基于51單片機的rfid門禁系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計課題名稱基于51單片機的RFID門禁系統(tǒng)-32-RFID門禁系統(tǒng)理論2.1射頻識別技術(shù)及其原理2.1.1射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification）是從八十年代逐漸走向成熟的一種自動識別技術(shù)，它是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。射頻識別是無線電識別的簡稱，它源于無線電通信技術(shù)，綜合了現(xiàn)代計算機智能控制、智能識別等高新技術(shù)，順應(yīng)了電子商務(wù)、交通運輸、物流管理的發(fā)展需要。是當前最受人們關(guān)注的技術(shù)之一。射頻識別技術(shù)具有非接觸、自動完成識別過程、不易損壞、可識別高速運動物體、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)點，極大地加速了有關(guān)信息的收集和處理，在近年來獲得了極為迅速的發(fā)展[3]。2.1.2射頻識別技術(shù)原理通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成的，如圖2-1所示：圖2-1射頻識別系統(tǒng)原理圖其中，讀寫器一般作為計算機終端，用來實現(xiàn)對RFID卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而RFID卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路芯片及其外接天線組成，其中RFID卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID卡進入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進行信息處理，所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器。可見，RFID卡與讀寫器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無源的RFID卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了RFID卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式[4]。2.2RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)射頻識別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：主要是由兩部份組成：讀寫器和射頻卡。圖2-2RFID系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)讀寫器同RFID卡之間通過無線方式通訊，因此它們都有無線收發(fā)模塊及天線（或感應(yīng)線圈）。RFID卡中有存儲器，內(nèi)存容量為幾個比特到幾十千比特。可以存儲永久性數(shù)據(jù)和非永久性數(shù)據(jù)。永久性數(shù)據(jù)可以是RFID卡序列號，它是用來作為RFID卡的唯一身份標識，不能更改；非永久性數(shù)據(jù)寫在EEPROM等可重寫的存儲器內(nèi)，用以存儲用戶數(shù)據(jù)。RFID卡可以根據(jù)讀寫器發(fā)出的指令對這些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的實時讀寫操作。控制模塊完成接收、譯碼及執(zhí)行讀寫器的命令，控制讀寫數(shù)據(jù)，負責數(shù)據(jù)安全等功能。RFID卡分無源卡和有源卡兩種，有源卡內(nèi)置天線和電池，而無源卡只有內(nèi)置天線沒有電池，其能量由讀寫器提供，由于無源卡無需電池因此其尺寸較小且使用壽命長，應(yīng)用越來越廣泛。讀寫器內(nèi)的控制模塊往往具有很強的處理功能，除了完成控制射頻卡工作的任務(wù)，還要實現(xiàn)相互認證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯、出錯報警及與計算機通信等功能。計算機的功能是向讀寫器發(fā)送指令，并與讀寫器之間進行數(shù)據(jù)交換[5]。2.3RFID門禁系統(tǒng)設(shè)計基本原則門禁系統(tǒng)作為一項先進的高科技技術(shù)防范手段，在經(jīng)濟發(fā)達國家的智能大廈及酒店、銀行、醫(yī)療監(jiān)護、監(jiān)獄等得到了廣泛應(yīng)用，特別是由于系統(tǒng)本身具有隱蔽性、及時性等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。門禁系統(tǒng)既要處于技術(shù)的尖端，具有智能性、高可靠性、實時性，又要能符合實際需要。因此，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循下列原則：(1)實用性：門禁系統(tǒng)的內(nèi)容應(yīng)符合實際需要，不能華而不實。如果片面追求系統(tǒng)的超前性，勢必造成投資過大，離實際需要偏離太遠。因此，系統(tǒng)的實用性是首先應(yīng)遵循的第一原則。實時性：如果門禁系統(tǒng)中任何一個關(guān)鍵系統(tǒng)出現(xiàn)差錯或停機將直接影響到整個系統(tǒng)的運作情況。因此，門禁系統(tǒng)各子系統(tǒng)應(yīng)盡可能屬于不停機系統(tǒng)，以保證工作正常運行。(3)完整性：一個完整的門禁系統(tǒng)是建筑整體形象的重要標志。功能完善，設(shè)備齊全，管理方便是設(shè)計應(yīng)考慮的一個因素。(4)系統(tǒng)的安全性：門禁系統(tǒng)中的所有設(shè)備及配件在性能安全可靠運轉(zhuǎn)的同時，還應(yīng)符合中國或國際有關(guān)的安全標準，并可在非理想環(huán)境下有效工作另外，系統(tǒng)安全性還應(yīng)體現(xiàn)在信息傳輸及使用過程中，不易被劫獲和竊取等方面。(5)可擴展性：門禁系統(tǒng)的技術(shù)不斷向前發(fā)展，用戶需求也在發(fā)生變化因此門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實施應(yīng)考慮到將來可擴展的實際需要，亦即：可靈活增減或更新各個子系統(tǒng)，滿足不同時期的需要，保持長時間領(lǐng)先地位，成為智能建筑的典范。系統(tǒng)設(shè)計時，對需要實現(xiàn)的功能進行了合理配置，并且這種配置是可以改變的，設(shè)置甚至在工程完成后，這種配置的改變也是可能的和方便的。系統(tǒng)軟件根據(jù)需求進行相應(yīng)的升級和完善。(6)易維護性：即可工作，插上就能運行的程度。從計算機的配置到系統(tǒng)的配置，都充分仔細地考慮了系統(tǒng)可靠性"在做到系統(tǒng)故障率最低的同時，也要考慮到即使因為意想不到的原因而發(fā)生問題時，保證數(shù)據(jù)的方便保存和快速恢復(fù)，并且保證緊急時能迅速地打開通道。整個系統(tǒng)的維護是在線式的，不會因為部分設(shè)備的維護，而停止所有設(shè)備的正常運作。(7)穩(wěn)定性：門禁系統(tǒng)和我們的生活和工作聯(lián)系非常緊密，門禁系統(tǒng)的職能是保護人身和財產(chǎn)的安全，一旦系統(tǒng)開始工作就要求連續(xù)不間斷的運行，所以穩(wěn)定性對于門禁系統(tǒng)來說就顯得非常重要[6]。2.4本章小結(jié)本章主要說明了基于RFID門禁系統(tǒng)設(shè)計的理論知識，首先概述了射頻識別技術(shù)，說明了它的工作原理并介紹了RFID系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)，此外還介紹了門禁系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，包括：實用性、實時性、完整性、安全性、可擴展性、易維護性、穩(wěn)定性，最后并提出了論文擬解決的關(guān)鍵問題且給出了解決方法。RFID門禁系統(tǒng)電路設(shè)計3.1RFID門禁系統(tǒng)原理及電路設(shè)計主框圖此次設(shè)計的門禁系統(tǒng)主要有讀卡模塊、單片機控制模塊、步進電機電路、紅外傳感器模塊、存儲模塊、定時器、蜂鳴器提示電路、顯示電路。其中高頻讀卡器模塊FM1702Sl能讀寫荷蘭Philips公司的Mifare非接觸式RFID卡，讀卡距離約10cm?？刂颇K采用STC89C52RC單片機，它具有8K可編程Flash存儲器。單片機與讀卡器通信是采用SPI通信。其硬件主框圖如圖所示：51單片機51單片機刷卡模塊RFID卡鍵盤輸入電源供電晶振、復(fù)位電路步進電機紅外傳感器存儲器LCD1602時鐘芯片圖3-1門禁系統(tǒng)硬件主框圖3.2FM1702SL讀卡器FM1702SL是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的，基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6微米CMOSEEPROM工藝，支持ISO14443typeA協(xié)議，支持MIFARE標準的加密算法。芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，只需最少量的外圍電路就可以工作，支持SPI接口，數(shù)字電路具有TTL、CMOS兩種電壓工作模式。該芯片的三路電源都可適用于低電壓?？杉嫒軵hilips的RC500、RC530、RC531及RC632等讀卡機芯片。芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，只需最少量的外圍電路就可以工作，支持6種微處理器接口，數(shù)字電路具有TTL、CMOS兩種電壓工作模式。適用于各類計費系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。尤其FM17XXL系列芯片，其三路電源的最低工作電壓均可達2.9V，這一特性優(yōu)于其他公司的同類產(chǎn)品[7]。圖3-2FM1702Sl讀卡器實物圖圖3-2為FM1702SL讀卡器實物圖。本文中FM1702Sl讀卡器主要是通過SPI總線協(xié)議，下面主要對它進行介紹。3.2.1SPI總線協(xié)議SPI（SerialPeripheralInterface串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一個同步串行外設(shè)接口。它允許CPU與各種外圍接口器件以串行方式進行通訊，交換信息。外圍接口器件包括簡單的TTL移位寄存器（用作并行輸入或輸出）、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、實時時鐘（RTO）、存儲器以及LCD和LED顯示驅(qū)動器等。SPI系統(tǒng)可與各個廠家生產(chǎn)的多種標準SPI外圍器件直接接口，它使用四條線：串行時鐘（SCK），主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出數(shù)據(jù)線（MISO），主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入數(shù)據(jù)線（MOSI）和低電平有效的從設(shè)備選通線。由于SPI系統(tǒng)總線只需3～4根數(shù)據(jù)線和控制線即可擴展具有SPI接口的各種I/O器件，而并行總線擴展方法需8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因而SPI總線的使用可以簡化電路設(shè)計，提高設(shè)計的可靠性[8]。圖3-3SPI工作原理圖SPI工作原理示意圖見圖3-3。電路包括3個主要部分：移位寄存器、發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。其中，發(fā)送緩沖區(qū)與數(shù)據(jù)總線相連，可以由用戶程序?qū)懭胗l(fā)送的數(shù)據(jù)，然后自動向移位寄存器裝載數(shù)據(jù)；接收緩沖器也與數(shù)據(jù)總線相連，可以由用戶程序讀取接收到的數(shù)據(jù)。移位寄存器負責收發(fā)數(shù)據(jù)，他有移入和移出兩個端口，分別與收和發(fā)兩條通信線路連接，與通信對端單片機的移位寄存器，恰好構(gòu)成一個“環(huán)形”結(jié)構(gòu)。SPI接口工作可分為半雙工通信和全雙工通信兩種操作過程。下面以全雙工通訊為例說明SPI工作的操作過程。首先主機把欲發(fā)送給從機的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器A，隨即該數(shù)據(jù)被自動裝入移位寄存器A；同時從機把欲發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器B隨即該數(shù)據(jù)被自動裝入移位寄存器B。然后主機啟動發(fā)送過程，送出時鐘脈沖信號，寄存器A中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MOSI線一位一位地移入寄存器B；同時，寄存器B中的數(shù)據(jù)經(jīng)過MISO線一位一位的移入寄存器A。其次在8個時鐘脈沖過后，時鐘停頓，寄存器A中的8位數(shù)據(jù)全部移入寄存器B，隨即又被自動裝入接收緩沖器B，并且將從機接收緩沖器B滿標志位置1。同理，寄存器B中的8位數(shù)據(jù)全部移入寄存器A，隨即又被自動裝入接收緩沖器A，并且將主機接收緩沖器A滿標志位置1。最后主機CPU檢測到接收緩沖器A滿標志位后，就可以讀取接收緩沖器A；同樣從機CPU檢測到接收緩沖器B滿標志位后，就可以讀取接收緩沖器B。完成一個字節(jié)的互換通信過程。3.3Mifare射頻卡介紹本文中采用的RFID卡為Mifare卡，其核心是Philips公司的Mifare1ICS50系列微芯片。卡片上無源，工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號禍合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達2V以上，供卡片上IC工作。工作頻率13.56MHZ。Mifare的主要指標：1)容量為8K位EEPROM2)分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位3)每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制4)每張卡有唯一序列號，為32位5)具有防沖突機制，支持多卡操作6)無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路7)數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次8)工作頻率:13.56MHZ9)通信速率:106KBPS10)讀寫距離:10mm以內(nèi)（與讀寫器有關(guān)）首先卡與讀寫器的通訊為：(1)復(fù)位應(yīng)答Mifare卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當有卡片進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為M1射頻卡，即驗證卡片的卡型。(2)防沖突機制當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過程會返回被選卡的序列號。(3)選擇卡片選擇被選中的卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。(4)三次互相確認選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時，則必須進行另一扇區(qū)密碼校驗。）其次系統(tǒng)的工作方式為：STC89C52RC控制FM1702SL，驅(qū)動天線對Mifare卡進行讀寫操作；然后根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其他器件進行操作，如當刷卡成功時要把卡號存到存儲器EEPROM，以便判斷卡號是否合法刷卡開門。整個系統(tǒng)由5V電源供電。最后它的工作原理為：系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在無源Mifare中。讀寫器的主要任務(wù)是傳輸能量給Mifare卡，并建立與之的通信。單片機控制FM1702SL，讀取RFID中的卡號，單片機再控制存儲器EEPROM將其接收到的卡號保存，這就是注冊模式。在正常情況下讀卡器一只檢測是否刷卡，并判斷RFID卡是否合法，已注冊的卡則可以開門，式步進電機轉(zhuǎn)動[9]。3.4串行EEPROM存儲電路基于RFID的門禁系統(tǒng)要求實現(xiàn)RFID卡的登記（注冊），單片機通過讀卡模塊FM1702Sl可以讀出RFID卡中卡號，要想實現(xiàn)RFID卡的注冊，只要把讀出的卡號保存起來，下次再刷卡時則與保存起來的卡號對比，如果相同則說明是已注冊過的RFID卡，即注冊過的卡具有合法性可以開門。因此要把卡號存入存儲器EEPROM中，實現(xiàn)對于RFID卡的登記。存儲器有并行存儲器和串行存儲器之分，其中并行存儲器存儲容量較大，數(shù)據(jù)傳送速度快、效率高，但芯片體積大、而且長時間的工作會造成大量打發(fā)熱，管腳多、需要占用CPU大量的I/O口，外部擴展復(fù)雜。然而串行存儲器體積小，與CPU接口簡單，一般只要占用CPU的2至3個I/O端口。在由上比較，此次設(shè)計中我們選用串行存儲器。在此設(shè)計中選用AT24C02，它與更高容量的存儲器兼容，出現(xiàn)問題時易于更換。AT24C02由SCL、SDA引腳進行串行通信的讀寫存儲器。AT24C02與單片機的接口電路如圖所示：圖3-4AT24C02與單片機連接電路AT24C02與單片機連接的線是：1)SCL接單片機的P2.1，同步時鐘輸入。2)SDA接單片機的P2.0，串行數(shù)據(jù)輸入/輸出。3)WE接地，寫保護腳，WE=0芯片允許讀寫操作。4)E0，E1，E2接地，芯片地址引腳，都要接固定電平。3.4.1EEPROM存儲器接口存儲器AT24C02為8引腳DIP封裝，管腳的含義：1)E0到E2是地址輸入線，為硬連線，通過這個地址單片機最多可尋址8個AT24C02，8個芯片都有固定的地址，分別對應(yīng)E0，El，E2為000到111，我們用E0E1E2=000。2)SDA是雙向串行數(shù)據(jù)/地址腳，用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，SDA是一個開漏輸出管腳，可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進行線或（Wire-OR）。3)SCL是串行時鐘輸入線，用于產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘。4)WE是寫保護線，接到VCC為存儲器寫保護，接地為允許讀寫操作。3.4.2I2C總線協(xié)議I2C（Intel-IntegratedCircuit）總線是荷蘭Philips公司于八十年代初推出的一種芯片間串行總線擴展技術(shù)。它用兩根線（數(shù)據(jù)線SDA、時鐘線SCL）可以完成總線上主機與器件的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送。每一個時鐘脈沖傳輸一位數(shù)據(jù)，在標準模式下可達100kbit/s，高速模式下可達400kbit/s。1)SDA和SCL兩線都是高電平定義為總線空閑狀態(tài)。2)只有在總線空閑時才允許啟動數(shù)據(jù)傳送。3)在數(shù)據(jù)傳送過程中，SCL為高，SDA狀態(tài)必須保持穩(wěn)定：SCL為低才允許SDA狀態(tài)變化。4)SCL為高時SDA的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號。SCL保持高電平期間，SDA出現(xiàn)由高到低的跳變作為I2C總線的起始信號，出現(xiàn)山低到高的跳變作為I2C總線的停止信號。起停信號由主器件發(fā)出。5)串行數(shù)據(jù)首先傳送最高位，每傳送一個字節(jié)后必須跟一個應(yīng)答位。低電平為應(yīng)答信號，高電平為非應(yīng)答信號。6)接收器輸出應(yīng)答信號時，發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線（SDA為高）芯片接收到停止信號后置于低功耗的備用方式（StandbyMode），起始/停止時序見圖3-5所示[10]。圖3-5數(shù)據(jù)傳輸起始/停止時序3.5時鐘芯片此次門禁系統(tǒng)設(shè)計要求能夠?qū)崿F(xiàn)期限管理，即對于RFID卡實現(xiàn)期限管理，本已注冊過的RFID卡在一段時間之后會無法開門，它的合法性受到時間的限制。因此要想實現(xiàn)此功能需加入時鐘芯片達到計時效果，門禁系統(tǒng)開機后，時鐘芯片便會計時，可以在程序中設(shè)定時間當時鐘芯片到達指定時間后，便會使存儲器清空，清除注冊過的卡號，從而達到RFID卡的期限管理效果。本次實際中所用到的時鐘芯片是DS1302，DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片DS1302，它擁有31個字節(jié)的靜態(tài)RAM和實時時間，通過簡單的串行接口連接可以與單片機進行實時時鐘通信。提供秒、分、時日、日期、月及年份信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)都會系統(tǒng)自動調(diào)整計算。時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24或12小時格式。DS1302時鐘芯片與單片機之間的信息傳遞通過簡單地同步串行的方式進行通信，僅需用到RES復(fù)位、I/O數(shù)據(jù)線、SCLK串行時鐘。時鐘的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多個個字節(jié)、最高可達到滿狀態(tài)的31字節(jié)的字符組方式通信。其與單片機的連接方式如圖3-6所示：圖3-6時鐘芯片與單片機連接電路DS1302的引腳圖及外圍的電路如圖3-6所示，X1X2接32.768KHz晶振，為時鐘芯片提供時鐘脈沖。復(fù)位腳CE、數(shù)據(jù)I/O及串行時鐘引腳SCLK，VCC1，VCC2接電管腳，VCC2接+5V系統(tǒng)電源，VCC1接系統(tǒng)備用電源。對與單片機的時間進行實時通信采用串行通信方式，CE為通信允許信號，當CE=1允許進行實時通訊，CE=0時禁止通信；I/O為雙向串行數(shù)據(jù)傳送信號，SCLK為串行數(shù)據(jù)的位同步脈沖信號。實時時鐘芯片DS1302通過CE、SCLK和I/O三個管腳與單片機實現(xiàn)兩芯片間的實時數(shù)據(jù)傳送[11]。3.6步進電機電路本文所做的是用51單片機實現(xiàn)基于RFID的門禁系統(tǒng)設(shè)計，顧名思義門禁系統(tǒng)要用RFID卡來控制門的開與關(guān)，因此本文中用步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)門的開與關(guān)。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得步進電機在速度、位置等控制領(lǐng)域的控制操作非常簡單。本次設(shè)計使用的是達林頓驅(qū)動器ULN2003來驅(qū)動步進電機，使用的是五線四相異步電機，其驅(qū)動電路如圖3-7所示。圖3-7步進電機驅(qū)動電路3.7紅外傳感器當RFID卡能夠開門時，即該卡已經(jīng)被注冊后，再次刷卡后步進電機就會轉(zhuǎn)動模擬開門效果，然而開門之后什么時候關(guān)門便值得思考。一定要保證刷卡者確實已通過，不會造成在進門過程中突然關(guān)門，因此要加入紅外傳感器時時監(jiān)測是否刷卡者已通過，當檢測不到障礙物時才使步進電機反轉(zhuǎn)回原來位置，形成關(guān)門效果。圖3-8紅外傳感器實物圖該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（放射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓3.3V～5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用非常方便等特點[12]。3.8本章小結(jié)本章主要介紹了基于RFID門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計。首先從總體上說明了門禁系統(tǒng)的工作原理，并且給出了硬件電路主框圖，把硬件分成了幾個模塊；然后分別細致的介紹了主要模塊的硬件設(shè)計，包括讀卡器模塊FM1702SL、Mifare射頻卡、存儲器EEPROM：AT24C02、時鐘芯片DS1302、步進電機和紅外傳感器所組成的開門電路。除此之外還詳細介紹了所用到的兩個重要協(xié)議：SPI總線協(xié)議和I2C總線協(xié)議。

RFID門禁系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1RFID門禁系統(tǒng)軟件模塊框圖本次門禁系統(tǒng)設(shè)計中的程序是由多個模塊組合起來的，有LCD1602液晶顯示模塊來進行顯示操作，由于要實現(xiàn)期限管理，所以要有定時器DS1302時間記錄模塊。此外，因為要把卡號存入存儲器EEPROM中，所以有存儲模塊程序。該設(shè)計用步進電機和紅外傳感器模擬開門，所以有開門模塊。LCD1602顯示模塊LCD1602顯示模塊刷卡模塊存儲模塊對比卡號是否合法開門模塊按鍵模塊定時器模塊圖4-1門禁系統(tǒng)軟件控制模塊結(jié)構(gòu)圖4.2門禁系統(tǒng)主程序介紹編寫門禁系統(tǒng)的程序首先要編寫核心程序，門禁系統(tǒng)工作的核心內(nèi)容就是刷卡，門禁系統(tǒng)從本質(zhì)上來說就是刷卡開門，只有能夠刷卡后，才能對其他器件進行操作，一步一步拓展，不斷完善其他功能。因此門禁系統(tǒng)的主程序就是刷卡開門，而刷卡程序是按固定順序執(zhí)行的，主要流程圖如4-2所示。開始開始初始化系統(tǒng)等待刷卡是否有卡？NY是否開門？N開門Y關(guān)門圖4-2門禁系統(tǒng)工作主程序流程圖4.3讀卡過程及程序設(shè)計流程圖讀卡器軟件編程實現(xiàn)對RFID卡的一系列操作，主要有：防沖突程序、卡片的讀寫程序以及對卡片數(shù)據(jù)塊的操作等。讀卡程序的設(shè)計思想是在上電初始化后，射頻場一旦檢測有Mifare卡進入射頻天線的有效范圍，讀卡程序按順序啟動防沖突程序和認證程序，驗證成功后最后操作卡片讀寫程序。程序流程圖見圖4-3所示。開始開始尋卡選擇卡片防沖突寫卡讀卡是否有卡？YN驗證N是否寫卡？Y啟動串口圖4-3讀卡過程程序流程圖下面介紹其中的幾個主要過程：4.3.1尋卡由于Mifare1卡是一種以被動方式工作的卡，進入射頻區(qū)的Mifare卡上電后進入IDLE狀態(tài)，它通過吸收感應(yīng)區(qū)內(nèi)的磁場能量進行工作，不會主動發(fā)出信號。讀卡器必須不間斷地向外發(fā)出請求信號，符合條件的卡只有在接收到請求信號之后才會進行響應(yīng)（應(yīng)稱為響應(yīng)卡）。程序中用函數(shù)不斷向外循環(huán)發(fā)請求信號，檢查感應(yīng)區(qū)是否有符合條件的卡，一旦有符合條件的卡進入并被選中，程序退出循環(huán)請求過程，進入防沖突過程。4.3.2防沖突所謂防沖突又叫做防碰撞、防重疊，就是從多張進入感應(yīng)區(qū)的卡中選出一張來進行操作。如果只有一張進入感應(yīng)區(qū)，并且已經(jīng)知道了卡的序列號，則可跳過此步，直接進入選卡命令，若不知道卡的序列號，則必須調(diào)用防沖突函數(shù)AntiColl()，以得到感應(yīng)區(qū)內(nèi)卡的序列號。若同時有多張卡在感應(yīng)區(qū)內(nèi)，防沖突函數(shù)能夠選擇其中的一張卡并得到其序列號。防沖突指令只是獲得一張Mifare卡的序列號，并沒有真正選中這張卡。選中卡應(yīng)由Select_Card()函數(shù)完成。序列號為40位長5個字節(jié)，實際有意義的只有前4個字節(jié)，最后一個字節(jié)是序列號的異或校驗的校驗碼，在獲得序列號之后，一般應(yīng)在程序中對所接收到的序列號進行校驗，以確保數(shù)據(jù)的正確性。4.3.3選擇卡片選擇卡片就是根據(jù)已知的序列號讀出卡的容量編碼。只有經(jīng)過這一步驟后才算真正選中了一張卡，以后的操作都對這張卡進行。選擇卡片指令是很重要的，而且必須首先被使用，因為卡片只有先被選中了，然后才能進行讀、寫等操作。選擇卡片過程是通過Select_Card()函數(shù)實現(xiàn)的。4.3.4驗證在對所選Mifare卡進行讀、寫之前，必需對Mifare卡進行驗證，也即檢查卡的合法性，這可以通過將存儲在FM1702SLRAM中的密碼集中的一組密碼與Mifare卡片上的密碼進行比較實現(xiàn)，如果它們匹配，說明所選Mifare卡合法，則卡的驗證成功，允許對卡進行讀、寫操作。驗證卡片的過程是通過Authentication()函數(shù)實現(xiàn)的。4.3.5讀取卡號如果完成了前面幾個步驟，說明所選卡是本系統(tǒng)的卡，就可以對Mifare卡正常進行讀、寫了。讀卡函數(shù)MIF_READ()從已通過密碼驗證的扇區(qū)中讀取一個數(shù)據(jù)塊，共16個字節(jié)，其中前面幾個字節(jié)即為卡號（1個字節(jié)表示2位卡號，本系統(tǒng)卡號長度為10，所以需要前面5個字節(jié)）。4.3.6卡掛起當對卡中的數(shù)據(jù)處理完后，程序應(yīng)使卡處于掛起狀態(tài)，此時即使卡在感應(yīng)區(qū)域，讀卡器也不會再對該卡進行任何操作。4.4其他程序設(shè)計流程圖4.4.1LCD1602顯示程序設(shè)計顯示程序的主要功能是對當前的門禁控制狀態(tài)顯示及執(zhí)行STC89C52RC發(fā)出的顯示指令，LCD1602液晶模塊的讀寫操作，屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。它可以給用戶清楚地顯示門禁系統(tǒng)狀態(tài)，易于操作，起到了人機交互的作用。由于液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，在系統(tǒng)每發(fā)出一個控制指令時，系統(tǒng)首先判斷是否忙碌，如果不忙碌則執(zhí)行詞條命令，如果是忙碌狀態(tài)則取消此條控指令。圖4-4是1602的內(nèi)部顯示地址：圖4-4LCD1602內(nèi)部顯示地址LCD1602液晶顯示模塊顯示程序流程圖：開始開始液晶初始化設(shè)置第一行數(shù)據(jù)顯示地址顯示第一行數(shù)據(jù)延時設(shè)置第二行數(shù)據(jù)顯示地址顯示第二行數(shù)據(jù)延時、清屏結(jié)束圖4-5LCD1602程序設(shè)計流程圖4.4.2按鍵控制程序設(shè)計由于本次門禁系統(tǒng)設(shè)計要對RFID卡進行注冊，識別，并且有期限管理等多種操作，所以要通過按鍵來實現(xiàn)多種模式的切換，圖4-6是用按鍵控制門禁系統(tǒng)的程序流程圖：開始開始等待刷卡進入注冊模式是否按K1?Y清除存儲器N是否按K1?NY是否按K1?進入清除模式Y(jié)N是否按K2?NY圖4-6按鍵模塊程序流程圖4.4.3定時器模塊程序設(shè)計該門禁系統(tǒng)不但要求能夠清除卡號，而且要有期限管理來控制RFID卡的合法性，也就是說要使已經(jīng)合法的RFID卡到一定時間之后會無法刷卡開門，因此我用定時器DS1302來完成此項功能。給定時器設(shè)定一個初始時間，門禁系統(tǒng)開始運行時定時器時間開始增加，程序中設(shè)置一段時間，當?shù)竭_設(shè)定時間時單片機就會控制存儲器EEPROM使存儲內(nèi)容清除，從而使RFID卡無法開門，達到期限管理的目的。開始開始定時器開始計時等待刷卡定時器是否到達指定時間？N清除存儲器數(shù)據(jù)Y結(jié)束等待刷卡圖4-7定時器模塊程序流程圖4.4.4存儲程序設(shè)計存儲器EEPROM采用AT24C02，主要的用途是把在注冊模式下所刷的RFID卡的卡號保存起來，使RFID卡合法化。已經(jīng)保存的卡號則為合法卡，可以開門。保存卡號的過程是在注冊模式下完成的，當LCD1602顯示“RegisterMode”此時刷卡存儲器便會保存卡號完成注冊，其程序流程圖如下圖所示：開始開始初始化系統(tǒng)等待刷卡是否在注冊模式？NY再次刷卡開門結(jié)束刷卡只顯示卡號不開門刷卡保存卡號不開門圖4-8開門模塊程序流程圖4.4.5開門模塊程序設(shè)計本次門禁系統(tǒng)設(shè)計，采用步進電機轉(zhuǎn)動的方式來模擬刷卡之后的開門，但是我對開門之后什么時候關(guān)門這個問題思考了很久。因為必須等到刷卡者進入之后才可關(guān)門，不能太早關(guān)門，當然也不能刷卡者進入之后很長時間還沒有關(guān)門。最后決定加入紅外傳感器這個器件，他的輸出端與單片機I/O口相連，當他檢測到障礙物時輸出端會有一個低電平信號，此時單片機控制步進電機不關(guān)門即不回轉(zhuǎn)，而當是輸出端為高電平時則關(guān)門，形成一個開門系統(tǒng)。開始開始卡號合法延遲步進電機正轉(zhuǎn)開門保持開門狀態(tài)步進電機反轉(zhuǎn)，關(guān)門輸出端為高電平結(jié)束紅外傳感器是否檢測到障礙物？YN輸出端為低電平圖4-9開門模塊程序流程圖4.5程序編譯與調(diào)試Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起，本文中調(diào)試用的是Keil4.0a版本。4.5.1建立項目工程運行Keil程序后，點擊Project->NewProject菜單，輸入工程名稱，這里為RFID，在彈出的對話框中選擇目標單片機，Keil支持的單片機很多，這里我們選擇STC89C52芯片，確定后可以發(fā)現(xiàn)工程窗口出現(xiàn)“Target1”和下一層“Sourcegroup1”的文件層次，我們只要在Sourcegroup1下添加我們編寫的程序，如4-10所示。圖4-10建立工程4.5.2程序編譯調(diào)試在編好程序后就要進行編譯調(diào)試，首先在Project->Optionfortarget‘target1’的對話框中完成工程的詳細設(shè)置。在設(shè)置好工程后即可編譯鏈接，圖4-11為程序編譯結(jié)果：圖4-11程序編譯結(jié)果4.6本章小結(jié)本章主要論述了基于RFID門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計。首先給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖，大致說明了軟件設(shè)計的組成，然后給出了門禁系統(tǒng)的主流程圖，說明了門禁系統(tǒng)的實質(zhì)，即刷卡開門，重點分析了讀卡過程的軟件設(shè)計。此外，對LCD1602顯示程序、按鍵控制程序、定時器程序、存儲程序以及卡門程序，以流程圖的形式進行了說明。在最后簡單說明了程序在Keil中的編譯與調(diào)試情況。

結(jié)論本次我的畢業(yè)設(shè)計課題是“基于RFID的門禁系統(tǒng)設(shè)計”，經(jīng)過三個多月的不懈努力，我終于基本完成了畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)。我通過查閱大量相關(guān)技術(shù)和文獻資料，并多次進行實踐動手調(diào)試和問題探究，最后通過51單片機完成了基于RFID的門禁系統(tǒng)設(shè)計工作。設(shè)計初期查閱了大量資料，了解課題設(shè)計的內(nèi)容與基本原理，從而為門禁系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇打下基礎(chǔ)。在此次設(shè)計中我做了許多工作，硬件方面我不斷選取和比較，尋找合適的器件和電路連接，不斷嘗試性的完善功能，并且學(xué)習(xí)了Protel軟件，畫出了電路原理圖。軟件方面復(fù)習(xí)了C語言編程技巧，嘗試不斷的編寫及改善程序，熟練運用Keil軟件，一步一步不斷完善門禁系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。此次門禁系統(tǒng)設(shè)計完成了如下功能：首先可以通過按鍵控制使門禁系統(tǒng)有3中工作模式：刷卡模式；注冊模式；清除模式。然后可以通過把RFID卡卡號存入EEPROM的方式來完成RFID卡的注冊，當再次刷卡時單片機比較卡號，若卡號相同便會開門。其次由于要實現(xiàn)RFID卡的期限管理，因此可以通過時鐘芯片設(shè)置時間，當?shù)竭_指定時間便會清除存儲器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)期限管理。最后用步進電機轉(zhuǎn)動來模擬開門，并且加入紅外傳感器模塊，檢測刷卡者是否通過，以便選擇關(guān)門時間。雖然本次設(shè)計的門禁系統(tǒng)基本完成了設(shè)計時預(yù)想的功能，但由于時間，學(xué)識以及個人能力的限制所設(shè)計的門禁系統(tǒng)還存在許多不足，還有許多可以完善的地方，許多功能有待改進。參考文獻1周學(xué)葉，單承贛.基于RFID的門禁系統(tǒng)設(shè)計.安防科技，2009，12(1)：19～212翟德旭.基于射頻卡技術(shù)的智能門禁系統(tǒng).(碩士學(xué)位論文).黑龍江：黑龍江大學(xué)，2012，6～93WagnerM，MezgerM.AccessControlSystem.InformationSecurityFundamentals，2014，15(5):77～914張黎.基于RFID的教室門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).(碩士學(xué)位論文).華中師范大學(xué)，2012，132～1405程和生，丁路，王丹丹.基于Microchip公司的被動門禁系統(tǒng)分析與設(shè)計.計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，21(4):171～1746杜彬.基于射頻識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).機械工程與自動化，2013，12(3):181～1827李軍，戴瑜興，謝曉潔.基于FM1702SL的射頻卡電能表的設(shè)計.微計算機信息，2009，25(29):49～518PanSH,GuoYF,PanSM,etal.DesignofHandheldRFIDReaderBasedonMSP430.JournalofInnerMongoliaUniversity，2010，41(3):346～3509TurnerM，NaberJ.Thedesignofabi-directional，RFID-basedASICforinterfacingwithSPIbusperipherals.MidwestSymposiumonCircuits&Systems，2010，31(12):554～55710曾佳赟.I2C總線存儲器在DSP240平臺上應(yīng)用的軟件設(shè)計.電腦編程技巧與維護，2014，16(3):33～3511張寧丹，金桂.基于STC89C52單片機DS1302時鐘芯片定時開關(guān)的設(shè)計與仿真.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，7(8):4～612劉勇，陳祈邦，巫輝東.基于RFID技術(shù)的門禁系統(tǒng)研究.電子設(shè)計工程，2014，25(19)：85～91

致謝一個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計很快就要結(jié)束了，在此期間，我學(xué)到了一些更為實際的技巧和如何將理論運用到實際中的技巧。感謝謝老師在此期間對我的悉心指導(dǎo)和教誨。在此，我表示衷心地感謝。此次的畢業(yè)設(shè)計使我感觸很深，從對畢業(yè)課題的懵懂無知到整個畢業(yè)設(shè)計的完成，我翻閱了大量的資料，幾乎把兩年來的專業(yè)課本都翻遍了，從而不知不覺間也就將兩年來學(xué)的知識重新學(xué)了一遍，同時也將這些知識系統(tǒng)條理化了。在此期間，我遇到了很多的難題，比如單片機STC89C52的使用，Protel軟件的使用等等，感謝老師的耐心地指導(dǎo)才將其解決。在次感謝老師不辭辛勞地在我設(shè)計期間在理論和實踐各個方面對我的有益的建議和具體指導(dǎo)，老師誨人不倦的精神、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、平易近人的工作作風(fēng)、淵博的學(xué)識，使我欽佩不已，終生難忘。同時，感謝在做畢業(yè)設(shè)計期間，給予我?guī)椭耐瑢W(xué)和朋友致以謝意。因為我個人知識面的局限性，經(jīng)驗的缺乏，設(shè)計中某些細節(jié)難免有錯誤，文中難免有不當和疏漏之處。感謝百忙之中抽出寶貴時間為本文審閱的各位老師，望各位老師批評指正。基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)HYPERLINK"/