基于51单片机的刷卡门禁系统Word格式文档下载.docx

1、 年 月 日摘要本文详细介绍了刷卡门禁系统的硬件组成和系统的软件开发过程。给出了刷卡门禁系统的电路原理图，以及主程序设计的设计框图和程序。主要分析了单片机与FM1702高频读卡器频模块的接口电路、报警电路、门锁继电器电路、液晶12864电路以及单片机最小系统。读卡器由读卡模块、单片机控制模块、射频天线以及智能IC卡组成。读卡器能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式射频卡。当有卡进入时，读卡器内数据后台通过单片机进行处理程序判断是不是合法IC卡，并且将卡号传送到液晶12864上显示。读卡器的软件部分主要包括程序设计,包括询卡、选择卡片、读取卡片、判断IC卡是否合法等。读卡器采用内部集

2、成有8K字节Flash程序存贮器的STC89C52单片机作控制器，系统完全采用SPI通信，其接口管脚少、连线简单，有利于缩小读卡器的体积。关键词：门禁系统，FM1702, STC89C52，IC卡第一章 绪论 在现今社会，随着人们对生活安全各方面要求的不断提高，门禁系统的应用范围越来越广泛，因此门禁系统已成为现在科技的一个热门研究课题。目前，门禁系统已成为生活安全中极其重要的一部分。在一些发达国家，门禁系统的应用远远高于其它安全系统，门禁系统之以能在众多安防产品中脱颖而出，根本原因是因为其改变了以往安防产有效的大大的防止了罪犯从正常通道的侵入，并且可以在罪案发生时通过对通道的控制限制罪犯的活动

3、范围，制止犯罪或减少损失。安装有门禁系统的建筑具有以下优点:1、具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能。2、方便内部员工或住户出入，同时杜绝外来人员随意进出，既方便了内部管理，又增强了内部的保安。3、门禁管理系统作为智能建筑中不可缺少的安保自动化的一部分，为用户提供一个高效的工作环境，从而提高管理的层次。也正是由于门禁系统实用性强，市场需求大，应用广泛，我们便选此作为研究设计的课题。1.1门禁系统概括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

4、全防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、监狱、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。智能门禁系统是对出入口通道进行管制的系统,该系统控制各类人员的出入以及他们在相关的活动区域。其控制的基本原理是：按照人的活动范围,预先制作出各种层次的卡或预定密码。1.1.1门禁系统组成门禁系统由控制器，读卡器，电控锁，识别卡和存储器、报警器等组成。系统构成如图所示其中控制器，读卡器，电控锁，构成基本的门禁控制单元设备。控制器是门禁系统的核心,由一台微处理机相应的外围电路组成。如果将读卡器比做系统的眼睛,将电控锁比做系统的手,那么控制器就是系统的大脑。1.1.2门禁系统功能限制人员的进

5、出区域,拒绝不速之客,保护公共财产不受非法侵犯.如果请求进入的人员身份合法即经过控制中心授权,电锁将打开否则电锁不会开启并报警。1.1.3门禁系统的发展过程出入口门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统，它是在传统的门锁基础上发展而来的。传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能用通过各种手段把它打开。在出入人很多的通道（像办公室，酒店客房）钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子

6、锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。同时这个时期的产品由于大多采用读卡部分（密码输入）与控制部分合在一起安装在门外，很容易被人在室外打开锁。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。最近几年随着感应卡技术，生物识别技术的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有

7、特长，门禁系统的应用领域也越来越广。1.1.4门禁系统的优越性（1）使用寿命长。 射频卡和读卡器与其它门禁方式相比大大延长了使用寿命（2）使用方便。射频卡使用不需要调整方向和位置。在黑暗中也可以很方便的进行开锁。（3）安全可靠。每张卡都是唯一的不可更改的编号。卡和读卡器均不可复制，且防水、防磁，抗干扰。当卡片不慎丢失，只需在系统软件上删除卡片，以使得系统更加安全可靠。1.1.5门禁系统的国内外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

8、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。1.2课题背景及意义 门禁系统，又称为出入口控制系统，在科学技术飞速发展的今天，已成为一套功能齐全、现代化的的管理系统。它对出入门和通道的管理已经不是单单

9、对门锁及钥匙的管理。它不只是管理人员的进出，而且还有效是内部进行有序化管理。门禁系统能够时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入时间，出入区域，礼貌地拒绝不速之客。同时也将有效保护财产不受非法侵犯。在注重美观的现代都市里，门禁系统提升了公司的风格和气度，给顾客建立起了信心的保障。可以想象，在追求智能化办公的今天，如果能用手中的卡片轻轻一晃，大门就应声而开，那将是一种多么美妙的感受。另外，在越来越注重商业情报和安全的现代社会，传统的个人身份鉴别手段己不能满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。要消除人为不安全因素，只有不易被他人代替、仿制、甚至本人也无法转让的身份识别凭证才更加可靠。因此

10、，从造价性、成熟性、易用性、安全性等方面综合比较，IC卡门禁技术正在以惊人的速度迅猛发展。这正是我们研究IC门禁管理系统的意义所在。第二章 系统结构与设计原则2.1门禁读卡器门禁系统的关键部件是读卡器，他是有控制单片机及外围扩展器件、读卡模块、射频天线、电源接口、串行通信接口等几部分组成，接上+5V电源就可以读卡，接上串行口可以与PC机通信。读卡器在门禁系统中是主要的工作机，它是射频卡与PC机和开关门设备之间的桥梁，其数量较多，根据需要安装在方便的地方。他可以联网工作，通过RS-232串行口与PC机相连。读卡器是主动操作的，只有非接触式IC卡进入读卡器天线射频能量范围，读卡器便通过射频信号与智

11、能卡通信，在联网的情况下，读卡器能将采集的数据直接传给PC管理机。这些IC卡统一由PC机进行管理。2.2非接触式IC卡射频卡即为非接触式IC卡，是90年代初发展起来的新技术.射频卡由存储单元、控制芯片、感应天线组成，并且完全密封在一个无密封部分的标准PVC卡片中。射频卡本身是无源体,当读写器对射频卡进行读写操作时,读写器发出的射频信号分为两部分：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,在一瞬间产生能量来供给芯片工作,另一部分则通过解调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。射频卡成功地将IC卡机数和射频识别技术结合起来,解决了免接触和无源的难题。射频

12、卡不需要供电电源,它与读写器间无机械接触,有效的避免了接触故障；表面无裸露芯片的设计,也不易弯曲损坏、产生静电击穿和防水等问题：射频卡没有正反面之分，而且射频卡具有使用方便、可靠性高、操作速度快等特点，由射频卡所形成的读写系统,无论是软件控制，还是硬件结构的操作过程都比接触式卡更加方便。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。2.3智能门禁系统的设计原则智能门禁系在经发达国家以及部分发展中国家的智能大厦及银行、监狱、酒店等已经得到了广泛应用。由于该系统及时性、隐蔽性的特点,其应用领域越来越广泛。（1）实用性 智能门禁系统不能只追求于自身的超前性，也要与实际内容相符。不然造成巨大

13、损失，而无用武之地。因此,系统的实用性是首要原则。（2）实时性 智能门禁系统每个系统一定要正常工作，并且与实际内容相符。（3）系统的安全性 智能门禁系统中的所有设备及配件不仅性能安全可靠，而且还应符合国际安全标准,并可在理想环境下有效工作另外,系统安全性还应不易被劫获和窃取等方面。2.4毕业设计要求 （1）读卡功能 （2）添加管理卡功能 （3）增加、删除用户卡功能 （4）更改管理卡 （5）清除所有用户卡 （6）键盘控制管理卡操作 （7）蜂鸣器实现刷卡、按键提示 （8） 12864点阵液晶显示屏晶显示IC卡序列号2.5门禁系统模块该系统是以STC89C51单片机为基础，由电源模块、复位模块、读卡

14、器模块、继电器模块、和显示模块组成。图2-1 系统总体框图第三章 系统硬件电路设计3.1各模块选用的硬件介绍读卡器主要由读卡模块、单片机控制模块、继电器模块、报警模块组成等组成。使用FM1702sl读卡器进行读写非接触式射频卡，采用具有8K可编程Flash功能的STC89C52单片机作为控制模块，并且单片机与与FM1702sl之间使用SPI进行通信的。3.1.1 STC89C52单片机介绍控制的核心选用STC89C52。其主要性能如下：主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 100000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编

15、程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针掉电标识符 （1）功能特性描述 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准

16、功能： 8k字节Flash， 256字节RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。（2）引脚图如下：图3-1 STC89C52引脚图（3）引脚介绍： VCC : 电源 GND: 地 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为

17、输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计

18、数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚第2功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）表3-1 P1口第二功能P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉

19、高，此时可以作为输入口使用。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 （例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在

20、flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3.0 RXD （串行口输入端）P3.1 TXD （串行口输出端）P3.2 （外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3 （外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4 T0 （定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1 （定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6 （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）表3-2 P3口第二功能RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AU

21、XR（地址 8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”， ALE操作将无效。 这一位置 “1”，ALE仅在执行 MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个 ALE使能标志位 （

22、地址为8EH的SFR的第0位） 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。 为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.2 STC89C

23、52的电路连接FM1702SL主要就是和单片机SPI通信部分，芯片本身的初始化，然后就是读写之类的功能操作。读IC卡，主要就是寻卡，能寻到卡。可以说就成功一大半了。在这里我说一下，我在用示波器看TX1，TX2脚的时候，是一个类似山脉起伏一样的13.56MHZ的波形，电压的话，大概就是2.6V左右。该系统中STC89C52与FM1702采用SPI通信连接，FM1702sl与单片机P0口相连，电源与地之间接一个电阻容，如果上电后，初始化成功，则提示刷卡；若初始化失败，则留在初始化界面。图3-2 FM17023.3 USB供电接口USB是一种常用的pc接口，只有四根线，两根电源线，两根信号线。因为信

24、号是串行传输的usb接口也成为串行口，usb2.0的速度可以达到480Mbps。可以满足各种工业和民用需要。Usb接口的四根线一般是下面这样分配的，需要注意的是千万不能把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或电脑芯片：图3-3 USB接口定义3.4 12864液晶显示屏的使用1）想要在液晶屏上显示某一字符需要先设定字符的位置，也就是说先设定显示地址，再把中文字符的编码写入进去。2）2字节字符编码，应先高后低。3）只有在BF为0时处理器才能接收新的指令4）“RE”为基本指令集和扩充指令集的选择控制位，如果变更“RE”，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无

25、需每次均重设“RE”位。51单片机的P2口有内部上拉电阻，因此不需要接外部上拉电阻就能能输出逻辑0和1，而使引脚保持高电平。12864的D17和D19管脚接5V电源，D7到D15管脚接到单片机的P2.0到P2.8管脚。这样，当引脚空闲的时候输出的是1，接地的时候输出的是0。图3-4 12864液晶显示3.5刷卡模块（一）工作原理信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过天线建立起二者之间非接触信息传输通道。当Mifare卡进人系统的工作区域时，读写器向Mifare卡发一组固定频率的电磁波，Mifare卡内有一个LC串联谐振电路，两者相同，在电磁波的激励下，Lc谐振电路产生共振，从而

26、使电容内有电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，把一个电容内的电荷存储到另一个电容内，当总电荷达到2V时，因此这个电容也可以作为电源为其它电路提供电压，将卡内数据发射出去或读取读写器的数据。通过调整天线驱动电压改变通信的最长距离。FMl702SL与MCU的接口电路图3-5 FM1702sl与MCU接口电路用软件重新画下 电路如图3-5所示，MCU与FMl702SL是通过SPI总线通信的，使用中断工作模式。要注意的是FMl702SL经过复位后，必须要进行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，以便同步MCU和FMl702SL的启动工作。（二）读写器天线的设计根据互感原理可知，半径越

27、大、匝数越多，读写器上和卡互感系数就越大。天线可等效成R、L、c并联回路，如图3-6所示设计天线时要注意天线的品质因数。国际标准ISOl4443规定无论TYPEA或TYPEB非接触式IC卡，读写器和卡之间的数据传输速度为106kbits，载波的频率f=13.56MHz，因此，每一位的数据维持的时间t=106104k=9.44s，TypeA类射频卡智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有t=3s的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=lT=13s=333.333kHz，故天线的品质因数Q= fB=13.56 MHz33.333kHz=35，天线的传输带宽与品质因数成反比关系

28、。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，会导致读写器无法与卡通信。图3-6 读写器天线（三）读写器对卡的操作流程FMl702SL内部一共有8个寄存器页，每页又有8个寄存器，每个寄存器又有8位数据。这些寄存器是统一编址的，从Ox000x3F，MCU通过SPI接口与 FMl702SL通信对寄存器进行设置。要注意的是，MCU对卡片的操作不能仅靠一条指令完成，其中必须有对FMl702SL硬件内部寄存器的设置。操作步骤如图3-5所示。图3-7 MCU对卡片的操作（1）复位初始化FMr702SL：初始化FMl702SL的SPI接口，初始化FMl702SL定时器，设置定时器控制寄存器

29、，打开Txl、TX2。（2）请求：当一张卡片处在读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出R：EQUEsT all命令。卡片的ATR将启动，将卡片BLOCkO中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不会进行。（3）防冲突机制：如果有多张卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，读写器将会读取最近的一张卡片序列号（4）选择卡片：完成了上述二个步骤之后，读写器必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。（5）三次相互验证：经过上述三个步骤，在确认已经选择了一张卡片时，读写

30、器在对卡进行读写操作之前，已经对卡上设置好的密码进行确认。如果匹配，才允许进一步的读写操作。（6）读写操作：对卡的最后操作是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。3.4电子锁控制电子锁控制采用9012三极管驱动5V继电器,单片机的输出OUT通过9012三极管驱动继电器, 继电器的输出直接接继电器线圈的一端,线圈的另一端接GND。继电器的公共点和长开点分别接电子锁的两跟控制线由于电子锁的开关是靠两根控制线是否连通来控制的,当两根控制线接在一起时就开门,反之如果两根控制线断开就锁门。因此当单片机的输出端输出高电平时三极管倒通,9012的输入端为低电平,由于9012在这电路中起到开关作用,因此9012输出为高电平。