智能楼宇校园一卡通门禁管理系统设计.doc

智能楼宇校园一卡通门禁管理系统设计摘要： 目前校园寝室安全管理问题一直是一个难题，为了排查校外人员，方便学生进出寝室大门。所以设计了一种在门外刷校园卡进门的门禁系统方案。此系统以STC89C52RC单片机为核心，实现读卡器对校园卡内信息的读取，若信息正确则系统完成对电子门的开闭。读卡器与单片机之间的通信协议采用韦根协议。其中用三极管驱动继电器控制电子锁，通过电子锁的开闭控制开启电子门。关键词： STC89C52RC单片机；Wiegand协议；校园一卡通；门禁系统1 系统总设计1.1 设计思路门禁系统以可靠方便安全为原则，这需要系统能够稳定运行，并且能够做到判别进出人员的身份信息，能够使学生正常进出寝室楼的同时，还要保证能够防范非楼内人员恶意操作拆卸主控板进入寝室楼內。所以针对这个情况，我们要将门禁系统的主控板安装在寝室楼内，楼外人员无法获知主控板的位置，不能够对主控板产生破坏，再由单片机软件程序来实现其他防护功能。为了完成门禁系统可靠的原则，门禁控制系统以校园卡为身份识别媒介，通过Wiegand 26数据接收电路配合单片机的外部中断查询数据的方式，保障数据接受的准确，接收读卡器发送的校园一卡通内事先设置的信息，进行学生宿管的身份识别，控制是否开门。因此，整个系统应具有学生通过刷卡开门和使用看门狗定时器防止程序异常的功能。1.2 STC89C52RC单片机介绍STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：（1）.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。（2）.工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）（3）.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。（4）.用户应用程序空间为8K字节。（5）.片上集成512字节RAM。（6）.通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。（7）.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。（8）.具有EEPROM功能。（9）.具有看门狗功能。（10）.共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。（11）.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。（12）.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。（13）.工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）。（14）.PDIP封装。STC89C52RC单片机的工作模式 l （1）掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序（2）空闲模式：典型功耗2mA（3）正常工作模式：典型功耗4Ma7mA（4）掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备正是因为以上STC89C52RC单片机具有的丰富的功能，所以STC89C52RC单片机可以满足校园一卡通门禁系统的需要。STC89C52RC单片机的稳定的工作状态和其外部中断获取数据的方式，也为校园一卡通门禁系统提供了强有力的保证。1.3 Wiegand 26协议本系统要是能实现需要读卡器与单片机之间通信采用Wiegand 261协议。Wiegand协议是由摩托罗拉公司制定的一种国际上统一标准的协议，其中26-Bit是一个广泛使用的工业标准，几乎所有的门禁控制系统都接受Wiegand 26协议。Wiegand数据输出由两根线组成，分别是DATA0和DATA1，两根线分别输出数据0和数据1，输出数据0时，DATAO线上出现低电平，输出数据1时，DATA1线上出现低电平。Wiegand信号波形图如图1所示。数据DATA1DATA010120200s200s200ms图1 Wiegand信号波形图1中，当DATA1数据位变为低电平时，代表一位数据1,当DATAO数据位变为低电平时，代表一位数据0，低电平维20200s，两个脉冲的时间间隔在 200s200ms之间。Wiegand 26协议输出格式为: E XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX 0二进制 第1位为2-13位的偶校验位; 第29位对应校园电子卡HID的低8位; 第1025位对应校园电子卡的PID号码; 第26位为1425位的奇校验位;以上数据从左到右顺序发送，高位在前，低位在后。所以我们采用Wiegand 26协议进行单片机与读卡器之间的数据通信。2 硬件设计门禁系统的硬件组成主要包括STC89C52RC单片机模块、韦根26数据接收模块和电子锁驱动模块三部分。2.1 STC89C52RC单片机模块 STC89C52RC单片机2是整个门禁系统的核心，其最小系统3原理如图2所示，包括复位电路、振荡电路，以及门禁系统与读卡器及电子锁的接口。其中P0.0和P0.1作为Wiegand数据输人接口，P0.2作为控制读卡器LED的接口，P0.3能够控制读卡器蜂鸣器的接口，P0.4可以控制使能读卡器接口，P0.5是电子锁控制接口，P3.2则作为外部中断使用，用于检测Wiegand 26数据是否通过读卡器进入。图2 单片机最小系统原理2.2 Wiegand 26数据接收模块26-Bit格式在工业上是一种广泛使用的标准，并且它能偶对所有HID的用户开放。几乎所有的门禁控制系统都采用并接受标准的26-Bit格式。采用查询方式接收Wiegand 26数据，为了防止校园一卡通个人数据到来时，单片机正在处理其他任务，增加数据接受的可靠性。所以在设计接收电路时，要先使Wiegand数据经过74LS375锁存器，使单片机的P0.0和P0.1端口与锁存器的输出端连接。并且锁存器输出经过74LS04与门电路连接到单片机的一个外部中断引脚上。因此，当有学生刷卡进入寝室楼里时，就会触发单片机的外部中断，在单片机的外部中断服务程序中判断进入的数据是1还是0，并将数据存储到相应的位数上，直至26位数据检验校对存储完毕。Wiegand 26数据接收电路原理图如图3所示。图3 Wiegand 26 数据接收电路原理2.3 电子锁驱动模块 继电器采用NPN型三极管4驱动，当三极管的基极处于高电平，三极管工作在放大状态，驱动继电器能够完成吸合，电子锁端接收12伏的电压，而另一端接地，实现控制电子锁开启寝室楼里的门。如图4所示为电子锁驱动模块原理图。图4 电子锁驱动电路3 软件设计软件设计包括主程序设计，子程序设计和单片机中断程序设计。3.1 主程序设计 主程序5流程图如5所示，其中包括系统初始化监视是否有数据输入，判断学生或宿管是否刷卡，紧接着判断刷卡是否成功，最后断定信息是否正确，从而判断电子门的开闭，完成系统控制开门或关闭。其中未成功刷卡，信息不对均会使系统复位等待下一次数据输入进行判断。3.2 子程序设计 子程序包括初始化程序，数据读取校验程序，电子锁控制程序，复位程序。 初始化程序是定时器，外部中断扫描及电子锁控制，初始化程序是门禁系统正常运行的保障和基础。校验程序是当有学生要进入寝室楼內进行刷卡时，读卡器读取卡内事先预存的信息，信息进入单片机进行对比判断是否属于楼内人员。如果是，则为TRUE，否则为FLASE。 电子锁控制程序是当单片机判断为TRUE时，控制驱动继电器吸合，控制电子门的开启。 复位程序是当出现信息不对，学生未刷卡，刷卡未成功时，使相应的数组，标志位恢复到初始化的状态。3.3 中断程序设计 当中央处理器正在处理内部数据时，外界发生了紧急情况，要求CPU暂停当前的工作转去处理这个紧急事件，处理完毕后，再回到原来被中断的地址，继续原来的工作，这样的过程称为中断6。 采用中断程序查询方式，单片机都具有实时处理能力，能对外部或是内部发生的事件做出及时地处理。当CPU正在处理某件事情的时候，外部或内部发生的某一事件请求CPU迅速去处理，于是CPU暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事件。中断服务处理程序处理完该事件后，再回到原来被中止的地方，继续原来的工作。这样每当有学生刷卡时，单片机中断处理就可以保证数据完整，不会造成数据丢失。在中断程序中，单片机查询到来的数据为0或为1，在每26次中断后，表示单片机完成了数据读取，从而判断是否将电子门打开。开门是开始初始化读卡器有无数据？复位是学生刷卡？否刷卡成功？是否信息正确？是否图5 主程序流程4 结语文中采用校园一卡通作为进入寝室楼的认证，运用单片机中断控制电子门的开启和关闭。保障了寝室楼的安全，能够加强校园安全建设。同时方便寝室楼管理，防止外来人员的进入。同时文中提出了校园一卡通门禁系统的整体设计方案，包含软硬件设计，采用韦根协议和外部中断方式保障数据准确识别。主控板在你室内防止，防止外来人员恶意操作。并且文中提供了门禁系统设计的方法和控制思想的设计，能够切实有效的进行安装运行。同时设计原理能够保证系统稳定运行，方便了学生进出寝室，具有较高的使用价值。参考文献1柴卉，万振凯.韦根协议在门禁系统中的应用J.仪器仪表用户，2007(5):111-112.2宏晶科技.STC89C52RC Datasheet EB/OL ./datasheet/stc/STC -AD -PDF/STC89CS1