RFID射频门禁系统.docx

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RFID射频门禁系统

摘要

在生活中有些场合并不是任人自由进出的，而只允许有进出权限者通行，这时，就得使用出入口管理系统即门禁系统。

传统的门锁是最古老、最简单的门禁方式，一把锁配一把钥匙，几把锁就要配几把钥匙，使用不便。

为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，智能门禁系统应运而生。

根据市场需求设计一款基于RFID的门禁系统。

本设计采用AT89C52作为主控芯片，用北京易火眼公司的YHY502ATG专用读卡器模块用来读射频卡的信息，当有卡进入到读卡器读卡的范围内时就会读取到相应的卡序列号，并根据得到的卡序列号做出相应的操作。

在扩展时采用Delphi软件做上位机，并建立一个Access数据库用来存储用户信息。

上位机与下位机之间的通信采用串口通信，选用MAX232CPE芯片完成上、下位机之间的通信。

按键部分采用的是自制的3*4按键矩阵，采用线反转法来判断是哪个按键按下。

本设计实现了自动、准确的识别卡序列号，对门禁系统起着重要的作用。

关键词　门禁系统；射频识别；读卡器

Abstract

Someoccasionsinlifeisnotafancyfreeaccess,whileaccessprivilegesareallowedonlytothosewhopassthistime,youhavetousetheimportandexportmanagementsystemfortheaccesscontrolsystem.Thetraditionalhardwareistheoldest,theeasiestaccessmode,alockwithakeylockisnecessarywithafewafewkeys,usetheinconvenience.Inordertomeettheinformationneedsofthetimestoensurethesafetyofinsidethebuildingtomeetthediverseneedsoftheuseratthattime,intelligentaccesscontrolsystemcameintobeing.

AccordingtomarketdemandtodesignaRFID-basedaccesscontrolsystem.ThisdesignusesAT89C52asthemasterchip,witheyesoffirethecompany'sBeijingYiYHY502ATGdedicatedRFcardreadermoduleforreadingtheinformation,whentherearecardintothereaderwithinthereader,itreadstotheappropriatecardserialnumber,andinaccordancewiththecardserialnumbertobemadebytheappropriateaction.Delphisoftwareusedintheexpansiondohostcomputer,andtheestablishmentofanAccessdatabaseusedtostoreuserinformation.Upperplaneandlower-bit-machinecommunicationusingserialcommunication,useMAX232CPEchiptocompletetheupperandlower-bit-machinecommunication.Keypartistheself-made3*4keypadmatrix,usinglinearinversionmethodtodeterminewhichbuttonispressed.Thisdesignenablesautomatic,andaccurateidentificationcardserialnumberoftheaccesscontrolsystemplaysanimportantrole.

KeywordsAccessControlSystemRadioFrequencyIdentificationProximityCouplingDevice

目　录

摘要I

AbstractII

第1章　绪论1

1.1课题开发背景1

1.2目的和意义1

1.3国内外研究发展状况2

1.3.1国外研究发展现状2

1.3.2国内研究发展现状2

1.4本文的主要研究问题3

第2章　系统的总体设计5

2.1系统模块总体设计5

2.2系统硬件设计6

2.3系统软件设计6

2.4本章小结7

第3章系统硬件详细设计8

3.1硬件系统总体方案设计8

3.2各模块电路设计8

3.2.1元器件的选择8

3.2.2读卡器数据采集电路设计8

3.2.3串行E2PROM存储电路设计15

3.2.4LCD1602显示电路设计17

3.2.5串口通讯电路设计19

3.2.6报警电路设计20

3.2.7门控电路设计21

3.2.8键盘电路设计21

3.3本章小结22

第4章系统软件详细设计23

4.1软件结构框图23

4.2软件总体流程图23

4.3软件详细设计24

4.3.1密码子程序24

4.3.2数据采集子程序26

4.3.3显示子程序28

4.3.4存储子程序29

4.4上位机设计30

4.4.1上位机程序流程图32

4.4.2用户登录界面设计32

4.4.3门禁系统界面设计34

4.5开发工具简介36

4.5.1集成开发环境Keil36

4.5.1Protel99SE36

4.5.3伟福简介37

4.6本章小节39

第5章　系统调试40

5.1系统硬件调试40

5.1.1液晶部分的调试40

5.1.2键盘输入部分的调试40

5.1.3串口发送/接收部分的调试40

5.1.4存储部分的调试40

5.1.5读卡器部分的调试41

5.2系统软件调试41

5.3系统整体调试42

5.4本章小结42

结论43

致谢44

参考文献45

附录147

附录256

附录357

第1章　绪论

1.1课题开发背景

射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。

同时，经济水平的高速发展让人们越来越关心建筑内部的安全性。

为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，智能门禁系统应运而生。

智能门禁系统集计算机技术、电子技术、机械技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。

本文研究的基于射频识别技术的门禁系统就是这样的一种系统。

1.2目的和意义

门禁系统又称门禁出入口保安自动化管理系统。

智能建筑通过对四个基本元素，即结构、系统、服务和管理进行最优化的考虑，从而为用户提供一个高效和高经济效益的工作环境。

它在功能上实现了通讯自动化（CA）、办公自动化（OA）和楼宇自动化（BA），通过综合配置在建筑内的各功能子系统，以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公自动化系统、楼宇自动化系统的综合管理。

门禁系统属于楼宇自动化系统的一部分，具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能，它主要方便内部员工或住户出入，杜绝外来人员随意出入，既方便了内部管理，又增强了内部的保安。

一套现代化的，功能齐全的门禁系统，不止是作为进出口管理使用，而且还有助于内部的有序管理。

它将时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入区域，出入时间，礼貌的拒绝不速之客。

同时也将有效地保护财产不受非法侵犯。

智能建筑的推广，建立连网门禁系统也成为一种趋势，门禁系统将有更广阔的发展空间。

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。

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。

而基于射频识别的门禁系统针对集成应用给出了可行方案，具有重要的意义。

1.3国内外研究发展状况

1.3.1国外研究发展现状

目前，欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进入细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。

生产控制器的公司就只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，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低，现已进入1000美元一套系统的可广泛运用的市场。

正是由于市场的不断成熟，人们在普遍接受门禁系统的观念之后，在采购方面已可很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行系统集成就可为用户方便安装成整套系统。

从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，虽然磁卡和接触式IC卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场。

国外对IC卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但在非接触式IC卡方面的研究使用也只是近几年的事。

非接触式IC卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，但真正形成大批量生产的厂家只有美国；德国、英国次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次。

当今世界上非接触式IC卡主流产品是Philips公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443TypeA标准。

欧洲一些IC卡及读卡器制造商大都以Mifare技术为标准发展自己的IC卡事业。

1.3.2国内研究发展现状

1．目前，国内对门禁系统的研究已经从认识教育和试用阶段进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与制造过程中还有以下几点不足之处，主要表现为：

（1）采用国外已有的集成模块，像读写器、门禁控制器、天线模板等；

（2）对国外已有的系统进行仿造；

（3）产品单一、开发成本较高。

2．在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，主要的做法有两种，第一种是购买国外的门禁系统配件，如读写器、门控器等，再对其进行二次软硬件的设计。

这种门禁系统的性能很好，能满足许多安全要求很高的场所，但是价格很高。

第二种方法是，除了核心芯片购外，其余部件都是对国外优质产品进行研制。

这种方式比较灵活，可以随时根据客户的要求增加门禁系统的功能，且价格也比较便宜。

而在系统的结构方面，国内的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。

即门禁控制器先接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。

（1）由于其门禁系统的部件大多采用国外先进集成电子工艺和原材料制造，因此其性能很高。

但是高性能的代价是高价格。

（2）这些门禁系统大多可以同时控制多个门，可以实现多门监控机制；对于很多企业，这些门禁系统同其他系统，如考勤系统集成，被做成企业“一卡通”系统，即员工可以凭一张卡来使用企业的多项非接触式IC项目；可管理的人员多，像美国西屋门禁最多可同时管理一个10万人的企业。

（3）由于系统是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，只要对系统的某一部分升级，再组装即可。

（4）由于注重系统的高性能和广泛的适用性，这些门禁系统大多价格较高，这使国内很多中小型厂家不能接受。

1.4本文的主要研究问题

针对国内目前的市场需求情况，研发了一套基于RFID的门禁系统，本系统的研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。

硬件的设计主要包括了各个功能模块的方案论证和电路设计，各模块的硬件电路调试和总体调试。

软件设计主要包括主程序、读卡程序、LCD显示、键盘输入、串行E2PROM的数据读写、RS-232串口发送数据等子程序的编制。

本系统针对的是拥有有效卡的用户，根据此项技术指标，硬件设计工作主要包括了：

读卡器读取卡序列号、LCD液晶显示、键盘输入、AT24C04串行E2PROM和MAX232的工作原理，并由此设计出具体的硬件电路。

在软件方面则是利用单片机组成控制系统，编程实现读卡器读卡程序、LCD显示、键盘输入、串行E2PROM的数据读写、RS-232串口发送数据等功能。

本系统以MCS-52单片机为微控制器，利用无线读卡器与单片机组成数据采集系统，当有卡贴近读卡器时，读卡器便能读取到卡序列号，并将读取到的卡序列号与存储的卡序列号对比，若正确则开门并显示正确信息，若不正确则报警并显示错误信息。

利用AT24C04串行E2PROM或Access数据库来存储卡序列号，通过RS-232串口实现数据的发送，通过按键来输入密码。

本设计还选用了1602字符型LCD液晶显示器作为显示器件，实时显示正确或错误信息。

设计中利用AT89C52单片机和读卡器实现了门禁系统，有较高的实用价值。

此外，不但可以通过RFID卡进入，还可以通过输入密码进入，人性化的设计免去了未带卡而产生的尴尬。

第2章　系统的总体设计

2.1系统模块总体设计

依据上述功能的分析，系统中模块分别为：

数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、显示模块、串口发送/接收模块、密码输入模块、报警机制模块。

各功能模块具体功能如下：

1.数据采集模块：

当RFID卡进入到读卡器读卡范围时，读卡器读取卡序列号的过程。

2.数据处理模块：

针对于采集到的数据处理，从而对得到的数据进行判断其有效性。

3.数据存储模块：

用来存储数据。

4.显示模块：

用来接收单片机发送的数据，并对数据进行操作从而得到要显示的信息。

5.串口发送/接收模块：

主要用来通过串口发送和接收数据。

6.密码输入模块：

针对于用按键输入密码，根据密码的正确与否来进行相应的操作。

7.报警机制模块：

当出现非法卡或输入的密码不正确时产生报警。

系统功能结构图如图2-1所示。

图2-1系统功能结构图

2.2系统硬件设计

系统硬件设计主要由AT89C52主控芯片和YHY502ATG读卡器模块构成。

硬件电路由八部分构成：

微控制器AT89C52、读卡器模块YHY502ATG、LCD1602显示、串口通信MAX232、按键电路、AT24C04存储、报警电路、门控电路。

微控制器AT89C52负责YHY502ATG的初始化，上位机通过串口向YHY502ATG发送命令，YHY502ATG根据上位机发送的命令做相应的操作，然后将得到的信息传送给微控制器AT89C52，然后微控制器控制其它模块完成显示、报警、判断和门控操作。

上位机与下位机之间的连接主要是通过串口进行通信，采用MAX232芯片并将芯片的输入和输出管脚连接到AT89C52的I/O口，在MAX232的引脚上连接10µF的电解电容用来滤波。

读卡器模块YHY502ATG与微控制器AT89C52之间的通信是通过I2C总线进行的，由于AT89C52单片机本身并没有I2C总线，所以将YHY502ATG模块的串行时钟线与数据线接到AT89C52的两个I/O口，然后通过模拟I2C时序来完成AT89C52与YHY502ATG之间的通信，为了防止出现三态，在YHY502ATG的串行时钟线和数据线上分别上拉10k电阻。

而YHY502ATG读卡器与RFID卡之间的数据通信主要是通过天线进行的。

AT24C04与AT89C52之间的通信也是通过模拟I2C时序进行，同时为了防止出现三态，在时钟线与数据线上分别连接5.1k的上拉电阻。

LCD1602与AT89C52之间的通信是通过将LCD1602的3条控制线和8条数据线与AT89C52的I/O口相连。

对于按键电路的设计是将3*4按键直接连接到AT89C52的7位I/O口，采用线反转法通过查询方式进行工作。

2.3系统软件设计

软件主要实现数据的采集，数据的分析，模块之间的通信，以及相应的数据处理。

1.数据采集：

读卡器YHY502ATG通过天线读取RFID卡的数据，然后将数据传送出去。

2.数据分析：

AT89C52接收到数据后，将数据传送给AT24C04或上位机，AT24C04或上位机对数据进行分析，从而判断数据的有效性。

3.模块之间的通信：

AT89C52与YHY502ATG/AT24C04之间的通信都是通过模拟I2C总线进行的，I2C总线的高效性、高实用性、高可靠性数据传输增强了系统的实时性和可靠性。

4.数据处理：

针对数据的采集和分析的结果做出相应的处理，例如显示、报警、门控等。

2.4本章小结

总体设计阶段，规划出了系统的硬件功能模块和软件功能模块，以及在此分析基础上设计出的具体的、可以满足本系统全部需求和要求的子模块并在以后的设计中可以进行模块化设计，为以后的设计带来方便。

第3章系统硬件详细设计

3.1硬件系统总体方案设计

本系统的主要电路包括：

读卡器数据采集电路、串行E2PROM存储电路、LCD1602显示电路、串口通讯电路、报警电路、门控电路、键盘电路。

硬件接口电路如图3-1所示。

图3-1硬件接口电路

3.2各模块电路设计

针对于本系统的要求，现将电路的设计分为以下几个方面进行详细的设计，并说明设计的利弊。

3.2.1元器件的选择

经过对市场的调研，考虑性能/价格比的前提下，在本次设计中我选择最容易实现产品指标的元件。

1.主控芯片：

AT89C52。

2.读卡器：

YHY502ATG。

3.E2PROM：

AT24C04。

4.LCD液晶：

ZL1602C2。

5.串口通讯芯片：

MAX232。

6.报警器：

1个蜂鸣器加一个LED红灯。

7.门控器件：

一个LED绿灯。

3.2.2读卡器数据采集电路设计

本设计应用ATMEL公司的AT89C52单片机。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256Bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产口引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。

AT89C52提供以下标准功能：

8k字节Flash交速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

本设计通过AT89C52控制读卡器进行数据的采集，设计的电路原理图如下图3-2所示。

图3-2读卡器数据采集电路原理图

单片机的复位信号的处理采用按键复位的方法，单片机为高电平复位，当按键按下时单片机的复位脚被拉高，从而使单片机复位。

由于在该电路中要用到单片机的存储功能，用来保存从读卡器接收过来的处理数据，因此将引脚

接高电平，选通片内程序存储区。

在本设计系统中将YHY502ATG的串行数据线（SCL）和串行时钟线（SDA）接到AT89C52的P27和P26引脚上，用来相互之间传输数据。

它们之间的数据传输是采用I2C总线进行的，由于AT89C52单片机没有I2C总线，所以将SCL和SDA接到两个I/O口线上，通过模拟I2C总线时序来传送数据。

为了防止I2C总线出现三态从而产生错误，所以在YHY502ATG的时钟线和数据线上连接两个10k的上拉电阻。

在本系统中，YHY502ATG的A0、A1、A2引脚是地址，当A0连接到高电平上，A1、A2连接到低电平上时，表示只有一个YHY502ATG。

YHY502ATG的RST引脚低电平有效，当RST引脚为低电平时复位，在本设计中将RST引脚悬空表示为上电复位。

将YHY502ATG的SIG引脚连接到AT89C52的INT0引脚上，SIG引脚为中断输出端，当SIG为0时表示有RFID卡进入到读卡器的读卡范围。

对YHY502ATG的VCC电源输入引脚，外接上驱动+5V电压。

而VDD的输出引脚接地。

YHY502ATG的其它几个引脚为外接天线的引脚，当使用YHY502ATG内置的天线时，其它的几个引脚悬空即可。

而在本设计中，使用的YHY502ATG内置的天线，所以其它引脚均悬空。

本设计的读卡器采用北京易火眼公司的YHY502ATG，下面对YHY502ATG做一下简要介绍：

YHY502系列射频读写模块采用基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOSE2PROM工艺，支持ISO14443typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。

芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持I2C接口，UART接口，SPI接口，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。

特别适用于ISO14443标准门禁、下水、电、煤气表、自动售货机、电梯、饮水机、电话机等计费系统或身份识别系统的读卡器的应用。

YHY502系列支持MifareOneS50，S70，UltraLight&MifarePro，FM11RF08等兼容卡片。

YHY502系列是低功耗的模块，宽电压工作3V~5.5V，最低功耗仅需3µA,采用一体化模块可以大大减少PCB体积。

特点：

1.标准二线式I2C接口器件，带地址引脚可扩充多个在线；

2.能自动感应到靠近天线区的卡片，并产生中断信号；

3.采用高集成ISO14443A读卡芯片，支持MIFARE标准的加密算法；

4.具有TTL/CMOS两种电压工作模式，工作电压3V~5.5V；

5.采用工业级高性能处理器，内置硬看门狗，具备高可靠性；

6.抗干扰处理，EMC性能优良；

7.把复杂的底层读写卡操作简化为简单的几个命令；

YHY502ATG外形如图3-3所示：

图3-3YHY502ATG外形

引脚配置如图3-4所示：

图3-4YHY502ATG引脚配置

引脚定义如表3-1所示：

J1为模块与控制器的接口，J2为模块与天线的接口。

表3-1YHY502ATG引脚描述

管脚

符号

I/O类型

描述

J1-1

SCL

I/O

IIC时钟线

J1-2

S