸣器，使其正常工作。
所以设计了一个NPN三极管放大电流驱动，用STC89C52单片机的P3.4引脚来控制蜂鸣器的发声次数及频率，电路如图3.8所示，蜂鸣器的正极端连接到5V电源上，另一端联接到三极管的发射极，三极管的基级则连接到单片机的P3.4管脚，实现蜂鸣器的控制，当P3.4输出高电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
当P3.4输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。
图3.8声音提示电路
选择发光二极管作为发光的器件，是因为它的使用广泛而常见，并且价格便宜。
红灯亮灭表示锁的开关状态，绿灯表示读卡提醒，分别连接STC89C52单片机的P1.0,P1.5引脚
红灯
绿灯
图3.9光提示电路
3.6显示电路
本设计选择的液晶显示器是1602LCD。
本设计中的液晶显示器只需显示数字和简单的符号，因此1602LCD符合本设计的要求。
LCD液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电即显示，这也可显示出图形。
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分类为段式、点阵式、字符式等。
如果根据驱动方式来分，可以分为单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）、主动矩阵驱动（ActiveMatrix）和静态驱动（Static）三种。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
液晶显示器显示原理：
线段的点阵图由M×N个显示单元组成，设LCD显示屏一共64行，每行128列，每1字节的8位对应8列，每行一共16字节，则是128个点组成，屏上64×16个显示单元相对应于显示RAM区1024个字节，每一字节的内容与显示屏上亮暗相对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
图3.10为1602LCD的引脚图。
图3.10 1602LCD引脚图
1602LCD的引脚说明：
VSS
（1）：
地电源。
VDD
（2）：
5V正电源。
VO（3）：
液晶显示器对比度调整端。
RS（4）：
寄存器选择端。
R/W（5）：
读写信号端。
E（6）：
使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
D0～D7（7～14）：
为8位双向数据线。
BLK（15）：
背光源正极。
BLA（16）：
背光源负极。
本设计中液晶显示内容较复杂，要显示卡号及不同的英文提示，如“YOURCARDISRIGHT”、“YOURCARDISWRONG”等。
如图3.11所示，VL为液晶显示器的对比度调整端，接电位器；RS是寄存器选择端，接P1.4；RW为读写信号线端，接P1.2；E为使能端，接P1.2；BLA、BLK背光源的正、负极，接电源和地。
图3.11显示电路
4系统的软件设计
4.1编程语言的选择
常用单片机的编程语言常用的有二种：
一种是C语言，一种是汇编语言。
汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更是难读懂，而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当，但可读性和可移植性却远远超过汇编语言，而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。
对于开发周期来说，中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多。
而且在实物单片机内只能加载由C编程生成的可执行文件，所以本论文采用的是C语言编程。
4.2主程序设计
根据门禁系统的实际要求，本系统的主要流程如下：
当有卡进入10cm射频区，蜂鸣器响一声，绿灯闪烁，显示卡号，门打开，红灯亮，液晶显示读卡成功。
当按键按下，表示门关上，红灯灭。
当卡
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