射频卡门禁系统毕业论文.doc

射频卡门禁系统毕业论文摘 要在生活中有些场合并不是任人自由进出的，而只允许有进出权限者通行，这时，就得使用出入口管理系统即门禁系统。传统的门锁是最古老、最简单的门禁方式，一把锁配一把钥匙，几把锁就要配几把钥匙，使用不便。为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，智能门禁系统应运而生。根据市场需求设计一款基于RFID的门禁系统。本设计采用AT89C52作为主控芯片，用北京易火眼公司的YHY502ATG专用读卡器模块用来读射频卡的信息，当有卡进入到读卡器读卡的范围内时就会读取到相应的卡序列号，并根据得到的卡序列号做出相应的操作。在扩展时采用Delphi软件做上位机，并建立一个Access数据库用来存储用户信息。上位机与下位机之间的通信采用串口通信，选用MAX232CPE芯片完成上、下位机之间的通信。按键部分采用的是自制的3*4按键矩阵，采用线反转法来判断是哪个按键按下。本设计实现了自动、准确的识别卡序列号，对门禁系统起着重要的作用。关键词门禁系统；射频识别；读卡器-62-AbstractSome occasions in life is not a fancy free access, while access privileges are allowed only to those who pass this time, you have to use the import and export management system for the access control system. The traditional hardware is the oldest, the easiest access mode, a lock with a key lock is necessary with a few a few keys, use the inconvenience. In order to meet the information needs of the times to ensure the safety of inside the building to meet the diverse needs of the user at that time, intelligent access control system came into being. According to market demand to design a RFID-based access control system. This design uses AT89C52 as the master chip, with eyes of fire the companys Beijing Yi YHY502ATG dedicated RF card reader module for reading the information, when there are card into the reader within the reader, it reads to the appropriate card serial number, and in accordance with the card serial number to be made by the appropriate action. Delphi software used in the expansion do host computer, and the establishment of an Access database used to store user information. Upper plane and lower-bit-machine communication using serial communication, use MAX232CPE chip to complete the upper and lower-bit-machine communication. Key part is the self-made 3 * 4 keypad matrix, using linear inversion method to determine which button is pressed. This design enables automatic, and accurate identification card serial number of the access control system plays an important role. Keywords Access Control System Radio Frequency Identification Proximity Coupling Device目录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题开发背景11.2 目的和意义11.3 国内外研究发展状况21.3.1 国外研究发展现状21.3.2 国内研究发展现状21.4 本文的主要研究问题3第2章系统的总体设计52.1 系统模块总体设计52.2 系统硬件设计62.3 系统软件设计62.4 本章小结7第3章 系统硬件详细设计83.1 硬件系统总体方案设计83.2 各模块电路设计83.2.1 元器件的选择83.2.2 读卡器数据采集电路设计83.2.3 串行E2PROM存储电路设计153.2.4 LCD1602显示电路设计173.2.5 串口通讯电路设计193.2.6 报警电路设计203.2.7 门控电路设计213.2.8 键盘电路设计213.3本章小结22第4章 系统软件详细设计234.1 软件结构框图234.2 软件总体流程图234.3 软件详细设计244.3.1 密码子程序244.3.2 数据采集子程序264.3.3 显示子程序284.3.4 存储子程序294.4 上位机设计304.4.1 上位机程序流程图324.4.2 用户登录界面设计324.4.3 门禁系统界面设计344.5 开发工具简介364.5.1 集成开发环境Keil364.5.1 Protel99SE364.5.3 伟福简介374.6 本章小节39第5章系统调试405.1 系统硬件调试405.1.1 液晶部分的调试405.1.2 键盘输入部分的调试405.1.3 串口发送/接收部分的调试405.1.4 存储部分的调试405.1.5 读卡器部分的调试415.2 系统软件调试415.3 系统整体调试425.4 本章小结42结 论43致 谢44参考文献45附录147附录256附录357第1章绪论1.1 课题开发背景射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。同时，经济水平的高速发展让人们越来越关心建筑内部的安全性。为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，智能门禁系统应运而生。智能门禁系统集计算机技术、电子技术、机械技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。本文研究的基于射频识别技术的门禁系统就是这样的一种系统。1.2 目的和意义门禁系统又称门禁出入口保安自动化管理系统。智能建筑通过对四个基本元素，即结构、系统、服务和管理进行最优化的考虑，从而为用户提供一个高效和高经济效益的工作环境。它在功能上实现了通讯自动化（CA）、办公自动化（OA）和楼宇自动化（BA），通过综合配置在建筑内的各功能子系统，以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公自动化系统、楼宇自动化系统的综合管理。门禁系统属于楼宇自动化系统的一部分，具有对门户出入控制，保安防盗，报警等多种功能，它主要方便内部员工或住户出入，杜绝外来人员随意出入，既方便了内部管理，又增强了内部的保安。一套现代化的，功能齐全的门禁系统，不止是作为进出口管理使用，而且还有助于内部的有序管理。它将时刻自动记录人员的出入情况，限制内部人员的出入区域，出入时间，礼貌的拒绝不速之客。同时也将有效地保护财产不受非法侵犯。智能建筑的推广，建立连网门禁系统也成为一种趋势，门禁系统将有更广阔的发展空间。随着人们对门禁系统各方面要求的不断提高，门禁系统的应用范围越来越广泛。人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可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。而基于射频识别的门禁系统针对集成应用给出了可行方案，具有重要的意义。1.3 国内外研究发展状况1.3.1 国外研究发展现状目前，欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进入细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。生产控制器的公司就只研究生产控制器和软件，如美国的Northern Computer公司、CSI公司。随着其产业化的形成，也由于大公司之间的相互竞争，使其利润率不断下降，产品价格不断大幅降低，现已进入1000美元一套系统的可广泛运用的市场。正是由于市场的不断成熟，人们在普遍接受门禁系统的观念之后，在采购方面已可很方便地分别从不同公司采购到各部分设备，自己进行系统集成就可为用户方便安装成整套系统。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，虽然磁卡和接触式IC卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场。国外对IC卡的研究和应用较早，特别是在美国和欧洲，但在非接触式IC卡方面的研究使用也只是近几年的事。非接触式IC卡和读卡器的关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，但真正形成大批量生产的厂家只有美国；德国、英国次之；日本、台湾、新加坡处于同一档次。当今世界上非接触式IC卡主流产品是Philips公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443 Type A标准。欧洲一些IC卡及读卡器制造商大都以Mifare技术为标准发展自己的IC卡事业。1.3.2 国内研究发展现状1目前，国内对门禁系统的研究已经从认识教育和试用阶段进入到了研发阶段，但在门禁系统的设计与制造过程中还有以下几点不足之处，主要表现为：(1)采用国外已有的集成模块，像读写器、门禁控制器、天线模板等；(2)对国外已有的系统进行仿造；(3)产品单一、开发成本较高。2在技术方面，中国目前也有很多厂家，仿制国外优秀的门禁系统，主要的做法有两种，第一种是购买国外的门禁系统配件，如读写器、门控器等，再对其进行二次软硬件的设计。这种门禁系统的性能很好，能满足许多安全要求很高的场所，但是价格很高。第二种方法是，除了核心芯片购外，其余部件都是对国外优质产品进行研制。这种方式比较灵活，可以随时根据客户的要求增加门禁系统的功能，且价格也比较便宜。而在系统的结构方面，国内的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。即门禁控制器先接收读卡器的信号，再根据信号来决定是否开门。(1)由于其门禁系统的部件大多采用国外先进集成电子工艺和原材料制造，因此其性能很高。但是高性能的代价是高价格。(2)这些门禁系统大多可以同时控制多个门，可以实现多门监控机制；对于很多企业，这些门禁系统同其他系统，如考勤系统集成，被做成企业“一卡通”系统，即员工可以凭一张卡来使用企业的多项非接触式IC项目；可管理的人员多，像美国西屋门禁最多可同时管理一个10万人的企业。(3)由于系统是由几个独立部件有机集成而成的，因此，要想对系统升级，只要对系统的某一部分升级，再组装即可。(4)由于注重系统的高性能和广泛的适用性，这些门禁系统大多价格较高，这使国内很多中小型厂家不能接受。1.4 本文的主要研究问题针对国内目前的市场需求情况，研发了一套基于RFID的门禁系统，本系统的研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。硬件的设计主要包括了各个功能模块的方案论证和电路设计，各模块的硬件电路调试和总体调试。软件设计主要包括主程序、读卡程序、LCD显示、键盘输入、串行E2PROM的数据读写、RS-232串口发送数据等子程序的编制。本系统针对的是拥有有效卡的用户，根据此项技术指标，硬件设计工作主要包括了：读卡器读取卡序列号、LCD液晶显示、键盘输入、AT24C04串行E2PROM和MAX232的工作原理，并由此设计出具体的硬件电路。在软件方面则是利用单片机组成控制系统，编程实现读卡器读卡程序、LCD显示、键盘输入、串行E2PROM的数据读写、RS-232串口发送数据等功能。本系统以MCS-52单片机为微控制器，利用无线读卡器与单片机组成数据采集系统，当有卡贴近读卡器时，读卡器便能读取到卡序列号，并将读取到的卡序列号与存储的卡序列号对比，若正确则开门并显示正确信息，若不正确则报警并显示错误信息。利用AT24C04串行E2PROM或Access数据库来存储卡序列号，通过RS-232串口实现数据的发送，通过按键来输入密码。本设计还选用了1602字符型LCD液晶显示器作为显示器件，实时显示正确或错误信息。设计中利用AT89C52单片机和读卡器实现了门禁系统，有较高的实用价值。此外，不但可以通过RFID卡进入，还可以通过输入密码进入，人性化的设计免去了未带卡而产生的尴尬。第2章系统的总体设计2.1 系统模块总体设计依据上述功能的分析，系统中模块分别为：数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、显示模块、串口发送/接收模块、密码输入模块、报警机制模块。各功能模块具体功能如下：1. 数据采集模块：当RFID卡进入到读卡器读卡范围时，读卡器读取卡序列号的过程。2. 数据处理模块：针对于采集到的数据处理，从而对得到的数据进行判断其有效性。3. 数据存储模块：用来存储数据。4. 显示模块：用来接收单片机发送的数据，并对数据进行操作从而得到要显示的信息。5. 串口发送/接收模块：主要用来通过串口发送和接收数据。6. 密码输入模块：针对于用按键输入密码，根据密码的正确与否来进行相应的操作。7. 报警机制模块：当出现非法卡或输入的密码不正确时产生报警。系统功能结构图如图2-1所示。综合数据处理模块读卡器处理模块密码处理模块读卡模块存储模块门控模块报警模块显示模块存储模块门控模块报警模块显示模块图2-1 系统功能结构图2.2 系统硬件设计系统硬件设计主要由AT89C52主控芯片和YHY502ATG读卡器模块构成。硬件电路由八部分构成：微控制器AT89C52、读卡器模块YHY502ATG、LCD1602显示、串口通信MAX232、按键电路、AT24C04存储、报警电路、门控电路。微控制器AT89C52负责YHY502ATG的初始化，上位机通过串口向YHY502ATG发送命令，YHY502ATG根据上位机发送的命令做相应的操作，然后将得到的信息传送给微控制器AT89C52，然后微控制器控制其它模块完成显示、报警、判断和门控操作。上位机与下位机之间的连接主要是通过串口进行通信，采用MAX232芯片并将芯片的输入和输出管脚连接到AT89C52的I/O口，在MAX232的引脚上连接10F的电解电容用来滤波。读卡器模块YHY502ATG与微控制器AT89C52之间的通信是通过I2C总线进行的，由于AT89C52单片机本身并没有I2C总线，所以将YHY502ATG模块的串行时钟线与数据线接到AT89C52的两个I/O口，然后通过模拟I2C时序来完成AT89C52与YHY502ATG之间的通信，为了防止出现三态，在YHY502ATG的串行时钟线和数据线上分别上拉10k电阻。而YHY502ATG读卡器与RFID卡之间的数据通信主要是通过天线进行的。AT24C04与AT89C52之间的通信也是通过模拟I2C时序进行，同时为了防止出现三态，在时钟线与数据线上分别连接5.1 k的上拉电阻。LCD1602与AT89C52之间的通信是通过将LCD1602的3条控制线和8条数据线与AT89C52的I/O口相连。对于按键电路的设计是将3*4按键直接连接到AT89C52的7位I/O口，采用线反转法通过查询方式进行工作。2.3 系统软件设计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。1. 数据采集：读卡器YHY502ATG通过天线读取RFID卡的数据，然后将数据传送出去。2. 数据分析：AT89C52接收到数据后，将数据传送给AT24C04或上位机，AT24C04或上位机对数据进行分析，从而判断数据的有效性。3. 模块之间的通信：AT89C52与YHY502ATG/AT24C04之间的通信都是通过模拟I2C总线进行的， I2C总线的高效性、高实用性、高可靠性数据传输增强了系统的实时性和可靠性。4. 数据处理：针对数据的采集和分析的结果做出相应的处理，例如显示、报警、门控等。2.4 本章小结总体设计阶段，规划出了系统的硬件功能模块和软件功能模块，以及在此分析基础上设计出的具体的、可以满足本系统全部需求和要求的子模块并在以后的设计中可以进行模块化设计，为以后的设计带来方便。第3章 系统硬件详细设计3.1 硬件系统总体方案设计本系统的主要电路包括：读卡器数据采集电路、串行E2PROM存储电路、LCD1602显示电路、串口通讯电路、报警电路、门控电路、键盘电路。硬件接口电路如图3-1所示。AT89C52读卡器数据采集 显示模块存储模块按键模块串口通信模块报警模块门控模块图3-1 硬件接口电路3.2 各模块电路设计针对于本系统的要求，现将电路的设计分为以下几个方面进行详细的设计，并说明设计的利弊。3.2.1 元器件的选择经过对市场的调研，考虑性能/价格比的前提下，在本次设计中我选择最容易实现产品指标的元件。1. 主控芯片：AT89C52。2. 读卡器：YHY502ATG。3. E2PROM：AT24C04。4. LCD液晶：ZL1602C2。5. 串口通讯芯片：MAX232。6. 报警器：1个蜂鸣器加一个LED红灯。7. 门控器件：一个LED绿灯。3.2.2 读卡器数据采集电路设计本设计应用ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产口引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash交速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6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，AT89C52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。本设计通过AT89C52控制读卡器进行数据的采集，设计的电路原理图如下图3-2所示。图3-2 读卡器数据采集电路原理图单片机的复位信号的处理采用按键复位的方法，单片机为高电平复位，当按键按下时单片机的复位脚被拉高，从而使单片机复位。由于在该电路中要用到单片机的存储功能，用来保存从读卡器接收过来的处理数据，因此将引脚接高电平，选通片内程序存储区。在本设计系统中将YHY502ATG的串行数据线（SCL）和串行时钟线（SDA）接到AT89C52的P27和P26引脚上，用来相互之间传输数据。它们之间的数据传输是采用I2C总线进行的，由于AT89C52单片机没有I2C总线，所以将SCL和SDA接到两个I/O口线上，通过模拟I2C总线时序来传送数据。为了防止I2C总线出现三态从而产生错误，所以在YHY502ATG的时钟线和数据线上连接两个10k的上拉电阻。在本系统中，YHY502ATG的A0、A1、A2引脚是地址，当A0连接到高电平上，A1、A2连接到低电平上时，表示只有一个YHY502ATG。YHY502ATG的RST引脚低电平有效，当RST引脚为低电平时复位，在本设计中将RST引脚悬空表示为上电复位。将YHY502ATG的SIG引脚连接到AT89C52的INT0引脚上，SIG引脚为中断输出端，当SIG为0时表示有RFID卡进入到读卡器的读卡范围。对YHY502ATG的VCC电源输入引脚，外接上驱动+5V电压。而VDD的输出引脚接地。YHY502ATG的其它几个引脚为外接天线的引脚，当使用YHY502ATG内置的天线时，其它的几个引脚悬空即可。而在本设计中，使用的YHY502ATG内置的天线，所以其它引脚均悬空。本设计的读卡器采用北京易火眼公司的YHY502ATG，下面对YHY502ATG做一下简要介绍：YHY502系列射频读写模块采用基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOS E2PROM工艺，支持ISO14443 type A协议，支持MIFARE标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持I2C接口，UART接口，SPI接口，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。特别适用于ISO14443标准门禁、下水、电、煤气表、自动售货机、电梯、饮水机、电话机等计费系统或身份识别系统的读卡器的应用。YHY502系列支持Mifare One S50，S70，Ultra Light & Mifare Pro，FM11RF08等兼容卡片。YHY502系列是低功耗的模块，宽电压工作3V5.5V，最低功耗仅需3A,采用一体化模块可以大大减少PCB体积。特点：1. 标准二线式I2C接口器件，带地址引脚可扩充多个在线；2. 能自动感应到靠近天线区的卡片，并产生中断信号；3. 采用高集成ISO14443 A读卡芯片，支持MIFARE标准的加密算法；4. 具有TTL/CMOS两种电压工作模式，工作电压3 V5.5V；5. 采用工业级高性能处理器，内置硬看门狗，具备高可靠性；6. 抗干扰处理，EMC性能优良；7. 把复杂的底层读写卡操作简化为简单的几个命令；YHY502ATG外形如图3-3所示：图3-3 YHY502ATG外形引脚配置如图3-4所示：图3-4 YHY502ATG引脚配置引脚定义如表3-1所示：J1为模块与控制器的接口，J2为模块与天线的接口。表3-1 YHY502ATG引脚描述管脚符号I/O类型描述J1-1SCLI/OIIC时钟线J1-2SDAI/OIIC数据线J1-3A0I/O地址A0J1-4A1I地址A1J1-5RSTI模块复位端，低电平有效，悬空默认上电复位J1-6A2I地址A2J1-7SIGO中断输出端，0表示有卡J1-8VCC电源电源正端J1-9GND地电源负端管脚符号描述J2-1GND地J2-2TX1天线发送1J2-3GND地续表3-1 YHY502ATG引脚描述管脚符号描述J2-4TX2天线发送2J2-5GND地J2-6RX天线接收YHY502ATG的I2C接口介绍：1. 特点（1） 只需要两根线，扩展灵活；（2） 3位的可预置地址空间，最多可支持扩展8个模块和天线；（3） 速率高达400kHz；（4） 噪声抑制电路可以抑制低于50ns的行刺；（5） 内部带上拉电阻，可以省掉外部的上拉电阻；2. 总线时序总线通信时序如图3-5，总线数据传输时，在时钟线高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。只有在时钟线为低电平时，才允许数据线上的电平状态变化。图3-5 I2C总线时序图3. I2C接口通讯协议（1） 模块I2C地址高四位默认为1010即0xA0,低四位通过A2、A1、A0+R/W设置；（2） I2C通讯速率：400k；（3） 数据格式：（YHY502A模块地址+R/W）+长度字+命令字+数据域+校验字；（YHY502ATG模块地址+R/W）：设备地址。在对YHY502ATG进行读写操作时，需要在操作前发送一个8位的设备地址，设备地址包括位YHY502ATG模块地址和1位读写选择位。7位YHY502ATG模块地址的高四位固定为1010，模块地址的低三位由用户预置模块A2、A1、A0三个引脚而成，一个系统中最多可以通过对A2、A1、A0的不同设定而连接8个YHY502ATG模块。在对指定的YHY502ATG模块进行读写操作时，发送的设备地址低四位必须与A2、A1、A0、R/W读写操作字一致。例如：一个YHY502ATG模块A2、A1、A0被预置为0、0、1，则其读和写时的设备地址分别为：读命令时，R/W位为1，高七位模块地址为1010001，则设备地址为：10100011，即0xA3；写命令时，R/W位为0，高七位模块地址为1010001，则设备地址为：10100010，即0xA2。在本设计中，采用的是射频识别技术。下面对射频识别技术做一下简要介绍：1. 射频识别技术原理通常情况下，RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的，见图3-6。其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而RFID卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路(IC)芯片及其外接天线组成，其中RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。图3-6 射频识别系统原理图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。2. 射频识别系统典型结构射频识别系统的典型结构见图3-7，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。图3-7 RFID系统典型结构图3-7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。(1) 射频读写模块在一个区域内发射能量形成电磁场，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的。3.2.3 串行E2PROM存储电路设计在本设计中采用AT24C04作为存储设备，AT24C04是ATMEL公司生产的4k位串行CMOS E2PROM，内部含有512个8位字节，先进的CMOS技术实质上减少了器件的功耗，AT24C04有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。本设计的串行E2PROM存储电路原理图如图3-8所示。图3-8 串行E2PROM存储电路原理图在本设计中，采用AT24C04作为存储器件，用来存储从读卡器读取过来的RFID卡序列号。将AT24C04的SCL脚接AT89C52的P24脚，SDA脚接AT89C52的P23脚，通过模拟I2C时序来完成通信。在SCL、SDA引脚上分别接上5.1k的上拉电阻，以防止出现三态。将WP写保护接上低电平，表示允许器件进行正常的读/写操作。将A0、A1、A2均接低电平，表示只有一个AT24C04器件被总线寻址。将VCC电源端接+5V电源，VSS地端接地。AT24C04介绍：1. 特性(1) 与400kHz I2C总线兼容(2) 1.8到6.0伏工作电压范围(3) 低功耗CMOS技术(4) 写保护功能：当WP为高电平时进入写保护状态(5) 页写缓冲器(6) 自定时擦写周期(7) 1,000,000编程/擦除周期(8) 可保存数据100年(9) 温度范围：商业级、工业级和汽车级2. 管脚配置及描述如图3-9为管脚配置。图3-9 AT24C04管脚配置管脚描述：SCL：串行时钟AT24C04串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。SDA：串行数据/地址AT24C04双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或（wire-OR）。A0、A1、A2：器件地址输入端AT24C04最多可连接4个器件，该器件仅使用A1、A2地址管脚。A0管脚未用，可以连接到VSS或悬空。如果只有一个AT24C04被总线寻址，A1、A2地址管脚可悬空或连接到VSS。WP：写保护如果WP管脚连接到VCC，所有的内容都被写保护（只能读）。当WP管脚连接到VSS或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。VSS：地端将VSS端接地。VCC：电源端将VCC电源端接+5V电源。3. 功能描述AT24C04支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多4个AT24C04器件连接到总线上。由于AT24C04也是通过I2C总线进行数据的传输，因此需要一个器件地址，AT24C04器件地址的高四位为固定的1010，低三位由A0、A1和A2预置，最后一位由读/写信号得到，1为读，0为写。因此可知，当要对AT24C04进行读操作时，器件地址为：10100001即0xA1；当要对AT24C04进行写操作时，器件地址为：10100000即0xA0；3.2.4 LCD1602显示电路设计液晶显示器（LCD），具有功耗小，体积小，重量轻，超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子系统中，LCD可分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画功能等功能，用途十分广泛。本次设计主要是用于显示正确及错误信息，因此从性价比上考虑，选择了字符式LCD显示器1602，该显示器的显示容量是162个字符。本系统显示电路设计如图3-10所示。图3-10 LCD1602显示电路原理图LCD1602介绍：1. 引脚功能介绍如表3-2所示。VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。RS为寄存器选择信号，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。R/W为读/写信号，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。表3-2 LCD1602引脚功能介绍引线号符号名称功能1VSS接地0V2VDD电路电源510%3VEE液晶驱动电压保证VDD-VEE=4.55V电压差4RS寄存器选择信号H:数据寄存器 L:指令寄存器5R/W读/写信号H:读 L:写6E片选信号下降沿触发，锁存数据续表3-2 LCD1602引脚功能介绍引线号符号名称功能7|14DB0|DB7数据线数据传输15LEDA背光源正极16LEDK背光源负极2. 寄存器选择功能及指令功能如表3-3为寄存器选择功能描述，应当注意的是当忙标志为“1”时，表明正在进行内部操作，此时不能输入指令或数据，要等内部操作结束，忙标志为“0”时。表3-3 寄存器选择功能描述RSR/W操作00指令寄存器(IR)写入01忙标志和地址计数器读出10数据寄存器(DR)写入11数据寄存器读出指令格式：RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0LCD1602共有11种指令：清除，返回，输入方式设置，显示开关，控制，移位，功能设置，CGRAM（可自编数据区）地址设置，DDRAM（显示缓冲区）地址设置，读忙标志，写数据到CG/DDRAM，读数据由CG/DDRAM。3.2.5 串口通讯电路设计单片机与上位机的数据通信是通过串行口进行通信的，由于上位机是RS-232电平，单片机使用的是COMS/TTL电平，因此计算机与单片机接口必须进行RS-232电平和COMS/TTL电平的转换。RS-232是异步串行通信中应用最早的，也是最广泛的标准串行总线之一。它原是基于公用电话网的一种串行通信标准，推荐电缆的最长长度为15m。它的逻辑电平与公共地址对称，其逻辑0电平规定在+3+25V之间，逻辑1电平则在-3-25V之间，因而它需要使用正负极性的双电源。而传统的COMS/TTL电平，逻辑电平是以地为标准不对称设置，其逻辑0电平规定小于0.7V，逻辑1电平规定大于3.2V。因此两者之间的逻辑电平不兼容，两者之间通信时必须进行电平转换。进行电平转换最典型的芯片就是MAXIM的MAX232芯片，其内部电荷泵电路先将+5V提升到+10V，然后再用电压反转电路将+10V变成-10V，这样就得到了RS-232所需的10V的电压了。本设计中，通过单片机的10引脚P3.0(RXD)、11引脚P3.1(TXD)与电平转换芯片MAX232的9引脚(R2OUT)、10引脚(T2IN)相连接，MAX232的7引脚(T2OUT)、8引脚(R2IN)与9针D型插座2(RXD)引脚、3(TXD)引脚相连，MAX232的5引脚接地。9针D型插头与计算机的9针D型插头相连接来实现单片机与计算机通信的硬件连接。所使用的器件有：MAX232芯片一块、C4、C5、C6、C7、C8为10F电解电容，一个9针D型插座。串口通信电路原理图如图3-11所示。图3-11 串口通讯电路原理图3.2.6 报警电路设计在本设计中，需要用到报警电路，当出现非法卡或输入的密码不正确时，就会进行报警。采用蜂鸣器和LED灯（红）作为报警电路的主要器件，将蜂鸣器的正端连接到+5V电源上，负端连接到三级管的发射极，集电极连接到地端，基极连接到1k电阻的一端另一端连接到单片机的26引脚上。当给0时蜂鸣器响，当给1时蜂鸣器不响。将LED（红）灯的正端通过300的电阻连接到+5V电源上，负端连接到单片机的17引脚上。当给17引脚送0时，LED（红）灯亮，送1时LED（红）灯灭。在本设计中，三级管起到开关作用，与三级管相连的1k电阻是为了保护三级管，防止电流过大而烧毁三级管。与LED灯相连的300电阻也是起保护LED灯的作用。报警电路原理图如图3-12所示。图3-12 报警电路原理图3.2.7 门控电路设计本设计的门控电路用LED（绿）灯模拟，当进入到读卡器读卡范围的RFID卡为有效卡时，LED（绿）灯亮，且LCD液晶显示正确信息；当RFID卡为非法卡时，报警并且LCD液晶显示错误信息。将LED（绿）灯的正端通过300电阻连接到+5V电源上，负端连接到单片机的16引脚上。当给16引脚送0时，LED（绿）灯亮，送1时，LED（绿）灯灭。要本设计中，与LED灯连接的300电阻是起保护LED灯的作用。门控电路原理图如图3-13所示。图3-13 门控电路原理图3.2.8 键盘电路设计在本设计中为了防止出现用户未带RFID卡而导致进不去门的尴尬，特别设计了密码。在本设计中，密码与读卡器是或的关系，两者选择其一，若用户未带RFID卡也可通过输入密码进入。本设计中需要用到12个按键，将12个按键组合在一起形成一个键盘。为了减少I/O口的占用，采用矩阵式键盘设计。键盘电路原理图如图3-14所示。图3-14 键盘电路原理图3.3 本章小结本章对硬件电路做了详细的说明，随着社会经济和科技的发展，射频卡技术越来越广泛地应用于各种行业，特别是公共交通、无线通信、身份识别、金融交易和安全防卫等行业。无疑地，射频卡技术将是我们以后将要进一步努力研究的技术，而相应的射频识别应用的门禁及其考勤系统也将变得更普遍。本文将射频识别技术引入到门禁系统中，对基于射频识别的门禁系统进行了设计。基于控制器AT89C52和YHY502ATG读卡器的基础上外接存储器AT24C04、液晶显示器LCD1602等，设计了基于RFID的门禁系统。该电路理论上很好的实现了设计原理要求，该设计简单明了，在电路实现时还需考虑各模块之间的复位、接地等诸多问题。第4章 系统软件详细设计系统软件设计是整个系统设计的重要部分，在硬件电路的基础上，加上软件编程才可以实现系统预期的功能。4.1 软件结构框图在本系统中，软件的设计主要包括：数据采集模块、存储模块、显示模块、门控模块、报警模块、键盘模块和上位机软件的设计几个方面。本系统的软件结构框图如图4-1所示。1. 数据采集模块：读卡器YHY502ATG通过天线读取RFID卡的数据，然后将数据传送出去。2. 存储模块：AT89C52接收到数据后，将数据传送给AT24C04进行存储。3. 显示模块：AT89C52接收到数据后，将数据与AT24C04里存储的数据进行对比，若两者完全相同，则液晶显示正确的信息；若不相同，则液晶显示错误的信息。4. 门控模块：AT89C52接收到数据后，将数据与AT24C0