学位论文基于单片机的门禁系统设计论文.docx

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学位论文基于单片机的门禁系统设计论文

摘要

随着目前各公司对安全要求的提高，管理水平的不断提升，公司需要加强对进出人员的管理，门禁被许多公司采用。

但大多使用的都是单门禁，对于有很多出入通道的公司显然不适用，既不能做到统一管理也缺少了统计、查询和考勤等附加功能，与此同时目前市面上的智能门禁系统多是基于有线通信的方式实现的，具有布线复杂、成本高、定型后不利于重新布线、扩展等诸多缺陷。

无线通信方式则克服了有线通信的很多不利因素，因此基于无线通信方式的门禁系统是未来门禁系统的方展方向，本课题设计的就是基于单片机的无线通信联网门禁系统。

本文通过对国内外门禁系统技术发展动态以及技术难点的研究，首先提出一套适合写字楼安全管理的基于单片机的联网式门禁系统。

系统基于无线通信模式，采用基于RF射频模块的无线传输平台作为系统的无线传输方式。

硬件设计方面，系统采用的是简单实用的直线型网络结构，无线信号的收发核心模块选用的是选择性价比高、集成度高的RF射频模块RFM12。

软件设计中，用C语言编写单片机主要子程序易读性高，扩展性好。

通过VisualBasic建立合理人性化的人机界面，方面管理者使用。

该门禁系统性能价格比高，解决了写字楼管全管理门禁系统采用有线通信方式所存在的难以扩展、难以升级等问题。

关键词：

门禁系统，无线通信，非接触式IC卡

1绪论

1.1门禁系统简介

随着科学技术的不断发展，门禁系统在国内得到广泛的普及。

作为智能弱电系统中的一种安防系统，门禁系统集自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及光电，电子，机械，计算机，通讯，生物技术等诸多新技术，体现了现代智能化管理的要求[1]。

实际上，门禁系统就是在建筑物内外的出入口通过持有非接触式卡片来对人（或物）的进出实施放行，拒绝，记录等操作的智能化管理系统，为大门门禁控制，考勤管理，智能楼宇系统，高安全性出入口管理等安全，方便的实施出入控制。

门禁控制系统有时也称为出入监督智能系统，其功能是有效地管理门的开启与关闭，保证授权出入门人员的自由出入，限制未授权人员的进入，对暴力强行入门行为，予以报警。

同时可对出入人员分类管理，对出入区域分类管制，对出入人员代码，出入时间，出入号码进行登录与存储[2]。

电子门锁是近几年随着电子计算机技术，尤其是智能IC卡应用技术的提高发展起来的，随之而产生的接触式智能IC卡和密码键盘门禁系统也越来越被人们重视和使用。

电子计算机作为系统管理主机，通过联接系统的各个读卡器（即开门控制器）管理门锁。

智能IC卡具有存储运算功能，经初始化和授权后成为控制门锁开和关的特殊钥匙，从而便构成一个现代化的门禁系统。

从上面的描述，我们可以看到门禁系统发展完善的过程是现代科技与人类文明相结合而逐步完善的过程。

门禁系统以其优良的性能和方便、安全的操作为人类社会生产力的发展做出了重要的贡献。

但是目前的智能门禁系统大多数是基于有线通信的方式来实现的。

众所周知，有线通信具有安全、稳定性好、易于实现等优点；但同时有线通信方式具有初装费用高、施工时间长、无法移动、变更余地小、维护费用高、覆盖面积小、扩展困难等缺陷。

随着通信技术的发展，无线通信网络进入了一个新的天地。

功能强、容易安装、组网灵活、即插即用的网络连接、可移动性强等优点，使得无线网络提供了不受限制的应用。

网络管理人员可以迅速而容易地将其加入到现有网络中运行。

随着无线数据通信逐渐成为一种越来越重要的通信方式，人们设计出一种更安全有效、方便智能的门禁系统——无线门禁系统。

本课题针对人们对智能安防系统日益增长的追求，提出一套基于无线传输方式的门禁系统。

1.2门禁系统的发展过程及国内外现状分析

门禁系统是在传统门锁的基础上发展而来的，后者是机械装置，在人出入很多的地方，例如办公室，酒店等钥匙的管理造成不便。

随着电子技术的发展，这一问题得到了解决，出现了电子磁卡锁，电子密码锁等电子门禁系统，该系统提高了人们对出入口的管理程度。

又随着电子芯片的高度集成化和生物识别技术的发展，智能门禁系统得以出现。

以下是门禁系统的发展过程[3]：

第一代门禁：

键盘输入密码方式——会有因忘记密码而被拒之门外。

第二代门禁：

接触卡式门禁系统，例如：

（1）磁码卡，是把瓷质贴在朔料卡片上制成。

磁卡可改写，应用方便。

缺点是易消

磁，易磨损。

（2）铁码卡，是用特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧的原理制成，不易被复制。

第三代门禁：

非接触式IC卡门禁

卡片采用了先进半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在读卡器本身产生特殊震荡频率，当卡片进入读卡器能量范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信号到读卡器，经读卡器将收到信号转换成卡片资料，送到控制器进行判断、决策。

第四代门禁：

生物辨识门禁系统

它包括指纹机，掌纹机，视网膜辨别机和声音识别及人脸识别装置。

目前指纹识别门禁系统应用最为广泛。

IC卡是由一个或多个集成电路芯片组成，并封装成人们携带的卡片。

世界上第一张IC卡诞生于1974年一位名叫罗兰·莫雷诺（RolandMoreno）的法国工程师手中[6]。

随着集成电路技术的发展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技术的成熟，使得IC卡的生产、应用成为现实。

IC卡按使用方法和信息交换方式又可分为接触式IC卡和非接触式IC卡（射频卡）。

接触式IC卡是通过物理接触方式，将卡插入卡座后，与外界交换信息，所用集成电路芯片露在塑料卡外面的一面是一块含有电路脚的接触片，大部分都镀金[9]。

非接触式IC卡是通过电磁波与外界交换信息，带有射频收发及相关电路的芯片与环形天线全部埋在塑料基片中，在进行读写时，读写设备向射频卡发一组固定频率的电磁波，卡片内与读写设备发射频率相同的LC串联谐振电路，在电磁波的激励下产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内贮存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，从而完成将卡内数据发射出去或接收读写设备的数据[4]。

本课题选择非接触式IC卡门禁系统的设计，是因为与接触式IC卡相比较，非接触（感应）式IC卡具有以下优点：

（1）操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用户使用

（2）抗干扰性高非接触式IC卡中有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡同时进入读写范围内时，读写设备可一一对卡进行处理。

（3）可靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写而产生的各种故障.

（4）高安全性非接触式卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中，不可以更改；非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性，IC卡也要验证读写器的合法性。

（5）适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用，能应用于不同的场合或系统，例如，企业或机关内部员工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等；校园“一卡通”，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁“铜匙”等，此时用户可根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。

（6）适应于多种要求非接触式IC卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同，如用于高速公路或一般路、桥收费，可选用作用距离为0.6m—20m的系统，如用于电子钱包或公交收费，可选用作用距离仅几厘米的系统。

系统配置相当灵活多样。

正是由于非接触式IC卡的上述特点，使它在某些领域具有接触式IC卡无法比拟的优越性，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。

特别是在地铁、公交、路桥、轮渡等收费应用中，近期将占到整个卡应用的50%以上[5]。

2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会将是中国安防市场的最大商机，而中国持续不断的建设高潮也为安防市场的稳定发展提供了坚实的基础。

综上所述，门禁系统作为安防设备的重要组成部分之一，在国内外都具有十分美好的市场前景。

纵观国内外，门禁市场的发展情况大不相同。

目前欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡、读卡器的厂家单单生产卡、读卡器，如美国的HID公司、h1-dala公司、德国的Destele公司。

生产控制器的公司单单研究生产控制器和软件。

如美国的NorthernComputer公司、CSI公司。

随着其产业化的形成，各大专业公司由于其财力的雄厚、技术的先进、市场的先导以及专业人员的积累，垄断势头不断呈现出来。

同时大公司之间的相互竞争使得产品利润率不断下降，产品价格大幅降低，相对于欧美的收入，5000美元左右的门禁系统可广泛运用于市场。

至近几年，欧美各大企业也开始投入到无线门禁系统的设计、生产中来。

在亚洲和中国，随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用范围也越来越广泛。

近年来，国内的门禁系统市场迅速增长，人们对门禁系统的应用日益广泛，应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警等诸多场合，涌现出许多生产门禁、安防系统的公司，如蓝泰、创一公司等。

与此同时，国内市场上也出现了许多系统联动控制的新型门禁控制系统，例如蓝泰公司近期推出的开放式门禁控制系统，能够管理大型会议以及公共场所的入口、通道；创一公司的第四代感应卡考勤门禁管理系统的功能强大、运行稳定，能够支持智能排班功能，存储量大、操作简单，也是目前比较流行的门禁系统之一。

由于中国的门禁系统起步较晚，在技术、设计等领域，可向国外一些较成熟的经验、技术借鉴与参考，因而大大加速中国门禁系统的发展[6]。

2门禁的方案设计

随着社会经济的发展，公司对安全性的要求越来越高，原来的简单的门锁早已不能满足他们对人员安全管理的需求。

特别是现在很多大城市里，一栋写字楼里云集着很多家公司，如果要确保每个公司的安全就需要非常完善的门禁管理系统。

目前市场上大多数的门禁系统均采用有线的方式来实现，虽然其具有传输容量大、可靠性高等的优点，但是有线系统也有其不可避免的缺点：

灵活性差、安装成本高，施工难度大等。

采用无线的传输方式，能够克服上述缺陷。

因此，无线化是现有电子产品的发展趋势无线门禁系统将成为未来门禁系统发展的重要方向[7]。

本课题设计的就是基于非接触IC卡的无线通信联网门禁系统。

该设计主要具有以下特点：

1．可以树立公司，大厦或者写字楼等公共场所规范化管理形象，提高管理档次，同时规范化内部的管理体制。

2．一张非接触式IC卡可以代替所有的大门钥匙，且具有不同的通过权限，授权持卡进入其职责范围内可以进入的门。

所有的进出情况在电脑里都有记录，便于针对具体事情的发生时间进行查询，落实责任。

3．可以将不受欢迎的人员拒之门外，例如可以杜绝传销，保险等行业的业务员在未经许可的情况下产自闯入您的办公室，干扰您正常的办公秩序。

同行的竞争者不会轻易地进入您的办公或开发场所顺手拿走您的业务资料或者核心技术资料。

4．如果员工的感应卡丢失可以在系统内及时挂失，这样即使其他人捡到了该感应卡也无法进入公司。

对于离职、离开的人员该卡采用禁用的模式，该员工以后都无法进入公司进行破坏等报复活动。

5．基于Windows的全中文操作系统，界面友好，操作方便简单。

普通员工经过培训就可以胜任相应管理软件操作。

6．系统采用无线通信方式，扩展性好，便于升级或者增加新的门禁。

2.1门禁的系统组成

门禁控制系统是由上位机，门禁主控设备、无线传输平台、读卡器、电控锁、AC-DC

电源、卡片、管理软件等几个重要部分组成的。

门禁系统组成如图2-1所示

图2-1门禁系统的组成

2.2系统的硬件设计组成

门禁系统的硬件组成主要由基于ATmega16单片机的门禁控制器，锁系统，读卡器，非接触式IC卡，RF射频无线传输设备，电源以及其他周边设备组成。

门禁控制器：

是门禁系统的核心部分，负责整个系统的输入、输出信息的处理、存储和控制等。

它验证门禁读卡器输入信息的可靠性，并根据出入规则判断其有效性，如若有效则对执行部件发出动作信号。

门禁控制器性能的好坏直接影响着系统的稳定，而系统的稳定定性直接影响着客户的生命和财产安全[8]。

卡片：

门禁系统的开门电子钥匙。

现在通常采用非接触IC卡，因为其操作时无需接触，不会磨损，芯片封装在卡片内，不会被腐蚀，所以经久耐用，能使用十年以上。

读卡器：

与非接触IC卡进行数据交换的控制部分。

带无线电发射天线，当有非接触IC卡接近时，能给非接触IC卡提供能量，获取非接触IC返回的数据。

读卡器分析确认卡的有效性后，将结果传送至控制器[9]。

电控锁:

门禁系统的执行部件，电控锁通常在断电时呈开门状态，以符合消防要求。

RF射频传输设备:

门禁系统的无线传输平台。

它使用RF射频微波作为无线传输的载体，实现单片机与PC机的通讯。

电源：

提供整个门禁系统的供电，是系统中不可或缺的重要组成部分，下一章将对电源做详细介绍。

周边设备：

门禁系统的外围辅助设备，周边设备包括警示报警装置、LCD输出设备等。

以上对系统的各部分分别进行说明，实际应用中，各个硬件功能模块是紧密地结合为一个有机整体共同协作的。

图2-2是门禁系统的硬件构成的结构框图

图2-2系统的硬件构成框图

2.3系统的软件设计

该系统的软件设计分为硬件组成中各主要模块的程序设计和PC机的管理软件的设计。

各主要模块的程序设计主要包括基于ATmega16单片机的主控设备的程序设计，基于RFM12无线通信模块的程序设计以及读卡模块的程序设计。

PC机管理软件的设计主要由卡片管理模块、控制器管理模块、权限管理模块等组成。

卡片管理模块，发放或注销序列号、卡号。

控制器管理模块，是用来注册现有或新增的控制器，便于更新系统数据。

权限管理模块，可分层设定操作者的各项权限，并通过VisualB设计开发简单合理的人机界面。

3硬件设计

本系统的硬件设计这要包括电源的供电方式选择，门禁控制系统的主控设备的选型及设计，读卡模块的选型及设计，LCD显示模块的选型及设计，电子锁电路设计以及报警电路的设计。

最后将以上各个模块合理连接，完成硬件电路的设计。

3.1电源设计

电源的供电方式有很多种，常用的有开关电源、电池（或者充电电池）等。

其中，开关电源的优点是可以通过市电电源直接供电，使用起来简单方便，但是这种电源的缺点是纹波效应比较严重，无法提供高精度直流电压。

由于无线设备对电源稳定性的要求相对严格，因此本设计方案不推荐使用开关电源。

另一种较常见的供电是电池供电，尤以充电电池的供电方式应用较为广泛。

因为这种供电方式不仅克服了开关电源的纹波效应，具备提供高精度直流电压的能力，并且在断电的情况下仍然能够对设备持续供电。

所以本方案采用充电电池为系统电源。

3.2门禁控制器

门禁系统的主控设备采用ATmega16单片机。

AVR系列单片机是ATMEL公司开发的新一代单片机，在设计上打破常规，采用了全新的概念，突出的优点是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，并且具有先进的RISC结构，方便设计者使用。

一般而言ATmega16在1MHz,3V,25°C时的功耗正常模式时的工作电流为1.1mA，空闲模式时的工作电流为0.35mA，掉电模式时的工作电流<1μA。

此外，该系列单片机拥有各种流行接口，方便与目前许多种类的外围设备连接通信，操作方便快捷，非常适合于低功耗、混合信号处理的产品与应用[10]。

ATmega16的硬件设计特点如下：

（1）CPU设计

ATmega16单片机的CPU采用8位的RISC结构。

拥有32个8位通用工作寄存器，其中X、Y、Z特殊寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间，实现高效的地址运算。

（2）内部存储器分为程序存储器（FLASH）和数据存储器（RAM）

ATmega16具有丰富的内部存储单元，包括16K字节的程序存储器FLASH，512字节EPROM和1K字节SRAM。

（3）输入/输出（I/O）口

ATmega16单片机32个通用I/O口线，作为通用数字I/O使用时，所有AVRI/O端口都具有真正的读-修改-写功能。

这意味着用SBI或CBI指令改变某些管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）时不会无意地改变其他管脚的方向（或者是端口电平、禁止/使能上拉电阻）。

有些引脚还具有特殊功能，包括可工作于主机/从机模式的SPI串行接口。

（4）定时／计数器

ATmega16系列单片机有2个两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

（5）指令系统

ATmega16系列单片机具有先进的RISC结构，131条指令，并且大多数指令执行时间为单个时钟周期

（6）睡眠模式

空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式

综上所述，ATmega16单片机是一款功能强大、集成资源丰富的智能型微控制器【11】。

利用其上述特性，结合本系统的设计需求，主控设备需要实现以下的操作：

（1）控制无线传输平台的传输过程，包括发送、接收模块的配置与控制.

（2）控制电子锁的开启

（3）LCD输出显示的驱动程序

（4）报警模块的驱动程序

针对以上需实现的功能，ATmega16单片机预留相应的资源与之对应。

PB端口与无线传输系统的RF模块相连接，PC端口与LCD显示模块相连接，PD口与读卡模块相连接，PA口用于电子锁和报警模块相连接。

ATmega16单片机的引脚图如图3-1所示。

图3-1ATmega16单片机的引脚图

3.3.基于RF射频模块RFM12的无线传输平台设计

在现有的无线传输网络中，基于RF模块的无线传输网络功耗小、成本低、组网方式简单，非常适合小型无线网络的场合。

针对无线门禁系统传输距离较短，通信方式较简单等特点，本设计采用基于RF模块的无线传输平台。

无线模块的传输原理框图如图3-2所示。

图3-2无线模块传输原理框图

目前市场上RF模块有许多款，然而符合设计需求，支持较大的传输速率、拥有大量的可配置频段、成本较低的RF模块并不多。

综合考虑本系统采用深圳市惠贻华普电子有限公司生产的RFM12作为RF模块。

RFM12是一款低成本的ISM频段FSK收发模块,其核心电路采用的是带锁相环（PLL）技术的RF12射频收发芯片。

RFM12可工作在315/433/868/915MHZ四个频段,并符合FCC和ETSI要求.它提供一个SPI接口,实现由MCU通过软件去设置各种射频参数和其它辅助功能[12，19]。

图3-3为RFM12模块的引脚图。

图3-3RFM12无线模块引脚图

各引脚的功能见表3-1所示。

表3-1RFM12引脚功能表

名称

类型

功能

nINT/VDI

DI/DO

中断输入（低电平有效）/有效数据指示输出

VDD

S

正电源电压

SDI

DI

串行控制接口数据输入

SCK

DI

串行控制接口时钟输入

nSEL

DI

串行控制接口片选输入（低电平有效）

SDO

DO

串行数据输出

nIRQ

DO

中断请求输出（低电平有效）

FSK/DATA/nFFS

DI/DO/DI

FSK数据输入/接收数据输出/先入先出寄存器模式选择输入

DCLK/CFIL/FFIT

DO/AIO/DO

接收数据的始终输出/外接数据滤波电容/先入先出寄存器中断

CLK

DO

供MCU使用的时钟输出

nRES

DIO

用内部上拉和输入缓冲开启复位输出（低电平有效）

RFM12无线通信模块的主要特点：

（1）成本低,性价比高.

（2）生产免调试

（3）采用PLL和零中频技术锁相时间快

（4）锁相时间快

（5）高分辩率的PLL，频率间隔最小2.5KHz

（6）高数据传输率（使用内部数据滤波器最高115.2kbps,使用模拟滤波器最高256kbps）

（7）直接差分天线输入/输出

（8）天线阻抗自动调谐

（9）可编程发射频偏（15KHz到240KHz，15kHz间隔）

（10）可编程接收带宽（67kHz到400kHz）

（11）模拟和数字接收信号强度指示（ARSSI/DRSSI）

（12）自动频率控制（AFC）

（13）数据质量检测（DQD）

（14）内部数据过滤

（15）接收同步pattern硬件识别

（16）SPI控制接口

（17）可为MCU提供时钟和复位信号

（18）16位接收数据寄存器（先入先出队列）

（19）两个8位发射数据寄存器

（20）标准10MHz晶振

（21）唤醒定时器

（22）2.2V到5.4V电源

（23）低功耗

（24）低静电流（0.3μA）

综上所述，RFM12是一款性性价比较高的无线收发模块。

在无需外加功放电路的情况下，距离可达200米以上。

因此本系统采用两套RFM12无线传输模块，让它工作在433MHz，频段带宽为134KHz，数率为1.2kpbs，发射调制频偏为60KHz的空旷，无干扰地域。

其中一块和单片机相连负责把读卡器的数据传输给PC机，一块和PC机相连负责接收单片机的数据以及反馈数据给单片机。

3.4读卡器

目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频、和超高频三种频率范围，不同频段的RFID产品有不同的特性[13]。

1.低频（从125KHz到134KHz）

该频段主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈件存在着变压器耦合作用。

通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的而典雅被蒸馏，可作供电电压使用。

磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快，且传输速率慢，价格高。

2.高频（工作频率为13.56MHz）

在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着的方式制作天线。

感应器一般通过负载调制的方式进行工作。

也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。

如果通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

它的感应器一般是电子标签的形式，可以把某些数据信息写入标签中。

传输速率高，价格合理。

3.超高频（工作频率为860MHz到960MHz）

超高频系统通过电场来传输能量。

电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。

该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。

这要是通过电容耦合的方式进行实现。

目前使用较多的是ISO14443协议，而ISO15693是对于ISO14443对应于高频范围的一种协议。

因为ISO15693疏耦合卡在高频时读取距离可达1m，所以本系统采用基于ISO15693协议的高频读写器，它可以对13.56MHz高频电子标签进行数据读、写、锁操作[14]。

它的功能特点如下：

●工作频率：

13.56MHz

●阅读距离：

6-10cm

●电子标签标准：

ISO15693（Tag-ITHF-I、IcodeⅡ）

●对电子标签多个数据块的内容进行读、写、锁操作

●具有防冲撞读写功能，最多可检测16张电子标签

●具有RS232、RS485、USB2.0多种通讯接口

它的卡结构为64位ID号，共计64个数据块，每个块都可读，没被锁的快可写。

串口通讯，默认波特率为19200bps，8位数据位，1位起始位，1位停止位，无校验。

读卡模块引脚图见图3-4

图3-4读卡模块引脚图

3.5RS232转化电路

RS-232接口是目前最常引用的一种串行通讯接口。

它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（