基于RC522射频IC刷卡控制开关设计

单片机课程设计项目名称：门禁系统设计组员：杨坤 钱文浩 陆唐芳任务分工：电路焊接：杨坤 陆唐芳 撰写设计报告（电路分析和程序分析）杨坤 钱文浩 陆唐芳时间：2018年6月21日至7月13日元器件清单：51/52系列单片机10uF电解电容10K色环电阻1K色环电阻22pF瓷片电容11.0592Mhz晶振DIP40单片机插座7cm*9cm万孔板/9*15cm万孔板2.5mm排针自复位按键DC5V的电源座DC5V的USB电源线小的LED电源指示灯焊接跳线4.7K排阻5V蜂鸣器PNP 9012驱动三极管RC522射频模块射频IC卡AMS1117-3.3 5V转3.3V芯片DC5V huike继电器LCD1602液晶模块10K可调电阻AT24C02记忆存储芯片DIP8 直插芯片座子12V电源适配器DC12V电磁锁实现功能 （1）读卡功能 （2）添加管理卡功能 （3）增加、删除用户卡功能 （4）更改管理卡 （5）清除所有用户卡 （6）键盘控制管理卡操作 （7）蜂鸣器实现刷卡、按键提示 (8) 12864点阵液晶显示屏晶显示IC卡序列号系统框图该系统是以STC89C51单片机为基础，由电源模块、复位模块、读卡器模块、继电器模块、和显示模块组成。51单片机刷卡模块非接触式IC卡感应区域液晶12864显示（显示信息）继电器模块（模拟门开）和蜂鸣器模块晶振、复位电路电源供电注册IC卡键盘输入 系统硬件电路设计各模块选用的硬件介绍读卡器主要由读卡模块、单片机控制模块、继电器模块、报警模块组成等组成。使用FM1702sl读卡器进行读写非接触式射频卡，采用具有8K可编程Flash功能的STC89C52单片机作为控制模块，并且单片机与与FM1702sl之间使用SPI进行通信的。STC89C52单片机介绍控制的核心选用STC89C52。其主要性能如下：主要性能 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 100000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针掉电标识符 （1）功能特性描述 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash， 256字节RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 （2）引脚图如下：图3-1 STC89C52引脚图（3）引脚介绍： VCC : 电源 GND: 地 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚第2功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入） ，时钟输出 P1.1 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）表3-1 P1口第二功能P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 （例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。引脚第2功能P3.0 RXD (串行口输入端)P3.1 TXD （串行口输出端）P3.2 （外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3 （外部中断1请求输入端，低电平有效）引脚第2功能P3.4 T0 （定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1 （定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6 （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）6 P3口第二功能RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”， ALE操作将无效。 这一位置 “1”，ALE仅在执行 MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个 ALE使能标志位 （地址为8EH的SFR的第0位） 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。 为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。STC89C52的电路连接FM1702SL主要就是和单片机SPI通信部分，芯片本身的初始化，然后就是读写之类的功能操作。读IC卡，主要就是寻卡，能寻到卡。可以说就成功一大半了。在这里我说一下，我在用示波器看TX1，TX2脚的时候，是一个类似山脉起伏一样的13.56MHZ的波形，电压的话，大概就是2.6V左右。该系统中STC89C52与FM1702采用SPI通信连接，FM1702sl与单片机P0口相连，电源与地之间接一个电阻容，如果上电后，初始化成功，则提示刷卡；若初始化失败，则留在初始化界面。USB供电接口USB是一种常用的pc接口，只有四根线，两根电源线，两根信号线。因为信号是串行传输的usb接口也成为串行口，usb2.0的速度可以达到480Mbps。可以满足各种工业和民用需要。Usb接口的四根线一般是下面这样分配的，需要注意的是千万不能把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或电脑芯片：12864液晶显示屏的使用1) 想要在液晶屏上显示某一字符需要先设定字符的位置，也就是说先设定显示地址，再把中文字符的编码写入进去。2) 2字节字符编码，应先高后低。3) 只有在BF为0时处理器才能接收新的指令4) “RE”为基本指令集和扩充指令集的选择控制位，如果变更“RE”，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设“RE”位。51单片机的P2口有内部上拉电阻，因此不需要接外部上拉电阻就能能输出逻辑0和1，而使引脚保持高电平。12864的D17和D19管脚接5V电源，D7到D15管脚接到单片机的P2.0到P2.8管脚。这样，当引脚空闲的时候输出的是1，接地的时候输出的是0。刷卡模块（一）工作原理信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过天线建立起二者之间非接触信息传输通道。当Mifare卡进人系统的工作区域时，读写器向Mifare卡发一组固定频率的电磁波，Mifare卡内有一个LC串联谐振电路，两者相同，在电磁波的激励下，Lc谐振电路产生共振，从而使电容内有电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，把一个电容内的电荷存储到另一个电容内，当总电荷达到2V时，因此这个电容也可以作为电源为其它电路提供电压，将卡内数据发射出去或读取读写器的数据。通过调整天线驱动电压改变通信的最长距离。FMl702SL与MCU的接口电路图3-5 FM1702sl与MCU接口电路 电路如图3-5所示，MCU与FMl702SL是通过SPI总线通信的，使用中断工作模式。要注意的是FMl702SL经过复位后，必须要进行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，以便同步MCU和FMl702SL的启动工作。 （二）读写器天线的设计根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上和卡互感系数就越大。天线可等效成R、L、c并联回路，如图3-6所示设计天线时要注意天线的品质因数。国际标准ISOl4443规定无论TYPEA或TYPEB非接触式IC卡，读写器和卡之间的数据传输速度为106kbits，载波的频率f=13.56MHz，因此，每一位的数据维持的时间t=106104k=9.44s，TypeA类射频卡智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有t=3s的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=lT=13s=333.333kHz，故天线的品质因数Q= fB=13.56 MHz33.333kHz=35，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，从而减弱读写器的调制边带，会导致读写器无法与卡通信。图3-6 读写器天线（三）读写器对卡的操作流程FMl702SL内部一共有8个寄存器页，每页又有8个寄存器，每个寄存器又有8位数据。这些寄存器是统一编址的，从Ox000x3F，MCU通过SPI接口与 FMl702SL通信对寄存器进行设置。要注意的是，MCU对卡片的操作不能仅靠一条指令完成，其中必须有对FMl702SL硬件内部寄存器的设置。操作步骤如图3-5所示。图3-7 MCU对卡片的操作(1)复位初始化FMr702SL：初始化FMl702SL的SPI接口，初始化FMl702SL定时器，设置定时器控制寄存器，打开Txl、TX2。(2)请求：当一张卡片处在读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出R：EQUEsT all命令。卡片的ATR将启动，将卡片BLOCkO中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不会进行。(3)防冲突机制：如果有多张卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，读写器将会读取最近的一张卡片序列号(4)选择卡片：完成了上述二个步骤之后，读写器必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。(5)三次相互验证：经过上述三个步骤，在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，已经对卡上设置好的密码进行确认。如果匹配，才允许进一步的读写操作。(6)读写操作：对卡的最后操作是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。电子锁控制电子锁控制采用9012三极管驱动5V继电器,单片机的输出OUT通过9012三极管驱动继电器, 继电器的输出直接接继电器线圈的一端,线圈的另一端接GND。继电器的公共点和长开点分别接电子锁的两跟控制线由于电子锁的开关是靠两根控制线是否连通来控制的,当两根控制线接在一起时就开门,反之如果两根控制线断开就锁门。因此当单片机的输出端输出高电平时三极管倒通,9012的输入端为低电平,由于9012在这电路中起到开关作用,因此9012输出为高电平。此时继电器线圈上有电流流过,继电器吸合,电子锁的两根控制线接通,电子锁开门。反之,如果单片机输出高电平三极管不倒通, 9012三极管的输出为低电平,因此继电器线圈没电路,继电器不动作,电子锁的控制线保持断开,电子锁锁门。如图3-6所示：报警模块报警电路有一个直流蜂鸣器和9012三极管构成,电路图如图3-9所示。图中Alarm为单片机的P1.0脚,当需要蜂鸣器报警时只需要将单片机的P1.0管脚置为高电平,三极管倒通,电流从+5V电源经过蜂鸣器和三极管的CE极流向地,蜂鸣器有电流流过则发声报警。当单片机P1.0管脚为低电平时,三极管截止,没有电流从蜂鸣器流过,蜂鸣器停止发声,因此通过控制单片机P1.0管脚的高电平时间就可以控制缝鸣器的报警时间.射频卡读卡器块的复位电路射频卡读卡器块的采用了按键复位电路， 当系统发生故障,可通过按下复位按键，系统将复位,让系统重新初始化运行。按下设置键，把工作模式切换到“Register Mode”后，刷卡并显示卡号自动注册。注册完成后液晶显示注册完成。再次刷这张IC卡时，就能开门。按下设置键，注销通行卡（清除存储器的卡号数据）。 按下设置键，把工作模式切换到“Clear buffer”后，按下“确认键”，就把存储里保存的卡号数据清除。清除数据后，IC卡已经处于注销状态。 软件代码分析分析系统流程是按固定顺序执行的，开始读卡等待验证是否满足开门延迟后自动关门，刷卡失败后，初始化合法IC卡。读卡主要流程包括寻卡、防冲突、选择卡片、读取卡片和卡挂起5步。寻卡寻卡首先要进行系统初始化阶段然后感应区，感应到有卡进去感应区域，由单片机判断该卡片的合法性，如果合法则进行FM1702的中断处理程序；如果不合法则蜂鸣器报警返回系统初始化。继续寻卡操作。防冲突当多张卡进入感应区域时，调用防冲突函数进行选取卡的序列号将所选取卡的序列号送到控制器进行卡片的选择确定。若果同时有多张卡进入感应区域，则防冲突函数选取其中一张得到其序列号进行操作。uchar AntiColl()unsigned chartemp;unsigned chari;RevBuffer0 = RF_CMD_ANTICOL; /写寻卡通讯命令93HRevBuffer1 = 0x20; /写寻卡通讯命令20HSPIWr