基于51单片机门禁系统设计与分析

摘要传统的门锁是年代比较久远、设计最普通的门禁方式，每把不同的锁就需要一把不同的钥匙来对应，很不易于区分和使用。而今科技进步，处在信息时代的我们，这样的锁并不能满足现在许多家庭及建筑的安全性，所以因此大的发展趋势及市场环境，为现在市场的需求，智能门锁系统由此而生。根据市场需求，基于RFID的门禁系统就有人去探索设计并由此而生了。RFID技术在无线电技术方面的应用广泛并且发展方向也非常广阔，它的最基本的工作方式就是利用射频的方法来对所涉及到的卡进行数据信息之间的识别,以此来达到互相识别及所包含身份信息的识别目的。我本次所设计的系统中采用的是STC89C51芯片，该芯片在此系统中起到最核心的控制作用，其中用来识别用户门锁卡的信息数据的是通过RC522读写模块，当有人使用卡接触到此模块的识别范围之内时就能够提取到所接触到的卡的信息数据，并由此提取到的信息来做出相对应的识别反应。新用户刚配备的卡需要通过上位机在电脑端注册才能够使用卡去打开相应的门锁，不需要的也可以通过上位机来注销。本次设计的系统具有很高的安全性并且也非常方便。可以普遍用于普通家庭，学生或员工宿舍以及宾馆等许多建筑设施。关键字：无线；STC89C51；非接触式；智能第1章绪论1.1选题背景射频识别信息技术是一种不需要与物体直接进行接触就可以自动识别的技术，它可以通过发射出来的信号对所探查的对象进行识别并获取它所包含的信息数据，识别工作不需要人工进行手动操作，此项技术原形为条形码，但在那基础上发展制成了无线版本，RFID技术具有条形码所没有的许多特点，比如密封性能很好不易渗透水、抗磁化、使用期限长、所能接收信号的区域广、能够对许多所用到的东西进行加密保存、防盗性强、存储量更大、存储的信息更是十分的便于修改等多种优点，它的应用将能够给现代社会的许多产业带来时代性的发展进步。与此同时，现代社会的不断发展进步会让人们更多的关注自己所处在建筑场所的安全。为了满足信息时代所要的发展需求，保障许多个人以及企业建筑的安全，达到各种用户当代的需要，智能门禁系统由此而得到发展应用。智能门禁系统集众多技术于一体其中包含了计算机信息技术、电子机械技术、磁生电技术和射频识别等等，让卡和锁之间能够直接实现完整互相识别功能，使用智能卡去直接控制智能门锁的闭合，这项技术开启了门禁管理的新方向，它不仅能够给管理者提供了更加可靠安全并且也更加方便快捷的管理方式，最重要的是给使用者带来了非常好的便利性。本文研究的门禁系统就是拥有这些功能及优点的一种系统。1.2设计的目的和意义门禁系统又称访问控制的安全管理系统。此项系统可以适用于许多建筑，方便人们的工作，方便保安人员的管理，同时也有利于查找人员的进入时间等等。它同时拥有非常多的性能，此项技术不禁实现了通讯自动化（CALLAUTO）、还有办公自动化（OFFICEAUTO）和楼宇自动化（BUILDINGAUTO）等多重功能。智能门禁系统在整栋楼宇的保安管理中起到非常重要的作用，发生盗窃情况，强行破门都会发出警报，儿相对月内部工作人员就能轻易识别出身份信息自动的闭合门，减轻了保安的部分工作，对于没有权限的人更是直接拒绝进入，使得外部人员无法随意的进入。对于财产安全起到了非常大的保护作用，并且可以时时刻刻的保存那些人员信息，同时也可以去调取查看。这项智能门禁技术在市场之中有着很大的潜力空间，其适用性非常的广泛，也成为了一种门锁发展的新方向。随着这项技术的发展，人们的要求同时也会变得越来越多，创造思想也就同时变得更多，这样这项技术的应用也就越来越多，就不再只是能够控制门的闭合那么简单，像高速收费，员工的考勤，电梯等等等都可以用到。而本文所提及的门禁系统对于以上所提及到到的许多功能性发展应用提供了重要的意义。第2章系统硬件方案选择本章节主要提及了此次设计的几种方案，在这几种方案之中进行一些比较，由其总的适用性，快捷性挑选其中最合适的一种。2.1硬件方案的选择本次设计拥有多种设计方案，在进行硬件电路焊接之前先去选择最适用的，这样才能更好最优的发挥出那些所用到配件的功能。。2.1.1主控芯片的选择方案一：采用STC89C51单片机作为主控芯片。STC89C51作为国内研发制造的一种能耗低、动能性强的8位Cmos微处理器，同时也可以起到控制作用，该芯片内存有8千字节编写程序Flash存储器。STC89C51单片机的核心内部的重要部分为Mcs-51芯片，能够实现的功能与输入指令完全适用于MCS-51，不过此类芯片与那些传统的51单片机相比之下是经过升级的，功能性都显得更优，比如说它还包含了4千字节的EEPROM内部储存部分，在未通电的情况下就可以直接调用该芯片本身存有的信息数据，不用再去将芯片外部在安装新的储存芯片，不用再外在芯片提取保存数据。STC89C51单片机拥有多个功能并且相对其他的成本也比较低，同时不难去研就使用，还有就是它可以直接地进行在线编写程序也有拥有下载功能，是本次设计的一个很好的方案。方案二：采用MSP430单片机作为主控芯片。MSP430单片机被人们叫做混合信号处理器，并且结构复杂，不易研发，大多用在一些随身携带的仪器仪表之中，不过它同时也拥有一种特殊功能，它能够把很多不同功能的电路模块聚合在本身，像集成模块、控制模块、模拟电路、数字信号电路等。MSP430系列的单片机是美国公司(TIL)1996年研发设计完成的并同时在市场之中推广营销的一款十六位对于能量消耗低、并且包含着精密的指令大全的可对多种信号进行分析的处理器(MSP)。方案三：采用PIC16F877A单片机作为主控芯片。PIC16F877A是微芯科技公司通过多年的研究才制造出的芯片，该芯片属于PIC微系统八位单片机其中的一种，它也拥有很多独特的功能，内部拥有Flash程序，能够在内部进行反复的修改。其成本到，研究困难与MSP相似，不适用于本次设计。综合比较上述三种方案，在成本上以及芯片的操作难度上，还是以51单片机作为核心更适合本次的设计。2.1.2射频卡的选择与论证在现在信息丰富、科技发达的社会中，电子市场之中的射频卡种类更是各种各样，像银行卡，医保卡，超市的那种会员卡，大多都是条形码类型的磁卡。在较早些年代，街上的那种公用电话都是使用的那种接触式的IC卡。而那些不需要直接接触的IC卡，也就是通常我们说的非接触IC卡，它非常的耐用，使用寿命相比于另两种更是长些，因为它的许多构造都是直接密封在内部，非常容易保护，所以在当时市面上使用偏多。考虑到卡片的成本、适用性以及其他的一些性能，最终还是选择了现在使用较为普遍的非接触式S50型射频卡作为本次设计的发射信息模块。2.2系统设计总方案经过对上述几种方案的综合比较，很明显的可以看出STC89C51更加的适合作为此次设计的主要控制芯片，主要由射频模块和非接触S50形的IC卡互相组合而成，这两个模块是本系统的两大重要组成部分，当识别出正确拥有打开权限的信息时，门锁会自动打开并且单片机内部会提前设置好关闭时间，门会在打开后二十秒后自动关闭，如果读取信息错误，系统的蜂鸣器模块会发出滴滴两声警报。新用户可以通过上位机来对所持有的IC卡进行注册，当然老用户可以通过上位机进行注销功能。本设计的系统设计总方案如下图2.1所示。复位电路复位电路晶振电路电源电路上位机串口通讯STC89C51主控芯片ID卡RC522读卡器继电器控制电路蜂鸣器/LED灯电路图2.1系统设计总方案第3章系统硬件电路设计本章节主要介绍本设计中各个部分电路的设计原理，它们在该电路中所扮演的角色，起到的功能以及作用。3.1STC89C51单片机系统设计3.1.1STC89C51的概述STC89C51是宏晶科技公司制造的一种对能量要求低，并且功能丰富强大的Cmos八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。该芯片内存有8千字节编写程序Flash存储器。STC89C51单片机的核心内部的重要部分为Mcs-51芯片，能够实现的功能与输入指令完全适用于MCS-51，不过此类芯片与那些传统的51单片机相比之下是经过升级的，功能性都显得更优，比如说它还包含了4千字节的EEPROM内部储存部分，在未通电的情况下就可以直接调用该芯片本身存有的信息数据，不用再去将芯片外部在安装新的储存芯片，不用再外在芯片提取保存数据。在这一个核心上，存在着灵活度极高的八位控制器以及可以实现在线编码的储存区，因此STC89C51能够满足多种对控制要求高的软件。包含了很多的功能，例如：八千字节储存器，看门狗定时器，512字节Ram，三十二位I/O接口，四千字节的Eeprom内部储存器，Max810复位模块，多个十六位定时器以及计数器，四个外部中断器，一个七向量4级中断结构，全互相功能串接口。还有STC89x52在低到0赫兹的条件下进行工作，这属于其中的一种工作模式，此模式下非常的节约能源。当没有指令时，控制器会停止当前阶段下的工作，不过在此模式下Ram、定时器/计数器以及部分工作模块会继续执行指令。当单片机突然断电时，储存器中的内容会自动的存留下来，单片机的其他所有模块都会停止运行，一直到下一次上电时会再次进入工作模式。单片机最大工作频率可以达到35兆赫兹。3.1.2STC89C51的引脚功能介绍STC89C51存在Pdip40和Plcc44这两种封装方法。在这次所设计的系统中，Pdip40型的封装方法更加的合适，这种封装方法具有对芯片很好的保护作用，而且也非常的易于芯片之间的替换，可以先对外装进行焊接组合，组装完成之后可以直接将芯片插入其中，有效的避免了焊接时对芯片可能造成的损伤。STC89C51一共具有40只管脚，在这40个管脚之中大部分的管脚都是起到控制作用。像P0、P1等等控制类型的管脚，它们能够各自独自控制一部分也能够同时对IO口之中的一位进行操作。并且也非常的易于操作，不需要去对IO进行定义工作方式，当给予指令时它就会变为输出端口，当然与之相反，当对它进行读取时，那么该管口就会起到输出功能。通常我们有多种种类可以选择，大多都分布在1.2到12.0兆赫兹这一范围，有的较为高端的能够达到24.0兆赫兹，相对的来说这些自身频率很高的也需要使用更多的能量去驱动。本次设计之中选择的晶振是较为普通的12.0兆频率的。为了保证其工作的稳定性，在晶振两侧会去并联的两个电容。在本设计中，我们考虑了两种类型，通过比较之后所使用的是陶瓷电容。图3.1晶振电路最后还有对门锁控制闭合的复位电路，该复位电路的方式主要被分为两部分，一是上电复位，二是开关复位。通常情况下，只要能够使RST

管脚达到在10ms

以上高电平的条件，往往就能实现该模块的复位功能。下图中的复位电路中所包括的器件都属于常规值，根据实际情况我们可以使用数值相同的其他的器件去替换，更是需要去测量RC真实的充电时间，因为操作环境的不同都会导致结果不同，一次来保证该复位电路的功能能够正常实现。图3.2复位电路3.2射频识别的设计3.2.1射频识别技术原理RFID

应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。可见，RFID

卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。一方面，无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了RFID

卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式。3.2.2RC522读卡器的设计MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是NXP公司针对“三表”所发明的一种低电压、价格低廉、并且占用空间小的非接触式读写卡芯片，非常的方便我们平时的使用。这次设计中所用的模块能互相实现信息交互，其中的一个接口SPI起到了至关重要的作用，这种方式下正常的速率就能够有每秒1300千比特，最高更是能有每秒3500千比特。连接电路图如下3.4所示：图3.4RC522模块与单片机的连接引脚图3.3蜂鸣器电路的设计本次设计系统外部可以与上位机连接，能够对新的IC卡进行注册功能以及已有IC卡的注销功能，如果所执行操作成功那么蜂鸣器会发出滴，另外操作失败的话，则会发出滴滴两下，这样我们可以知道具体的结果。蜂鸣器的工作电流较大，超出了单片机所能够提供的大小，所以需要我们在电路中添加器件来达到要求，这里我们选择的是一种较为常用的三极管来放大电流使电流能够达到能使蜂鸣器进入工作状态的高度。当单片机I/O口输出低电平时，三极管就会进入导通状态，该模块会开始工作；当I/O口输出高电平时，那么三极管就会进入到截止状态，此时蜂鸣器将不再发出声音。蜂鸣器电路如图3.5所示。图3.5蜂鸣器电路3.4继电器驱动电路设计在本次设计中，由于各部分的工作电流存在不同，有的会较大，有的电流则偏下，就需要使用到继电器对电流大小的调节作用，这样能够很有效的使电路工作的更加安全稳定。设计中所用的51单片机I/O口的输出电流还是小于使器件的能够正常工作所需的电流，继电器所能需电流高达单片机提供的两倍之上，因为这种情况还需要在电路之中增加一个能够发大电流的模块，三极管就是一个最佳选择。当然我们所选择的三极管需要达到以下几种条件：(1)工作功率P：功率大小需要高于继电器工作电流的2倍；(2)最大集电极电流：最大集电极电流需要高过继电器吸合电流40毫安的2倍；(3)抗压BV：需要高过继电器的工作电压5伏，可以使用8伏,12伏等；图3.6继电器驱动电路在本次设计中，该三极管起到了至关紧要的放大作用。电路如图3.6所示。当中央处理器I/O端口输出高电平时，就会使三极管进入关闭状态，同时也会使继电器进入关闭状态;与之相反，中央控制器I/O端口发出低电平时，则会使三极管进入导通工作状态，同时会是继电器闭合。3.5系统硬件测试对所设计系统的表面电路部分进行测试的主要目的是看电路连接部分是否有问题，能否使系统正常进行工作，主要体现为电路是否有地方漏焊以及所用到的电线内部是否有断掉或者短路的情况，当然最严重的情况就是电路最初设计的就有错误。根据所检测出的不同情况都会有不同的方法去应对，如果是部分组件安装错误，那就需要摘除重新安装了，也有些元器件是有方向的，比如说二极管的单向导电，用到这些原件的话就要狠注意它的安装方式了，最先的当然是我们要先将所做出的实际物品与我们的电子线路图进行比较，把它们上面的元器件一个一个的去比较，去仔细的检查所有的配件是否有，是否是安装在自己应该在的位置，是否多了些东西。如果产生找不到或者对不上的，那就需要我们去确定核实了，简单的就是补上去，如果全部都正确缺无法正常工作的话，那可能我们原先设计的错误了，那我们就需要去查看哪个环节出现错误了。我们检测所用到的最基本的工具就是最常见的数字万用表了。我们知道数字万用表有很多个档位，像伏特、安培、欧姆等，而我们需要先进行调试是否可以正常使用，选择二极管所在档位，将两只表头相交接，如果处在完好状态，那么万用表就会发生“滴”的警报声。通过这样的方法来检测电路之间的链接状况，将两两接口所相接，有声音那么久代表连接正常了，如果没有声音，那就是没有互通，可能就是断路，未焊接上的问题了，如果不该响却响了，那么就是电路内部发生短路了。通过观察那些所产生的反应，我们就可以去判断如何去应对。第4章系统软件部分设计4.1软件开发环境的介绍我本次所做的设计中选择的开发软件是KeilμVision4。这款软件具有很多的优点，比传统的汇编语言要强大的多，C语言的优点在很多的方面都体现的淋淋尽致，它的性能非常的丰富，能够实现实时维护，并且在复杂程度上要更方便，使用者去学习的时候也不会深感复杂，能够较快速的入门，不会感到无法理解使用。这款软件内部更是包含多非常多的其他软件所具有的功能，用着一款就可以实现多款软件的功能，而且在现在的众多电脑系统之中适应于多种操作系统。这款软件非常的适合作为本设计所用语言的设计软件，它丰富的功能以及高适应的系统环境能够使许多工作内容得到很高的效率提升。4.2系统主要函数的介绍4.2.1主函数的设计voidmain()作为很多软件程序代码的主要函数，当然在这次的设计中也是起到入口函数的作用，基本上所有编写完成的程序代买内部都会有这样的函数。这个函数基本都是放在一个程序最开始的地方，最初需要这个函数去对所用到的主要芯片和一些硬件部分去进行初始化，在完成这些之后才能够对所用的软硬件和内部包含的许多变量去定义，并赋予它们函数值，这样才能让程序成功运行，初始化成功时可能会进去循环，如果不进入的话每经过一次运行之后就会停止，如果成功的进入了循环，那么程序就能够一直地循环运行，直到实现本次的设计要求。每个程序代码都会有一个主函数，一般我们不会在其中放过多的代码，我们一般会去定义许多的子函数，然后只是在主函数中去调用这些子函数以此来实现一些功能，这样也非常的方便自身去修改，并且去寻找某个函数时不会有那么的繁琐。具体流程图如下4.1所示。开始串口初