應用電子技術畢業(yè)設計（論文）基于IC卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計

1、懷化職業(yè)技術學院高職生畢業(yè)論文（設計）題目：基于ic卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計學生姓名： 專 業(yè)： 應用電子技術 班 級： 08應電 指導教師： 完成日期： 2010.11.24 教務處印制畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）課題： 基于ic卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計 學 生 姓 名： 指 導 教 師： 設 計 （論文） 要 求：一、內(nèi)容說明: 1、設計系統(tǒng)框圖； 2、選擇合適的ic卡，綜合比較； 3、設計具體電路、編寫軟件，實現(xiàn)功能； 4、包含系統(tǒng)調試模塊。 二、要求與說明: 1、設計系統(tǒng)框圖； 2、選擇合適的數(shù)據(jù)采集方案； 3、設計具體電路、編寫軟件，實現(xiàn)功能； 4、包含系統(tǒng)調試模塊。 5.字數(shù)

2、不少于4000字（包括圖）;不得抄襲, 否則責任自負,并作不及格處理;6. 按要求設計好封面，字體、段落和格式等嚴格按論文模板要求。電子文檔經(jīng)指導老師審查符合要求才能參加答辯。全部文件交系部統(tǒng)一電腦打印，并裝訂成冊; 9. 畢業(yè)論文（設計）都要求在畢業(yè)前進行答辯。學生可以參考一些專業(yè)性的雜志,掌握論文格式; 10. 實習報告或畢業(yè)設計具體要求見附表。三、時間要求： 1.于2010年下學期第15周前完成畢業(yè)設計; 2.答辯時間: 2010年 12 月 10 日。 目 錄 摘要31引言 32門禁系統(tǒng)的發(fā)展 33方案設計 43.1卡式門禁的選擇 43.2門禁系統(tǒng)的構成 54硬件設計 54.1非接觸式

3、ic卡門禁系統(tǒng)的構成54.2讀卡器 64.3讀寫芯片的選用 74.4非接觸式ic卡系統(tǒng)74.4.1非接觸式ic卡的特點74.4.2非接觸式ic卡的功能組成74.4.3射頻接口電路 84.4.4數(shù)字電路部分 94.5硬件框圖105軟件設計115.1編程語音的選用115.2主程序設計115.3mf rc500應用子程序135.3.1at89c52對mf rc500的初始化135.3.2at89c52對mf rc500的操作135.3.3at89c52對mf rc500的控制指令136結束語147參考文獻14基于ic卡的樓宇門禁系統(tǒng)的設計摘 要：本論文介紹了一種基于非接觸式ic卡的門禁管理系統(tǒng)，非接

4、觸式ic卡是ic卡領域的一項新興技術，它是射頻識別技術和ic卡技術相結合的產(chǎn)物。論文介紹了該門禁系統(tǒng)的硬件組成、軟件組成?？蔀槿耸?、保安等管理部門提供安全、實用、方便的管理。論文又詳細地闡述了射頻識別技術，非接觸式ic卡讀卡器的硬件和軟件設計。本論文系統(tǒng)分析了非接觸式ic卡門禁技術的發(fā)展狀況和非接觸式ic卡技術在門禁系統(tǒng)中使用的優(yōu)點，重點對射頻技術原理和射頻卡在門禁系統(tǒng)中的應用進行研究，分析比較了門禁系統(tǒng)的幾種方案，結合本系統(tǒng)的要求特點加以改進。關鍵詞：非接觸式ic卡 門禁系統(tǒng) 射頻技術1、引言隨著以人為本的社會生活意識的提高，越來越多的住戶對小區(qū)的安全防范意識也不斷的增強，實現(xiàn)小區(qū)管理的智能

5、化勢在必行。該系統(tǒng)無需鋪設通訊線路，相對而言成本低、可靠性高、便于維護，尤其利于現(xiàn)有老社區(qū)、舊辦公樓的智能化改造。門禁系統(tǒng)已成為發(fā)達國家和地區(qū)最主要的保安系統(tǒng)之一，和傳統(tǒng)的保安設備不同。門禁系統(tǒng)已由早期單純的門道及鑰匙管理，發(fā)展為一套完整的出入管理系統(tǒng)，并且通過采用先進的網(wǎng)絡技術，使整套系統(tǒng)的操作和自身資源的使用不再受時間和地域的限制。非接觸式ic卡門禁管理系統(tǒng)讀卡器是以非接觸ic卡射頻識別技術為核心，使用戶使用方便和管理方便為目的，具有高安全性、高可靠性的管理系統(tǒng)。非接觸式ic卡門禁管理系統(tǒng)已廣泛地應用于樓宇自動化、重要區(qū)域的通行等。2、門禁系統(tǒng)的發(fā)展出入口門禁系統(tǒng)顧名思義就是對出入口通道進

6、行管制的系統(tǒng)，它是在傳統(tǒng)的門鎖基礎上發(fā)展而來的。傳統(tǒng)的機械門鎖僅僅是單純的機械裝置，無論結構設計多么合理，材料多么堅固，人們總能用通過各種手段把它打開。在出入人很多的通道（如辦公室，酒店客房）鑰匙的管理很麻煩，鑰匙丟失或人員更換都要把鎖和鑰匙一起更換。為了解決這些問題，就出現(xiàn)了電子磁卡鎖，電子密碼鎖，這兩種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對出入口通道的管理程度，使通道管理進入了電子時代，但隨著這兩種電子鎖的不斷應用，它們本身的缺陷就逐漸暴露，磁卡鎖的問題是信息容易復制，卡片與讀卡機具之間磨損大，故障率高，安全系數(shù)低。密碼鎖的問題是密碼容易泄露，又無從查起，安全系數(shù)很低。同時這個時期的產(chǎn)品由于大多

7、采用讀卡部分（密碼輸入）與控制部分合在一起安裝在門外，很容易被人在室外打開鎖。這個時期的門禁系統(tǒng)還停留在早期不成熟階段，因此當時的門禁系統(tǒng)通常被人稱為電子鎖，應用也不廣泛。最近幾年隨著感應卡技術，生物識別技術的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進入了成熟期，出現(xiàn)了感應卡式門禁系統(tǒng)，指紋門禁系統(tǒng)，虹膜門禁系統(tǒng)，面部識別門禁系統(tǒng)，亂序鍵盤門禁系統(tǒng)等各種技術的系統(tǒng)，它們在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特長，門禁系統(tǒng)的應用領域也越來越廣。3、方案設計3.1、卡式門禁的選擇隨著感應卡技術，生物識別技術的發(fā)展，門禁系統(tǒng)得到了飛躍式的發(fā)展，進入了成熟期，出現(xiàn)了很多卡式門禁系統(tǒng)。安全防范意識也不斷的增強

8、，人們對于卡式門禁的選擇也有了很大的要求，為了達到最安全、最適用，所以對卡式的選擇也很重要。下表是幾種卡的比較：性能磁卡接觸式ic卡非接觸式ic卡信息載體磁性物質（磁條）eepromeeprom信息量較小大大讀取方式電磁轉換電擦寫無線通信保密性一般好好識別速度低低很快讀取距離接觸接觸遠使用壽命短長很長成本低較高較高多標簽同時識別不能不能能從上表可以看出，非接觸式ic卡是現(xiàn)今卡式門禁系統(tǒng)最好、最合適的選擇。所以本論文是采用非接觸式ic卡的門禁管理系統(tǒng)。非接觸式ic卡是ic卡領域的一項新興技術，它是射頻識別技術和ic卡技術相結合的產(chǎn)物。3.2、門禁系統(tǒng)構成門禁系統(tǒng)構成分為三部分：一是讀寫器部分，二

9、是中央控制電腦的軟件管理系統(tǒng)模塊，三是中央控制電腦與讀寫器之間的數(shù)據(jù)傳輸模塊。其系統(tǒng)框圖如圖1所示：樓層pc1樓層pc n電磁門鎖n門禁讀卡器1門禁讀卡器n電磁門鎖1電磁門鎖n門禁讀卡器n門禁讀卡器1電磁門鎖1管理中心服務器局域網(wǎng) 圖1 樓宇門禁系統(tǒng)框圖4、硬件設計采用philips公司的非接觸式ic卡mifare 1卡，以m1卡作為用戶卡，以用戶卡的序列號sn（全球唯一） 為依據(jù)控制門的開啟。硬件電路主要由mifare卡讀寫模塊zlg500a及天線、中央控制、數(shù)據(jù)傳輸、主控制器at89c52、鍵盤、顯示器、門禁記錄與授權卡號存儲器、時鐘電路以及電磁門鎖等部分組成，其硬件框圖如圖2所示： 主控

10、mcu單片機芯片（89c52）復位電路時鐘電路（ds1302）數(shù)據(jù)存儲電路傳輸模塊rs485中央控制電腦mcm500模塊天線液晶顯示鍵盤電鎖出門按鈕射頻卡圖2 門禁系統(tǒng)硬件框圖4.1、非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)的構成非接觸式ic卡門禁系統(tǒng)由非接觸式ic卡、讀卡器和pc管理機組成，此外還包括外部門禁設備。（1)讀卡器：是門禁系統(tǒng)的主要設備，直接與pc機通過rs一232串行口相連，只要有非接觸式ic卡進入讀卡器天線射頻能量范圍，讀卡器便通過射頻信號與ic卡通信，認證密碼，讀取卡中的數(shù)據(jù)，并將其存入計算機中。(2)非接觸式ic卡：相當于開門鑰匙，它是通過磁力線圈產(chǎn)生感應電流向讀卡器發(fā)射卡內(nèi)信息，完成讀卡

11、工作的。(3)pc管理機：門禁系統(tǒng)有不同的構成方案，一種是讀卡器不帶存儲器，pc機直接與讀卡器相連，讀卡信息實時地傳送給pc機。另一種是讀卡器獨立工作，內(nèi)部用較大的存儲器存放讀卡數(shù)據(jù)，采用采集器采集讀卡器中的數(shù)據(jù)，再傳送到pc管理機上。在本設計中采用的是第一種方案。(4)門禁設備：門禁設備由讀卡器中單片機的i/o口根據(jù)刷卡情況發(fā)出控制信號控制，密碼認證通過開門，否則不開門。在讀卡器上用喇叭來仿真。4.2、讀卡器門禁系統(tǒng)的關鍵部件是讀卡器，它由微處理器、外圍擴展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5v電源之后不僅可以讀卡而且可以與計算機進行通信。讀卡器是卡片與用戶之

12、問的橋梁，是一個數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，處理來自身份識別單元的數(shù)據(jù)。其內(nèi)部結構框圖如圖3所示。該讀卡器是針對philips公司mifare產(chǎn)品設計的，能夠讀寫mifare列的非接觸式ic卡。非接觸式ic卡讀卡器技術指標如下：(1)讀寫卡片類型：mifare；(2)天線可操作距離：天線的可操作距離為510cm；(3)卡片存儲容量：卡存儲eeprom大小為1k字節(jié)；(4)射頻輸出：通過功率匹配將天線線圈直接連接到功率輸出級；(5)供電電壓：5v士10(小于100ma)；(6)接口：標準rs232(讀卡器)。r232通信通信接口電源蜂鳴器驅動天線耦合電路天線單片機mifare讀寫芯片 圖3 非接觸式ic卡

13、讀卡器結構框圖4.3、讀寫芯片選用基于前面已經(jīng)選定philips公司的mifarel卡為本項目的射頻卡，因而射頻讀寫芯片也就在philips公司的芯片產(chǎn)品中挑選。mf rc530由于可以支持33v電源供電，一般多用于手持設備：mf rc531則多用于支持type b型卡的場合。而mf rc500的性價比最高，市場應用最為廣泛，購買也最方便。所以本項目決定選用mfrc500射頻讀寫芯片。mf rc500是基于1356mhz非接觸式通信模式、低成本、高集成、高性能的讀卡芯片，具有下列的特性：該芯片利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在1356mhz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持is

14、oflec 14443a所有的層， 內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線，最遠可達100mm。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于is014443a兼容的應答器信號。 數(shù)字部分處理is014443a幀和錯誤檢測。此外，它還支持快速crypt01加密算法用于驗證mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，這樣給讀卡器終端的設計提供了極大的靈活性。4.4、非接觸式ic卡系統(tǒng)4.4.1、非接觸式ic卡的特點非接觸式ic卡系統(tǒng)由非接觸式ic卡和非接觸式ic卡讀卡器構成。非接觸式ic卡與接觸式ic卡相比，有以下特點：可靠性高、壽命長操作快捷

15、便利動態(tài)處理成本較高安全性高4.4.2、非接觸式ic卡的功能組成本論文采用的非接觸式ic卡是philips公司的mifare 1卡。非接觸式ic卡的功能組成如圖4所示：卡片天線 波形轉換正弦波 方波整流調制/解調電壓調節(jié)上電復位能量clockdataatr請求模塊防重疊模塊選擇模塊認證模塊控制和算術單元ramrom數(shù)據(jù)加密單元接口存儲器射頻接口電路數(shù)字電路部分 圖4 非接觸式ic卡的功能組成圖4.4.3、射頻接口電路在射頻接口電路中，波形轉換模塊接收讀卡器上的1356mhz的無線電調制頻率，一方面送調制解調模塊，另一方面進行波形轉換，將正弦波轉換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調節(jié)模塊對電壓進

16、行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。在身份識別單元的設計中，只有確定了rfid卡，才能設計讀卡器等其余硬件。所以首先應根據(jù)系統(tǒng)的要求來選定rfid卡。系統(tǒng)的主要參數(shù)要求如下：工作頻率：1356mhz通信頻率：106k波特率防沖突：同一時間可處理多張卡讀寫距離：在100mm(與天線形狀有關)能方便、快速傳遞數(shù)據(jù)半雙工通信方式數(shù)據(jù)處理完整且安全典型處理時間小于200ms通過前面分析，目前我國國內(nèi)市場上philips公司的mifare 1卡及其芯片產(chǎn)品占有絕對的優(yōu)勢，結合本門禁系統(tǒng)的要求，考慮到產(chǎn)品的技術性能要求成熟可靠，安全保密性高，盡量選擇符合國際標準。最后確定選用phili

17、ps公司的性價比高的mifarel卡，讀寫芯片mf rc500，其特性完全符合本系統(tǒng)的各項要求。4.4.4、數(shù)字電路部分atr請求模塊：當一張卡片處在讀卡器天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀卡器向卡片發(fā)出request all(或request std)命令后，卡片的atr模塊將啟動，將卡片中的卡片類型號共2個字節(jié)傳送給讀卡器，建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡。如果不進行第一步的atr工作，讀卡器對卡片的其他操作(讀、寫等操作)將不會進行。anticollision防重疊模塊：防(卡片)重疊功能，如果有多張卡片處在讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時，anticollision模塊的防重疊功能將被啟動

18、工作。在程序員控制下的讀卡器將會首先與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張卡片都有其唯一的序列號，因此讀卡器根據(jù)卡片的序列號來識別已選的卡片，讀卡器中mfrc500芯片的anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀卡器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀卡器進行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準備與讀卡器進行通信。選擇模塊：主要用于卡片的選擇當卡片與讀卡器完成了上述的二個步驟，想要對卡片進步操作時，必須先對卡片進行“選擇”操作，以使卡片真正地被選中。被選中的卡片將存儲在卡片上的卡片的容量傳送給讀卡器。當讀卡器收

19、到信息后，就可以對卡片進行深一步的操作了。認證模塊：在確認了上述的三個步驟，確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設置的密碼進行認證，如果匹配，則允許進一步的讀、寫操作?？ㄆ嫌?6個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨立地應用于一個應用場合。整個卡片可以設計成“一卡通”形式來應用。三遍認證的令牌原理框圖如圖5所示：(c)(e)非接觸式ic卡讀寫器mifare 1卡片（a）rb(b)token ab(d)token ba 圖5 三次相互認證的令牌原理框圖5、軟件設計5.1、編程語言的選擇軟件是整個門禁控制系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的各項功能的

20、實現(xiàn)有賴于相應軟件的編制。而軟件編制先要選擇合適的編程語言。對at89c52單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)而言，所有的控制都是由單片機程序控制實現(xiàn)。c語言是一種通用的計算機程序設計語言，在國際上十分流行，它既可用來編寫計算機的系統(tǒng)程序，也可用來編寫一般的應用程序，用它編寫的程序，具有較好的可讀性可移植性。德國keil軟件公司的c51編譯器可以直接對8051單片機的內(nèi)部特殊功能寄存器io口進行操作，直接訪問片內(nèi)或片外存儲器，還可以進行各種位操作，能夠產(chǎn)生簡潔、高效率的程序代碼，在代碼質量上可以與匯編語言相媲美。因此在本讀卡器中使用c語言進行程序設計。5.2、主程序設計軟件主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，主要完

21、成初始化，控制程序的流向，調用子程序等功能。其工作流程如圖6所示。上電復位后，程序開始運行。首先是初始化的工作。包括：單片機i/o口及內(nèi)部寄存器變量初始化，使整個系統(tǒng)處于一個確定的工作狀態(tài)。 定時器to和t1的初值的設置：定時計數(shù)器tl用作串口通信的波特率發(fā)生器，波特率為9600bits；定時計數(shù)器t0用作定時計數(shù)器，定時時間為65ms。 中斷請求控制寄存器的設置，包括定時計數(shù)器的中斷標志、外中斷1的觸發(fā)方式控制位、串行發(fā)送接收中斷標志、中斷的使能。led顯示器工作狀態(tài)寄存器的設置，包括譯碼方式選擇、亮度調節(jié)、掃描位數(shù)設定、待機開關。 讀卡芯片工作寄存器的設置，包括緩沖區(qū)、天線、詢卡操作的相關

22、寄存器的設置。然后進入循環(huán)狀態(tài)，依次詢問是否需要回鈴、呼叫用戶、設置管理rfid卡(新卡注冊或舊注銷)等。開始選擇卡片yn讀卡寫卡是寫卡 初始化尋卡有卡防沖突ny 驗證 圖6 主程序工作流程圖 5.3、mf rc500應用子程序設計單片機對mifare非接觸式智能卡的控制是通過mf rc500來實現(xiàn)的，mf rc500是單片機和mifar目接觸式智能卡之間的通信載體。單片機對mf rc500的控制是以單片機發(fā)出mf rc500的指令來達到的，mf rc500收到指令之后執(zhí)行這些指令。單片機對mfrc500的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，必須有一個程序的序列來完成，其中有對mf rc

23、500硬件內(nèi)核寄存器的讀、寫以及根據(jù)讀出的硬件內(nèi)核寄存器的內(nèi)容進行語言軟件上的判斷和設置。5.31、at89c52對mf rc500的初始化寫41h到寄存器rxcontrol2： 譯碼源來自內(nèi)部寫5bh到寄存器txcontrol： 使能txl和tx2腳，設置調制源來自內(nèi)部寫adh到寄存器bitphase： 設置天線的位相值寫ooh到寄存器mfoutselect： 設mfout引腳為低電平5.32、at89c52對mf rc500的操作at89c52是通過對mf rc500的控制來實現(xiàn)對mi fare l卡的讀寫操作，所以在軟件上我們首先要設計好at89c52對mf rc500的控制，主要有以下三方面：(1)設置mf rc500的狀態(tài)：(2)通過讀mf rc500的狀態(tài)標志來監(jiān)視mf rc500的工作情況；(3)發(fā)送命令，要求mf rc500執(zhí)行相應的動作。實現(xiàn)上述的控制操作都是通過讀寫mf rc500的寄存器來實現(xiàn)的：設置mfrc500就是設置寄存器的某些位；監(jiān)測mf rcs00即讀狀態(tài)寄存器的標志位；執(zhí)行命令要向命令寄存器寫入命令代碼以及通過fifo緩沖寄存器向緩沖區(qū)寫入令參數(shù)。5.33、at89c52對mf rcs00的控制指令at89c52對mf