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电子门禁系统毕业设计论文
1.绪论?
随着现代化经济建设和管理的发展,各种酒店、宾馆、写字楼、智能大厦、政府机关和企事业单位、高级物业管理部门等,对门禁系统的需求正发生着重大的变化。
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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特长。
在现今社会,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越来越广泛,因此门禁系统的研发已成为现代科技领域的一个热门课题。
?
?
通过本论文的研究,我不仅了解门禁系统的相关知识,还掌握了89S52单片机的性能特点及连接使用,编程方法,以及一些外围芯片的使用及模拟电路的设计。
2.系统设计
2.1系统方案的比较
2.1.1选题论证
在现今社会,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越来越广泛,因此门禁系统的研发已成为现代科技领域的一个热门课题。
目前,门禁系统已成为安全防范系统中极其重要的一部分,在一些发达国家,门禁系统正以远远高于其它类安防产品的进度迅猛发展;门禁系统之所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品,如:
闭路监控,防盗报警等被动的安防方式,以主动的控制替代了被动监视的方式,通过对主要通道的控制,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门的控制限制罪犯的活动范围,制止犯罪或减少损失。
此外,人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制,而且还要求它不仅可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、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等,还可与其它系统联动控制等多种控制功能。
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。
2.1.2方案选择
门禁系统有许多种方案:
主要有联网和不联网型。
联网型:
结构图如图示
图2-1
联网型门禁系统的优点:
1)实时联网
2)刷卡后立即把数据传输到主机上;
3)便于查询并能生成报表;
缺点:
1)计算机要求24小时开机;
2)计算机或管理机万一有故障系统瘫痪;
3)有问题影响面大。
不联网型门禁系统的优点:
单台刷卡机就能工作,不用布线,操作简单方便。
缺点:
不便于查询。
根据以上分析,我们的课题选择了不联网型。
因为此设计简单,提交作品方便,易操作。
2.3CPU的选择
我们在这个课题的设计上采用了51单片机系统,之所以采用单片机系统是由于成本较低,功能完全可以满足,发展也比较成熟且完善。
而DSP、ARM系统虽然科技含量高于51单片机系统,但是其价格昂贵并且发展尚未成熟。
因此,根据我们学的知识和市面上的应用,经过比较我们选择了技术成熟、价格便宜、设计简单、使用方便的单片机平台。
我们在达盛科技提供的E-PLAY-89S51X系列电子竞赛创新设计套件的基础上,自己设计了外围硬件电路、画原理图、制作PCB,然后焊接、编程调试、实现了设计需要的功能。
2.3关于射频卡的选择
目前市面上的卡有很多种类:
条码、磁卡、接触式IC卡,非接触式IC卡等,条码和磁卡,在超市和银行方面应用的比较多,接触式IC卡,以前在公共电话中用的比较多,但接触式IC卡,芯片外露易坏、易折,而非接触式IC卡既射频卡,它把芯片和线圈封装卡片内,不容易损坏、不怕恶劣的环境,现在社会上很流行,可靠性也高。
根据卡的分析,我们选择目前流行最广,可靠性高,成本低的只读卡,即采用EM4000型的ID卡。
3.硬件电路的设计
3.1基本原理:
图3-1
门禁系统主要组成:
由CPU、复位电路、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、出门按钮、读卡模块、显示模块组成。
如图1
门禁系统的工作原理:
当刷卡时,蜂鸣器响一下,如卡权限获得允许,显示模块显示卡号,同时继电器动作将门锁打开指示灯点亮,延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭指示灯熄灭。
当按下出门按钮时,继电器动作将门锁打开指示灯点亮,延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭指示灯熄灭。
当非法卡刷卡时,没有任何动作。
3.2资源分配:
软、硬件设计是设计中不可缺少的,为了满足功能和指标的要求,资源分配如下:
1.晶振采用11.0592MHZ
2.内存分配
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P3.0
显示
音响
锁
显示
灯
门态
出门
读卡
0响
0开
0不亮
0有效
1不响
1不开
1亮
3、计算:
因为射频卡的读卡头选用EM4000型,读卡频率是11.0592MHZ,所以最小系统晶振,必须用11.0592MHZ才能读卡。
1)定时控制字确定:
选用定时器T1,方式2,所以TMOD是20H。
2)计算初值
X=256-(foxc*(SMOD+1))/384*波特率
=256-(11.0592*106*(0+1))/384*9600=253
TH1=0FDHTL1=0FDH
3.3最小系统设计:
门禁系统数控部分采用89S52单片机作为控制核心,其内部组成包括:
一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接;片内数据存储器RAM低128字节,存放读/写数据;高128字节被特殊功能寄存器占用;片内程序存储器4KBROM;四个8位并行I/O(输入/输出)接口P3-P0,每个口可以用作输入,也可以用作输出;两个定时/计数器,每个定时/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口。
89S52单片机外部有32个端口可供用户使用,其功能如下:
图3-2
在89S52单片机的基础上,外围增加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及8位数码管显示电路等,构成了门禁系统的控制电路。
图3-3门禁系统原理图
3.4各部分电路原理:
3.4.1门控锁电路:
门控锁电路如图2
以Q16的基极作为门控信号的输入端与P1.3口相连,此电路由12V继电器、限流二极管、5.1K偏置电阻以及9014与8050两个三级管复合成的驱动电路组成。
在这里用到复合管的优点:
是为了用低电平控制,考虑到由于AT89S52的I/O口输出高电平时的驱动能力可能会不足,所以本电路采用复合三级管就可以避免驱动能力不足的情况发生。
工作原理:
当P1.3口输出高电平时Q16导通,Q6截止,此时继电器的控制线圈为开路,继电器不动作。
门锁接于继电器常闭端,门锁闭合,门处于锁死状态。
当P1.3口输出低电平时Q16截止,Q6导通,此时继电器的控制线圈闭合,继电器动作。
继电器常闭端断开,门锁打开,门处于打开状态。
图3-4控制锁电路
3.4.2蜂鸣器电路:
电路组成如图3:
以Q1的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与P1.2口相连,主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1K偏置电阻组成。
工作原理:
当P1.2输出高电平时,Q1导通,Q2截止,蜂鸣器回路开路,蜂鸣器不响。
当P1.2输出高电平时,Q1截止,Q2导通,蜂鸣器回路闭合,蜂鸣器发出响声。
图3-5蜂鸣器电路
3.4.3控制工作指示灯:
电路组成如图4:
以Q5的基极与P1.5口相连,由三极管9013、发光二极管、限流电阻组成。
工作原理:
当P1.5口输出高电平时,Q5导通,发光二极管点亮。
当P1.5口输出低电平时,Q5截止,发光二极管熄灭。
图3-6工作指示灯电路
3.4.4出门按钮:
当按下时,给P1.7口输入低电平。
图3-7出门开关电路
3.4.5读卡模块:
设计上我们采用ID射频卡读卡器。
EM9913BF125KHz感应式读卡模组是针对125KHz非接触式RFID晶片而设计的读卡模组,它能针对目前市面上125KHz非接触式RFID晶片如凌航科技GK4001晶片或其它规格现相近产品进行资料读取与资料判断,使用者可以一次开发感应式读卡及相关应用系统,该模块主要范围为互动式玩具、门禁管制系统、人员考勤管理、动物或物品辨识及产品管理,此读卡模组主要优缺点叙述如下:
优点:
1、独立性高,二次开发容易,安装简单
2、资料读取稳定性高
3、系统安全性高,RFID资料不重复且难以复制
4、可选择数据输出格式
缺点:
电脑必须24小时开机,便于数据传送。
硬件/软件功能:
125KHz感应式读卡机系统图示如下:
使用EM9913BF模块,在5-15cm距离内读取GK4001的时间不超过70ms。
感应式读卡系统电源DC5V,感应线圈(Antenna)为系统必需,感应线圈可以与系统分开放置,亦可设计与系统中,为防止感应电磁场干扰,请勿将金属板置于感应线圈前后。
软件功能模组:
1、Manchester码解码2、组织输出格式3、相应输入控制信号4、控制信号输入5、卡片数据输出
图3-8读卡器示意图
硬件/软件规则:
1、读卡模块硬件结构
RF电路为125KHz解码比较电路,当EM格式卡片进入电磁场范围,引起感应电压振幅变化(amplitudemodulation)时,用以解码。
内部微控制器依据Manchester码的规则将这些方波信号转成16进制码。
2、读卡模块软件功能组成
(1)卡片进入感应范围,触发读卡模块进入读卡状态。
(2)读卡模块读入资料整理成输出格式。
(3)读卡模块将读入资料整理成输出格式
(4)读卡模块将数据按RS232和Wiegand26格式输出。
3、读卡模块资料输入/输出引脚
Number
Name
I/O
Description
1
DC5V
输入
+5V直流输入
2
ANT
输入
线圈引脚输入
3
NC
空引脚
4
GND
输入
接地
5
NC
空引脚
6
ENLED
输入
指示灯控制线,低电平使用
7
ENBEEP
输入
蜂鸣器控制线,低电平使用
8
OK_SD
输出
Wiegand26数据输出指示
9
BZ
输出
蜂鸣器信号线
10
D0
输出
Wiegand26数据DATAO输出
11
D1
输出
Wiegand26数据DATA1输出
12
LED
输出
指示灯信号输出
13
TXD
输出
RS232数据输出
4、读卡模块输出规格:
(1)RS232串行口规格
传输率9600BPS。
起始位元:
0。
数据位元:
8bits。
同位元检查:
无。
停止位元:
1。
流量控制:
硬件控制
RS232数据由内部控制器产生,内部控制器将40bits数据(注:
内码总计64bits其中9bits作为数据头,15bits作为校验位,40bits为卡号数据)转换为10位ASCII码
(2)外观尺寸图
轮廓尺寸:
56.6mm×37.2mm(不包括引脚长度)
外观形状:
图3-9读卡器外型图
5、读卡原理:
图8读卡器引脚连接示意图
非接触式射频卡的基本原理:
每个卡片内部有一个小芯片和感应线圈,价格低廉,国内最普及的EMID卡,大多为瑞士nEM或台湾GK公司的4100、4102系列芯片+线圈+卡基封装而成。
每张卡有且只有一个唯一的,不可更改和复制的ID内码(64位2进制机密的永不重复的卡号),因其安全可靠,价格低廉而大量应用于身份识别、产品防伪等领域。
读卡器卡号输出格式的说明:
由于历史的原因,或者不同领域习惯的原因,最常见到的有五种读卡方式,我们采用的读卡格式如下
格式:
将10位十六进制的ASCⅡ字符串,即10Hex格式的倒数第5、第6位,转换为3位十进制卡号,在将后4位,转换为5位十进制卡号,中间用“,”分开,即“2H+4H”,即将2H“6F”转换为“111”,4H“6c3a”转换为“27706”,最终将2段连在一起输出为“111,27706”。
3.4.6显示模块:
显示部分有二种方案可供选择;一种是采用LCD液晶显示,该方案具有低压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点,但本设计要求显示的数据量小,不能发挥其显示内容丰富的优点,同时占用I/O口线较多。
第二种方案采用LED数码管显示,该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点,且其可靠性也优于LCD的显示,所以,我们通过比较,选用第二种方案数码管显示。
由8个数码管和8个74LS164组成,采用串行静态显示的方法。
将数码管的8个输入端与74LS164的输出端Q0~Q7相连。
P1.0和74LS164的CLK连接,P1.4接74LS164的A端,74LS164的引脚图如图示:
74LS164原理:
74LS164是一块14个引脚双面直插式芯片,它的工作电源比较宽,可以是3V至12V的电压;它工作的频率范围也比较宽,从0--5MHZ都能正常工作。
它是一个串行输入,并行输出的移位寄存器,并带有清除端的IC芯片,它为8位串入并出移位寄存器,1、2为串行输入端,Q0~Q7为并行输出端,CLK为移位时钟脉冲,上升沿移入一位;MR为清零端,低电平时并行输出为零。
VCC与GND为工作电源脚:
它一般正常工作电压为正5V。
CLR(/MR)端:
为清除端,当此脚为低电平时,使得74LS164输出全部为0;CLK端:
时钟脉冲输入端,在CP脉冲的上升沿的作用下实现移位,在CLK为0,芯片不工作;CLR为1时,74LS164保持原始状态不发生变化。
图3-10
4.软件设计
单片机技术比较成熟,开发过程可利用的资源和工具丰富,最大的优点是价格便宜,成本低。
调试软件采用Keil51.keiluVison是众多单片机应用开发软件中优秀软件之一,界面友好,易写易操作。
在调试程序中,软件仿真功能也很强,软件调通,再通过编程器下载到AT89S52中,然后插到系统中即可独立完成所有的控制。
软件设计上,根据功能分了几个模块编程。
模块主要有:
读卡模块、数制转换模块、显示模块、合法卡比较模块、开锁模块、中断子程序模块、延时子程序模块等。
单片机最小系统的设计,其P0口、P2口都已占用,外围电路的控制口只能占用P1口和P3口,口地址可用的就少了,所以,显示上选择了静态显示,显示只用了P1.0和P1.4两个口线,这样,编程简单,不占用CPU。
程序中还增加了射频卡权限判断,当遇到合法卡时显示卡号,门锁打开,延时10s自动关闭,非法卡不显示卡号门锁不开。
读卡程序是利用串口中断完成了读卡的工作。
把读卡器的13脚,和CPU的P3.0既RXD连接,只要一刷卡,就把卡中的11个ASCⅡ码读进来,放到以30H为首地址的存储器中,读卡中断子程序如下:
ZD:
PUSHACC;中断子程序
PUSH00H
PUSH02H
MOVR0,#30H
MOVR2,#0BH
LL1:
ACALLLL2
JBF0,$
NOP
NOP
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR2,LL1
POP02H
POP00H
POPACC
NOP
MOV0FH,#33H
RETI
4.1流程图:
图4-1流程图
4.2子程序分析:
4.2.1显示程序:
图4-2
XSH:
MOVR0,#20H
MOVR2,#08H
LP1:
MOVR1,#08H
MOVA,@R0
LP2:
RLCA
MOVP1.4,C
CLRP1.0
SETBP1.0
DJNZR1,LP2
INCR0
DJNZR2,LP1
RET
4.2.2延时程序:
图4-3
DEL:
MOVR6,#0FFH
Y2:
MOVR7,#0FFH
Y1:
DJNZR7,Y1
DJNZR6,Y2
RET
5.实现功能
1、程序控制开锁
当读卡器检索到合法IC卡时,由CPU的P1.4引脚提供一个低电平信号,因为,89S52单片机复位状态是高电平,而一般实用电路必须有看门狗电路,一旦出现故障,也需要复位,也是高电平,。
在设计上如果采用高电平开门,是不可以的。
所以,我们在设计电路时,通过论证,选用低电平作为信号,控制门的开启,此时门锁自动打开。
2、出门按钮开锁
按钮按下,给出一个开关信号,此时门锁同样被打开。
3、从消防安全考虑,如果发生意外或危险,只要断开电源,门锁同样可以被打开。
4、读卡显示
当读卡器检索到合法射频卡时,七段数码管可以显示出此卡的卡号,以便识别出持卡人身份。
5、蜂鸣器报警
当门锁处于开启状态时,超过延时时间,蜂鸣器发出蜂鸣,以提示用户及时关门。
6、工作指示灯
红色指示灯提示电源正常供电。
绿色指示灯提示门锁工作状态,刷卡合法,绿色指示灯亮。
6.创新性
1、门态检测功能。
关上门,保证门态是关闭状态,非正常打开门或门没有正常关闭时,报警,起到电子门卫的作用。
2、采用非接触的IC卡。
系统还采用了更为先进的非接触式IC卡。
我们之所以使用非接触式IC卡,是由于非接触式IC卡相对于以往传统的接触式系统,具有更多的优点。
非接触式IC卡,是感应卡家族中的一员,除具有接触式IC卡的优点,更有存储容量大,安全性强,无机械磨损等优点。
而且它还克服了接触式IC卡所无法避免的缺点,如读写故障率高,由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡不便、易受恶意攻击等。
7.结论
目前,门禁系统已成为安全防范系统中极其重要的一部分,在一些发达国家,门禁系统正以远远高于其它类安防产品的进度迅猛发展;门禁系统之所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品,如:
闭路监控,防盗报警等被动的安防方式,以主动的控制替代了被动监视的方式,通过对主要通道的控制,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门的控制限制罪犯的活动范围,制止犯罪或减少损失。
此外,人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制,而且还要求它不仅可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、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等,还可与其它系统联动控制等多种控制功能。
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。
8.参考文献
[1]李忠国.单片机应用技能训练[M].北京:
人民邮电出版社,2006.
[2]何立民.潜入式系统可靠性设计得探讨[J]浙江:
浙江大学学报,1998(增刊)
[3]刘守义.智能卡技术[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2004.(220~222)
[4]林全新.单片机原理与接口技术[M].北京:
人民邮电出版社,2002(184~186).
[5]李朝青.单片微机原理及应用技术[M].天津:
南开大学出版社,1998.
9.附录
1.元件清单:
标号
标注
封装
5.1K
R33
AXIAL0.4
5.1k
R2
AXIAL0.4
680
R3
AXIAL0.4
680
Ri
AXIAL0.4
9013
Q1
TO-92A
9013
Q5
TO-92A
9014
Q6
TO-92A
9014
Q16
TO-92A
9014
Q2
TO-92A
D
D2
DIODE0.4
LED2
POWER
LED1
LED
DENG
LED1
PORTA
U1
SSW60
PORTB
U3
SSW70
RELAY-SPDT
A2
JD
原理图:
心
得
体
会
经过这段时间的锻炼和学习,我们学到了许多书本上没有的知识,从方案的论证、课题的选择、电路原理,到电路上元器件的焊接、电路的调试,程序的编写,调试下载,一步步,我们收获很大。
在设计中,我们力求硬件电路简单,充分发挥软件灵活方面的特点,满足系统设计要求。
这中间,我们也遇到了许多困难,在同学的帮助下,一个个也都战胜了。
今后我会继续学习,完善自己的课程设计。
教
师
评
语
成
绩
及
签
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