基于AT89C52单片机的小区门禁系统论文.doc
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河南机电高等专科学校
毕业设计论文
论文题目:
基于AT89C52单片机的小区门禁系统
系部
专业
班级
学生姓名
学号
指导教师
2012年5月2日
31
河南机电高等专科学校毕业设计/论文
目录
摘要 I
Abstract II
第1章门禁控制系统的概述 1
1.1门禁控制系统的简介 1
1.2门禁控制系统的组成 2
1.3门禁控制系统的工作原理、方式和功能 3
1.4本系统的设计方案 4
第2章RFIC技术概述 5
2.1RFIC简介 5
2.2RFIC的优点 5
2.3IC卡应用系统的组成 5
第3章系统硬件电路部分设计 6
3.1系统硬件设计实现方案选择 6
3.2AT89C52单片机简介 7
3.3系统看门狗电路 8
3.4系统存储器的扩展 8
第4章系统通信电路设计 10
4.1基于AT89C52的串行通信协议 10
4.2RS422通信标准 10
4.3RS422-RS232转换电路 12
4.4IIC总线 12
第5章系统软件部分设计 14
5.1数据库设计 14
5.2串行通信动态链接库的设计 15
5.3程序设计 18
5.4程序流程图 21
第6章本设计总结与展望 22
致谢 23
参考文献 24
附录Ⅰ 25
附录Ⅱ 28
I
摘要
本设计简单介绍了RFIC(射频卡)的技术,课题研究设计了基于RFIC(射频卡)识别的门禁系统。
详细分析了系统的硬件设计和软件设计,以及主要程序设计的流程图和程序。
形成了一套完整的门禁控制管理系统。
本文所设计的门禁系统,具有较强的实用性、较高的性价比和良好的扩展性。
设计阐述了门禁系统的单机应用和联网应用设计方案,以及设计时所遵循各种规范;详细描述了门禁系统的核心硬件,门禁控制器和RS422-RS232转换电路的设计。
本门禁系统可采用RS422总线型网络进行组网,用RS422-RS232转换电路实现和上位机的串行通信,门禁控制器和上位机所有串行通信都是通过调用设计的串行通信动态链接库中的函数来实现的。
设计控制器软件部分重点介绍控制器主程序设计、读卡器中断子程序设计、串行中断子程序设计等;上位机部分重点介绍上位机串行通信的实现。
最后,总结本门禁系统的特点以及有待改进的地方,展望了门禁系统的发展趋势。
关键词门禁系统;单片机;数据库;串口通信;动态链接库
河南机电高等专科学校毕业设计/论文
Abstract
ThispaperbrieflyintroducedtheRFIC(radiofrequencycard)technologies.ThispaperresearchanddevelopmentissuesbasedontheRFIC(radiofrequencycards)toidentifytheAccessControlSystem.Detailedanalysisofthesystem'shardwaredesignandsoftwaredesign,andthemainflowchartoftheprogramdesignandprocedures.Formacompletesetofaccesscontrolmanagementsystem.
TheAccessControlSystemrecommendedinthisthesispossessesbetterpracticability,highratioofperformanceoverpriceandpreferableexpansibility.ThispaperelaboratedapplicationsofthesingleandnetworkAccessControlSystem,referstosomekindsofdesignstandards,expoundsthekernelhardwareofACS,includingthehardwareofthecontrollerandthetransitioncircuitbetweenRS422andRS232signals.ThedesignedACSiscomposedinthenetbyRS422bus,andcommunicateswithPCbycallingthefunctionsinthedynamiclinklibraryoftheserialcommunicationwiththehelpofthetransitioncircuitbetweenRS422andRS232signals.
Thispaperhighlightssomeofcontrollersoftwaredesigncontrollermainprogram,theinterruptsubprogramofthecardreaderandtheinterruptsubprogramserialcommunicationofthecontrollerareexpounded.InPCworkstation,serialcommunicationprocessalsointroduced.
Thelastchaptergivestheconclusionandpointsoutthemendparts,thedevelopmentdirectionofACSinthefuture.
Keywords:
AccessControlSystem;MCU;Database;Serialcommunication;Dynamiclinklibr
II
河南机电高等专科学校毕业设计/论文
第1章门禁控制系统的概述
1.1门禁控制系统的简介
1.门禁系统
门禁系统即出入口门禁系统,是对出入口通道进行管制的系统,该系统控制各类人员的出入以及他们在相关区域的活动。
其控制的基本原理是:
按照人的活动范围,预先制作出各种层次的卡或预定密码。
在相关的大门、室门等处安装读卡器,持卡者把自己的卡片放到读卡器上识别,读卡器把读到的卡号等信息发送到控制器,经控制器判断,如身份符合,门锁就开启,否则就禁止入内或者报警。
通过门禁控制系统,可有效控制人员的活动。
目前它是解决小区或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。
2.门禁控制系统发展的历史背景
当今社会是科学技术日新月异、飞速发展的信息时代。
人们正感受着高科技带来的极大方便和益处,同时,人们对于高科技服务于生活的要求也越来越高。
但随着科技的发展,运用高科技手段进行盗窃、抢劫和间谍等犯罪行为层出不穷。
人们企盼着更可靠更安全的、与时俱进的安全防范措施,以有效的阻止这些犯罪行为的侵犯。
门禁系统将智能卡与锁有机结合,进而由智能卡代替钥匙,配以微机控制,实行智能管理,有效的解决了传统门锁的多种不足。
以下是门禁系统的发展的几个阶段:
第一代门禁:
单一的键盘输入密码方式—常常会有因忘记密码而被拒之门外尴尬的事时有发生;
第二代门禁:
接触卡式门禁系统。
第三代门禁:
感应卡即非接触式IC卡门禁。
第四代门禁:
生物辨识系统。
它包括指纹机,掌纹机,视网膜辨识机和声音识别以及人脸识别装置等。
3.门禁控制系统的发展现状
门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的,国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯(HID)、西屋(WSE)、洛泰克(NTK),以色列的DDS、英国的集宝等品牌。
国内从事门禁系统有捷顺、北京青云等公司。
目前,国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。
在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。
随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术的不断发展与成熟,指纹自动识别系统的体积不断缩小,其价格也将不断降低。
目前国外生产的门禁系统安全性较高,但是价格昂贵,感应式门禁系统控制器的价格从4000到3万元不等,包括读卡器、门锁、控制器、软件在内的一套系统报价在万元左右。
国内生产的感应式门禁系统和指纹门禁系统价格较国外同类产品价格低大约百分之十到百分之五十左右。
但系统的可靠性和稳定性稍差一些。
1.2门禁控制系统的组成
门禁控制系统原理如图1-1所示。
图1-1门禁控制系统原理图
门禁控制系统主要负责出入口控制,其主要由以下部分组成:
(1)非接触感应卡片:
存储用户的不可复制和解密的IC号。
(2)读卡器:
通过射频感应原理,识别感应卡内置加密卡号。
(3)门禁控制器:
识别用户卡片,判别卡的合法有效性,并做出相应的控制。
(4)电控锁:
电动执行机构。
(5)开门按钮:
出门可以设置为按钮出门。
(6)紧急按钮:
当出现意外情况时按下紧急按钮。
(7)232信号转换器:
对所有数据存储器进行联网和远距离通讯,用于控制器与计算机之间通讯。
(8)管理软件:
通过电脑对所有单元进行中央管理和监控,进行相应的时钟、授权统计管理工作。
(9)电源:
提供系统运作电源和电锁的执行结构的电源供应。
1.3门禁控制系统的工作原理、方式和功能
1.门禁控制系统的工作原理
本系统采用感应式技术,或称作射频识别技术,是一种在卡片与读卡器之间无需直接接触的情况下即读取卡上信息。
在感应式技术应用中,读卡器不断通过其内部的线圈发出一个电磁场(激发信号)。
当一个感应卡放在读卡器的读卡范围内时,卡内的线圈在激发信号的感应下产生出微弱的电流,作为卡内一个小集成电路的电源,而卡内的集成电路存储有制造时输入的唯一的数字辩识号码(ID),该号码从卡中通过解调信号(接收信号)传输回读卡器。
读卡器将收到的无线信号按一定的格式传回给控制器,由控制器处理、检错和转换成数字信号,控制器然后把这个数字辩识号码(ID)送给控制器上的微处理器,由它作出决策。
使用感应式读卡器,不再会因为接触摩擦而引起卡片和读卡设备的磨损,也无需将卡塞入孔内或磁槽内刷卡。
卡片只需在读卡器的读卡范围内晃动即可。
2.门禁控制系统的工作方式
(1)单向感应式(读卡器+控制器+出门按钮+电锁)
使用者在门外出示经过授权的感应卡,经读卡器识别确认合法身份后,控制器驱动打开电锁,并记录进门时间。
按开门按钮,打开电锁,直接外出。
适用于安全级别一般的环境,可以有效地防止外来人员的非法进入。
是最常用的管理模式。
(2)双向感应式(读卡器+控制器+读卡器+电锁)
即持卡人出入均刷卡,方可出入受控场所,并记录出门时间。
适用于安全级别较高的环境,不但可以有效地防止外来人员的非法进入,而且可以查询最后一个离开的人和时间,便可为落实责任提供证据。
(3)卡+密码式
刷完卡后,必须输入正确的密码,才能开门。
密码是个性化的密码,即一人一密码。
适用于安全性更高的场合,即使该卡片给人拣到也无法进入,还需要输入正确的密码。
3.门禁控制系统的功能
(1)刷卡记录:
当人员进/出门时需持卡在读卡器前进行读卡,读卡器读取信息后,将信息传送到主机,主单片机判断该信息的合法性,并可发出警报。
(2)信息显示功能:
选用带液晶读卡器,还可显示时钟,刷卡指示等信息。
(3)记录存档及查询功能:
主机会将刷卡信息、日期、时间等数据保存以供查询或直接传输到电脑进行处理。
所有读卡资料均有电脑记录。
(4)密码键盘功能:
如果用户想刷卡后按密码才允许进入。
卡+密码的操作方式目的在于用于对安全性要求更加高的场合。
连续3次密码输入错误键盘自动锁住。
(5)异常报警功能:
门户的状态和行为,都可实时反映到控制室的电脑中,当门打开的时间过长,非法闯入、门锁被破坏等情况出现时,可以实现计算机报警。
(6)系统扩展性好,具有联网功能:
模块化的组网方式,集合RS422和IIC总线传输的优势,使系统的组网方式更加灵活,系统的扩展更加方便。
1.4本系统的设计方案
本门禁系统主要设计目标是,设计一种具有对人员进出授权、记录、查询和统计等多种功能,还可作为人事管理、考勤管理等使用,可与任何机电设备产品及控制系统配合使用的智能卡门禁系统。
本门禁系统既能方便内部人员的自由出入,又能杜绝外来人员随意进出,提高安全防范能力。
本门禁系统是一种总线型有线传输出入口控制系统,本门禁系统系统可以采用RS422及IIC总线型网络组网。
其信号传输方式采用RS-422方式,系统网络的传输有效距离为1200米以内,如需延长则增加中继信号放大器即可。
RS-422方式传输的信号到达信号转换器后,由信号转换器转换为标准的RS-232信号,与计算机串行口连接。
第2章RFIC技术概述
2.1RFIC简介
非接触式IC卡--RFIC(又称射频卡)是90年代初发展起来的新技术,它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源和免接触难题。
射频卡无需专门的供电电源,它与读写器间无机械接触,避免了接触故障;它的表面无裸露芯片,可防水,且不易产生静电击穿及弯曲损坏等问题;射频卡使用时没有正反面,而且非接触式IC卡具有可靠性高、使用方便、操作速度快等特点。
2.2RFIC的优点
RFIC卡又称射频智能卡,它是IC卡技术与射频识别技术相结合的产物。
由于它与读写器间无机械接触,而是借助电磁波进行通信,故在保留接触式IC卡原有优点的同时,操作快捷便利、可靠性高、寿命长、抗干扰能力强并且能实现一卡多用的功能。
2.3IC卡应用系统的组成
IC卡本身并不能单独直接使用,它必须与相关设备组合才能共同构成符合某种需求的应用系统。
一个标准IC卡应用系统最基本构件包括IC卡、读写器和计算机。
其中读写器一般作为计算机终端,用来实现对RFIC卡的数据读写和存储。
读写器在门禁系统中是主要的工作机,它是智能IC卡与PC机和开关门设备之间的桥梁,其数量较多,根据需要安装在方便的地方。
它可以独立工作,也可以联网工作,通过串行口与PC机相连。
读写器也称接口设备,它不仅是IC卡与PC的通信桥梁,而且常常是IC卡的能量来源,其内核通常是工业控制单片机。
IC卡读写器种类繁多,功能上由于不同的应用需要差异也很大,但是就其对IC卡的操作功能而言,读写器均具有如下基本功能:
(1)非接触式IC卡进入/退出射频区的识别与控制。
(2)通过射频方式向非接触式IC卡提供稳定的电源和时钟信号。
(3)实现与IC卡的数据交换,并提供相应控制信号。
(4)提供相应外部控制信息及与其他设备的信息交换。
第3章系统硬件电路部分设计
3.1系统硬件设计实现方案选择
在门禁控制系统中,控制器电路是核心,由一台微处理机以及相应的外围电路组成。
如果将读卡器比作系统的眼睛,将电磁锁比作系统的手,那么控制器就是系统的大脑,由它来辨别是否为本系统已注册的有效卡,该卡是否符合所限定的时间段,从而控制电磁锁是否打开。
目前国内大部分门禁系统大都是采用单片机控制,本门禁系统采用AT89C52单片机作为控制器,用其自身带的串行口实现门禁系统和上位机的通信。
但是有些场合门禁系统现场离上位机有一定的距离,本系统采用了传输距离较远的RS422接口。
上位机本身不带有RS422接口,要实现门禁系统和上位机的通信,必须设计相应的转换接口电路。
本章具体介绍门禁系统硬件各个部分的设计、AT89C52单片机串行通信接口RS422接口的实现,以及RS422和RS232接口转换电路的设计。
本门禁系统工作时,需要+5V的稳压电源,为了使系统的轻巧、便捷,控制器电路设计时没把线圈和整流桥部分设计到控制板上,将220V的交流市电经过变压后生成12V直流电源,然后再接入到控制板的电源变换电路。
其中电路原理图如图3-1所示。
图3-1电源电路原理图
3.2AT89C52单片机简介
本系统采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为微处理器。
AT89C52与MCS-51系列单片机完全兼容,它采用静态时钟方式,可以大大节省耗电量AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),功能强大的AT89C52单片机已经应用于较复杂的系统控制场合。
PDIP封装的AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
AT89C52引脚如图3-2所示。
图3-2AT89C52引脚图
AT89C52的主要性能和参数:
(1)与MCS-51单片机完全兼容的指令和引脚排列以及工作特性。
(2)片内程序存储器内含8K可重复擦写的Flash程序存储器。
(3)片内数据存储器内含256字节的RAM。
(4)3个可编程的16位计数器(定时器)和32个可编程I/O口线。
(5)串行口是具有一个全双工的可编程的串行通信口。
(6)中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优先权的中断机构。
(7)低功耗模式有空闲模式和掉电模式。
(8)编程频率是3-24MH,编程启动电流是1mA。
(9)AT89C52的工作电压为5V。
3.3系统看门狗电路
看门狗电路(WDT)的使用是为了防止单片机进入死机状态或者程序跑飞,看门狗电路能在单片机发生故障进入死机状态时,重新复位单片机。
当前有多种看门狗的芯片,如MAXIM公司的MAX802,MAX813等。
而且,有好多种单片机中本身就集成有看门狗。
但是本系统选择的单片机AT89C52没有集成的看门狗电路,所以在系统电路设计时加了一个看门狗电路。
不过一个外部的看门狗是比单片机自带的看门狗系统要好,因为它不依赖于单片机。
本系统采用看门狗电路MAX813作为程序运行监控器。
在程序设计时,设定执行程序中全部任务的时间比看门狗延时周期短,并且对于每项任务设置一个标志,使看门狗对多项任务进行监视,只有当全部标志置位,也就是在程序跑飞或进入死循环造成系统失效时,将由看门狗发出一个复位信号,使系统能尽快复位并恢复正常工作。
本系统中看门狗的电路原理图如图3-4所示。
图3-4看门狗的电路原理图
3.4系统存储器的扩展
考虑到AT89C52单片机本身的I/O口的限制,以及本门禁系统的硬件设计中几乎把AT89C52单片机的I/O口用完,再者是存储器存储速率的快慢以及容易布线的特点,综合考虑以上因素,本系统的外部存储器采用了串行存储器。
我们选用了ATMEL公司的AT24XX系列的串行EEPROM存储器。
本系统我们用AT24C64,它与容量更大的同系列存储器兼容,如AT24C128和AT24C256等,替换更为方便,以便于将来存储卡片数的增加和系统升级。
AT24C64是2线制的串行EEPROM存储器,支持IIC总线数据传输协议,8KB的存储容量,只用两根线与AT89C52单片机构成串行接口。
AT24C64与AT89C52单片机的接口电路图如图3-5所示。
图3-5AT24C64与AT89C52单片机的接口电路图
第4章系统通信电路设计
4.1基于AT89C52的串行通信协议
AT89C52的串口是全双工结构,表示可以同时接收和发送。
它还具有接收缓冲功能,在第一个字节从寄存器读出之前,可以开始接收第二个字节。
但是如果第二个字节接收完毕时第一个字节仍未读出,其中一个字节将会丢失。
串口的发送和接收都是通过对SBUF特殊寄存器的操作进行访问的。
写入SBUF的数据装入发送寄存器,对SBUF的读操作是对物理上分开的接收寄存器进行访问的。
AT89C52串口有4种操作模式:
(1)模式0:
串口数据通过RxD进入。
TxD输出时钟,每次发送或接收以LSB(最低位)作为首位,每次8位。
波特率固定为MCU时钟频率的十二分之一。
(2)模式1:
TxD引脚发送数据,RxD引脚接收数据,每次数据为10位,一个起始位(0),8个数据位(LSB在前)以及一个停止位
(1)。
(3)模式2:
TxD引脚发送数据,RxD引脚接收数据,每次数据为11位,一个起始位(0),8个数据位(LSB在前),一个可编程第9位以及一个停止位
(1)。
发送时,第9个数据位((SCON内的RB8位)可置为0或1。
(4)模式3:
TxD引脚发送数据,RxD引脚接收数据,每次数据为11位,一个起始位(0),8个数据位(LSB在前),一个可编程第9位以及一个停止位
(1)。
UART模式2和模式3有一个专门的应用领域即多机通信。
在这两种模式时,接收为9位数据。
第9位存入RB8。
接下来是停止位。
UART可编程为:
接收到停止位时,仅当RB8=1时串口中断才有效。
可通过置位SCON内的SM2位来选择这一特性。
4.2RS422通信标准
RS422是一种以差动平衡方式传输的标准,所谓平衡,是指双端发送和双端接收,所以传送信号线要用两条线AA'和BB',发送端分别采用平衡发送器和差动接收器。
这种标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差来决定的,当AA'线比BB'线的电平低于-2V时表示逻辑电平“1”,当AA'线比BB'线的电平高于2V时,表示逻辑电平“0”。
很明显,这种方式和RS232采用单端接收器和单端发送器,只用一条信号线传输信息,并且根据该信号线上的电平相对于公共信号地电平的大小来决定逻辑电平的“1”和“0”是不同的。
RS422电路有发送器,平衡连接电缆,电缆终端负载以及接收器组成。
它通过平衡发送器把逻辑电平变成电位差,完成始端的信息传输,通过差动接收器把电位差转换为逻辑电平,实现终端的数据接收,RS422采用了双线传输,大大增强了抗共模干扰的能力,因此最大传送速率可以达到10Mbit/s(传送距离是15m时)。
若传送速率能降到90Kbit/s时,则最大传输距离可以达到1200m。
该标准规定了电路中只能有一个发送器,可以有多个接收器,所以可以组成网络。
该标准允许驱动器输出为12V-16V,接收器输入电平可以低到1200mV。
本门禁系统采用RS422串行总线的主要原因是,考虑到门禁系统控制电路有时距离上位机的距离很远,从而抛弃了RS232的技术路线,采用RS422。
经过远距离的传输后,我再把所得到的RS422信号经过RS422-RS232转换器转换,换为上位机所能识别的RS232标准电平。
我们在下面将会给出RS422的通信电路原理图。
在原理图中,我们将会详细的看到RS422的通信过程。
其中电路图的原理图如图4-1所示。
图4-1RS422通信电路原理图
本系统所用的收发器是MAXIM公司的MAX487,MAX487是低功耗的RS-422收发器,它的工作电流IIC为350uA(最大值),这是现有的RS-422收发器中功耗较小的一种,转换速率限制的输出实际上抑制了数据线终端失配引起的反射,这样,它可以在更长的电缆上进行准确无误的传输。
MAX487最高可以以250Kbit/s的速率进行发送,它是标准的半双工收
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