基于组态王的智能家居课程设计.doc

数字监控、智能小区、智能家数字监控、智能小区、智能家 居居 课程设计报告课程设计报告 设计题目： 门禁系统的设计 专 业 电子信息技术与科学 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 设计时间 2013-2014 学年下学期 教师评分 2014 年 06 月 25 日 目目 录录 一、一、概述：概述：1 1 1 1 绪论绪论1 1 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景 1 1 1.21.2 门禁系统的发展门禁系统的发展3 3 1.31.3 实验目的：实验目的：3 3 1.41.4 方案选择方案选择 4 4 1.51.5 课程设计组成部分：课程设计组成部分：5 5 二、二、ICIC 卡门禁系统设计内容：卡门禁系统设计内容： 6 6 1.1.总体设计框图：总体设计框图：6 6 2.2.总体功能设计：总体功能设计：7 7 2.12.1 组态王设计界面：组态王设计界面：7 7 2.22.2 主要功能：主要功能：8 8 2.32.3 各模块功能各模块功能8 8 2.4.2.4.设计界面效果图设计界面效果图9 9 三、三、 硬件设计：硬件设计：1010 3.13.1 电源模块：电源模块： 1010 3.23.2 数码管显示电路：数码管显示电路： 1010 3.33.3 单片机最小系统电路单片机最小系统电路1111 3.43.4 蜂鸣器电路蜂鸣器电路 1212 3.53.5 LEDLED 显示：显示： 1313 四、软件界面设计四、软件界面设计1414 4.14.1 软件设计环境软件设计环境1414 4.1.14.1.1 组态王界面：组态王界面：1515 4.24.2 单片机与组态王通讯协议：单片机与组态王通讯协议： 1515 4.2.14.2.1 1515 五、五、 总结：总结：2222 5.15.1 系统调试系统调试2222 5.25.2 系统总结系统总结2323 七、七、附件附件2323 1 一、一、 概述：概述： 智能门禁系统是一种新型现代化安全管理系统,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、计算机技术、通讯技术、生物技术等诸多新 技术。由计算机或管理人员在中心控制室监控,从而实现对出入口的控制。智能 化门禁作为环境安防系统的一个重要组成部分， 不仅可以取代传统的钥匙及人 工出入登记的功能， 更是多元化的管理工具：一套功能齐全的智能化门禁管理 系统，可透过简单的预定操作程序， 对各类场所的出入口实行计算机管理， 从而建立起有序化管理机制与模式。对内管理， 它可以随时控制不同人员的出 入区域及出入。间并记录各类人员的出入情况，为各种管理机制提供严谨的手 段和详实的数据；对外管理，可以礼貌地拒绝不素之客，有效的保护控制区域 内各项财产不受非法侵犯，维护区域内正常的工作秩序。门禁系统采用 STC- 89C52RC 单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电 控锁控制电路及信息上传电路。门禁系统主要组成：由 CPU、复位电路、电源 指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、出门按钮、读卡模块。 采用射频卡完成刷卡进门，按钮出门功能。 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景 1.1.1 门禁系统简介 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 2 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。 1.1.2 门禁系统出现的背景 当今社会科学技术飞速发展，人们都在感受着高科技带来的便利与益处， 同时，人们对高科技服务于生活的要求和质量也越来越高。我国经济的快速发 展，城市人口也迅速增加，社会财富不断积累，因此对建筑的安全防护系统要 求也越来越高。高科技在带给人们生活便利的同时，也带来了一些人运用这些 高科技手段进行盗窃和抢劫等违法犯罪行为，造成了人们的人身和财产安全的 隐患，人们只有寄希望于更安全、更可靠的安全防范措施，来阻止这些犯罪份 子的侵犯。自古以来，人们一直使用一把普通的锁来保护他们的财产，对进出 人员进行控制，这种简单的方法一直沿袭了几千年，这种普通的门锁始终离不 开钥匙，而且一把门锁需要一把与之相对应的钥匙，多把锁就需要配多把钥匙。 钥匙多了就繁琐不便于携带，并且容易丢失和被盗，不管其结构多么的合理， 材料多么坚固，总可以通过某种非正常的手段打开，因此安全性差。在科技飞 速发展的今天，传统的门锁在很大程度上不能满足人们对安防的需求，为了从 根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物 识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的基础上开发出来的。 1.1.3 课题研究的意义 当今科技飞速发展，给人们带来利益的同时，也带来了不法份子利用高科 技进行盗窃、抢劫和犯罪等问题。怎样才能使人们的安全防范措施跟上科技的 发展、有效的阻止这些犯罪行为呢？仅依靠普通的防盗门、门锁和监控是不够 的。原始的安防措施就是把门锁上，由人巡逻保证安全，随着科技的进步，智 能化的门禁系统已成为现代化管理的重要手段。 目前，智能化已成为自动化领域新技术、新方法和新产品的发展趋势和标 志，智能化迅速扩展到仪器、仪表、设备以及整个大系统之中。它不仅深入到 军事，也深入到工业控制、商业、建筑业和农业，包括计算机控制、管理、辅 3 助设计和生产过程自动化等各个领域。智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系 统中的安全系统，作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自动识别技 术和现代安全管理措施结合起来。在社会财富不断增长的今天，建筑物内的主 要管理区、出入口、贵重物品的库房、设备控制中心、电梯口等重要部门的通 道口都需要加强安全防护措施，这就需要开发出与之相对应的智能门禁系统， 识别出入口人员的身份，对出入口进行控制。 正是在这种背景下，本课题提出了基于射频识别的智能门禁控制系统，具 体分析和研究了其中的一个重要部分门禁控制系统。门禁控制系统作为居 民人身和财产安全的重要措施，其研究结果具有深远的现实意义。 1.21.2 门禁系统的发展门禁系统的发展 门禁系统到底是如何发展起来的呢?门禁系统，就是对进口和出口人员的控 制，也叫做出入口控制系统。在什么地方放人进出，什么地方拒绝人的入，以 及什么时候需要拉响警报和对出入人员信息的存档，从而保障人身和财产的安 全，是早期门禁系统的基本功能。随着社会的不断发展，门禁系统也逐步的发 展进步和智能化。从人类社会的形成开始，随着人们的不断劳动创造了财富， 人们有了属于自己的财物，为了保障自己财物的安全，人们将门用栓子锁起来， 因此，人类从找个时候起就对进出门人口的控制，从而产生了早期的门禁系统。 随着人类社会的不断进步，人们的安全防范意识也不断的提高，出现了安全性 能越来越高的门锁设备。 生物识别的门禁系统是通过检测人体个人所具有的唯一特征的方法来进行 出入的控制，研究表明，人的指纹、掌纹、面部特征、声音、视网膜、虹膜、 骨骼都具有唯一性和稳定性的特点，即每个人的这些特点与他人不同而且终身 不会发生变化，因此可以用这些特征作为判别人员身份的依据。从而产生了基 于这些特点的指纹识别、声音识别、脸部识别等生物识别的技术，指纹识别技 术是生物识别技术的热点。由于这些人体的这些生物特征具有可靠性和唯一性， 终身不变，不会遗失和复制，其他的介质取代不了的优点，所以，基于生物识 别的门禁系统从识别的方式来讲安全性高，可靠性高，而且成本高，对环境要 求也高，对用户的要求也高，使用不方便。 1.31.3 实验目的：实验目的： 4 众所周知，高科技带给我们生活的不断改善，更为我们提升需求层次，尽 快达到马斯洛人类需求理论的第四层次，体验尊贵的价值提供了保障。如何把 高科技尽快转化为产品，是世界各国技术人才追求的目标。随着社会的发展进 步，家居门禁的研制也已成规模。门禁系统又称出入口控制系统，是一种高度 智能化既可实时控制又可脱机使用的通道监管、报警安全系统。它是安全防范 系统中非常重要的组成部分。在家庭防盗和智能控制中起到非常重要的作用， 受到现代家庭的亲睐。如何使家居的门禁系统设计变的人性化、个性化、趣味 化、实现智能性已经成为家居门禁设计的一个值得研究拓展和有市场价值的方 向，本文就是基于这样的思想，以 STC-89C52RC 单片机为核心结合一些传感器、 其它智能芯片，以模块化、积木式的原则设计了一种家居门禁系统，其功能性， 实用性，价值性都得到相当完善的理论研究。 1.41.4 方案选择方案选择 1.4.1 密码门禁系统： 通过输入密码，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。 1.4.2 刷卡门禁系统： 根据卡的种类又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，无人值守取款机门禁系统等局部行业性领域还在 使用。 非接触射频卡卡，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。所以，当前很多人就把非接触射频卡卡门禁系统简 称为门禁系统了。 5 1.4.3 生物识别门禁系统： 根据人体生物特征的不同而识别身份的门禁系统。常见的有：指纹门禁系 统（每个人的指纹纹路特征存在差异性） ，掌型仪门禁系统（每个人的手掌的骨 骼形状存在差异性） ，虹膜门禁系统（每个人的视网膜通过光学扫描存在差异性） ，人像识别门禁系统（每个人的五官特征和位置不同）等。 优点是：无需携带卡片等介质，重复的机率少，不容易被复制，安全性高。 缺点是：成本高。由于生物识别需要比对很多参数特征，比对速度慢，不 利于人员人数过多的场合。人体的生物特征会随着环境和时间的变化而变化， 因此容易产生拒识率。 1.51.5 课程设计组成部分：课程设计组成部分： 该课程设计主要有两大部分构成：采用组态王来做界面设计（上位机）主 要做门禁系统的界面和简单控制，51 单片机做下位机利用 RS-232 串口进行通 讯。利用 keil 编程软件编写代码，调试，在通过 STC 程序烧写软件把代码生成 的 HEX 文件下载到单片机中进行相应控制。 6 二、二、 ICIC 卡门禁系统设计内容：卡门禁系统设计内容： 1.1.总体设计框图：总体设计框图： 7 2.2.总体功能设计：总体功能设计： 2.12.1 组态王设计界面：组态王设计界面： 8 2.22.2 主要功能：主要功能： 主要功能 主要负责小区住宅自动开关门管理，一般情况下可以采用密码和刷卡方式 进入，并记录每一次登陆的信息保存为报表。可以查询历史明细和登记的住户 信息。 2.32.3 各模块功能各模块功能 2.3.1 门禁控制器 门禁系统的核心部分，相当于计算机的 CPU，它负责整个系统输入、输出 信息的处理和储存，控制等等； 2.3.2 读卡器 用来读取标签的信息，是固定读卡器；主要感应 IC 卡里的信息，如果使 用者的 IC 卡登记过，数据传给控制器，能检索出磁卡信息，控制器控制电磁锁， 失电达到开门效果； 2.3.3 电磁锁： 主要负责门的开关，工作原理，电生磁，磁铁遇铁吸合，达到锁门效果；反之， 断电无电流，失去磁力，达到开门效果，只要控制电流即可。 2.3.4 密码器 有四个数字（14 随机组合） ，当使用者登记了密码，进门时在密码器上输 入正确的密码，数据传给控制器，控制器判断正确，门就会自动打开，密码错 9 误则返回重新输入。 2.3.5 电源 整个系统的供电设备，分为普通和后备式（带蓄电池的）两种； 2.3.6 人机界面 由电脑和组态王软件，对住户信息进行记录。方便查询，并在住户忘记带 磁卡时通过申请登记打开住户所对应的门。 DI073 LED 25 + 电源 电源 12V 读卡器 住宅门禁控制器 读卡器 DO010 - 电磁锁 RS485/232 转换器监控主机 开门按钮 门磁 门磁电磁锁 DI075 DI074 开关 DI076 图 3 小区门禁系统工作原理 2.4.2.4.设计界面效果图设计界面效果图 10 3 3、硬件设计：硬件设计： 硬件电路图主要应用了 DXP 软件。 3.13.1 电源模块：电源模块： 该电源按常规设计，为系统工作提供所需直流电，由 USB 供电，电压 5.0V，不接数据接口，仅作为供电使用，电路图如 3-1。D1 为电源指示灯， POWER 为自锁开关，按下后不断开，可持续接通供电。 3.23.2 数码管显示电路：数码管显示电路： 此电路仅供系统显示扩展使用，本系统的显示部分采用 4 位数码管显示， 用来显示刷卡号、修改密码时的密码值等其他操作指示信息。为了节省单片机 I/O 口资源，本设计采用动态显示的方法，所谓动态显示方式是指所要显示的 数据在 LED 上一个一个逐一显示，它是通过位选端控制在哪个 LED 上显示数字， 由于这些 LED 数字显示之间切换的时间非常的短，使的人眼看起来它们是一起 显示数字的13，所以其能很好的实现设计所需的要求，同时动态显示方式所 用的接口较少，节省了单片机的管脚资源。 11 3.33.3 单片机最小系统电路单片机最小系统电路 本设计中采用的单片机是宏晶科技的 STC89C52RC，该单片机具有 1T 的机器周 期，且指令代码完全兼容 8051 系列单片机，但速度却快 812 倍，并且可通过 串口直接下载用户程序，不需要专用的编程器和仿真器，片上集成有高容量的 程序存储空间和数据 RAM，无需拓展存储器件就可满足设计需要，下图 3-3 是 其最小系统电路，集合了系统时钟电路、复位电路和程序下载接口电路14。 12 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很 多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字 节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路， 3 个 16 位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传 统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 静 态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允 许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被 保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。 3.43.4 蜂鸣器电路蜂鸣器电路 电路组成如图 3-9 所示： 13 图 3-9 蜂鸣器电路 以 Q1 的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与 BEEP 口相连，主要由蜂鸣器、 8550 三极管及 5.1K 偏置电阻组成。 工作原理： 当 Q2 输出高电平时，Q1 截止，蜂鸣器不响。 当 Q2 输出高电平时，Q1 导通，蜂鸣器发出响声。 3.5 LED 显示： 采用八位共阳极设置，低电平亮，高电平熄灭. 14 四、软件界面设计四、软件界面设计 4.14.1 软件设计环境软件设计环境 本系统程序的设计以模块化和结构化的设计思想为指导。单片机开发所使 用的语言一般为汇编语言和 C 语言。汇编语言的优点是代码生成效率高，程序 运行速度快，但是程序的可读性和可移植性都较差，而且用汇编语言编写单片 机应用系统程序的周期长，调试和排错比较困难。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，具有较好的可读性和可移植性。 有经验表明，用 C 语言编写的程序生成代码的效率仅比用汇编语言编写的程序 低 10%20%。德国 Keil 软件公司的 C51 编译器可以直接对 8051 单片机的内部 特殊功能寄存器和 I/O 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。因此系统在设计中使用了 C 语言进行设计。开发环境 Keil 软件如图 4-1 所示。 15 图 4-1 Keil 软件开发界面 4.1.14.1.1 组态王界面：组态王界面： 程序烧写软件界面： 4.24.2 单片机与组态王通讯协议：单片机与组态王通讯协议： 4.2.14.2.1 组态王（kingView）内置了通用单片机通信模块，这样，我们自己开发的 单片机仪表就可以挂接在 KingView 上了。因为这样，所以对这个东西有了些兴 趣，做了些研究。 16 Keil 软件，Porteus，这些就不多说了。 Virtual Serial Ports Driver XP 5.1 虚拟串口软件，用此软件可以生成 一对相互联接的虚拟串口，这样，初期的研究工作就在电脑上完成了，省得用 硬件电路板了。 （2）资料 KingView 提供了一份简单的说明材料，就在下载后的解压缩文件包中。具 体的位置是：Value Pack技术资料常用协议单片机 ASCII 码通讯协议 （3）电路搭建 注意单片机的 TXD 与虚拟串口的 TXD，单片机的 RXD 与虚拟串口的 RXD 是 连在一起的，不要交叉哦，我在这上面可吃了不少的苦头。 。 。 。 这个虚拟串口元件的设置如下图所示： 17 在 first 后面选一个串口名，然后在 Second 后面再选一个串口名，然后点 一下 Add Pair 就行啦。怎么选都可以，就算是选 com1 也是可以的，虽然 com1 是真实存在的物理串口，但是这个 VSPD 照样把它给虚拟了。这里我选的是 com2 和 com4，大家可以看到在左侧的窗口中出现了这样一对互联的串口了，也 就是说，我从串口 2 发数据，然后串口 4 就能收到。同样，我从串口 4 发数据， 串口 2 就能收到。 （5）组态王置 根据自己屏幕选择演示项目中的一个 找到设备-DDE，双击“新建.” 18 选择：智能模块（上面的图中看不到）-单片机-通用单片机 ASCII-串 口 起个名字，然后选择串口号，我们选择 com4 这一步选择地址，需要为自己的单片机设备确定一个地址，这有点麻烦。 需要看一看地址帮助，这里简单说明一下。如果在同一个串口上连接多个单片 机设备，那么就需要确定究竟与哪一个设备通信，这就需要有个地址，这是上 面我取的地址 2.0 中的 2 的由来，而小数点后面可取 0/1，按 kingview 的介绍 是打包还是不打包。我还没有理解打包是什么，所以先取 0. 现在“设备”下面多出来了 com4，并且在右侧多出了一个“我的单片机” 的图标，这是我为自己的单片机设备起的名字。右击该图标，在弹出的快捷菜 单中选择“测试我的单片机” ，打开对话框。 19 在这里选择通信参数，为简单起见，我们将校验选为“无” ，其他按图上选 择，然后单击“设备测试”进入到设备测试页面。 增加一个寄存器，寄存器 X 后面加个 0，数据类型选择 “BYTE，SHORT，FLOAT”三者之一。我们选择 BYTE，选择添加。 OK，至此 kingview 也设置好了。下面就是编程了。 1 1通讯口设置：通讯口设置： 通讯方式：RS-232 波特率： 由单片机决定（9600bps） 。 字节数据格式：由单片机决定。 起始位数据位校验位停止位 注意：在组态王中设置的通讯参数如波特率，数据位，停止位，奇偶校验必须 与单片机编程中的通讯参数一致 2 2在组态王中定义设备地址的格式在组态王中定义设备地址的格式 格式： 前面的两个字符是设备地址，范围为 0255，此地址为单片机的地址，由单片 机中的程序决定 ； 20 后面的一个字符是用户设定是否打包， “0”为不打包、 “1”为打包,用户一旦在 定义设备时确定了打包，组态王将处理读下位机变量时数据打包的工作。 3在组态王中定义的寄存器格式 寄存器名称dd上限dd下限数据类型 Xdd655350FLOAT/BYTE/UINT 斜体字 dd 代表数据地址，此地址与单片机的数据地址相对应。 注意：在组态王中定义变量时，一个 X 寄存器根据所选数据类型 （BYTE,UINT,FLOAT）的不同分别占用一个、两个，四个字节，定义不同的数据 类型要注意寄存器后面的地址，同一数据区内不可交叉定义不同数据类型的变 量。为提高通讯速度建议用户使用连续的数据区。 3 3组态王与单片机通讯的命令格式：组态王与单片机通讯的命令格式： 读写格式（除字头、字尾外所有字节均为 ASCII 码） 字头设备地址标志数据地址数据字节数数据异或 CR 说明； 字头：1 字节 1 个 ASCII 码，40H 设备地址： 1 字节 2 个 ASCII 码，0255（即 0-0x0ffH） 标志：1 字节 2 个 ASCII 码，bit0bit7， bit0= 0:读，bit0= 1:写。 bit1= 0：不打包。 bit3bit2 = 00,数据类型为字节。 bit3bit2 = 01,数据类型为字。 bit3bit2 = 1x,数据类型为浮点数。 数据地址： 2 字节 4 个 ASCII 码，0x00000xffff 数据字节数：1 字节 2 个 ASCII 码，1100，实际读写的数据的字节数。 数据：为实际的数据转换为 ASCII 码，个数为字节数乘 2。 异或：异或从设备地址到异或字节前，异或值转换成 2 个 ASCII 码 CR：0x0d。 - 21 5 5、总结：总结： 5.15.1 系统调试系统调试 本智能门禁系统的设计经过方案论证、硬件电路设计、电路板制作、软件 设计和系统调试，实现了要求的部分功能。在设计过程中不可避免的遇到了各 种各样的问题，但是经过老师的指导和自己的不断努力，最终实现了系统功能。 在对系统调试的过程中遇到了很多问题，以下面四个问题为例简要说明一下： 第一，蜂鸣器不能正常的发声； 第二，读卡模块不工作，不能正常的读取卡片； 第三，键盘在按下时不能正确的显示定义的数字； 第四，模拟指示灯不能按要求模拟控制现象。 第二个问题，出现在程序里面，具体情况说明：在调试程序过程中，由于 对程序理解不彻底，组态王与单片机通讯协议不是太理解导致编译