毕业论文 基于单片机IC卡的门禁系统的设计与应用.doc

论文题目：基于单片机IC卡的门禁系统的设计与应用目 录 第一章 门禁系统41.1 门禁系统概述41.2 门禁系统的分类41.3 领域应用61.3.1. 门禁在智能化大厦写字楼公司办公中的应用61.3.2 在智能化小区出入管理控制的应用71.3.3 门禁在政府办公机构中的应用71.3.4门禁在电信基站和供电局变电站的应用71.3.5密码门禁系统的优缺点8 第二章 读写模块ZLG500简介82.1 ZLG500与MCU的接口原理82.2 ZLG500与MCU接口的时序及通信协议8 第三章 智能卡门禁系统设计93.1 总体结构93.2 主控模块113.2.1 数据存储和数据传输模块113.2.2 主模块的软接口133.2.3 时钟控制15内容摘要现代科技技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术，从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术更新。计算机强大的处理能力，使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。IC卡作为信息时代的一种产物，以其体积小，重量轻，价格便宜，便于携带，抗干扰性强，易于使用等优点，自从其诞生以来就备受重视，其应用领域已从最初的银行信用卡单一领域，渗透到包括保安，付费电话，宾馆旅游等几十甚至上百个领域，用单片机控制的IC卡电子门禁也应用到成熟阶段。随着微电子技术的发展和社会对服务行业自动化的迫切需要，越来越多的场合采用了智能IC卡门禁系统，如校园一卡通系统、城市公交系统、大型会议签到系统、考勤系统、门禁系统。当前社会生活中使用的IC卡主要为非接触式的IC卡，非接触式IC卡是现代信息工程、半导体工业领域中的一个热点。本文以ZLG500读写模块作为卡与门禁机交换数据的接口模块，介绍了ZLG500在智能卡门禁系统中的应用。智能卡门禁系统中主控模块主要MCU(AT89C52)、ZLG500、复位电路、时钟电路、数据存储接口电路、键盘与显示接口电路及电锁等几部分组成。数据存储和数据传输部分、实时时钟和掉电保护部分、键盘和显示部分、驱动控制部分。读卡器采用AT89C52单片机作控制器，扩展实时时钟、数据存储器、8个LED显示器及显示驱动等。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，出现了感应卡式门禁系统，指纹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，门禁系统的应用领域也越来越广。关键词 ：Mifare智能lC卡 门禁系统 单片机 ZLG500AbstractAbstract The advances in modern technology and advances in computer technology representatives. Innovation in computer technology, from all levels of influence and guide the technological upgrading all walks of life. Computer processing power, making it a good tool, and its increasingly wide range of applications. IC card as a product of the Information Age, with its small size, light weight, cheap, easy to carry, strong anti-interference, ease of use, etc., since much attention since its birth, its applications from the initial Credit Card single field, penetrate to include security, pay phones, hotel and tourism dozens or even hundreds of fields, with the IC card microprocessor controlled electronic access control is also applied to the mature stage. With the development of microelectronics technology and society to the urgent need for automation of the service sector, where more and more intelligent use of the IC card access control systems, such as campus card systems, urban transit systems, large meeting attendance system, attendance systems, access control system. Used in the current social life mainly non-contact IC card, the IC card, contactless IC card is a modern information technology, the semiconductor industry in a hot spot. In this paper, ZLG500 reader module card and access control as a data exchange interface module, introduced ZLG500 in the smart card access control system. Smart card access control system control module main MCU (AT89C52), ZLG500, reset circuit, clock circuit, data storage interface circuit, keyboard and display interface circuit and electronic locks and other several parts. Part of data storage and data transmission, real-time clock and power-down protection component, keyboard and display part of the drive control section. Reader using AT89C52 microcontroller as the controller, extended real-time clock, data memory, 8 LED display and display driver and so on. With the proximity card technology, biometrics technology, access control system has been leap-type development, there has been induction card access control system, fingerprint access control systems and other technology-based systems, their safety, convenience, ease of management and so on have their own expertise, access control system applications and more widely. Keywords: Mifare Smart lC cards access control systems microcontroller ZLG500 modul字典第一章 门禁系统1.1门禁系统概述出入口门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口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、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。在数字技术网络技术飞速发展的今天门禁技术得到了迅猛的发展。门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。在该系统的基础上增加相应的辅助设备可以进行电梯控制、车辆进出控制，物业消防监控、保安巡检管理、餐饮收费管理等，真正实现区域内一卡智能管理。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，门禁系统的应用领域也越来越广。1.2 门禁系统的分类门禁系统按进出识别方式可分为以下三大类：1、密码识别密码识别：通过检验输入密码是否正确来识别进出权限。  密码键盘这类产品又分两类：一类是普通型，一类是乱序键盘型（键盘上的数字不固定，不定期自动变化）。普通型：优点：操作方便，无须携带卡片；成本低。缺点：同时只能容纳三组密码，容易泄露，安全性很差；无进出记录；只能单向控制。乱序键盘型（键盘上的数字不固定，不定期自动变化）：优点：操作方便，无须携带卡片，安全系数稍高缺点：密码容易泄露，安全性还是不高；无进出记录；只能单向控制。成本高。2、卡片识别卡片识别：通过读卡或读卡加密码方式来识别进出权限，按卡片种类又分为  普通读卡器：磁卡优点：成本较低；一人一卡（+密码），安全一般， 可联微机，有开门记录缺点：卡片，设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制；不易双向控制。卡片信息容易因外界磁场丢失，使卡片无效。射频卡优点：卡片，设备无接触，开门方便安全；寿命长，理论数据至少十年；安全性 高，可联微机，有开门记录；可以实现双向控制。卡片很难被复制。缺点：成本较高3、生物识别生物识别：通过检验人员生物特征等方式来识别进出。有指纹型，虹膜型，面部识别型  指纹仪  虹膜识别设备优点：从识别角度来说安全性极好；无须携带卡片缺点：成本很高。识别率不高，对环境要求高，对使用者要求高（比如指纹不能划伤，眼不能红肿出血，脸上不能有伤，或胡子的多少），使用不方便（比如虹膜型的和面部识别型的，安装高度位置一定了，但使用者的身高却各不相同）值得注意的是一般人认为生物识别的门禁系统很安全，其实这是误解，门禁系统的安全不仅仅是识别方式的安全性，还包括控制系统部分的安全，软件系  掌形仪统的安全，通讯系统的安全，电源系统的安全整个系统是一个整体，哪方面不过关，整个系统都不安全。例如有的指纹门禁系统，它的控制器和指纹识别仪是一体的，安装时要装在室外，这样一来控制锁开关的线就露在室外，很容易被人打开。1.3领域应用智能化大厦写字楼公司办公,智能化小区出入管理控制,门禁在政府办公机构,医疗医院系统,电信基站和供电局变电站. .1.3.1.门禁在智能化大厦写字楼公司办公中的应用在公司大门上安装门禁可以有效地阻止外来的推销员进入公司扰乱办公秩序,也可以有效地阻止外来闲杂人员进入公司,保证公司及员工财产的安全.可以显示和提高公司的管理档次,提高企业形象.可以有效地追踪员工是否擅离岗位.可以通过配套的考勤管理软件,进行考勤,无需购买打卡钟,考勤结果更加客观公正,而且统计速度快而且准确,可以大大降低人事部门的工作强度和工作量.可以有效解决某些员工离职后出于担心不得不更换大门钥匙的问题.可以方便灵活地安排任何人对各个门的权限和开门时间,只需携带一张卡,无需佩戴大量沉甸甸的钥匙,而且安全性要比钥匙更让人放心.在公司领导办公室门上安装门禁系统可以保障领导办公室的资料和文件不会被其他人看到而泄漏,可以给领导一个较安全 安静的私密环境.在开发技术部门上安装门禁系统,可以保障核心技术资料不被外人进来随手 轻易窃取.防止其他部门的员工到开发部串岗影响开发工作.在财务部门上安装门禁系统,可以保障财物的安全性,以及公司财务资料的安全性.在生产车间大门上安装门禁系统,可以有效地阻止闲杂的人进入生产车间,避免造成安全隐患.1.3.2 在智能化小区出入管理控制的应用一般在小区大门 栅栏门 电动门,单元的铁门 防火门 防盗门上安装门禁系统. 可以有效地阻止闲杂人员进入小区,有效地对小区进行封闭式管理.可以改变小区保安依赖记忆来判断是否是外人的不准确的不严谨的管理方式.如果是小区业主,新来的保安加阻拦会引起业主的反感.如果外来的人员,穿着很好,保安也许以为是业主而未加盘问,这样也会带来安全隐患. 安全科学的门禁系统可以提高物业的档次,更有利于发展商推广楼盘.业主也会从科学有效的出入管理中得到实惠. 联网型的门禁有利于保安随时监控所有大门的进出情况,如果有事故和案件可以事后查询进出记录提供证据.可以和楼宇对讲系统和可视对讲系统结合使用.可以和小区内部消费 停车场管理等实现一卡通.1.3.3 门禁在政府办公机构中的应用可以有效地规范办公秩序,可以阻止不法人员冲击政府办公部门,保护领导的人身安全.门禁在医疗医院系统的应用:可以阻止外人进入传染区域和精密仪器房间.可以阻止有人因为情绪激动将细菌带入手术室等无菌场合.可以阻止不法群体冲击医院的管理部门,以免因为情绪激动损害公物和伤害医疗工作者和医院领导.1.3.4门禁在电信基站和供电局变电站的应用典型基站和供电局变电站具备这样的特点:基站很多,要求系统容量大.分布范围很广,甚至几百平方公里,有自己的网络进行联网,有的地方是无人值守的,需要中央调度室随时机动调度现场的工作人员.实现方案是: 采用网络型门禁控制器,通过局域网或者互联网进行远程管理1.3.5密码门禁系统的优缺点通过输入密码，门禁系统判断密码正确就驱动电锁，打开门放行。优点：只需记住密码，无需携带其他介质。成本最低。缺点：速度慢， 输入密码一般需要好几秒中，如果进出的人员过多，需要排队。如果输入错误，还需重新输入，耗时更长。安全性差，旁边的人容易通过手势记住别人的密码，密码容易忘记或者泄露。趋势：密码门禁使用的场合越来越少了，只在对安全性要求低，成本低，使用不频繁的场合还在使用。例如：保险柜。第二章 读写模块ZLG500简介2.1 ZLG500与MCU的接口原理ZLG500模块采用Philips公司最新的高集成ISO14443读卡芯片MF RC500，它能读写RC500内EEPROM，提供三线制SPI接口，并具有控制线输出端口，能与任何MCU连接。ZLG500与MCS51单片机的接口原理图如图1所示。此外该模块的EMC性能优良，并且自带无源蜂鸣器信号输出，能用软件控制其输出频率及输出持续时间。图中SCLK、SDATA、SS为ZLG500与MCU相连接的控制线，分别为时钟线、数据线和片选。主控制器的MCU和读卡模块内的MCU通过此三线相连。接口空闲时，主机的SS=1，SCLK=O，SDATA=0，而从机的SS=1，SCLK=1，SDATA=O。其中SS和DATA都是双向的，而时钟线SCLK是单向的，即时钟只能由主控制器产生，该信号必须严格遵守时序规范，否则将出现通信错误，此时读卡模块必须释放该线。SS还作为数据发送使能端。若一方有数据要发送给另一方，则该方控制SS线为低电平，并在发送结束后将该线置高电平。接收数据方不得控制该线，双方必须遵守通信协议，不得同时控制该线。SDATA为数据线，由数据发送端控制数据，接收端必须释放该线。该线在一次传输开始时还同时作为数据接收端的响应信号。2.2 ZLG500与MCU接口的时序及通信协议ZLG500与MCU无论数据传输的方向如何，SPI线上信号的波形总是如图2所示。由图中可以看出，在SS为低时，时钟和数据线上的信号才有效；在 SCLK为低时SDATA变化，在SCLK为高时SDATA应保持稳定。以上传输中，从数据发送器请求开始至数据接收器响应的时间是不确定的，取决于接收器内的MCU是否忙，因此有必要设置看门狗定时器对数据接收器的响应进行监视。一旦接收器响应，则MCU必须根据数据传输方向，严格控制以下几个时间，以确保数据传输无误。    t1：数据接收器响应至MCU产生第一个SCLK上升沿的时间。    t2：2个字节传输之间SCLK低电平的持续时间。    t3：传输最后1个字节的最后1位的SCLK信号的上升沿至SS上升沿的时间。    tH：SCLK信号的高电平持续时间。    tL：SCLK信号的低电平持续时间。在数据传输方向不同时，对时间t1、t2、t3、tH和tL都有不同的要求。MCU与ZLG500的通信必须先由MCU发送命令和数据给ZLG500，ZLG500执行命令完毕后，将命令执行的状态和响应数据发回MCU。开始通信，收发双方必须处于空闲状态。首先由MCU发出SS下降沿信号，然后等待ZLG500在SDATA线上的响应，若在50 ms内未检测到此信号，则退出本次传输。若正确响应，则MCU可将命令和数据发送出去。然后MCU等待ZLG500发回的状态和响应数据，即等待SS线上的下降沿信号。若在50 ms内未检测到此信号，则退出本次传输；若正确检测到SS信号，则可以接收状态和数据。第三章 智能卡门禁系统设计3.1 总体结构 系统采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare 1(M1)卡。以M1卡作为用户卡，以其全球唯一的序列号SN为依据控制门的开启。由于它是一个高频卡，工作频率为135 MHz，因而具有较强的抗干扰能力且读写距离远(2510 cm)。整个智能卡门禁系统分为三大部分：其一是读写器部分，包括MCU、复位电路、时钟电路、显示电路、键盘、数据存储等主控模块及非接触IC卡读写模块和电锁驱动部分；其二是中央控制电脑的软件管理系统模块；其三是中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块。总体系统框图如图3所示。 首先，在发卡系统(中央控制PC机)里把用户的卡号及个人信息输入系统数据库，并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当有1张M1卡在门禁机的有效工作范围内时，系统会自动向卡发出命令，卡接收到命令后向门禁机反馈其SN。门禁机判断收到的卡号是否合法，合法则驱动电磁门锁开门，并实时上传其开门记录；如果是非法卡(未经授权或已挂失的卡)则拒绝开门并上传报警信息。只有最高授权者(掌握授权密码)才可以发管理员卡，管理员必须用管理员卡方可登录发卡系统进行发卡及下传合法卡号、挂失、解挂、下传黑名单等操作。 通过AT89C52对ZLG500的控制完成对卡的读写。系统外围配有RS232转RS485接口能与PC机互连成网络，可以完成读卡、显示卡号和出入时间、身份识别、开锁以及保存和上传出入记录、下载黑名单、设置开门权限等功能。门禁机模块的主控软件主要完成门禁机模块的初始化、卡的识别、开启门锁及保存有关数据和数据传输等五大功能。其总体工作流程如图4所示。3.2 主控模块由图3可以看出，智能卡门禁系统中主控模块主要由MCU(AT89C52)、ZLG500、复位电路、时钟电路、数据存储接口电路、键盘与显示接口电路及电锁等几部分组成。可以看出MCU除了完成对ZLG500读写模块的控制外，还要承担其他功能的控制，主要包括4部分：数据存储和数据传输部分、实时时钟和掉电保护部分、键盘和显示部分、驱动控制部分。3.2.1 数据存储和数据传输模块各门禁点的出入记录可采用实时上传或定时采集的方式从门禁机传输给中央数据库，前者对系统网络速度要求较高，当网络堵塞时有丢失数据的可能。本系统采用出入记录暂时存储在门禁机中，每隔一段时间(例如每周一次)上传给中央数据库的方式。为此要求门禁机具备一定容量的存储器，用于暂存门禁数据以及由中央数据库下载的授权卡号。门禁机存储器的容量取决于一个门禁记录的长度、系统的卡容量以及定时上传周期内最大的刷卡次数等，通常应留有一定的余量以免由于超出存储容量而丢失数据。本系统采用AT24c256作为门禁机的存储器，其存储容量达64 KB，划分成2个区：一个区用来存储所读取的记录，另一个区用来存储上位机下载的授权卡号。门禁机存储器模块的电路原理如图5所示。AT24C256是Atmel公司的具有I2C总线结构，可电擦写与编程的只读存储芯片(EEPROM)。MCU对AT24C256的读写必须遵循I2C 总线传输的时序要求，与AT24C01基本一致，在此不再赘述。对于1个单一的读写器来讲，自身的数据存储是有限的。读写器外带的数据存储器主要作为数据的临时存储，对于大量的、需要长期保存的数据，一般是通过有线或无线，甚至是网络系统传输到主控计算机中进行保存。3.2.2主模块的软接口下面以主模块中ZLG500与MCU(AT89C52)的通信为例来介绍智能卡门禁系统中主模块的软接口。ZLG500初始化的子程序如下：上述程序中CONFIG子程序为RC500的复位和配置子程序，是由MCU向ZLG500发出的不带数据的命令程序；REQUEST子程序是MCU向 ZLG500发出的带1个字节数据的命令程序，主要是检查有效范围内是否有卡存在；ANTICOLL子程序是防冲突.3.2.3 时钟控制在门禁系统中，需要实时记录出入数据(开门的卡号及其出现的时间)。若采用单片机软件计时，一方面要占用硬件计数器资源，另一方面需要设置中断、查询等，耗费单片机的CPU资源。而在系统中采用芯片DSl302则能很好地解决这个问题。DSl302是美国Dallas公司推出的高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周末、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压2555 V。图6所示是实时时钟芯片DSl302与MCU连接电路原理图，DSl302采用三线接口与MCU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。MCU对DSl302的读写控制主要包括DSl302的初始化和读取DSl302的时间和日期，初始化过程就是给DSl302赋予初始的时间和日期。当实时时钟芯片被启动后，在没有接收到新的初始化指令的情况下，其内部的时钟将一直不停地运行，从而保证时间的实时性和准确性；MCU在任何时候都可以通过读取DSl302内部时间和日期寄存器中的值而获得准确的时间和日期。关于实时时钟芯片的使用可参见参考文献。3.3 与上位机的通信软件接口设计上位机数据库管理系统采用Visual FoxPro编写。本系统采用标准的通信控件communications进行通信程序的设计，实现挂失数据的发送、用户卡号的发送、发卡和门禁模块数据的接收。每次通信时，首先在上位机的init事件中初始化通信控件olecontroll，初始化设置为：结语智能卡的应用并不是简单的读写卡操作，而是一个综合性的工程项目。它不仅包括卡和读写模块的选择，还涉及读写模块的控制、数据的传输、数据的处理和存储；既需要有硬件应用的知识，还必须具有软件方面的能力。本系统经过实际应用的验证，系统运行稳定可靠，操作简单方便，因而具有较好的应用前景。致谢词参考文献1. 沙占友，孟志水，王彦明.单片机外围电路设计.北京，电子工业出版社，20062. 洪家平 DS1307 及在太阳能电池控制装置中的应用 期刊论文 -湖北师范学院学报（自然科学版）2007(3)3. 高美珍. 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