应用电子技术毕业设计（论文）基于IC卡的楼宇门禁系统的设计.doc

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1、怀化职业技术学院高职生毕业论文（设计）题目：基于IC卡的楼宇门禁系统的设计学生姓名： 专 业： 应用电子技术 班 级： 08应电 指导教师： 完成日期： 2010.11.24 教务处印制毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）课题： 基于IC卡的楼宇门禁系统的设计 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 设 计 （论文） 要 求：一、内容说明: 1、设计系统框图； 2、选择合适的IC卡，综合比较； 3、设计具体电路、编写软件，实现功能； 4、包含系统调试模块。 二、要求与说明: 1、设计系统框图； 2、选择合适的数据采集方案； 3、设计具体电路、编写软件，实现功能； 4、包含系统调试模块。 5.字数

2、不少于4000字（包括图）;不得抄袭, 否则责任自负,并作不及格处理;6. 按要求设计好封面，字体、段落和格式等严格按论文模板要求。电子文档经指导老师审查符合要求才能参加答辩。全部文件交系部统一电脑打印，并装订成册; 9. 毕业论文（设计）都要求在毕业前进行答辩。学生可以参考一些专业性的杂志,掌握论文格式; 10. 实习报告或毕业设计具体要求见附表。三、时间要求： 1.于2010年下学期第15周前完成毕业设计; 2.答辩时间: 2010年 12 月 10 日。 目 录 摘要31引言 32门禁系统的发展 33方案设计 43.1卡式门禁的选择 43.2门禁系统的构成 54硬件设计 54.1非接触式

3、IC卡门禁系统的构成54.2读卡器 64.3读写芯片的选用 74.4非接触式IC卡系统74.4.1非接触式IC卡的特点74.4.2非接触式IC卡的功能组成74.4.3射频接口电路 84.4.4数字电路部分 94.5硬件框图105软件设计115.1编程语音的选用115.2主程序设计115.3MF RC500应用子程序135.3.1AT89C52对MF RC500的初始化135.3.2AT89C52对MF RC500的操作135.3.3AT89C52对MF RC500的控制指令136结束语147参考文献14基于IC卡的楼宇门禁系统的设计摘 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

4、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。论文介绍了该门禁系统的硬件组成、软件组成。可为人事、保安等管理部门提供安全、实用、方便的管理。论文又详细地阐述了射频识别技术，非接触式IC卡读卡器的硬件和软件设计。本论文系统分析了非接触式IC卡门禁技术的发展状况和非接触式IC卡技术在门禁系统中使用的优点，重点对射频技术原理和射频卡在门禁系统中的应用进行研究，分析比较了门禁系统的几种方案，结合本系统的要求特点加以改进。关键词：非接触式IC卡 门禁系统 射频技术1、引言随着以人为本的社会生活意识的提高，越来越多的住户对小区的安全防范意识也不断的增强，实现小区管理的智能

5、化势在必行。该系统无需铺设通讯线路，相对而言成本低、可靠性高、便于维护，尤其利于现有老社区、旧办公楼的智能化改造。门禁系统已成为发达国家和地区最主要的保安系统之一，和传统的保安设备不同。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。非接触式IC卡门禁管理系统已广泛地应用于楼宇自动化、重要区域的通行等。2、门禁系统的发展出入口门禁系统顾名思义就是对出入口通道进

6、行管制的系统，它是在传统的门锁基础上发展而来的。传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能用通过各种手段把它打开。在出入人很多的通道（如办公室，酒店客房）钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。同时这个时期的产品由于大多

7、采用读卡部分（密码输入）与控制部分合在一起安装在门外，很容易被人在室外打开锁。这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。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。3、方案设计3.1、卡式门禁的选择随着感应卡技术，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，出现了很多卡式门禁系统。安全防范意识也不断的增强

8、，人们对于卡式门禁的选择也有了很大的要求，为了达到最安全、最适用，所以对卡式的选择也很重要。下表是几种卡的比较：性能磁卡接触式IC卡非接触式IC卡信息载体磁性物质（磁条）EEPROMEEPROM信息量较小大大读取方式电磁转换电擦写无线通信保密性一般好好识别速度低低很快读取距离接触接触远使用寿命短长很长成本低较高较高多标签同时识别不能不能能从上表可以看出，非接触式IC卡是现今卡式门禁系统最好、最合适的选择。所以本论文是采用非接触式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。3.2、门禁系统构成门禁系统构成分为三部分：一是读写器部分，二

9、是中央控制电脑的软件管理系统模块，三是中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块。其系统框图如图1所示：楼层PC1楼层PC n电磁门锁n门禁读卡器1门禁读卡器n电磁门锁1电磁门锁n门禁读卡器n门禁读卡器1电磁门锁1管理中心服务器局域网 图1 楼宇门禁系统框图4、硬件设计采用Philips公司的非接触式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。硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、中央控制、数据传输、主控制器AT89C52、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件框图如图2所示： 主控

10、MCU单片机芯片（89C52）复位电路时钟电路（DS1302）数据存储电路传输模块RS485中央控制电脑MCM500模块天线液晶显示键盘电锁出门按钮射频卡图2 门禁系统硬件框图4.1、非接触式IC卡门禁系统的构成非接触式IC卡门禁系统由非接触式IC卡、读卡器和PC管理机组成，此外还包括外部门禁设备。（1)读卡器：是门禁系统的主要设备，直接与PC机通过RS一232串行口相连，只要有非接触式IC卡进入读卡器天线射频能量范围，读卡器便通过射频信号与IC卡通信，认证密码，读取卡中的数据，并将其存入计算机中。(2)非接触式IC卡：相当于开门钥匙，它是通过磁力线圈产生感应电流向读卡器发射卡内信息，完成读卡

11、工作的。(3)PC管理机：门禁系统有不同的构成方案，一种是读卡器不带存储器，PC机直接与读卡器相连，读卡信息实时地传送给PC机。另一种是读卡器独立工作，内部用较大的存储器存放读卡数据，采用采集器采集读卡器中的数据，再传送到PC管理机上。在本设计中采用的是第一种方案。(4)门禁设备：门禁设备由读卡器中单片机的I/O口根据刷卡情况发出控制信号控制，密码认证通过开门，否则不开门。在读卡器上用喇叭来仿真。4.2、读卡器门禁系统的关键部件是读卡器，它由微处理器、外围扩展器件、读写芯片、射频天线、串行通信接口等几部分组成。接上串行口和+5V电源之后不仅可以读卡而且可以与计算机进行通信。读卡器是卡片与用户之

12、问的桥梁，是一个数据采集处理系统，处理来自身份识别单元的数据。其内部结构框图如图3所示。该读卡器是针对Philips公司MIFARE产品设计的，能够读写MIFARE列的非接触式IC卡。非接触式IC卡读卡器技术指标如下：(1)读写卡片类型：MIFARE；(2)天线可操作距离：天线的可操作距离为510cm；(3)卡片存储容量：卡存储EEPROM大小为1K字节；(4)射频输出：通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级；(5)供电电压：5V士10(小于100mA)；(6)接口：标准RS232(读卡器)。R232通信通信接口电源蜂鸣器驱动天线耦合电路天线单片机MIFARE读写芯片 图3 非接触式IC卡

13、读卡器结构框图4.3、读写芯片选用基于前面已经选定Philips公司的Mifarel卡为本项目的射频卡，因而射频读写芯片也就在Philips公司的芯片产品中挑选。MF RC530由于可以支持33V电源供电，一般多用于手持设备：MF RC531则多用于支持TYPE B型卡的场合。而MF RC500的性价比最高，市场应用最为广泛，购买也最方便。所以本项目决定选用MFRC500射频读写芯片。MF RC500是基于1356MHz非接触式通信模式、低成本、高集成、高性能的读卡芯片，具有下列的特性：该芯片利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在1356MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持IS

14、OflEC 14443A所有的层， 内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线，最远可达100mm。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于IS014443A兼容的应答器信号。 数字部分处理IS014443A帧和错误检测。此外，它还支持快速CRYPT01加密算法用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。4.4、非接触式IC卡系统4.4.1、非接触式IC卡的特点非接触式IC卡系统由非接触式IC卡和非接触式IC卡读卡器构成。非接触式IC卡与接触式IC卡相比，有以下特点：可靠性高、寿命长操作快捷

15、便利动态处理成本较高安全性高4.4.2、非接触式IC卡的功能组成本论文采用的非接触式IC卡是Philips公司的MIFARE 1卡。非接触式IC卡的功能组成如图4所示：卡片天线 波形转换正弦波 方波整流调制/解调电压调节上电复位能量CLOCKDATAATR请求模块防重叠模块选择模块认证模块控制和算术单元RAMROM数据加密单元接口存储器射频接口电路数字电路部分 图4 非接触式IC卡的功能组成图4.4.3、射频接口电路在射频接口电路中，波形转换模块接收读卡器上的1356MHZ的无线电调制频率，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进

16、行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。在身份识别单元的设计中，只有确定了RFID卡，才能设计读卡器等其余硬件。所以首先应根据系统的要求来选定RFID卡。系统的主要参数要求如下：工作频率：1356MHz通信频率：106K波特率防冲突：同一时间可处理多张卡读写距离：在100mm(与天线形状有关)能方便、快速传递数据半双工通信方式数据处理完整且安全典型处理时间小于200ms通过前面分析，目前我国国内市场上Philips公司的Mifare 1卡及其芯片产品占有绝对的优势，结合本门禁系统的要求，考虑到产品的技术性能要求成熟可靠，安全保密性高，尽量选择符合国际标准。最后确定选用Phili

17、ps公司的性价比高的Mifarel卡，读写芯片MF RC500，其特性完全符合本系统的各项要求。4.4.4、数字电路部分ATR请求模块：当一张卡片处在读卡器天线的工作范围之内时，程序员控制读卡器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std)命令后，卡片的ATR模块将启动，将卡片中的卡片类型号共2个字节传送给读卡器，建立卡片与读卡器的第一步通信联络。如果不进行第一步的ATR工作，读卡器对卡片的其他操作(读、写等操作)将不会进行。AntiCollision防重叠模块：防(卡片)重叠功能，如果有多张卡片处在读卡器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动

18、工作。在程序员控制下的读卡器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张卡片都有其唯一的序列号，因此读卡器根据卡片的序列号来识别已选的卡片，读卡器中MFRC500芯片的AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读卡器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读卡器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与读卡器进行通信。选择模块：主要用于卡片的选择当卡片与读卡器完成了上述的二个步骤，想要对卡片进步操作时，必须先对卡片进行“选择”操作，以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将存储在卡片上的卡片的容量传送给读卡器。当读卡器收

19、到信息后，就可以对卡片进行深一步的操作了。认证模块：在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的读、写操作。卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。三遍认证的令牌原理框图如图5所示：(C)(E)非接触式IC卡读写器MIFARE 1卡片（A）RB(B)TOKEN AB(D)TOKEN BA 图5 三次相互认证的令牌原理框图5、软件设计5.1、编程语言的选择软件是整个门禁控制系统的灵魂，系统的各项功能的

20、实现有赖于相应软件的编制。而软件编制先要选择合适的编程语言。对AT89C52单片机为核心的嵌入式系统而言，所有的控制都是由单片机程序控制实现。C语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它既可用来编写计算机的系统程序，也可用来编写一般的应用程序，用它编写的程序，具有较好的可读性可移植性。德国Keil软件公司的C51编译器可以直接对8051单片机的内部特殊功能寄存器IO口进行操作，直接访问片内或片外存储器，还可以进行各种位操作，能够产生简洁、高效率的程序代码，在代码质量上可以与汇编语言相媲美。因此在本读卡器中使用C语言进行程序设计。5.2、主程序设计软件主程序是系统的监控程序，主要完

21、成初始化，控制程序的流向，调用子程序等功能。其工作流程如图6所示。上电复位后，程序开始运行。首先是初始化的工作。包括：单片机I/O口及内部寄存器变量初始化，使整个系统处于一个确定的工作状态。 定时器TO和T1的初值的设置：定时计数器Tl用作串口通信的波特率发生器，波特率为9600bits；定时计数器T0用作定时计数器，定时时间为65ms。 中断请求控制寄存器的设置，包括定时计数器的中断标志、外中断1的触发方式控制位、串行发送接收中断标志、中断的使能。LED显示器工作状态寄存器的设置，包括译码方式选择、亮度调节、扫描位数设定、待机开关。 读卡芯片工作寄存器的设置，包括缓冲区、天线、询卡操作的相关

22、寄存器的设置。然后进入循环状态，依次询问是否需要回铃、呼叫用户、设置管理RFID卡(新卡注册或旧注销)等。开始选择卡片YN读卡写卡是写卡 初始化寻卡有卡防冲突NY 验证 图6 主程序工作流程图 5.3、MF RC500应用子程序设计单片机对Mifare非接触式智能卡的控制是通过MF RC500来实现的，MF RC500是单片机和MIFAR目接触式智能卡之间的通信载体。单片机对MF RC500的控制是以单片机发出MF RC500的指令来达到的，MF RC500收到指令之后执行这些指令。单片机对MFRC500的某一指令操作不是简单的一条指令所能完成的，必须有一个程序的序列来完成，其中有对MF RC

23、500硬件内核寄存器的读、写以及根据读出的硬件内核寄存器的内容进行语言软件上的判断和设置。5.31、AT89C52对MF RC500的初始化写41H到寄存器RxControl2： 译码源来自内部写5BH到寄存器TxControl： 使能TXl和TX2脚，设置调制源来自内部写ADH到寄存器BitPhase： 设置天线的位相值写OOH到寄存器MfOutSelect： 设MFOUT引脚为低电平5.32、AT89C52对MF RC500的操作AT89C52是通过对MF RC500的控制来实现对Mi fare l卡的读写操作，所以在软件上我们首先要设计好AT89C52对MF RC500的控制，主要有以下

24、三方面：(1)设置MF RC500的状态：(2)通过读MF RC500的状态标志来监视MF RC500的工作情况；(3)发送命令，要求MF RC500执行相应的动作。实现上述的控制操作都是通过读写MF RC500的寄存器来实现的：设置MFRC500就是设置寄存器的某些位；监测MF RCS00即读状态寄存器的标志位；执行命令要向命令寄存器写入命令代码以及通过FIFO缓冲寄存器向缓冲区写入令参数。5.33、AT89C52对MF RCS00的控制指令AT89C52对MF RC500的控制过程是：AT89C52先通过FIFO缓冲区将指令写到Command寄存器中，而后MF RC500读取这个寄存器，即

25、执行这些指令。MF RC500的指令主要有：Request std，Request atl，Anticollision，Select，Loadkey，Authentication(Auth la，Auth lb)，Read，Write，Increment，Decrement，Restore，Transfer，Halt等等。指令的启动只需要将相关的命令代码写到Command寄存器中，执行命令所需要的变量和数据都是通过FIFO缓冲区来传递，读这个寄存器就可以知道正在执行哪条命令。6、结束语非接触式IC卡具有接触式IC卡、磁卡等其它卡类不可比拟的优势，应用范围广泛，能够在大多数场合代替接触式IC卡的

26、使用。针对不同的应用场合，非接触式IC卡可以使用同一种IC卡，但是读卡器必须针对不同的应用场合单独设计。因此，非接触式IC卡门禁系统正在被世界各地的政府机关、银行、厂矿企业和智能大厦等部门广泛应用，呈现出方兴未艾之势。本论文取得了以下的成果：完成了系统硬件的整体设计。主电路采用AT89C52作为核心芯片。完成了系统软件的设计。系统软件根据与系统硬件之间的协议和系统规划的功能，采用了模块化设计。7、参考文献1刘守义主编 智能卡技术 西安 西安电子科技大学出版社出版 20042 吴晓苏 张中明主编 单片机原理与接口技术 北京 人民邮电出版社出版 20053 王汝琳主编 智能门禁控制系统北京 电子工业出版社出版 20044梁楚樵 基于Mifare非接触式IC卡的射频识别系统研究与实现【学位论文】武汉 武汉理工大学 20055 黄筱霞 IC卡门禁系统的设计北京工商大学学报 20036 刘丽丽 非接触式智能卡系统研究与开发北京 北京化工大学 2004