[信息与通信]智能家居门禁控制系统.doc

智能家居门禁设计XXXX本科毕业设计（论文）题 目 智能家居门禁系统设计 学生姓名 XXXOOXXX 专业班级 电气工程及其自动化XXOO班 学 号 XXXXXXXX 院 （系） 电气信息工程学院 指导教师 XXXXXX 完成时间 201X年XX月0X日 40智能家居门禁系统设计智能家居门禁系统设计摘 要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STC11F52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。关键词 智能识别 远程控制 安防 计算机技术 电控锁INTELLIGENT HOUSEHOLD ACCESS CONTROL DESIGNABSTRACTIntelligent access control system is a new type of modern safety management system, include automatic identification technology and modern safety management measures , involves electronics, machinery, computer technology, communication technology, biotechnology, and many other new technologies. By the computer or management person in the control room monitoring, to control of inward and outward. Intelligent access control is an important part of environment security system, not only can replace traditional and the artificial key in the function of the registration, but also a diversified management tool: a set which contain the function of intelligent access control management system, can through simple scheduled operating procedures, control the gateway with all kinds of computer management, to establish the power management mechanism and mode. In internal management, it can control the different person in and out of the area. And calendar all kinds of personnel records between in and out of the situation, to provide all sorts of management mechanism strict means and detailed data; In external management can politely refuse the guests who is uninvited guest, effectively protect areas not affected by the property illegal invasion, maintain the normal work order within the region. Access control system uses STC11F52 single chip microcomputer as a control core and a buzzer control circuit, open the door indicator light circuit, control lock circuit and control information upload circuit. Entrance access control main composition: by the CPU and reset circuit, the power indicative, work instructions, oscillating circuit, a buzzer circuit, door control circuit, go out button and reading card modules. By rf card completely take the charge of door, button out function. KEYWORDS Intelligent identification The remote control Security Computer technology Electric lock目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究的背景11.1.1 门禁系统简介11.1.2 门禁系统出现的背景11.1.3 课题研究的意义21.2 门禁系统的发展31.3 门禁系统的国内外现状41.4 本课题设计的主要工作和任务52 系统方案设计与实现62.1 卡片选型62.2 读卡模块介绍62.3 总体方案论证72.3.1 各模块方案选择与论证72.3.2 总体方案确定93 系统硬件设计与实现103.1 电源模块103.2 数码管显示电路103.3 单片机最小系统电路113.4 MF-RC522读写模块123.4.1 MF-RC522芯片介绍123.4.2 MF-RC522模块工作原理133.4.3 读写模块的天线设计143.4.4 读写模块电路153.5 MF-RC522模块与单片机接口电路163.6 门控锁电路163.7 蜂鸣器电路183.8 控制工作指示灯183.9 矩阵键盘电路194 系统软件设计与实现194.1 软件设计环境194.2 主程序的设计204.3 读/写卡程序设计224.3.1 MF-RC522命令寄存器及指令说明224.3.2 读/写卡程序流程图254.4 系统外围基本电路程序的设计264.4.1 键盘程序设计274.4.2 显示程序设计285 系统调试总结与展望285.1 系统调试285.2 系统总结与展望295.2.1 系统总结295.2.2 系统发展前景展望296 结束语30致 谢31参考文献32附 录34附录1 元件清单34附录2 门禁模块电路原理图35附录3 PCB电路原理图36附录4 电路板实物图37附录5 程序清单38智能家居门禁系统设计1 绪论1.1 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】。智能门禁系统已成为发达国家和地区一些重要场合其中重要的安防系统之一，与传统的门禁安全设备不同，它从被动转变到主动监控和报警控制，发挥了更高的安全防范作用。所以，智能门禁系统在安防控制设备领域中大显风采。根据美国当局的调查结果显示：美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的578，闭路电视监控及其他报警设备销售总额仅占392，另外台湾安防器材市场的年度调查报告中，门禁系统销售增长率为25，与其他安防设备的增长率相比高出了十几倍【1】。随着人们对门禁系统的要求不断增加，现在的智能门禁控制系统的应用越来越广泛，人们对智能门禁系统的应用不再仅限于对出入口的单一管制，还要求它不仅可应用于智能大厦或者智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇智能控制等，而且还能与其他联动控制设备等一起构成具有多种控制功能的系统。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。在我国IC卡行业的发展起始于1993年左右，当时对IC卡行业非常重视，高瞻远瞩，国家大力发展我们自己的IC卡事业，建立了“金卡工程”。已成功开发出了我国自主版权的较大容量的存储卡和逻辑加密卡等，但是对于高端CPU卡和非接触IC智能射频卡的制卡技术和相应的读写卡设备的技术我们仍处于落后状态，极大的限制了我国IC卡事业的发展，制约着我国“金卡工程”的实施，智能门禁控制系统在我国的使用还处于发展阶段。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。12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。传统的门锁都是纯机械装置，无论它的内部结构多么的复杂，始终依赖于一把很简单的钥匙，就可以轻而易举的进出，如果钥匙丢失了门锁也就坏了。磁卡式的门禁系统弥补了这种功能简单和单一的不足，用磁卡代替原来的钥匙，各方面的性能都得到了改善和提高，但是磁卡的存储空间小，磁卡与读卡器之间容易发生磨损，读卡器容易被人为破坏，这些因素使得磁卡式门禁系统的安全性和可靠性也受到了一定的限制。随着接触式智能IC卡门禁系统的应用，其市场规模不断的扩大，它自身不可克服的缺点成为智能IC卡门禁系统发展的障碍。通信的全球化和网络信息的飞速发展，人们对各方面提出了更高的要求，要求信息载体便于携带、安全性高、使用简单等，非接触式智能IC卡具有无机械磨损、维护方便、使用简单等特点，具有强大的潜力因此成为业界备受关注的新军。随着数字化的普及和发展，数字电路的性能不断的完善和提高，芯片的价格也越来越低，使得人们能够有机会设计出大量各种性能、性价比高的产品。控制处理模块是门禁控制系统所有功能和组合方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防范能力以及对日常工作的管理。上个世纪80年代，计算机技术飞速发展和光学扫描的技术革新，使得指纹的提取成为了现实。在90年代后期，图像设备的引入和发展，以及图像处理的算法为指纹识别应用提供了条件，大大促进了生物识别的门禁系统的发展和应用。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。1.3门禁系统的国内外现状门禁控制系统是跟随着自动识别技术发展起来的，拥有很大的市场，有很多公司都从事门禁控制系统的生产和开发。在国外的门禁系统有很多品牌，主要有美国的休斯(HID)、摩托罗拉(MOTOROLA)、英国的集宝，以色列的SERVANT等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。目前，国内外研究和开发的门禁控制系统主要是感应式门禁系统和基于生物识别技术的门禁控制系统。在基于生物识别技术的门禁控制系统中主要是以指纹识别为应用的门禁系统使用最广泛。随着计算机技术的发展、图像处理和自动识别技术的提高以及大规模的集成电路的发展，指纹识别系统的体积越来越小，价格也不断的降低，可以广泛应用于门禁系统和其他诸多领域。无论是感应式的门禁系统还是基于生物识别技术的门禁系统，支撑射频识别技术和生物识别的技术都比较成熟。门禁系统作为一种安全保护的产品，主要竞争力是在其产品的安全性和可靠性以及性价比上。在一般人看来，基于生物识别的门禁系统都很安全，其实这是一个误解。虽然人体的生物特征是独一无二的，具有唯一性、可靠性和不可替代等优势，从识别的方式上来看确实是非常安全。但是，门禁系统作为一个整体，其整体的安全性不仅包括识别方式的安全，还包括控制系统的安全、系统软件的安全、通信方式的安全以及电源的安全，任何一个部分的安全性能都可以影响到整个系统的安全。指纹式门禁系统在安装时需要在门外安装控制器和指纹识别仪，这样一来门锁的控制线就会露在门外，容易被人打开。虽然指纹式门禁系统的识别方式安全性很高，但是系统的整体安全性还是较差。目前，国外开发使用的门禁系统安全性较高，但是价格也相对较高，智能卡的门禁控制系统的价格从4千到3万不等。国内生产的感应式门禁系统和指纹识别的门禁系统价格与国外同类产品相比要低大约1050，但是系统的可靠性相对会差一点。1.4 本课题设计的主要工作和任务本文围绕着如何实现安全性高、自动识别认证以及实时性高的智能门禁系统来展开设计和开发，首先是将电子标签作为人身份的载体，然后利用射频识别设备和计算机等硬件来构建门禁控制系统，通过软件编程实现对硬件设备的调用和相互之间的通信，最终实现对射频标签的自动识别和门锁的控制。本文的内容组织如下：第l章，通过对门禁系统的特点、发展趋势和国内外现状的分析和总结，引出课题的研究目的和意义，介绍了射频识别技术的相关原理。第2章，从射频识别系统的组成出发，详细的介绍了射频识别系统主要技术参数和RFID涉及到的关键技术，分析系统的设计要求和设计原则，得出门禁系统的总体设计方案。第3章，论述系统的硬件设计过程，主要介绍门禁系统的各个模块的硬件电路设计和实现。第4章，论述系统的软件设计过程，设计和软件协议。主要叙述门禁系统的各个模块软件流程。第5章，对论文进行总结，概括本课题的研究内容和研究成果，并展望了未来RFID技术的发展前景。2 系统方案设计与实现2.1 卡片选型目前经常接触到的卡有两种：接触式和非接触式的卡。接触式的卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式卡通过射频线圈感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。日前在社会上常见的是接触式卡，它具有存储量大，可实现一卡多用等功能。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡插入到读写器中才能完成数据交换，这样在读写卡片频繁的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上卡的触脚暴露在外，容易损坏和弄脏而造成接触不良。非接触式智能卡又称射频卡，是近几年发展起来的新技术4。它是根据射频电磁感应原理产生的，它的操作只需将卡放在读写器一定距离内就能实现数据交换。它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，将具有微处理器功能的集成电路芯片和天线封装于塑料基片之中。读写器采用兆频段及电磁感应技术，通过无线方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议。其优点是应用范围广、操作方便。因此，在公交、门禁、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。目前我国引进的射频卡片主要以PHILIPS公司的MIFARE卡为主2。本系统中使用的是PHILIPS公司的MF1-S50，其属于TYPEA型卡，下面对其做一些简述：Mifare1 卡的核心是PHILIPS公司MF1 S50系列微模块，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。Mifare1 智能卡内建有高速的MCU，卡片上除了微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件；卡片上无源，工作时的电源能量由读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能；它与读写器通信使用半双工通信协议3。2.2 读卡模块介绍非接触式卡读写模块以射频识别技术为核心，读写模块主要使用专用的读写处理芯片，它是读/写操作的核心器件，其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制。其内部结构分为射频区和接口区：射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连接的收/发器、数据缓冲器、防碰撞模块和控制单元。这是与智能卡实现无线通信的核心模块，也是读写器读写智能卡的关键接口芯片。其工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波，当有卡靠近时，卡片内有一个LG串联谐振电路，其谐振频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG谐振电路产生谐振，从而使电容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到一定电压值时，此电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的数据并保存5。其工作过程如下:第一，读卡模块将载波信号经天线向外发送；第二，卡片进入工作区域后，卡内电感和电容组成的谐振回路接收读卡模块发射的载波信号，射频接口模块将其转换成电源电压、复位信号，使卡片激活；第三，存取控制模块将存储器中信息调制到载波上，经卡上天线送给读卡模块；第四，读卡模块对接收到的信号进行解调、解码后送给单片机处理；第五，单片机根据卡片的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。2.3 总体方案论证2.3.1 各模块方案选择与论证(1)控制器的选择方案一：采用ATMEL公司的AT89S52作为系统的控制器。AT89S52单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，但是其需要专用的编程器或仿真器，相对来说开发成本较高，另外代码执行速度较慢6。方案二：采用宏晶科技的STC11F52单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期(1T)的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容8051，但速度快8-12倍，并且该型号单片机还提供ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用的编程器和专用的仿真器，可通过串口直接下载用户程序，此外该单片机还具有32K的用户程序空间和28K的EEPROM，片上还集成了1280字节的RAM7，足够用户使用，并且具备了AT89S52的所有优点，且开发成本低，能更好的实现系统功能，故选用方案二。(2)RFID读卡芯片的选择随着RFID市场的迅猛增长，各大传统芯片制造商都加入到RFID读卡芯片的开发当中，可供选择的芯片很多，下面介绍两款主流的RFID读写芯片：方案一：TI公司的TRF7960芯片。TRF7960是一个整合的13.56MHz的RFID读卡器IC产品，可以用于较宽范围的近耦合RFID系统。它的特点是完全整合协议处理，内部独立的模拟与数字电源，AM和PM双信号输入接收解调，读卡器与读卡器之间反冲突算法，输出功率可调，内建带通滤波器并且用户可选择边界频率，低功耗设计，掉电模式下电流小于lA，激活状态10mA；与微处理器接口为8位并行接口或者4线SPI接口8。方案二：NXP公司(原飞利浦半导体公司)是较早进入RFID芯片行业的国际半导体公司，在射频读写芯片上产品较全。MF-RC522芯片就是NXP公司生产的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片。MF-RC522利用了先进的调制和解调技术，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443A-MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MFRC522支持更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、I2C或串行UART(类似RS232)模式之一9，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本。由于MF-RC522能够满足设计需求，而且应用范围比其他的芯片更广，资料齐备，于是选择MF-RC522作为本设计的射频接口芯片。(3)键盘模块的选择方案一：采用独立式按键。独立式按键接口设计优点是电路的配置灵活，软件实现简单。但缺点也很明显，每个按键需要占用一跟口线，若按键较多，资源浪费将比较严重。因此本方法主要用于按键较少或对操作速度要求较高的场合。方案二：采用矩阵式按键。矩阵式按键接口适用于按键数量较多，又不想使用专用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。这种方的优点是可以节省很多I/O资源，相对于专用键盘可以节省成本，且更为灵活11。由于该系统要求的按键较多，故采用方案二。(4)显示模块的选择方案一：使用LED显示。数码管显示，对外界环境要求低，操作简单，成本低，亮度高，显示清晰可见，无热量，耐冲击，寿命长，并且容易编程实现，能显示数字和部分字符10。方案二：使用液晶显示屏显示各种信息。虽然液晶显示屏具有轻薄短小、低耗电量、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，但是考虑到其亮度低，实际成本高，并且数码管已经可以很好的完成系统的显示任务。方案三：不使用显示模块，此情况出于实际情况考虑。由于一些特殊场合，人群密度不均，在密度大的地方如果使用带有显示屏的键盘输入方式，输入密码或者通行证号码时有被窥视的风险。基于以上几种情况和实际生活中的要求，选择方案三，但如果人群密度低，也可选择方案一。2.3.2 总体方案确定根据上述分析，系统设计方案如下：图2-1 智能门禁系统结构图本系统用宏晶科技公司的STC11F52单片机作为控制器，采用MF-RC522芯片作为射频卡读/写模块芯片，采用LED数码管显示和矩阵按键控制，并以SPI总线接口和MF-RC522模块通信，组成一套门禁读卡控制系统。当卡在天线区域经过时，单片机自动对卡进行读写识别并开始进行相应设置操作（正常卡，单片机对卡进行识别，记录卡号，然后对门锁控制器作用，打开门锁；非法卡，单片机对卡识别后发现此卡无权限，则不进行任何操作，蜂鸣器报警）。系统框图如图2-1所示。3 系统硬件设计与实现3.1 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，POWER1为自锁开关，按下后不断开，可持续接通供电。图3-1 电源电路3.2 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。本电路中采用两片74HC573并口锁存器来实现显示电路，电路图如下图3-2所示。图3-2 数码管显示电路3.3 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STC11F52，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。图 3-3 单片机最小系统电路3.4 MF-RC522读写模块3.4.1 MF-RC522芯片介绍PHILIPS公司的MF-RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡器芯片系列中的一员。其利用先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF-RC522支持可直接相连的各种微控制器接口类型，如SPI、I2C和串行UART。MF-RC522可复位其接口，并可对执行了上电或硬复位的当前微控制器接口的类型进行自动检测。它通过复位阶段后控制管脚上的逻辑电平来识别微控制器接口。数据处理部分执行数据的并行串行转换。它支持的帧包括CRC和奇偶校验。它以完全透明的模式进行操作，因而支持ISO14443A的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响并使性能调节到最佳状态。当与MIFARE Standard和MIFARE产品通信时，使用高速CRYPTO1流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达100mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。由于采用了非常先进的技术，接收器已不再是限制操作距离的因素了15。该器件为32脚HVQFN封装，器件使用了3个独立的电源以实现在EMC特性和信号解耦方面达到最佳性能。MF-RC522具有出色的RF性能并且模拟和数字部分可适应不同的操作电压，其驱动、模拟、数字部分分别使用单独电源供电。MF-RC522管脚如图3-5所示。图3-5 MF-RC522管脚图3.4.2 MF-RC522模块工作原理首先，MF-RC522射频卡读写模块(下面简称读写模块)通过天线向射频卡(非接触卡)发送无线载波信号，这些信号经过射频卡的天线耦合接收后，先进行波形转换，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出到射频卡上的各级电路上。此时, 非接触卡接收到载波信号后就通过本卡片上的调制/解调电路对载波信号进行调制/解调，处理后的信号就送到卡片上的控制器以供控制及处理。非接触卡处理好数据后，也通过它本身的天线向MF-RC522返回载波信号，MF-RC522也通过自身的调制/解调电路来对这些信号进行处理。这些返回的载波信号的频率与MF-RC522发出的载波信号的频率是一致的。通过这样一个通讯回路，MF-RC522就可以对非接触卡的内容进行读写操作。这里需要说明的是：非接触型 卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写模块发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作；另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据修改、存储等，并返回给读写模块16。如上所述可以看出，读写模块的性能与天线的参数有着直接的关系。天线的性能高低决定着读卡的距离远近。因此，下面将就影响天线性能的参数做一些探讨。3.4.3 读写模块的天线设计电感耦合射频识别系统的读写模块中的天线用于产生交变磁通量，而交变磁通量用于向卡提供电源并在读写模块与卡之间传送信息。因此，天线的构造有以下几个基本要求：第一，使天线线圈的电流最大, 用于产生最大的磁通量峰值；第二，功率匹配，最大程度地利用产生交变磁通量的可用能量；第三，足够的带宽，无失真地传送数据调制的载波信号。在天线设计中，品质因数Q是一个非常重要的参数。对于电感耦合式射频识别系统的天线，其特征值就是它的谐振频率和品质因数的值。较高的品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些，由此改善对信号的功率传送。与之相反，天线的传输带宽刚好与品质因数值成反比例变化17，选择的品质因数过高会导致带宽缩小从而明显地减小卡片接收到的调制边带。计算品质因数的公式如下:Q=(2f*Lcoil)/Rcoil (3-1)式(3-1)中的f是工作频率，Lcoil是天线的尺寸，Rcoil是天线的半径。通过品质因数可以很容易计算出天线的带宽B:B=f/Q (3-2)从式(3-2)中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小。从而减弱阅读器的调制边带，会导致读写模块无法与卡通信。一般系统的最佳品质因数为1030，最大值不能超过60。如果太高，卡将无法准确地识别复位响应。3.4.4 读写模块电路MF-RC522模块电路如图3-6所示，图3-6 MF-RC522射频模块电路其中包括系统电路、天线电路和SPI接口电路。本模块的接口采用SPI总线，当然也可以选择I2C或UART方式，可以根据不同情况进行选择。3.5 MF-RC522模块与单片机接口电路由于单片机系统电路使用的是+5V电源，而MF-RC522射频模块使用的是+3.3V电源，为了使MF-RC522射频模块与单片机系统之间能正常的通信，我在他们直接加了一个390欧的电阻，经测试可以正常使用，工作非常稳定。同时还用了LM1117-3.3稳压芯片给MF-RC522射频模块提供3.3V的电源。其电路连接如下图3-7所示：图3-7 MF-RC522射频模块接口电路3.6门控锁电路本系统门锁控制电路用一个led指示灯模拟了一下，没有做具体的实物，但实际情况下可用一个继电器和门锁开关实现。以PNP三极管的基极作为门控信号的输入端与P1.3口相连，此电路由12V继电器、限流二极管、5.1K偏置电阻以及9014与8050两个三级管复合成的驱动电路组成。 在这里用到复合管的优点：是为了用低电平控制，考虑到由于STC11F52的I/O口输出高电平时的驱动能力可能会不足，所以本电路采用复合三级管就可以避免驱动能力不足的情况发生。工作原理：当P1.3口输出高电平时Q16导通，Q6截止，此时继电器的控制线圈为开路，继电器不动作。门锁接于继电器常闭端，门锁闭合，门处于锁死状态。当P1.3口输出低电平时Q16截止，Q6导通，此时继电器的控制线圈闭合，继电器动作。继电器常闭端断开，门锁打开，门处于打开状态。电路如图3-8所示：图3-8 门控锁电路3.7 蜂鸣器电路电路组成如图3-9所示：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、9015三极管及1K偏置电阻组成。工作原理：当 BEEP输出高电平时，Q1截止，蜂鸣器不响。当 BEEP输出高电平时，Q1导通，蜂鸣器发出响声。3.8 控制工作指示灯由四个LED灯组成，两个红的，两个绿的。图3-10 LED工作模拟指示灯电路其中一个绿灯作为刷卡指示器，正确刷卡时亮一次，错误刷卡时红灯闪烁，与蜂鸣器共同组成显示交流装置；另一个红灯作为继电器门锁模拟器，开锁时绿灯亮，表示正常开门，错误时红灯闪烁。电路图如图3-10所示。3.9 矩阵键盘电路矩阵式按键接口适用于按键数量较多，又不想使用专用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，可以节省很多I/O资源，相对于专用键盘可以节省成本，且更为灵活。其电路连接如下图3-11所示：图 3-11 矩阵键盘4 系统软件设计与实现智能家居门禁系统的软件设计可分为三部分：主程序设计，RC522的读、写程序的设计和读卡器外围基本电路的应用程序设计。主程序主要包括：系统初始化程序，卡片读、写、密码验证、擦除操作程序，键盘扫描处理程序，定时扫描显示程序等，对MF-RC522的应用程序的设计也即是对MF-RC522操作指令的程序设计，对读卡器外围基本电路程序的设计包括键盘扫描程序设计、开门控制程序等。4.1 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。 图4-1 Keil软件开发界面4.2 主程序的设计智能家居门禁刷卡机工作的过程是一个复杂的程序执行过程，要执行一系列的操作指令，调用多个函数。其主要包括键盘扫描、读/写卡及外围电路控制等。这一系列的操作必须按固定的顺序进行。在没有卡进入射频天线有效范围内时，LED模拟灯上显示工作模式标志，此时可以通过按键进入密码模式，当有卡进入到射频天线的有效范围内时，可以进入刷卡模式。读卡程序验证卡及密码成功后，将进行下一步的操作，即打开门锁，门锁指示灯亮。当卡拿走后，门未上锁将在等待10s后由CPU发出信号，门控锁产生动作自动上锁。各模块主程序流程图如下所示：图4-2 主程序流程图本系统设计主要有三个大的部分，一个直接刷卡部分，一个输密码部分，一个增删用户卡部分，其中输密码的部分权限高于刷卡部分，可以跳过刷卡部分直接输密码，也可以在刷卡错误时直接输密码。本系统在上电后默认状态为待机状态，为保证稳定也可以在上电后按一下复位开关使CPU进入待机状态。主要工作原理：上电复位，电源指示灯常亮，门锁关闭指示灯常亮，当刷卡时，如卡权限获得允许，蜂鸣器响一下，继电器动作将门锁打开，开门指示灯点亮，当卡移开后，延时一段时间后CPU发出信号，继电器再次动作将门锁锁闭，关门指示灯常亮；当非法卡刷卡时，蜂鸣器连续三声短鸣，提示刷卡错误；当有按键密码输入时，检测密码是否正确，正确则开门指示灯亮，蜂鸣器短鸣一声，密码错误蜂鸣器短鸣三声，提示密码输入错误。各部分程序见附录，其中增删卡部分的程序在下载入单片机时无法实现，其功能会在随后进一步调试中尝试。4.3 读/写卡程序设计4.3.1 MF-RC522命令寄存器及指令说明MF-RC522内部有64个寄存器，共分4页： PAGE0：COMMAND AND STATUS；PAGE1：COMMAND；PAGE2：CFG；PAGE3：TESTREGISTER。MF-RC522通过内部寄存器的读写控制与Mifare1卡数据通信19。CommandReg 命令控制字如表4-1所示。表4-1CommandReg(address 01h); Reset value:20h7 654 3 2 1 00 0RcvOFFPower DownCommandCommand命令类别如表4-2所示。表4-2Command（命令）命令代码Idle（空闲）0000CalcCRC（校验）0011Transmit（发送）0100NoCmd Change（无命令改变）0111Receive（接收）1000Tranceive（收发）1100MFAuthent（认证）1110Soft Reset（软件复位）1111MCU对MIFARE非接触式智能卡的控制是通过MF-RC522来实现的，MF-RC522是MCU和MIFARE非接触式智能卡之间的通信载体。MCU对MF-RC522的控制是以MCU发出MF-RC522的指令来达到的，MF-RC522收到指令之后执行这些指令。MF-RC522的指令主要有：Request Std，Request All，Antollision，Select Tag，Authentation，Read，Write，Increment，Decrement，Restore，Transfer等，它们可以完成MCU对MIFARE非接触式智能卡的很多应用场合的控制。MCU对MF-RC522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-RC522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。不同的指令将设置不同的MF-RC522内部寄存器以及应有不同的编程语言程序序列。MF-RC522主要指令说明如下：(1)“Answer to Request”(应答或复位应答)表4-3 复位应答指令指令指令代码（hex）相关的出错标志接收卡片上数据Request std26TE，BETag typeRequest all52Request指令将通知MF-RC522在天线有效的工作范围内寻找MIFARE卡片。如果有MIFARE卡片存在，这一指令将分别与MIFARE卡片进行通信，读取MIFARE卡片上的卡片类型号TAGTYPE，由MF-RC522传递给MCU，进行识别处理。Request指令分为Request std和Request all两个指令。Request all指令是非连续性的读卡指令，只读一次，它可以防止MF-RC522选择同一卡片好几次。当某