《门禁系统设计》doc版.doc

目 录 摘要：2一、引言31.门禁系统发展32、IC卡门禁3二、方案设计41.系统要实现的功能42、系统整体分析53.设计时硬件的选择5三、各个模块设计与实现61.单片机最小系统62.单片机I/O接口扩展83.IC卡及读卡模块设计103.1 IC卡介绍103.2 MIFARE卡113.3 MIFARE卡工作原理163.4MF RC500芯片概述193.5引脚功能204.天线设计235、串行通信部分256. 显示模块287键盘输入及报警电路291.键盘设置292.蜂鸣器控制部分308.门控锁部分311.上锁、开锁控制电路329.PC机部分32四、软件设计部分361.读卡程序设计363.LCD12864液晶显示部分453.串行通信程序48三、结束语53附录1.AT89C52电路图55附录2 程序清单56基于单片机的IC卡门禁系统设计摘要：本论文介绍了一种基于非接触式IC卡的门禁管理系统，门禁系统采用AT89C51单片机作为控制核心，采用Philips公司MFRC500芯片设计读卡模块。PC机作为上位机，实现与单片机的通信控制，卡片管理，出入记录查询功能。当刷卡时，能显示刷卡信息，并有蜂鸣器提示。矩阵键盘作为备用输入，在没有带卡时可以输入卡号和密码，作为进出凭据。本系统设计简单可行，成本低廉、性能优良，具有较好的实用性。关键词：门禁系统；IC卡；MFRC500芯片；RS485通信 Abstract：Nowadays, with the improvement of peoples living standard and the progress of science and technology, more and more access system such as village entrance, garage entrance, public places entrance are needed ，to ensure the safety and convenient of people.At present, many of the entrance guard system is applied in every aspect,for their different characteristics and requirements. IC card entrance guard system has become the mainstream of the entrance guard system，due to its high safety, better convenience and good performance to price ratio.This paper introduce an acess control system based on non-contact-type IC card.The system use the AT89C51 microcontroller as the core control,and the Philips MFRC500 chip as card module.PC as the upper computer, implemente and communicate with the single-chip microcomputer control.It is also used as card management, access record query capabilities. When you swipe, card information will be displayed, and buzzer tips will happen. Matrix keyboard as an alternate input, when there are no cards with you, the card number and password will be an access credentials.The system design is simple and feasible, low cost and good performance with better practicability.Keywords: entrance guard system, IC card, MFRC500 chip, RS485 communication一、引言1.门禁系统发展 门禁系统，就是对出入进行管理的系统。很长时间以来，人们习惯于传统的机械锁。然而机械锁需要每一把钥匙对应一把锁，这样对于房间较多的场合使用很不方便，尤其是像宾馆、酒店、厂房等需要很多吧钥匙，管理很不方便。钥匙丢失时就要重新更换锁，非常麻烦。并且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，安全性很差。此时的门禁还局限于一个个独立的门锁，无法统一管理，安全性很差。随着社会的发展和技术的进步，人们已不满足传统的机械锁，对门禁系统的安全性和便捷性要求也更高。为了解决这些问题，发明了电子磁卡锁，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。这两种锁可以进行统一管理，也不再需要钥匙，大大方便了人们生活，具备了初步的门禁系统。但是这两种锁也有很大的缺陷，磁卡锁信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。对密码的记忆也很麻烦，每个房间都需要单独的密码。最近几年，随着感应技术、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。但是新的门禁系统由于成本高等问题而没有得到广泛的市场认同。现在流行和通用的还是IC卡门禁系统。IC卡由于其较高的安全性、便捷性和高性价比成为门禁系统的主流。2、IC卡门禁 IC卡门禁系统具有如下优势1、使用寿命长。 感应式IC卡和读卡器无需机械接触即可工作,从而避免了因机械磨损而导致的故障，大大延长了使用寿命。2、使用方便。感应式IC卡使用非常简单，不需固定方向和位置，决不会有黑暗中找不到锁孔的烦恼，只需要靠近读卡器即可。3、安全可靠。每张卡在出厂时都写有唯一的不可更改的编号，卡和读卡器均不可复制，且防水、防磁，抗干扰。当卡片不慎丢失，不需再劳神费力换锁，只需在控制器或系统软件将卡片删除便可万无一失，确保系统的安全性和可靠性。4、一卡多用。 机械锁每门至少必须配一把钥匙，而感应式IC卡可以一卡开多门，只要随身带一张卡，便可通行任意通道，再也不用带很多沉甸甸的钥匙。5、管理方便。对不同的卡可以设置相应的进出权限，能够查询进出入记录。IC卡由于便于携带，存储量大，保密性好，可实现分区管理，真正实现了一卡通。IC卡已广泛应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能。学习研究IC具有重要的现实意义。本设计详细介绍了IC卡门禁系统的实现。二、方案设计1.系统要实现的功能 （1）.读卡功能。能够利用读卡器读出IC卡内容，并与单片机进行通信。（2）.刷卡信息显示功能。刷卡成功后LCD显示刷卡信息，失败后有报警提示。（3）.与PC机通信。单片机获取IC卡信息后能够与PC机通信，由PC机发出指令。（4）.IC卡管理功能。利用PC机作为上位机，对IC卡实现管理功能。能为IC卡设置权限及增加、删除IC卡。（5）.键盘输入。键盘作为备用输入工具，在没有带卡的情况下多次输入进行验证。（6）.电插锁控制。利用单片机通过继电器实现对锁具的控制。2、系统整体分析门禁系统构成分为三部分：一是读写器部分，实现读卡功能，读出IC卡中的信息；二是单片机控制部分，实现与读卡器、PC机的通信功能，控制LCD显示屏显示，门锁的关闭及蜂鸣器报警，三是PC机控制部分，作为上位机实现卡号信息的查询及卡的管理，与单片机进行通信。实际安装中的门禁系统如图1所示3.设计时硬件的选择经过比较和分析，IC卡采用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：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AT89C51、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 主控单片机芯片（AT89C51）复位电路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1 门禁系统硬件框图三、各个模块设计与实现1.单片机最小系统1. 本系统以MCS-51单片机成员中的AT89C51为控制核心。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统包括：单片机、晶振电路、复位电路。单片机最小系统如下图：1.时钟电路 AAT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。2.复位及复位电路 （1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。2.单片机I/O接口扩展 单片机的输入、输出接口有限，无法满足实际的应用需求，如今有许多输入/输出接口扩展方法。本设计采用芯片8255A用来扩展键盘/显示接口。8255A作为通用的8位并行通信接口芯片，用途非常广泛，可以与8位、16位和32位CPU相连接，构成并行通信系统。2.1 8255A内部结构及其引脚功能8255A是40引脚双列直插式芯片，片内有A, B, C 3个8位I/O端口，可提供24条可编程的输入/输出端口线。8255A由三部分电路组成：与CPU的接口电路、内部控制逻辑电路和与外设连接的输入/输出接口电路。（1）与CPU的接口电路与CPU的接口电路由数据总线缓冲器和读/写控制逻辑组成。数据总线缓冲器是一个三态、双向、8位寄存器，8条数据线D7D0与系统数据总线连接，构成CPU与8255A之间信息传送的通道，CPU通过执行输出指令向8255A写入控制命令或往外设传送数据，通过执行输入指令读取外设输入的数据。读/写控制逻辑电路用来接收CPU系统总线的读信号，写信号，片选择信号，端口选择信号A1，A0和复位信号RESET，用于控制8255A内部寄存器的读/写操作和复位操作。（2）内部控制逻辑电路内部控制逻辑包括A组控制与B组控制两部分。A组控制寄存器用来控制A口PA7PA0和C口的高4位PC7PC4；B组控制寄存器用来控制B口PB7PB0和C口的低4位PC3PC0。它们接收CPU发送来的控制命令，对A, B, C 3个端口的输入/输出方式进行控制。（3）输入/输出接口电路 8255A片内有A, B, C 3个8位并行端口，A口和B口分别有1个8位的数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入锁存器，C口有1个8位数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入缓冲器，用于存放CPU与外部设备交换的数据。对于8255A的3个数据端口和1个控制端口，数据端口既可以写入数据又可以读出数据，控制端口只能写入命令而不能读出，读/写控制信号（, ）和端口选择信号（, A1和A0）的状态组合可以实现A, B, C 3个端口和控制端口的读/写操作。8255A有三种工作方式：基本输入/输出方式、单向选通输入/输出方式和双向选通输入/输出方式。3.IC卡及读卡模块设计3.1 IC卡介绍IC卡是一种外形与信用卡一样，卡上含有一个符合ISO标准的集成电路芯片卡片，又称集成电路卡、智能卡，英文名称“Integrated Circuit Card”。它将具有存储加密及数据处理能力的集成电路芯片模块封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料片基中，便构成了IC卡。非接触式IC卡又称射频卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，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（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。与接触式IC卡相比较，非接触式卡具有以下优点： a可靠性高非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。此外，非接触式IC卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。b操作方便，快捷由于非接触通讯，读写器在10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必插拔卡， 非常方便用户使用。 非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，即可完成 操作，这大大提高了每次使用的速度。 c防冲突非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触IC卡。这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度。d可以适合于多种应用非接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能应用于不同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。e加密性能好非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性， 同时IC卡也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。由于非接触式IC卡具有以上无可拟比的优点，所以它很适宜应用于电子钱包,公路自动收费系统和公共汽车自动售票系统等。3.2 MIFARE卡MIFARE 卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、内存容量最大的一种感应式智能IC卡。本设计采用的非接触式IC卡是Philips公司的MIFARE 1 S50卡。非接触式IC卡的功能组成如图3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3.2.1 MIFARE 1 S50卡系统参数S50非接触式卡符合MIFARE I的国际标准，容量为8K位，数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次。S50卡不带电源，自带天线，内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，具有极高的保密性能。a.工作频率： 13.56MHz b.通信速率： 106KB波特率c.防冲突： 同一时间可处理多张卡 d.读写距离： 在100mm内（与天线形状有关）能方便、快速地传递数据e.在无线通讯过程中通过以下机制来保证数据完整防冲突机制 每块有16位CRC纠错每字节有奇偶校验位 检查位数 用编码方式来区分“1”、“0”或无信息信道监测（通过协议顺序和位流分析） f.支持多卡操作g.无电池：无线方式传递数据和能量h.组成部分：一个芯片和一个简单的线圈i.三次相互认证（ISOIEC DIS 9798-2） j.通讯过程中所有数据均加密以防止信号截取k.每一扇区有相互独立的密码l.每张卡的序列号是全球唯一的，有32位m.传输密码保护n.支持一卡多用的存储结构3.2.2存储结构1、 M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063，存贮结构如下图所示： 扇区0 块0 数据块0块1数据块1块2数据块2块3密码A 存取控制 密码B控制块3 扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块3密码A 存取控制 密码B控制块7 扇区15 0数据块60 1数据块61 2数据块62 3密码A 存取控制 密码B控制块632、 第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。3、 每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。 数据块可作两种应用： 用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。 用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。4、 每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码A（6字节） 存取控制（4字节） 密码B（6字节） 5、 每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下： 块0： C10 C20 C30 块1： C11 C21 C31 块2： C12 C22 C32 块3： C13 C23 C33 三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例： 对块0的控制： bit 7 6 5 4 3 2 1 0字节6C20_bC10_b字节7C10C30_b字节8C30C20字节9 ( 注： C10_b表示C10取反 ) 存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示： bit 7 6 5 4 3 2 1 0字节6C23_bC22_bC21_bC20_bC13_bC12_bC11_bC10_b字节7C13C12C11C10C33_bC32_bC31_bC30_b字节8C33C32C31C30C23C22C21C20字节9 ( 注： _b表示取反 ) 6、数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下： 控制位（X=0.2） 访 问 条 件 （对数据块 0、1、2）C1XC2XC3X Read Write IncrementDecrement, transfer,Restore000KeyA|BKeyA|BKeyA|BKeyA|B010KeyA|BNeverNeverNever100KeyA|BKeyBNeverNever110KeyA|BKeyBKeyBKeyA|B001KeyA|BNeverNeverKeyA|B011KeyBKeyBNeverNever101KeyBNeverNeverNever111NeverNeverNeverNever （KeyA|B 表示密码A或密码B，Never表示任何条件下不能实现） 例如：当块0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0时，验证密码A或密码B正确后可读；验证密码B正确后可写；不能进行加值、减值操作。7、控制块块3的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下：密码A存取控制密码BC13C23C33ReadWrite ReadWriteReadWrite000NeverKeyA|BKeyA|BNeverKeyA|BKeyA|B010NeverNeverKeyA|BNeverKeyA|BNever100NeverKeyBKeyA|BNeverNeverKeyB110NeverNeverKeyA|BNeverNeverNever001NeverKeyA|BKeyA|BKeyA|BKeyA|BKeyA|B011NeverKeyBKeyA|BKeyBNeverKeyB101NeverNeverKeyA|BKeyBNeverNever111NeverNeverKeyA|BNeverNeverNever 例如：当块3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0时，表示： 密码A：不可读，验证KEYA或KEYB正确后，可写（更改）。 存取控制：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。 密码B：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。3.3 MIFARE卡工作原理卡片的电气部分只由一个天线和ASIC（专用集成电路）组成，没有其它外部器件。天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到ISO卡片中。ASIC：卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。S50射频卡的工作原理是：读写器向S50卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。3.4 MIFARE射频卡与读写器的通讯 开 始复位应答Request 防冲突机制 Anti collision Loop选择卡片Select Tag三次相互验证Authentication读 块Read写 块Write block加值increment减值decrement中止Halt不改变扇区改变扇区复位应答（Answer to request）M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。防冲突机制 (Anticollision Loop)当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。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芯片的防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序来控制读卡器，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。选择卡片(Select Tag)选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。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。当读卡器收到信息后，就可以对卡片进行深一步的操作了三次互相确认(3 Pass Authentication)选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。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：非接触式IC卡读写器MIFARE 1卡片（A）RB(B)TOKEN AB(D)TOKEN BA对数据块的操作 读 (Read)：读一个块；写 (Write）：写一个块；加（Increment）：对数值块进行加值；减（Decrement）：对数值块进行减值；存储（Restore）：将块中的内容存到数据寄存器中；传输（Transfer）：将数据寄存器中的内容写入块中；中止（Halt）：将卡置于暂停工作状态；4.读卡芯片选择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。MIFARE读写芯片单片机R232通信通信接口电源蜂鸣器驱动天线天线耦合电路图3 非接触式IC卡读卡器结构框图由于选用的是Philips公司的Mifarel卡作为IC卡，读卡芯片选用Philips公司的MF RC500芯片。MF RC500芯片性价比高，市场应用广泛，购买也方便。3.4MF RC500芯片概述MFRC500是PHILIPS公司生产的高集成度TYPEA读写器芯片。MFRC500是应用于1356MHz非接触通信中高度集成读卡IC系列的成员，利用先进的调制和解调概念,完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触通信方式和协议。MFRC500支持IS014443A的所有层协议。内部的发送器不需要增加有源电路就能够驱动近距离天线实现通信(通信距离可达lOOmm)。接收部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理IS014443A兼容的非接触式IC卡的信号。数字信号部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶和CRC校验)。另外，它支持快速的CRYPTOI安全算法来验证MIFARE Classic产品(例如MIFARE Standard，MIEARE Light)。方便的并行接口能够直接与8位的微处理器相连，为读写器终端的设计提供了更高的灵活性。其主要性能如下：载波频率为13. 56MHz；集成了编码调制和解调解码的收发电路；天线驱动电路仅需很少的外围元件, 有效距离可达10cm； 内部集成有并行接口控制电路,可自动检测外部微控制器(MCU) 的接口类型；具有内部地址锁存和IRQ线,可以很方便地与MCU接口；集成有64 字节的收发FIFO缓存器；内部寄存器、命令集、加密算法可支持TYPE A 标准的各项功能, 同时支持MIFARE 类卡的有关协议；数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源。基于以上特点,用MF RC500 极易设计TYPE A 型卡的读写器, 可广泛用于非接触式公共电话、仪器仪表、非接触式手持终端等领域。3.5引脚功能MF RC500 为32 脚SO封装,其引脚功能如表1 所列引脚描述如下： (1)天线；天线使用以下4个引脚，如表3.5.1所示。 表3.5.1天线使用的引脚 为了驱动天线，MFRC500通过TXl和TX2提供1356MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制，得到发送的信号。卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经天线匹配电路送RX脚。MFRC500内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。(2)电源：MFRC500对驱动部分采用单独电源供电，如表3.5.2、35.3、3.54所示。表3.52发送器电源为了实现最佳性能，MFRC500的模拟部分也使用单独电源。它对振荡器、模拟调制器和解码器电路供电。表3.5.3模拟电源MFRC500数字部分使用单独电源。表3.5.4数字电源(3)辅助引脚AUX，输出，可选择内部信号驱动该引脚，作为设计和测试用。(4)复位引脚RSTPD，输入，当复位引脚为高电平时，禁止内部电流源和时钟，并使MFRC500从微控制器总线接口脱离；当该引脚出现负跳变， MFRC500执行上电复位。(5)振荡器：频率为1356MHz晶振接OSCIN和OSCOUT引脚。表3.5.5连接晶振的引脚(6)Mifare接13：MFRC500支持MIFARE有源天线的概念，可以处理MFIN和MFOUT处的MIFARE核心模块的基带信号NPAUSE和KOMP。表3.5.6 Mifare接口引脚在本非接触式IC卡读写器的设计中，采用独立读写选通，复用地址总线方式。MCU采用中断方式，通过INT0引脚引入MFRC500中断源，利用MFRC500所提供的中断信息进行控制。MCU与MFRC500的接口电路如图45所示。4.天线设计 线部分包括低通滤波电路、接收电路、天线匹配电路和天线线圈四个部分。如图41所示。41低通滤波电路读卡器的工作频率由一个1356MHz的石英晶体产生，在产生驱动RC500以及驱动天线的能量载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波。由国际EMC规定可知，为了抑制住1356MHz中的三次、五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端口即TXl脚，IX2脚和地TVSS脚之间引入一个低通滤波器电路。该低通滤波器电路如同41所示，其中电感L1为2.2uh，电容C为47pF。4.2接收电路RC500的内部接受电路是利用非接触式IC卡的返回应答信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来工作的。根据RC500的芯片手册，由RC500芯片内部所产生的VMID作为接收信号引脚RX的输入偏置。为了减少干扰，提供一个稳定的参考电压，在MID和地TVSS之间连接了一个O1uF电容C4，同时在RX和VMID引脚间连接了一个820Q的电阻R2作为分压器；Rl为27K，C3为15pF。4.3天线及其匹配电路读卡器的工作距离由三方面要素决定：读卡器的天线尺寸，天线匹配电路的品质因子Q和读卡器周围环境的影响。因此，设计天线的时候要充分考虑这三方面的因素。4.4小环天线设计由于MF RC500 的频率是13.56MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等， 本系统采用方型天线。天线的最大几何尺寸同工作波长之间没有一个严格的界限， 一般定义为： （1）式(1)中，L 是天线的最大尺寸，是工作波长。对于13.56MHz 的系统来说，天线的最大尺寸在50cm 左右。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读写器天线来说， 较高品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些，由此改善对卡的功率传送效率。品质因数的计算公式为： （2）式(2)中的f是工作频率，是天线的尺寸，R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： （3）从式(3)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， 从而减弱调制边带，会导致无法与卡通信。一般系统的最佳品质因数为1030，最大值不能超过60。4、串行通信部分在与PC机通信时，由于距离较远，因此采用RS-485总线实现单片机与PC机的通信。本设计以PC及作为主控机，多个单片机作为从机，构成了分布式门禁系统。系统通信总线采用RS-485总线标准，可以获得较远的通行距离和较好的抗干扰性。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。市场上一般RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。（1）RS-232/485转换接口由于计算机只有RS-232接口，因此需要RS-232/485转换接口。生产RS-232/485转换接口的厂家很多，本设计选用HY-813型RS232转RS485接口，它是工业级加强型无源接口转换器。参数如下：1.接口特性：接口兼容EIA/TIA的RS232.RS485标准2.电气接口：RS232端DB9孔型连接器,RS485端DB9针型连接器,配接线柱, 支持128节点,+/-15KV防静电浪涌保护.防雷3.工作方式：异步半双工差分传输4.传输介质:双绞线或屏蔽线5.传输速率:300-115.2KBPS6.外形尺寸:63mm33mm18mm7.使用环境:-40到80,相对温度为5%到95%8.传输距离:1800米(RS485端) 15米(RS232端)（2）MAX481MAX481是用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器,符合RS-422A总线和RS485总线通信标准。MAX481的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120A至500A之间。所有器件都工作在5V单电源下。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。MAX481为半双工通信应用设计。单片机与PC机通信如图： PC机作为主控机，通过RS-232/485转接设备接入RS-485总线，利用中断的方式与各个从机通信，带有RS-485总线接口的单片机作为从机，相应主机的命令。利用MAX481可构成半双工通信网络。MAX481引脚如图：单片机与PC机通信电路如图所示：5. 显示模块本设计显示部分采用12864液晶显示屏,显示刷卡后信息。LCD选用Protues中有的LCDAMPIRE128X64，为不带字库液晶。其液晶驱动器为KS0108，与带字库液晶不同，此块液晶中含有两个液晶驱动器，一块驱动器控制64*64个点，左右显示，由 CS1和CS2控制左右半屏的显示。AMPIRE128x64管脚一共18个，CS1左半屏片选端，CS2右半屏片选端；VCC、GND就是电源、接地引脚，V0液晶显示驱动电压，RS数据指令选择信号，H为数据，L为指令，也叫D/I，即DATA和INSTRUCTIONS这两个单词的缩写。R/W读写选择信号。E为LCD使能端，R/W为L时，E信号下降沿锁存DB7-DB0；R/W为H时，E为H，DDRAM数据读到DB7-DB0，如果只写不读的话可以接地处理。DB0-DB7数据传输端口。RST为复位信号，-VOUT为液晶显示驱动电压。 6键盘输入及报警电路1.键盘设置键盘主要实现的功能是在没有卡时可用手动输入卡号和密码。输入采用矩阵键盘，大大节省了I/0口。本系统使用4x3行列式键盘控制门禁系统，从左到右（从上到下）分别为：按键“1”， 按键“2”， 按键“3”， 按键“4”， 按键“5”， 按键“6”， 按键“7”， 按键“8”， 按键“9”， 按键“0”， 按键“取消”， 按键“确定”。 键盘如图所示： 键盘采用中断模式，使用外部中断1来检测是否有按键按下。当进入中断后采用延时处理，判断是否是抖动。然后进入键值扫描处理，读出键值。 2.蜂鸣器控制部分1、蜂鸣器原理图如下所示:图6-1蜂鸣器原理图2、工作原理单片机通过P1.0来控制蜂鸣器的工作与关闭。当P1.0=1时，PNP三极管关闭，蜂鸣器停止工作4。当P1.0=0时，PNP三级管导通，蜂鸣器开始工作4。从而单片机只需要P1.0输出0或者1开控制鉴别鸣器即可。3、功能说明（1）刷卡时蜂鸣器响一声，说明读到用户卡，并读卡成功。（3）若读的卡不为本门禁允许的卡，则发出5S的警报声。（4）蜂鸣器没有响应，说明没有读到卡。七.门控锁部分门控锁电路如图2以Q16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AT89S52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。图2 控制锁电路7.1上锁、开锁控制电路图4-11 系统的开锁、上锁控制电路 门控锁的开锁、上锁控制电路如上图所示，系统的开锁、上锁通过继电器完成，继电器通过单片机的I/O端口控制，当P0.2口输出高电平时，在上拉电阻的上拉作用下，继电器的线圈带电吸合，接点状态发生变化，常开接点1、3 闭合；常闭接点1、2打开。通过继电器输出接点的通断状态变化就可以控制锁的上锁和开锁。完成对其上锁和开锁的控制。8.PC机部分PC机作为上位机，主要接收单片机发送的卡号信息和通过键盘输入的卡号、密码信息。PC机在接到卡号和密码信息后，查询数据库信息，确定卡的权限，然后向单片机发出指令。PC机控制端负责卡的增加和删除，权限管理。在PC机上，能够查询卡号信息，包括发卡时间、持卡人的基本信息、出入记录等。PC机客户端采用可视化编程语言Visual Basic6.0设计，通信端口采用Visual Basic6.0的COM控件，完成与单片机的通信，数据库采用Access2000。系统采用Visual Basic 6.0实现 。VB是以人们所熟知的BASIC语言为基础的，不仅易学，易掌握，它的可视化特性还为应用程序的界面设计提供了迅速便捷的途径。在VB编程中不需要编写大量代码去