基于单片机的IC卡门禁系统设计-最终稿

摘 要

近些年来在我们的生产生活当中，门禁系统及其产品的使用越来越广泛，为了分析了IC卡门禁技术的发展趋势和IC卡门禁系统技术在门禁系统中的使用特点，以及需要优化的方面，进而进行以基于单片机的IC卡门禁系统工作原理为基础去进行设计和制作。
本论文重点通过对射频技术原理和射频卡来研究智能门禁系统，而主要的研究对象就是这款非接触式的IC卡门禁系统。相对于其它的门禁系统，它有着独特的优势，也使得它的使用最为广泛，它的核心技术是将射频识别技术和IC卡技术相结合，正是通过这种多部分技术相结合的形式，使得它的发展更有前景也更有发展潜力。本篇论文将几种不同的门禁系统进行了比较，选出合适的方案，并结合本系统预期要达到的特点加以改进，最后完成系统设计方案，并且详细的介绍了该门禁系统的硬件组成、软件组成，以及各部分的运行方式和参数。
经过最终测试，本设计达到了预期的设计效果。这套IC卡门禁系统可以高效的识别IC卡模块的读写，磁锁部分也能及时的做出开关指令，并且在IC卡管理上可以进行加入用户卡，删除用户卡，以及键盘密码控制等功能。总体的系统功能均以达到了预期目的。

关键词：单片机；射频识别技术；IC读写模块；按键

1 主要研究内容及总体设计方案

1.1 系统方案设计

方案一：本方案的核心在于系统的芯片选取上，这里选择的是PIC16C84单片机为核心芯片。之所以选这款单片机芯片是因为其强大的功能，CMOS EEPROM微控制器为8位，在模块功能上它的性能也十分强大，尤其是它的RISC信号指令。并且它的单字节的指令有35条，这使得它的运行速度更优于AT系列单片机。
它的主要指令只需要一个指令周期，除了程序分支指令是需要两个指令周期，而程序分支指令应用并不是很多。在芯片内有1K×14的EEPROM程序存储器，而程序指令的宽度仅为14位。显示模块选用LCD1602液晶显示屏，键盘上选用独立式键盘，它的功能原理相对简单，键按指的令发出是通过判断芯片I/O口处读取口的电平的高低去判断的，从而达到发射指令控制的这样效果。
这套方案总体来讲核心功能十分强大，但是也有他的不足之处，就是这种方式的I/O口占用的数量相对较多。而且对键盘处理的这一部分还要克服一个键盘的抖动的问题。在我们现有的内力上想改善防抖问题，分为软件防抖和硬件防抖，而这一块的技术方面我们还尚未做到完善，所以这也是我们的备选方案之一。此方案应该选取的控制电路图如图1.1所示。

图1.1 独立式控制电路图

方案二：本方案的核心在于系统的芯片选取上是十分重要的，我选用AT89C51这款芯片。之所以选择这款芯片是因为，这款芯片它具有很多优越性除了低功耗、稳定的性能之外还有CMOS 8位微控制器，这款控制器并不是最高效的控制器，但是作为我们系统控制器是足够的。
除此之外它有系统可编程Flash存储器为4K字节。灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，易失性存储与工业其他产品指令和引脚完全兼容，它的广泛使用与它良好的兼容性是分不开的。正因如此才使得性能不是最强大的AT89C51在市场有其足够的市场。
在控制方面上我预计选用行列扫描的键盘形式，模块的电源正极通过一个小值电阻连接列线，这套模块有很多优势，它的输入端为列线连接的单片机I/O口，输出端是以行线所连接的单片机I/O口。它的工作原理是判断输入线的高低电平，进而判断是否有按键按下，正常时候是没有按键被按下，它输出端的所有列线都是高电平，当有键按下，高电平将会被输入线拉低。
这套方案总体巧妙的运用了高低电平，并且性价比非常高，以一个较为经济的价格可以达到一个令人满意的系统控制效果，并且51系列单片机是一款我们相对熟悉的一款芯片，而行列式的控制模块也跟更容易理解其控制原理，方便我们后期的代码编写。所以方案二也是我们的备选方案之一。行列式的控制电路如图1.2所示。

图1.2 行列式的控制电路图

方案三：本方案的核心在于系统的芯片选取上也是十分重要的，我们以MSP430单片机芯片为核心。这款单片机有很多它独有的优势，拥有16位的混合信号处理器，最大的特点就是它的功率功耗很小，并且它的健康使用时间更长，并且可以高效、精准的处理混合信号。最开始的时候它是由美国的德州仪器（TI）开始推出市场，它的应用也比较广泛，主要优势体现于高可靠性、方便扩展、功耗更小、所占空间更小、使用更为简洁等优点，主要针对于更大功能需求上的应用需要。
系统上它把各个模块的模拟电路、数字电路和微处理器汇到一起，然后通过强大的芯片对其进行混合信号的处理，然后迅速发出指令，它的指令集是十分简单迅速的、更低的功耗的混合型单片机，这款单片机通体来说具有很好整合电路能力，所以这是我们选择这款芯片原因。然而我们在能完成相对简单的电路的前提下，我们考虑芯片的经济价格。
最后就是我们整个电路的而核心控制模块的选取了。这是一款串并转换电路的键盘形式这款控制电路为74LS164，它一共有8个按键，工作原理为串并转化芯片它把SDA（P10）上的串行数据化为8位的并行数据。正是通过并行数据达到其数据传输的效果。它以S1-S8作为盘扫描，S1-S8依次输出低电平，当扫描到其他的管脚上是，如果S1～S7上的数据经过简单处理得到对应的键值。则说明扫描到的是P11等于0。如果P11检测为高电平，那么说明电路是没有按键为关闭状态。
总体来讲，74LS164型号的控制器拥有较为齐全的功能，但是较我们以往的学习经验，这款74LS164型号的控制器我们应用较少，相对陌生。74LS164控制器电路图如图1.3所示。

图1.3 74LS164型号的控制器电路图

通过以上三种方案的对比，第一种方案总体的功能十分强大，但是难以解决防抖问题，而第三套方案的功能也很成熟，但价格方面较高。综合上述方案的优缺点，我们基于经济和知识贮备等多方面的考虑，最终选择最为常用的方案二AT89C51系统。

2 硬件设计

2.1 主控电路

在主控电路上，本系统采用的是最为经济常用的AT89C51单片机，它的工作电压为4.5V-5.5V，工作频率在40MHz之内。主控模块的是通过AT89C51对各部分模块进行功能整合最终达到完整系统运行的。它共有的四个并行的I/O口为P0.1、P0.1、P0.2、P0.3，这里面P0.1口只是普通的I/O口；P0.0可以做数据总线、地址总线的端口；P0.2可以做地址总线；P3的功能最为强大可以作为RXD、TXD、WR、RD、INT0、INT1来使用。正是因为其完善的端口功能也使得系统的各个模块正常运行得以保障。主控芯片AT89C51原理图如图2.1所示。

图2.1 AT89C51原理图

在本系统中LCD1602液晶显示屏模块需要11个引脚，除了连接单片机的四个I/O口外，还有P0.4-P0.7端口，以及P1-P1.2端口。蜂鸣器报警模块需要1个，本设计将P1.4端口连接蜂鸣器。按键模块需要8个引脚，我们以P2.0-P2.7作为其键盘控制模块的输出引脚。除此之外RFID模块需要5个，读卡模块需要7个，电磁锁继电器驱动模块需要4个，下载口需要2个，这套方案下来我们的模块引脚已经全部满足了，并且有EA、ALE、PSEN等引脚的剩余。在完成了设计方案功能的前提下，这些剩余引脚不会对系统有任何影响。

3 软件设计

3.1系统程序开发流程

软件部分是整个门禁控制系统的灵魂，软件编制首先要选择合适的编程语言，因为合适的编程语言是我们实现功能的一条捷径，相应软件的编制是让系统的各部分模块功能能够完整的实现的前提。实际上能够给这套系统或者这套单片机编程开发的软件有很多，但基于我们对软件编制的能力以及所掌握的语言方法，对于此系统而言，以AT89C51单片机为核心的嵌入式系统而言，所有的控制都是由单片机程序控制实现，经过最终确定本设计中我们方案开发环境是Keil5。这套程序开发不仅提供了完整的Windows开发环境界面，还支持C语言开发，并且简单高效。软件Keil5开发界面如图3.1所示。

图3.1 Keil5开发界面图

打开Keil5首先需要建立“Project”工程，选择“New uVision Project”，为新建的工程命名后点击保存，这样一个空白的主程序文件就建好了。然后选取以“AT89C51”为本设计的单片机型号，将我们的核心加入到工程中，成功建立工程后，点“Source Group”按键，可添加.c文件，如果想编辑文件，点击“Add”，然后设计要求的程序。并且单片机的特殊功能寄存器I／O口通过Keil5可直接被操作，除此之外还可以直接访问片内或片外存储器。
3.2主程序设计
软件主程序是系统的监控程序，所以第一步就要将始化完成，在主程序可以完整运行的前提下控制程序的流向，然后调用相关子程序的功能。当子程序的运行也没有问题后，上电复位，程序开始运行。其中详细包括：
●单片机I/O口及内部寄存器变量初始化，使整个系统处于一个确定的工作状态。
●定时器TO和T1的初值的设置：定时计数器Tl用作串口通信的波特率发生器，波特率为9600bit／s；定时计数器T0用作定时计数器，定时时间为65ms。
●中断请求控制寄存器的设置，包括定时／计数器的中断标志、外中断1的触发方式控制位、串行发送／接收中断标志、中断的使能。
●LCD1602显示器工作状态寄存器的设置，除了显示器的亮度和清晰度之外还包括扫描位数的设定，以及系统开关的提示。
●读卡芯片工作寄存器的设置，然后对天线、询卡、缓冲区相关寄存器进行指令设置。设置成功之后，将程序进入循环状态，依次判断是否需要回铃、提示用户、设置管理RFID卡(新卡注册或旧卡注销)等。主程序工作流程图如图3.3所示。

图3.3 主程序工作流程图

系统工作流程：首先为系统供应5V电压，开启开关，选择按键按钮让其复位，然后读卡模块会自动寻卡，当管理IC卡刷过后，读卡系统会自动扫描，并且会进行防冲突和选择卡片等系统功能，最后进行验证，对卡进行操作是否写卡，如果通过写卡将经过写卡流程，如果系统识别为不写卡则会进行读卡操作，并且会进行上述操作。除此之外这部分还可以对有效卡片的删除和添加功能进行设置，按键输入和设置密码控制继电器，控制信号会同时反馈到液晶显示器上进行显示状态。本系统实现了IC卡刷卡产生的信号去控制继电器开断，以此表示门的开放或关闭，整套流程的实现最终构成一套完整的工作系统。

4 实物制作

本项目的制作流程首先是确定系统的功能模块，在确定好各部分模块的功能后再进行与单片机的引脚连接，从而做到从部分到整体。在电路板的面积有限的情况下，尽可能的将电路制作的美观一些。
根据本设计需求，对实物功能进行逐一测试：
（1）打开电源后，电源指示灯红灯常亮，同时读卡指示灯常亮；
（2）用IC卡贴近读卡器，然后通过扫描IC卡，按确认功能键，系统会对卡片进行校验，如果是没经过授权管理的卡，则蜂鸣器长鸣报警，显示器显示“ERROR”磁锁不打开。
（3）扫描IC卡，门禁系统显示“ERROR”后长按功能键进行编辑，当屏幕显示“OK”的时候并且伴有蜂鸣，则说明授权管理成功。成功后重新用IC卡贴近读卡器，绿指示灯亮，蜂鸣器报警以示，屏幕显示“OK”，同时电磁锁打开；
（4）键盘控制模块可以在没有IC卡的情况下通过密码将其打开。其中“A”为确认键，“B”为更换密码键，“D”键为删除键。初始密码可以进行设置和更换。
（5）经过最终的测试IC卡识别功能可以实现，对IC进行增加或删除的功能也可以实现。并且键盘控制电路可实现密码开锁以及更换密码等功能。
经过不断的调试与改良预设功能均以实现，主电路和电磁锁部分，以及读卡模块实物展示图如图4.1。

图4.1 主体实物图

5 结 论

经过这一段时间的不懈努力最终完成了对设计论文的编写以及实物的制作。系统硬件的整体设计主要包括：AT89C51为核心的主控电路模块、以LCD1602液晶显示器为显示模块、MIFARE读卡类型的IC卡读卡模块、以及12V供电的电磁锁外设部件所构成的一套完整系统。并且通过模块化的设计将系统拆分成各个功能模块并且逐个攻破，最终完成了系统的硬件设计。而软件方面首先按照主程序的功能要求去分步完成，先将主程序函数设计好之后，分块设计其各部分的功能函数，正因为以模块化的方式去设计，使得整个系统的软件与硬件之间的协议和系统规划功能结构更加简约、稳定、高效。良好的硬件电路，精简的程序使得我们的设计实物功能得以全部实现。
相对与其他磁卡锁系统如：生物虹膜门禁系统、指纹门禁系统、以及更为高级的面部识别系统相比，它们的使用范围不同，经济价格不同，方便程度也各不相同。IC卡门禁系统有着独特的自身优势，其价格更为经济，应用范围更加宽泛，可以满足大多数用户的使用。除此之外就是IC卡门禁系统的独有特性了，它可以通过较为简单的电路，通过对读卡器进行简单的设计，就可以满足更多复杂条件或多变环境下的场合工作。
通过本次设计项目，也让我对我们专业的内容有了更深入的了解，无论是Keil5的主程序设计、还是硬件上的读卡器设计、显示器模块的设计、控制电路的组装焊接、以及其结构组成都有了更深层次的了解。IC卡门禁系统的迅猛发展会随着我们的科技发展不断的发展，未来会增加更多方便、实用、安全的功能。并且在使用范围也会更加广泛，比如在住户、银行、公司企业和智能大厦等部门都可能会被广泛应用，甚至发展到其他经济发展较为落后的国家，总而言之科技的发展必将带来技术上的进步，IC卡门禁系统的未来发展必将呈现出势如破竹之势。