基于射频识别技术酒店门锁系统设计

单片机课程设计报告 题目: 基于射频识别技术酒店门锁系统设计 课程名称: 单片机原理及应用 学院: 生命科学学院 专业: 生物医学工程 班级:15级70班 学生姓名与学号: 1513170012 孟阳 1513170010 金敏敏 1513170011 程田田目录第一章 系统概要21.1 系统背景21.2 系统功能2第二章 系统软硬件设计22.1系统硬件设计22.2 系统软件设计22.3 系统原理图及其分析2第三章 系统源代码分析23.1系统整体程序流程设计23.2源码分析2第四章 调试与分析24.1 系统调试24.2结论分析2第一章 系统概要1.1 系统背景随着我国社会主义市场经济的深入发展和未来知识经济时代的临近，刷卡开锁系统作为一项节能措施，将会形成更大规模的产业。这方面的社会需求已在逐步升温。作为安全管理的重要组成部分，酒店等场合适合插卡去电开锁，方便顾客操作，也达到安全的作用，插卡锁亮，拔卡锁灭。出入口插卡取电管理系统是新型现代化节能管理系统，它集微机自动识别技术和电子电气控制为一体，它涉及电子，射频，单片机等技术。它是解决需出入口实现随手关锁节电的有效措施。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。1.2 系统功能基于RFID RC522射频识别系统是以射频识别读写器为核心，系统的总体结构见图，单片机、射频模块、按键模块及指示灯模块组成的系统。系统的工作原理是当有射频卡靠近时，射频模块RC522接收到信号，单片机控制黄锁闪烁，此时如果按下按键模块里的写入按键，就会把卡号写入进单片机内部EEPROM，保存起来，掉电不会丢失，此时红锁会点亮，代表开锁，当卡离开，锁就会自动熄灭；当卡靠近，锁亮后，可以按下按键模块里的清除按键，从单片机内部EEPROM中删除当前卡号。单片机主控刷卡指示灯射频卡模块开锁指示灯按键模块第二章 系统软硬件设计2.1系统硬件设计系统硬件设计主要由STC89C51主控芯片和非接触式IC卡模块构成。硬件电路由微控制器STC89C51、读卡器模块非接触式IC卡、LED指示灯、按键电路、最小系统电路等构成。微控制器STC89C51负责非接触式IC卡的初始化，和采集卡号数据，当射频模块检测到有卡靠近会将卡号读取出来送单片机，等待单片机处理，单片机检测到按键按下后会执行相应的写入卡号和清除卡号操作，进而控制LED指示灯的状态。2.2 系统软件设计程序通过Keil4软件编写和编译。软件主要实现数据的采集，数据的分析，模块之间的通信，以及相应的数据处理。数据采集：非接触式IC卡通过天线读取RFID卡的数据，然后将数据传送出去。数据分析：STC89C51接收到数据后，检测写入按键按下就将卡号写入单片机内部EEPROM，如果是清除按键按下，就清除对应卡号。2.3 系统原理图及其分析2.3.1 单片机的介绍（1）STC89C51的引脚图 如图所示： （2）管脚说明 低频信号发生器采用STC89C51单片机作为控制核心，其内部组成包括：一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接；片内数据存储器RAM低128字节，存放读/写数据；高128字节被特殊功能寄存器占用；片内程序存储器4KB ROM；四个8位并行I/O（输入/输出）接口P3 -P0，每个口可以用作输入，也可以用作输出；两个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口。VCC：供电电压。GND：接地。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。/PROG/ALE：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。89C51 单片机外部有32个端口可供用户使用，其功能如下表所示：P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入通道）P3.1 TXD（串行输出通道）P3.2 /INT0（外中断0）P3.3 /INT1（外中断1）P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）5（3）STC89C51的晶振及其连接方法 CPU工作时都必须有一个时钟脉冲。有两种方式可以向89C51提供时钟脉冲：一是外部时钟方式，即使用外部电路向89C51提供时钟脉冲，见图3-3(a)；二是内部时钟方式，即使用晶振由89C51内部电路产生时钟脉冲。一般常用第二种方法，其电路见图。 89C51XTAL2XTAL189C51XTAL2XTAL1悬空外部时钟信号C1C2J(a)外部时钟方式（b）内部时钟方式图3-3 89C51的时钟脉冲J一般为石英晶体，其频率由系统需要和器件决定，在频率稳定度要求不高时也可以使用陶瓷滤波器。一般来说，使用石英晶体时，C1=C2=30pF。使用陶瓷滤波器时，C1=C2=47pF。（4）STC89C51的复位 复位是单片机的初始化操作，其主要的作用是把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失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。除使PC归零外，复位操作还对其他一些专用寄存器有影响，它们的复位状态如表所示：表3-2 复位后的内部寄存器状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIP(xxx00000)SBUF(xxxxxxxx)IE(0xx00000)PCON(0xxx0000)另外，复位操作还对单片机的个别引脚有影响，例如会把ALE和/PSEN变成无效状态，即使ALE=0，/PSEN=1。RST变成低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。89C51复位操作有3种方式：上电复位、上电按钮复位和系统复位。上电复位电路如图3-4所示。对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻R可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效地复位。当晶体振荡频率为12MHz时，RC的典型值为C=10uF，R=8.2K欧姆。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存器错误复位，这时可在RST引脚上接一去耦电容。通常因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，复位电路如图3-5所示，其中R2R1，只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。 RST89S52RST89S52+5VCR+5VR1R2C2.3.2 射频控制模块设计射频识别系统的典型结构射频识别系统的典型结构见图2.3主要是由两部份组成：读写器和射频卡。读写器同射频卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线（或感应线圈）。射频卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特。可以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数据可以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在E2PROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。射频卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。射频卡分无源卡和有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。读写器内的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。计算机的功能是向读写器发送指令，并与读写器之间进行数据交换。 射频识别系统原理图2.4为RFID系统的工作过程，这是一个无源系统，即射频卡内不含电池，射频卡工作的能量是由射频读写模块发出的射频脉冲提供11-13。1射频读写模块在一个区域内发射能量形成电场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。2射频卡进入这个区域时，接收到射频读写模块的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。电容电压经过稳压后作为工作电压。3 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到逻辑控制部分。逻辑控制部分接收指令完成存储、发送数据或其它操作。4 如果需要发送数据，则将数据调制然后从收发模块发送出去。5 读写模块接收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时可以通过RS232或RS422或RS485或RJ45或无线接口将数据传送到计算机。读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步，从而简化了系统的设计。有源系统的工作原理与此大致相同，不同处只是卡的工作电源由电池提供。 系统主要由MCU、时钟芯片、MF RC500、液晶屏、看门狗以及RS485通信模块组成。系统的工作方式是先由MCU 控制MF RC500 驱动天线Mifare卡，进行读写操作，然后，根据所得的数据对其它接口器件，如液晶屏、E2PROM、时钟芯片等，进行响应操作，最后，再与PC机之间进行通信，把数据传给上位机。MCU采用89C52，是因为89C52开发简单，运行稳定。E2PROM 采用24C64，用于存储系统的数据。24C64是串口操作方式，是一种性价比较高的存储芯片。液晶屏采用带字库的ST7920，是因为它是并口操作方式的，操作方便。时钟芯片采用DS1302。DS1302是Dallas公司生产的新型产品，内置电池，可连续使用10 年，可以方便记录事件的发生时间。为了防止系统“死机”，使用x5045作为看门狗。x5045是串口工作方式，内置E2PROM，可用来存储一些系统参数。与上位机的通信采用RS485 通信模式，通信距离可以达到1000m左右。整个系统由9V电源供电，再由稳压模块7805 稳压成5V的电源。由于7805的工作热量很高，故在7805上安置一个散热片。2.3.3按键模块设计按键一端接地，另一端接单片机的IO口，当按键按下后，单片机的IO口就相当于接地，就会检测低电平，程序里面检测到这个引脚变成低电平后就执行相应的程序。按键部分原理图如下：2.3.4继电器模块设计电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。2.3.5电路设计原理图采用51单片机做为主控芯片，最小系统电路，按键操作电路，LED指示灯电路，射频卡模块电路组成。因为RC522模块工作电压是3.3V，所以用LM1117-3.3V稳压芯片稳压供电。电