1、门禁控制系统的研制毕业设计说明书编号： 毕业设计说明书题 目： 门禁控制系统的研制 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要本论文介绍了一种基于非接触式IC卡的门禁管理系统，非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。射频识别(Radio Frequency identification，简称RFID)技术是最近几年发展起来的一门新的自动识别技术。它利用射频方式在非接触式IC卡和读卡器之间进行无线双向通信，完成目标识别和数据交换。而卡上电路的工作电源由读卡器发出的电磁波能量提供。由于非接触式IC卡具有操作快捷、防碰撞能力强、工
2、作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在身份识别、自动收费和电子钱包等领域具有接触式IC卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。基于实际应用项目的需要，本课题开发了一种读写距离为100mm的非接触式IC卡门禁系统。从门禁技术的发展出发，首先介绍了非接触式IC卡的特点、种类、组成以及国际标准。然后介绍非接触式IC卡门禁系统所涉及的技术。在此基础上，论文详细地阐述了非接触式IC卡门禁系统的硬件和软件设计，读卡器的硬件设计包括蜂鸣器驱动电路、RS232通信电路、TX522读卡模块；软件设计包括读卡器和外围电路的应用程序设计和主程序设计三个部分，并介绍了上位机界面设计。根据以上的研究工作，设计
3、了一个基于非接触式IC卡的门禁系统。关键词：非接触式IC卡；射频识别；读卡器；门禁系统AbstractThis article introduces a kind of Entrance Guard System that is based on Radio Frequency Identification cards. Contactless IC Card is one kind of new technology in the field of IC card，which is the combination of Radio Frequency Identification techn
4、ology and IC card technology. Radio Frequency Identification technology is a new technology of auto identification in recent years. Wireless and bidirectional communication between reader and contactless card is their communication mode to identify the goal and to swap data by radio frequency identi
5、fication. The power of IC card circuit is supplied by the power of electromagnetic wave from reader. Because contactless IC card has some advantages over common IC card such as its high working speed，good anti-collision quality and long working distance，there will be a good prospect for it in many f
6、ields，such as automatic pricing，identify distinguishing，electric wallet and so on. The contactless IC card reader is one of the key devices of a contactless IC card system. We developed one kind of contactless IC card Acess control system，which is one part of a project and has about 100mm working di
7、stance. On the basic of the development of Entrance Guard System，at first this paper generally introduces the contactless IC card，including its feature，type，composing and international standard. Then it introduces the technology of Entrance Guard System. Based on these，the paper discusses the design
8、 of the contactless IC card reader in detail，including the circuit design and software design. The readers circuit is made up of buzzer drive circuit，RS232 communication circuit，TX522 card reader module and antenna circuit. The software design includes programming of other circuit and programming of
9、 main program. At last the paper introduces the interface design for host computer.According to the study above,designed a access control system based on the contactless IC card.Key words： Contactless IC card；Radio Frequency Identification； Reader device；Acess control system 引言随着科学技术的不断进步，人们对工作，生活的自
10、动化水平也提出了越来越高的要求，“智能门禁管理系统”就是为了满足人们对现代化办公和生活场所的更高层次安全管理的需要应运而生的。目前智能门禁管理系统已广泛应用于工厂、学校、写字楼宇、物业小区、商店、金融系统、电信系统、军事系统、宾馆等多种场合，大大提高了整体的工作效率及系统安全管理需求。传统的方法是工作人员对出入人员进行登记放行，这种方法费事、费力又容易出错，而且管理不严格。因而智能、安全、高效的现代化门禁管理已经成为社会发展的必然趋势，同时它也是现代化智能建筑的一个重要组成部分。 非接触式门禁系统采用个人识别卡方式工作，给每个有权出入的人发放一张非接触式个人识别卡，相当于一把钥匙。系统根据该卡
11、的卡号和当前时间等信息，判断该卡持有人是否可以进出，如果可以，则系统自动开门，否则，不开门。对于工厂、机关等需要考勤的场所，门禁系统还可以记录每个职工是否按时上下班。门禁系统的另一优点是可以随时增加和删除某一卡。而不必担心某一卡丢失后造成什么损失。 门禁系统是一套现代化的、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化管理。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,礼貌地拒绝不速之客.同时也将有效的保护您的财产不受非法侵犯，并可以与PC机通信，方便管理。本文正是通过智能卡，单片机，读卡器等专门为小区开发了一套门禁系统。 论文首先简单介绍了智能门禁
12、系统的组成、功能和国内外发展现状，然后通过对Ic卡射频技术技术的研究，设计了包含微处理模块、RS232通信电路、显示电路等的门禁系统。经过软件编程以及串口通信协议实现了门禁系统的各种功能。1 绪论1.1 课题研究背景和意义在IC卡应用日益广泛的今天，IC卡门禁系统以其管理的安全、可靠、高效、灵活和方便逐步取代其它现有各类门锁成为目前门禁系统的主流方式。门禁控制系统是一种新型智能化的安全管理系统，它集自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术和通讯技术等诸多方面。它是解决重要部门出入口便捷控制和实现安全防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、办公大楼
13、、智能化小区、工厂、军械库、机要室等。在数字技术和网络技术飞速发展的今天，门禁系统也得到了迅猛发展。门禁系统已由早期单纯的门道及钥匙管理，发展为一套完整的出入管理系统，并且通过采用先进的网络技术，使整套系统的操作和自身资源的使用不再受时间和地域的限制。非接触式IC卡门禁管理系统读卡器是以非接触IC卡射频识别技术为核心，使用户使用方便和管理方便为目的，具有高安全性、高可靠性的管理系统。当要开门时，只要将Ic卡在读卡器前一划，读写器就会识别出该卡是否对应此门，当密码正确则打开门，并自动准确记录下卡号和开门时间等信息。先进的门禁系统涉及保安、保密、防盗及系统安全等重大问题。由于目前国内尚未成功开发出
14、可与国外著名厂商的门禁系统相抗衡且技术先进的产品。所以尽管目前的门禁市场上产品众多，但一般被国外品牌所垄断，但我们认为它们存在着以下几方面的缺陷：首先是价格高：第二是产品设计不够灵活，国外品牌的门禁系统产品一般只针对大型用户，而中国很多客户需要的是中小型门禁系统，这种情况如果采用国外的产品，无疑造成巨大的浪费；第三是国外产品面向的是不同国家的用户，它们多数采用英文的显示平台。这给广大的中国用户带来诸多不便；第四是国外品牌的产品为了其厂家的商业利益，对其产品进行了大量的加密措施，在硬件上采用专用大规模集成器件，在软件上使用软件狗，即使用户发现某一方面不合适，也束手无策。IC卡门禁系统以其门禁管理
15、的安全、可靠、高效、灵活、方便，已逐步取代其他现有各类门锁，成为目前门禁系统的主流方式本论文专门为小区开发了一套门禁系统，使用该系统，可以方便地管理和控制应用场所的人员进出情况，验明出入人员的身份和出入权限，防止非法行为的发生，使户主的人身以及财产得到更好的保护，其研究结果具有深切的实际意义。1.2 国内外情况1.2.1 国外研究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HMD公司、h1-dala公司、德国的Destle公司。生产控制器的公司只研究生产控制器和软件，如美国的Northem Computer公司、CSI
16、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。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，在采购方面就可以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
17、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ISOIEC 14443 Type A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。Philips公司的Mifare IC卡系列产品有三大类：Mifare Standard，Mifare light，Mifare PLUS(第一代)和Mifare PRO(第二代)。最近又推出一种新型Mifare卡，即Mifare ultralight非接触式Ic卡，简称为M
18、FO IC U1，有512字节EEPROM，专用于车票系统，MFO卡最大的特点是交易时问只有314ms，比其它Mifare卡要短得多。此外还有一种MF3 ICD40卡，密码机制更加完善，不是按块而是按文件操作，波特率高达106424Kbps，有防撕扯功能、值文件功能等28种用途。Philips半导体公司的MIFARE非接触式智能卡技术诞生于1990年，到1994年这项技术被推向全球市场，1995年，第一个利用MIFARE技术生产的装置开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利亚、芬兰及捷克等国的公共交通系统上。从那以后，Philips半导体公司不断地开发、改进MIFARE结构平台。至今，已经拥有了许
19、多系列的智能卡集成电路、读卡机集成电路。Philips半导体公司的MIFARE非接触智能卡在非接触卡应用领域占有全球80%的市场份额，是目前非接触智能卡的工业标准，广泛应用于公共交通、路桥收费、电子机票、身份证、付费电话、付费电视等领域，特别是在门禁系统的应用上。1.2.2 国内研究的现状随着国内厂商硬件技术的成熟，国内市场已表现出向成长期迅速发展的明显趋势。我国政府在1993年制定的“金卡工程实施计划”及全国范围的金融卡网络系统10年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。它的实施，推动了金融电子化、商业和流通领域电子化的步代，使我国银行业务得到迅速发展，并逐渐在电信
20、、公安、石油、海关、工商管理、税收征管、卫生医疗、交通管理、公共事业、社会保障等各行各业得到广泛应用，并带动了读写机器和各类应用产品及系统的开发、生产和推广应用，初步形成了从芯片设计、COS开发、模块生产、制卡、读写机具及应用产品开发、生产的完整体系。如2000年12月份在上海推出的社会保障卡，存储了持卡者的指纹、姓名、身份证号码、照片、工作单位、婚姻状况等信息，真正做到了个人信息电子化。但目前我国非接触式Ic卡的制卡技术及其相应的读、写卡设备技术仍处于相对落后状态，这种要求有极高安全性和保密性的金融行业制约了我国金卡工程的实施和发展。也正因为如此，许多软硬件企业也纷纷瞄准这一新的IC卡领域进
21、行生产与开发，相信非接触式IC片的广泛应用前景必将带来这一市场越来越激烈的竞争和更快的发展。1.3 系统设计主要内容本文设计的门禁控制系统，能对出入人员实现有效的控制，可以设定使用的IC 卡，只有设定的IC卡才能打开门, 并记录卡号和时间，同时把纪录的数据传输到计算机，以供管理员查询。门禁系统设计主要分为两个部分：硬件系统和软件系统。硬件系统包括硬件电路功能的构造和芯片的选择；软件系统包括非接触式IC卡读写操作、程序的编写和串口通信程序的编写，以及应用操作界面的设计。（1） 硬件问题 门禁控制系统的硬件主要有四部分：微处理模块，读卡模块，显示模块，串口通信模块。读卡模块是智能门禁系统的核心，在
22、系统中负责读卡、与PC机通信、向控制器发送控制信号等工作。串口通信模块主要由串行接口芯片组成，能实现串口与PC机的通信。（2） 软件问题软件设计是本次设计的重点。因为所有的控制都是基于单片机控制。主要涉及到单片机控制和串口通信协议。读卡器读取卡的信息，系统将卡的信息传输到PC机，并将数据保存到PC机，以供查询。2 方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解，
23、以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。2.1 设计要求设计的门禁系统需要实现以下功能：（1）、可以设定使用的IC 卡，只有设定的IC卡才能打开门, 并记录卡号和时间。 （2）、可以通过计算机设定门禁系统参数。（3）、可以把纪录的数据传输到计算机。2.2 方案的论证根据卡的种类分为接触卡门禁系统（磁条卡 条码卡）和非接触卡（又叫感应卡 射频卡）门禁系统。接触卡门禁系统由于 接触而是的卡片容易磨损，使用次数不多，卡片容易损坏等，使用的范围已经越来越少了，只在和银行卡（磁条卡）有关的场合被使用，例如：银行VIP通道门禁系统，无人值守取
24、款机门禁系统等局部行业性领域还在使用。非接触IC卡可用以存储数字、字母编码信息，具有智能读写和加密通信的功能，卡中存储需要识别、交互的数据可以随时写入、更改或擦除。它通过无线电波与读写设备进行数据交换，不需要电气触点，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。由于其耐用性，性价比好，读取速度快，安全性高等优势，是当前门禁系统的主流。本文正是采用非接触式IC卡来设计门禁控制系统，主要探讨了通过Philips公司的Mifare射频卡，微处理电路设计和软件程序设计，串口通信，上位机出入门管理软件来实现门禁系统的控制。2.3 方案的确定 本系统使用AT89S51单片机来实现控
25、制，1602显示模块来显示时间，蜂鸣器模块作为报警模块，RS232模块作串口通信与上位机进行通信。当有人刷卡时，如果刷卡成功则蜂鸣器报警，表示开门信号。同时上位机通过调用系统时间并把信息传输给单片机，利用单片机来控制1602显示屏来显示时间和卡号，同时上位机保存刷卡记录。如果刷卡不成功，蜂鸣器则不响。2.3.1门禁机模块设计（1） 非接触式IC卡读写头部分 读头部分采用非接触TX522读写模块，由读卡器读入数据并加以保存，读写头的读写距离在0-10厘米左右。（2） 门禁机主控模块 智能门禁机主控模块是智能门禁机系统的核心部分，主要包括MCU、显示、时钟，有精确时间记时和显示。2.3.2管理模块
26、设计（1） 系统管理主控模块设计设计门禁主控模块，其主要实现的功能是管理员对一般用户发卡，能对丢失的卡进行挂失，对找回的卡进行解挂。（2） 系统管理的数据管理设计 运用编程，制作数据管理软件。采集下位机的数据并保存，然后管理采集到的数据。2.3.3数据传输模块的设计通过RS232及串口完成中央控制电脑与门禁模块之间的数据传输。2.4 硬件设计门禁系统包括主控模块、外围电路，通信模块，射频模块。系统采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare 1卡，以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN（全球唯一）为依据控制门的开启。通过AT89S51对TX522模块的控制达到对卡的读写。系统结构简单
27、,成本较低且具有信息量大和安全保密性好等特点。外围配有RS232接口能与PC机互相连，可以完成读卡、显示卡号和出入时间、身份识别以及保存和上传出入记录等功能。本系统选择单片机时考虑到几个问题：处理能力、存储器空间的大小、兼容性、系统整体设计及性价比，以及系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信)等。选取了ATMEL公司生产的AT89S51单片机作为读卡器的控制模块。2.4.1 AT89S51单片机AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。由于将多功能8位CPU和闪烁
28、存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要特性：（1） 4K字节可编程闪烁存储器 （2） 寿命：1000写/擦循环 （3） 数据保留时间：10年 （4） 全静态工作：0Hz-24MHz （5） 三级程序存储器锁定 （6） 128*8位内部RAM （7） 32可编程I/O线 （8） 两个16位定时器/计数器 （9） 5个中断源 （10）可编程串行通道 （11）低功耗的闲置和掉电模式 （12）片内振荡器和时钟电路 图2.1 AT89S51单片机引脚图由上图可知AT89S51的内部结构主要包括有ALU部件、定时和控制部
29、件、并行IO接口、串行IO接口、定时器部件、程序存储器、数据存储器等七个部分。部分引脚的功能为：VCC:电源；GND:地； RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用；XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。（1）、时钟电路单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。而在芯片外部和之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。这里使用震荡频率为12MHz的石英晶体。需要注意的是：设计电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容
30、的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图2.2所示：图2.2 振荡电路（2）复位电路单片机的复位电路采用按键复位方式：按键复位：程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。图2.3 复位电路2.4.2 报警模块设计报警指示模块：选用晶体管组成晶体管驱动电路。在每次读合法卡成功时读卡器都会发出指示音，否则不响。如图2.4图2.4报警模块2.4.3 显示模块设计本系统要求门禁在不打卡时具备显示当前时间,打卡时显示该卡卡号及打卡时间。为此，选用了具有有良好的显示界面的1602液晶显示器。图2.5为液晶与
31、AT89S51接口电路。 图2.5液晶与MCU接口电路2.4.4串口通信模块设计读卡器用串行接口芯片MAX232通过标准的DB9直接与PC机相连。MAX232是MAXIM公司生产的专用串行接口芯片，包括2路接收器和驱动器，我们只用其中一路收发器。芯片内部有一个电源电压变换器可把输入的+5V电源电压变换为RS232输出电平所需的10V电压(负逻辑)。所以使用此接口芯片的串行通信系统只需单一的+5V电源。在本设计中硬件上采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手的零MODEM方式，即将PC机和单片机的发送数据线(TXD)与接收数据(RXD)交叉连接，二者的地线(GND)直接相连，而其它信号线如握手
32、信号线均不用，而采用软件握手，这样即可以实现预定的任务又可以简化电路设计，节约了成本。MAX232的电路连接如图2.6所示图2.6 MAX232电路连接图2.4.5射频模块设计TX522B是一个简单的串行读写模块，用于与常用的微处理器。通过单片机向TX522B模块发送命令来对TX522B进行读写控制。下图为单片机与TX522模块接线图。图2.7 TX522BT与MCS51单片机接口图3 下位机程序设计第二章详细叙述了系统的硬件设计，但一个只有硬件系统的只是一个“裸机”系统。一个控制系统性能的好坏除了跟硬件设计有关外，更重要的是系统软件。软件是一个系统的“灵魂”，本章将详细介绍系统的各个模块的软件设计。3.1 单片机模块程序设计3.1.1 显示模块程序设计显示是人与计算机系统打交道所必不可少的部分，要求门禁在不打卡时具备显示当前时间,打卡时显示该卡卡号及
