IC卡智能门控系统的研究-本科毕业论文

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 摘要 随着进几年国民经济的飞速发展，人们的生活也迅速的提高，轻便、快捷、 高速、安全、智能化的仪器和设备越来越受到人们的关注。特别是近几年我过机 电行业的迅速崛起，并且成为我国的支柱产业，其中智能化的产品也将成为我国 机电行业的发展趋势。智能门控系统就是智能化的典型产品。由于它是基于目 前已经成熟的 IC 卡技术之上，而且功能扩充也十分方便灵活，保密性能好，所以 得到广泛的应用。 智能门控系统是一种典型的机电一体化产品。它借助于智能卡技术通过单片 机的控制，以及数据库的管理，在外界各种接口、显示器、键盘实现强大的功能， 现在，在我国也已经成为一项完整的技术。 本文研究一种基于 AT89C51 单片机的自动门控制系统， 功能强大， 运行可靠， 用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。 AT89C51 是功能强大，价格低廉。它抗干扰能力强，在工业领域得到了广泛 的应用，因此我们选用它做为整个系统的控制核心。 关键词：自动门控制系统；IC 卡；AT89C51 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） Abstract As the developing of national economy along with nearer years, the life of people is also raises rapidly and the light portable and at a high speed, safety, intelligent of instrument and equipment more and more suffer the concern of people. Especially nearer year our country mechanical and electrical trend rapid is risen and becomes the pillar industry of country, among them the intelligentization product also will become the development trend of our country mechanical and electrical trade. The systems of automatic door controller is the typical product of intelligentization. Owing to the fact that is above the technology of IC cards that to base on at present ripe, and that to expend also very convenient is nimble the merit, and confidentiality capability is good, so getting the extensive application. The system of automatic door controller is the one of kind of mechanical and electrical integration product of model. It has the aid of the intelligent card technology by way of the Single-Chip Microcomputer, as well as the management of data base, and now excluding various interfaces of boundary, display and keyboard to realize the big and powerful merit ability. It also develops becomes a perfect technology in our country. So we have developed a new kind of automatic door controller based on SPEC061A.The controller has good competitive ability because it is powerful, reliable, convenient and low-cost. AT89C51 is is powerful cheap. It has been widely used in many industry controller fields because of its excellent anti-interference feature. It is very suitable to AT89C51 as the core unit of automatic door controller and so we did choose it. Key words：automatic door controller; integrated circuit card; AT89C51 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 目录 第第 1 章章概述概述.1 1.1课题背景1 1.2智能门控系统的意义2 1.3智能门控系统的发展趋势2 1.4本文主要内容2 第第 2 章章系统的方案设计与选择系统的方案设计与选择.4 2.1方案的选择4 2.2IC 卡的选择.4 2.3复位与应答8 2.4同步通讯与异步通讯9 2.5串行通讯的传输方向10 2.6设计原理10 2.7设计功能11 2.8本章小结11 第第 3 章章系统的硬件设计系统的硬件设计.12 3.1电路基本原理12 3.2门禁系统电路原理图12 3.3各部分电路原理13 3.4IC 卡接口设备的组成.22 3.5本章小结22 第第 4 章章系统的软件设计系统的软件设计.23 4.1系统软件设计整体思路23 4.2系统软件设计主流程图23 4.3软件调试24 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） II 4.4本章小结26 第第 5 章章门禁系统的仿真门禁系统的仿真.27 5.1系统通电后无刷卡时的仿真27 5.1合法卡刷卡时的仿真27 5.3本章小结28 结结论论.29 参考文献参考文献.30 致致谢谢.31 附附录录.32 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章概述 1.1课题背景 1.1.1智能门控系统概况 随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。现在 很多酒店，要求超市，百货商店和其他的现代建筑，不仅可以美化入口环境，还 具有节能的优点，防尘，噪音等功能，同时也是一个重要的目标在智能建筑。目 前，该产品主要是从国外进口的。自动门公司对外生产，普通的德国公司 BLASL 托玛斯，瑞士，意大利的 PA，等等。这些产品是可靠的，但一般价格昂贵，操作 复杂。在国内同类产品的性能不稳定，故障率高，需要经常维护，运营成本的增 加。该系统需要强大的自动门控制，自我保护和故障诊断功能完备，性能稳定可 靠，操作方便，用户，价格适中，在市场上的竞争力强本设计对这种自动门的下 位机系统的原理，功能，及应用作详细的介绍。并对其中涉及到的 IC 卡技术、 AT89C51 单片机，接口电路，外接设备等知识做相应的详细介绍。 随着科技的进步，机电一体化产品越来越成熟，其中做为机电一体化产品的 一员，智能门控系统也越来越完善，实现的功能也越来越强大，功耗也越来越小， 安全系数也越来越高。以后智能门控系统会趋于集成化，功能模块化，使用将非 常灵活方便。故障率也将大大降低，实现的功能也将越来越高。近几年国民经济 飞速发展，人民生活水平迅速提高，轻便、快捷、高速、安全、智能化的仪器和 设备受到人们的关注。近几年我国机电行业高速发展，它已成为我国的支柱产业， 其中智能化的产品也将成为我国机电行业的发展趋势。 目前国外生产自动门的公司很多，常见的公司有德国的 BLASL，瑞士的 TORMAX，意大利的 PA，日本的 National 等等。这些产品功能繁多，性能可靠， 但操作复杂，价格偏高。 目前智能门禁系统已成为发达国家和地区最主要的安防传统的安防设备不 同，它变被动的监控和报警为主动的控制，起到更高的安全作用1。门禁系统是随 着自动识别技术的发展而迅速发展的，国外门禁系统的知名品牌有美国的休斯 （HID） 、西屋（WSE） 、洛泰克（NTK） 、以色列的(DDS)、英国的集宝等品牌。 1.1.2系统功能简介 卡使用者把 IC 卡插入 IC 卡适配器，自动验证卡是否有效卡，若为有效卡， 六位 LED 数码管变亮，以提示卡正确用户输入密码。密码输入后通过单片机和已 经发送到单片机 FLASH 中的密码进行比较，如果正确，使发出一个密码正确的信 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 2 号通过单片机与上位机进行信息交流查询该卡的卡号，如该门有该卡的的卡号则 允许进入，如无此卡号则推出该卡。 1.2智能门控系统的意义 智能门控系统方便了用户的操作及各种系统的安全管理。随着国民经济的飞 速发展，各种高智能的建筑不断涌出，而智能门控系统则是其中的标志之一。它 方便了酒店、银行、商场等场所的安全管理，也减少了人力，并且减少了运营成 本。智能门控系统会越来越成为一种主流的智能化产品。 在大学期间，我们开设了单片机的课程，对整个单片机的控制比较熟悉，做 过相关的单片机课程设计的实验，目前我校图书库里有很多较好的相关资料，在 这个过程中我们查阅相关资料文献，熟悉单片机的仿真软件环，具备相关科研工 作基础与条件。 智能门控系统是一种典型的机电一体化产品。它借助于智能卡技术通过单片 机的控制，以及数据库的管理，在外界各种接口、显示器、键盘实现强大的功能， 现在，在我国也已经成为一项完整的技术。 1.3智能门控系统的发展趋势 随着科技的不断进步，机电一体化产品越来越成熟，其中做为机电一体化产 品的一员，智能门控系统也越来越完善，实现的功能也越来越强大，功耗也越来 越小，安全系数也越来越高。以后智能门控系统会趋于集成化，功能模块化，使 用将非常灵活方便。故障率也将大大降低，实现的功能也将越来越高。 近几年国民经济的飞速发展，人们的生活也迅速的提高，轻便、快捷、高速、 安全、智能化的仪器和设备越来越受到人们的关注。特别是近几年我过机电行业 的迅速崛起，并且成为我国的支柱产业，其中智能化的产品也将成为我国机电行 业的发展趋势。智能门控系统就是智能化的典型产品。由于它是基于目前已经 成熟的 IC 卡技术之上，而且功能扩充也十分方便灵活，保密性能好，所以得到广 泛的应用。 1.4本文主要内容 本章将介绍 IC 卡技术基础，通过对 IC 卡的基础结构，基础标准及各种规范 的详细介绍来深入了解 IC 卡的行业国际标准，并选取 SLE442 逻辑加密卡，并介 绍其应用。它具有体积小，重量轻的优点，低廉的价格，提供便利条件的研究， 应用和发展。IC 卡接口设备（又称读写设备、读写机具）的功能。 通过对自动门控制系统的下位机的硬件电路的设计和相关软件的编写， AT89C51 的相关体系结构和使用方法，对其电路设计、软件编写以及开发工具的 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 3 应用有了一定的实际应用。设计出了自动门控系统下位机基于单片机 AT89C51 的 硬件电路及其软件的编写。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 4 第 2 章系统的方案设计与选择 2.1方案的选择 门禁系统有许多种方案：主要有联网和不联网型。联网型的结构图如图 2-1 所示。 图 2-1联网型结构图 联网型门禁系统的优点： （1）实时联网； （2）刷卡后立即把数据传输到主机上； （3）便于查询并能生成报表。 缺点： （1）计算机要求 24 小时开机； （2）计算机或管理机万一有故障系统瘫痪； （3）有问题影响面大。 不联网型门禁系统的优点：单台刷卡机就能工作，不用布线，操作简单方便。 缺点：不便于查询。 根据以上分析，我们的课题选择了不联网型。因为此设计简单，提交作品方 便，易操作。 2.2IC 卡的选择 2.2.1IC 卡的分类 IC 卡（Integrated Circuit Card）是一个集成电路卡。IC 卡从 20 世纪 70 年代提 出来，有法国布尔（bull）公司于 1976 年首先创造出来 IC 卡产品并将这项技术应 用到金融、交通、医疗、身份验证等多个行业，本设计为身份认证方面的应用。 计算机 管理机 刷卡机刷卡机刷卡机 N 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 5 目前市面上的卡有很多种类：条码、磁卡、接触式 IC 卡，非接触式 IC 卡等， 条码和磁卡，在超市和银行方面应用的比较多，接触式 IC 卡2，以前在公共电话 中用的比较多。 IC 卡是把集成电路芯片镶在尺寸为 85.6853.980.67（mm）的塑料卡片上， IC 卡芯片具有写入数据的能力根据卡中所镶嵌的几成电路的不同可分为以下三 类： （1）存储器卡：卡中集成电路可擦除的可编程只读存储器 EEPROM； （2）逻辑加密卡：卡中集成电路具有加密逻辑和 EEPROM； （3）CPU 卡：卡中集成电路包括 CPU、EEPROM、随机存储器 RAM。 IC 卡与外界数据的传输形式分为接触型 IC 卡和非接触型 IC 卡，当前应用广 泛的是接触型 IC 卡。 本设计也采用接触型 IC 卡。 2.2.2接触型 IC 卡的基本结构 接触型 IC 卡符合标准组织与 IEC（国家电子技术委员会）标准。它的基本结 构分为半导体芯片、电极模片和塑料模片三大部分。 IC 卡的各组成部分说明如下： （1）半导体芯片： 是IC卡的核心部分， 一般采用0.35mm至0.8mm的HCOMS 或 NMOS 工艺制造的超大规模集成电路。半导体芯片包括：存储器译码电路、接 口驱动电路、逻辑加密控制电路、微处理器单元。 （2）电机模片：是半导体芯片各输入输出信号引脚和外部设备接触连接导电 体。 （3）塑料基片：是半导体芯片和电极模片的载体，一般采用 PVC、PET 和 ABS 塑料材料。 2.2.3接触型 IC 卡的国际标准 IC 卡的国际标准的总称是识别卡，IECT816 的标准包括以下五部分： ISO 7816-1物理特性 ISO 7816-2触电及尺寸位置 ISO 7816-3电信号及传输协议 ISO 7816-4行业间交换用命令 ISO 7816-5应用标识符的编号系统和注册过程 （1）IC 卡的物理特性（ISO/IEC 7816-1） 物理特性规定了 IC 卡的尺寸（长宽高：85.6540.008 mm）阻燃性以及防 辐射能力、X 光照射的剂量、触点的表面轮廓、卡的触点的机械强度、触点的电 阻、磁条与集成电路之间的电磁干扰、指定磁场强度的影响、静电影响、热耗等 的具体指标。并要求使用时卡的表面温度小于 50 摄氏度。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 6 （2）IC 卡的触点尺寸（ISO/IEC 7816-2） 触点尺寸规定了 IC 卡的尺寸、位置、功能。要求每个触点都竟有一个小于 （2.01.7mm）矩形表面区域，各触点间应互相隔离。每个接触式 IC 卡有 8 个触 点，即从 C1-C8，触点安排在卡的正面和反面均可。 （3）IC 卡的电信号和传输协议 （ISO/IEC 7816-3） （4）IC 卡的电信号和传输协议有两部分组成。第一部分是 IEC7816-3，包括 同步传输协议（T=0）内容；第二部分是 IECT7816-3AMENDENT1，即修正标准， 包括异步传输协议（T=1）的内容。 在 IEC7816-3 中规定了电源和电信号的结构；IC 卡与接口设备之间的信息交 换，包括电压电平、信号频率、电平值、奇偶校验定义、操作过程、传输机制、 通信协议等。同步传输协议规定了 I/O 上的信息与 CLK 同步，它较适合逻辑加密 卡。 异步传输协议规定了 I/O 上的信息用帧方式传送， 它教适合带 CPU 的智能卡。 （5）IC 卡的行业交换命令（ISO/IEC 7816-4） 它规定了数据结构、安全结构、行业间命令与开发应用程序等，接口与 IC 卡 交换信息的基础。 （6）应用标识符系统和注册（ISO/IEC 7816-5） 应用标识符（AID）是卡中的一个数据单元，可储存发行商的编号。 一般由发行商自己所在的国家标准申请。遵循国际标准才能保证系统的生命 力，ISO7816 标准于 1998 年后才公布的。 （1）输出电压范围 1.25V-20V； （2）波纹系数尽量小，输出稳定，具有过流等保护功能； （3）能数字显示电压。 2.2.4SLE4442 逻辑加密卡及应用 本设计中选用逻辑加密卡： SLE4442。 由于它的安全性能好， 存储量大等特点， 适于一卡多用，在 IC 卡的个人化的应用设计中，采用 SLE4442 是很好的选择。 2.2.5名词解释 逻辑加密卡主要是由 EEPROM 单元阵列和密码控制逻辑构成，其功能介于存 储器和 CPU 卡之间。它具有一定的逻辑保密功能，不能像存储器那样自由檫写； 但不如 CPU 卡能进行复杂的密码计算，因此适用于一些需要保密的功能，但是对 保密功能又不高的场合。 （1）在具体分析之前，需要对逻辑加密卡中经常使用的术语进行解释，便于 理解。 （2）写入：是指向芯片内部写入数据“0”的操作。EEPROM 有其特殊的读 写机制，写入就是指写入“0”的操作。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 7 （3）擦除：是指向芯片内的存储器写入“1”的操作。擦除操作是按行进行 的。 （4）熔断：对于物理熔丝而言，是指外加大电流将芯片的熔丝烧断的过程； 如果用 EEPROM 单元来表示一种熔丝的信号，熔断是指对该单元进行了一次写入 操作。即该单元为“1”时表示熔丝未熔断，该单元为“0”时表示熔断了。 （5）个人化：时指 IC 卡由发行商发行给个人的过程。在这个过程之中由发 行商按要求往 EEPROM 中写入发行代码、用户密码以及用户身份标识，分别写入 IZ、SC、CPZ 区。 2.2.6IC 卡的框图 逻辑加密卡从功能上看，只要分为两部分，一部分是 EEPROM 单元阵列，一 部分是保密逻辑部分，如图 2-1 所示。 保密逻辑部分包括地址计数器、地址译码器、密码比较电路和一个内部存储 器， 图中画出了 RD、 PR、 EC 等 4 位逻辑控制阵列是根据设计的要求， 对 EEPROM 的各个存储区域的读出、写入和檫出进行控制。 上图为 SLE4442 主存储器和密码存储器示意图。主存储器的容量为 256 个字 节，每个字节为 8 位。存储器可分为：保护区和应用区，地址单元为 00H-1FH 的 32 位各字节是保护区，带保护功能，一旦实行位保护功能后，被保护的单元不可 檫除和改写保护区中没有设置为保护区的字节，其使用与应用去完全不同。 SLE4442 保护区的信息如下： 00H-03H复位应答信息（ATR） 04H-07H芯片生产厂家代码和卡型编码 15H-1AH应用标志 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 8 地址计数器 地址译码器 逻辑译码器 行 驱 动 器 列 选 择 EEPROM 单元阵 列 密 码 比 较电路 输入输出 缓冲 内部寄存器 R D PRSCE Z 图 2-1保密逻辑示意图 在应用系统中根据需要，保护区即用作存放固定信息，如发行单位编号、卡 编号、批次号、发行时间、持卡人姓名、证件号码等。也可与应用信息一样，存 放可变信息3。 SLE4442 还提供一个 4 字节的程序存储器4，其中 0 台 EC 只有三比特错误计 数器，单位，IC 卡个人化， （EC）= 111，剩下的三个字节的密码存储单元（PSC） 。 通电后，除了一个密码整个存储器可读。如果删除或改写该卡的内容，必须 检查密码，只有 3 个字节是一样的。密码可以阅读，如果有必要，还可以修改新 密码。如果输入数据和密码是不正确的，错误的时间， （EC）= 011，那么错误的 （EC）= 001， （EC）= 000 是不正确的，然后卡锁，不能改写卡内容。假如三次一 次正确（EC）自动恢复为（111） 。 2.3复位与应答 上电以后，随着 CLK 上的一个脉冲的到来，当 RST 由高电平到低电平时，即 惊醒了一次复位操作。这个操做得到卡的应答。随着以后 32 个时钟脉冲的输入， I/O 线上得到相应的 32 位数据，这就是从卡发送到单片机的复位应答标头。 标头长度固定为 32 位，组成的 4 位字节 H1、H2、H3、H4。其中 H1：表示 同步传输协议的类型；H2：表示协议类型的参数，他们必须符合 ISO7816 的标准； 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 9 H3 和 H4 不在 ISO7816-3 范围之内。SLE4442 的标头为 A2 13 10。软件程序流程 图如下图 2-2 所示： 复位和应答 CLK-0 延时 10us RST-0 延时 10us RST-1 延时 10us CLK-1 延时 10us RST-0 延时 10us 发出一个时钟脉冲， 移近 一位数据 到 32 个脉冲 32 位数据放入 RAM 应答标头是 A2131091 返回 复位和应答 错 IC 卡 下 电 图 2-2软件程序流程图 复位应答标头能确定卡与接口设备是否兼容，如果兼容，则要求 IC 卡下电， 释放触点。复位过程的时钟频率可再 7KHz-50KHz 之间选取。 在对卡操作之前，一般要进行复位和复位应答操作，有时要两次这样的操作， 才能得到正确的复位应答信息。 2.4同步通讯与异步通讯 同步通讯的基本特征是发送与接收时钟保持严格的同步。数据的读出可分为 三个基本过程，即：复位，数据字段的定义和数据的读出。同步通讯约定 1-2 同步 字符指示传输数据的开始的，用以保证发送与接受端的初始同步然后双方开始计 数数据的传输。在串行传输中的同步接收端开始，进入“监测同步字符搜索” ，一 旦检测到同步串套后，你开始从第一同步串计数，根据数据终端协议开始接受。 在数据传输时，发送端必须不间断的持续发送其数据，中间不要间断，否则 会发错，如果发送器出现不及时准备下一个将要发送的数据时，必须在断缺前的 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 10 数据段发送完的后面，填写一个同步字符进行发送，持续到下一个数据段得以发 送为止。同步传输协议适用于逻辑加密卡。 异步通讯方式即不要同步字符 SYNC， 也不要保持数据的连续性， 它规定了传 输格式，每个数据均以相同的帧传送。异步通讯是一帧一帧来传输，帧帧之间的 间隔是不固定的，以高电平来填补间隔处，在每一帧传输逻辑 0（低电平）状态的 起始位，停止位结束。在任何时间或间歇传输信息，不受时间的限制。因此，异 步通讯虽然较简单但有校验位和停止位等附加位，所以其传输速度和效率均不如 同步通讯。 2.5串行通讯的传输方向 一般情况下，串行通讯中的数据的传输是在两个通讯口之间进行的方向可分 为单工，半工，全双工方式。 在单工方式下，一根通讯线的一端连接发送方，另一端接接收方，形成单向 数据连接， 数据只按照一个固定的方向传输。 例如： A 端为发送端， B 端为接收端， 通讯时数据只能从 A 传向 B，但不能相反。 半工方式系统中的每一个通讯设备均有发送器和接收器，由电子开关切换， 两个通讯设备之间只有一根通讯线连接。通讯双方可以接收和发送。但同一时刻 只能单向传输。即数据可以从 A 发送到 B，也可以从 B 发送到 A 但不能同时在两 个方向上传输，每次只能从一方到另一方。其中电子开关由程序软件控制，通过 半双工协议进行功能切换，其优点是节省通讯线。 半双工用一根通讯线能实现接收和发送的传输,但效率低,从一个方向切换到 另一方向的传输尽管通过软件可以方便的进行切换,但切换引起的拖延时间长（毫 秒级） ， 这对敏感地交互式应用是不适宜的。 但无数次重复切换所引起的延迟积累， 这正是半双工通讯效率不高的原因。克服上述的缺点的方法是采用信道划分技术， 即一方的发送端与另一端的接收端专用通讯线连接。所以全双工即用两根通讯线 各自连接发送/接收端， 由两根单方向线组成双向传输,这样通讯系统在任何时候均 可以接收。单片机一词最初源于“Single Chip Microcomputer” ，简称“SCM” 。 2.6设计原理 本设计中利用了 AT89C51 单片机作为主控元件，单片机是一个微型计算机， 它包含了中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、I/O 接口电 路、定时器/计数器以及串行通讯接口等。 在设计中，利用了单片机与复位电路、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、 读卡模块、显示模块组成门禁控制系统。AT89C51 是整个门禁控制系统的核心部 分，通过程序的编写和执行，实现门禁功能，显示功能以及警报功能。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 11 2.7设计功能 本设计为 IC 卡门禁控制系统。其门禁控制可实现的功能：当刷卡时，如卡权 限获得允许，显示模块显示卡号，同时继电器动作将门锁打开，指示灯熄灭。当 遇到非法卡时不显示卡号，门锁不开，蜂鸣器发出警报。 2.8本章小结 本章将介绍方案的选择、IC 卡技术基础，通过对 IC 卡的基础结构，基础标准 及各种规范的详细介绍来深入了解 IC 卡的行业国际标准，并选取 SLE442 逻辑加 密卡，并介绍其应用。在微型计算机中，主机与外部通信的方式有两种：并行通 信-数据的所有位同时传输；串行通信-数据的各位一位一位的传输。在单片机内部 或与极近的距离一般采用并行传输方式进行通讯，其特点是传输速度快，效率高， 但需要很多根传输线。在与外部距离较远的数据传输是采用串行通讯方式，其特 点是只需要提根数据传输线，大大节省了传输以及相关的设备，成本低，但传输 速度慢效率低。在本设计中考虑距离较远采用异步串行半双工方式通讯。并且介 绍了设计原理及功能。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 12 第 3 章系统的硬件设计 3.1电路基本原理 3.1.1门禁系统结构图 该门禁系统由 CPU、复位电路、电源指示、工作指示、振荡电路、蜂鸣器电 路、门控锁电路、读卡模块、显示模块组成。此门禁系统结构图如图 3-1 所示。 图 3-1门禁系统结构图 3.1.2门禁系统的工作原理 当刷卡时，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示卡号，同时继 电器动作将门锁打开指示灯点熄灭。 当非法卡刷卡时，不显示卡号，门锁不打开，蜂鸣器发出警报。 3.2门禁系统电路原理图 在 AT89C51 单片机的基础上，外围增加蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、 电控锁控制电路以及 8 位数码管显示电路等，构成了门禁系统的控制电路。其电 路原理图如图 3-2 所示。 蜂鸣器及指示灯显 示 门 控 AT89C51 读卡器 门锁 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 13 EA/VP 31 X1 19 X2 18 R ESET 9 R D 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 R XD 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89 C5 1 SPEAKER SR ET 12 M C 3 22 u C 1 20 p C 2 20 p VCC R 1 10 K VCC R 2 1K VCC VCC 90 14 90 13 A1 R ELAY-SPDT R 2 1K VCC 80 50 90 14 D2 +1 2 SUO(+12V) +1 2 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 EM9 913 -B VCC R XD P1 .3 LED R 3 68 0 90 13 VCC 1 2 3 4 XIANSHI VCC 1 2 XIANQUAN 图 3-2门禁系统电路原理图 3.3各部分电路原理 3.3.1主控芯片 AT89C51 AT89C51 是一种带有 4K 字节闪烁可擦除可编程只读存储器的低电压， 高性能 CMOS8 位微型处理器，俗称为单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 输出管脚和指令集相兼容。由于将闪烁存储器和多功能 8 位 CPU 组合在 单一芯片中，因此 AT89C51 是一种高效微型控制器。 主要特性： （1）与 MCS-51 兼容； 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 14 （2）4K 字节可编程闪烁存储器； （3）寿命：1000 写/擦循环； （4）数据保留时间：10 年； （5）全静态工作：0Hz-24MHz； （6）三级程序存储器锁定； （7）1288 位内部 RAM； （8）32 可编程 I/O 线； （9）两个 16 位定时器/计数器； （10）5 个中断源； （11）可编程串行通道； （12）低功耗的闲置和掉电模式； （13）片内振荡器和时钟电路。 管脚说明： （1）VCC：供电电压； （2）GND：接地； （3）P0 口：P0 口是一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每一个脚可以吸收 8TTL 门电流。当 P1 口第一次写入 1 时，被定义为高阻输入。P0 能用于外部的程序数据 存储器，可以将它定义为数据/地址的第八位； （4）P1 口：P1 口为一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口的缓冲 器能够吸收 4TTL 门电流。P1 口的管脚写入 1 之后，被内部上拉为高电平，可用 于输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将会输出电流，这是因为其内部上拉的缘 故5； （5）P2 口：P2 口是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； （6）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 些特殊功能，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） ； P3.1 TXD（串行输出口） ； P3.2INT0（外部中断 0） ； P3.3INT1（外部中断 1） ； 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 15 P3.4 T0（记时器 0 外部输入） ； P3.5 T1（记时器 1 外部输入） ； P3.6WR（外部数据存储器写选通） ； P3.7RD（外部数据存储器读选通） ； ALE/PROG：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6。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。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端保持为低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否 有内部程序存储器。当加密方式 1 时，内部会被EA锁定为 RESET；当EA保持为 高电平时，则在此期间内部程序存储器； AT89C51 的芯片封装图如图 3-3 所示： 图 3-3AT89C51 芯片封装图 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 16 3.3.2门锁电路 门锁电路如图 3-4 所示， 以 P1.3 口与 Q16 的基极作为门控信号的输入端连接， 该电路由一个 12V 的继电器、限流二极管、5.1K 偏置电阻和 9014 与 8050 两个三 级管复合成的驱动电路组成。 门锁电路的工作原理： 当 P1.3 口输出高电平时 Q1 导通，Q2 截止，此时继电器的控制线圈为开路， 继电器不动作。门锁接于继电器常闭端，门锁闭合，门处于锁死状态。 当 P1.3 口输出低电平时 Q1 截止，Q2 导通，此时继电器的控制线圈闭合，继 电器动作。继电器常闭端断开，门锁打开，门处于打开状态。 A1 RELAY-SPDT R2 1K VCC 8050 9014 D2 +12 SUO(+12V) +12 P1.3 图 3-4门锁电路 3.3.3报警电路 报警电路如图 3-5 所示，把 Q1 的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端和 P1.2 口连接，主要由蜂鸣器、9013 与 9014 两个三极管及 5.1K 偏置电阻构成。 报警工作原理： 当 P1.2 输出高电平时，Q3 导通，Q4 截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响。 当 P1.2 输出低电平时，Q3 截止，Q4 导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响 声。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 17 SPEAKER R2 1K VCC 9014 9013 P1.2 图 3-5报警电路 3.3.4工作指示灯电路 工作指示灯电路如图 3-6 所示，以 Q5 的基极与 P1.5 口相连，由三极管 9013、 发光二极管、限流电阻组成。 指示灯工作原理： 当 P1.5 口输出高电平时，Q5 导通，发光二极管点亮。 当 P1.5 口输出低电平时，Q5 截止，发光二极管熄灭。 LED R 3 68 0 90 13 VCC P1 .5 图 3-6工作指示灯电路 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 18 3.3.5读卡模块 设计上我们采用 IC 射频卡读卡器。EM9913BF 125KHz 感应式读卡模组是针 对 125KHz 非接触式 RFID 晶片而设计的读卡模组，为现在市面上 125KHz 非接触 式 RFID 晶片进行数据读取和资料判断7，这样可以一次开发感应式读卡及相关应 用系统，该模块主要范围为门禁系统和考勤管理等，此读卡模组主要优缺点叙述 如下： 优点： （1）高独立性，二次开发比较容易，容易安装； （2）高稳定性的资料读取； （3）系统是高度安全的，RFID 资料不重复，很难复制。 缺点： 电脑必须 24 小时开机。 硬件/软件功能： 125KHz 感应式读卡机系统如图 3-8 所示。 使用 EM9913BF 模块，在 5-15cm 距离内读取 GK4001 的时间不超过 70ms。 感应式读卡系统电源 DC 5V，感应线圈（Antenna）为系统必需。 软件功能模组： （1）Manchester 码解码（2）组织输出格式（3）相应输入控制 信号（4）控制信号输入（5）卡片数据输出。 感应线圈 读卡器模组 RS232 输出 接 CPU3.0 图 3-7读卡器示意图 硬件/软件规则： （1）读卡模块硬件结构 RF 电路为 125KHz 解码比较电路，其 EM 格式卡片在电磁场范围之内，导致 感应电压振幅变化（amplitude modulation）时，用以解码。 内部微控制器依据 Manchester 码的规则将这些方波信号转成 16 进制码。 （2）读卡模块软件功能组成 卡片进入感应范围，触发读卡模块进入读卡状态； 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 19 12.3mm 62.0mm 32mm 56.6mm 67.4mm 37.2mm 正面 读卡模块读入资料整理成输出格式； 读卡模块将读入资料整理成输出格式； 读卡模块将数据按 RS232 和 Wiegand26 格式输出。 （3）读卡模块资料输入/输出引脚 （4）读卡模块输出规格 RS232 串行口规格： RS232 数据由内部控制器产生，内部控制器将 40 bits 数据 （注：内码总计 64 bits 其中 9 bits 作为数据头，15 bits 作为校验位，40bits 为卡号数据）转换为 10 位 ASCII 码。 表 3-1读卡模块资料输入、输出引脚 Numb er NameI/ODescription 1DC 5V输入+5V 直流输入 2ANT输入线圈引脚输入 3NC空引脚 4GND输入接地 5NC空引脚 6ENLED输入指示灯控制线，低电平使用 7ENBEEP输入蜂鸣器控制线，低电平使用 8OK_SD输出Wiegand 26 数据输出指示 9BZ输出蜂鸣器信号线 10D0输出Wiegand 26 数据 DATAO 输出 11D1输出Wiegand 26 数据 DATA1 输出 12LED输出指示灯信号输出 13TXD输出RS232 数据输出 外观尺寸图如图 3-8 所示： 轮廓尺寸：56.6 mm37.2 mm（不包括引脚长度） 图 3-8读卡器外型图 （5）非接触式射频卡的基本原理： 每个卡片内部有一个小芯片和感应线圈，价格低廉，最流行的 EM 卡，大部 分的瑞士或台湾 NEM GK，4100，4102 系列芯片+卡封装线圈。每个卡有一个只 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 20 有一只，不改变与 ID 代码拷贝（64 位二进制秘密永不重复的号码） ，因为安全可 靠，价格低，大量在识别中的应用，安全产品等领域。 读卡器卡号输出格式的说明： 由于历史的原因，或者不同领域习惯的原因，最常见到的有五种读卡方式， 我们采用的读卡格式如下： 把 10 位十六进制 ASC字符串， 就是 10Hex 格式的倒数第 5 和第 6 位， 转换 成 3 位十进制卡号，再把后 4 位，转换成 5 位十进制卡号，中间用“，”分开， 即“2H+4H”，即将“2H6F”转换为“111”，“4H6c3a”转换为“27706”，最 终将 2 段连在一起输出为“111，27706”。读卡原理如图 3-9 所示。 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 EM9 913 -B VCC R XD 1 2 XIANQUAN 图 3-9读卡器引脚连接示意图 非接触式射频卡的基本原理： 每个卡片内部有一个小芯片和感应线圈，价格低廉，国内最普及的 EM IC 卡， 大多为瑞士 nEM 或台湾 GK 公司的 4100、4102 系列芯片+线圈+卡基封装而成。 每张卡有且只有一个唯一的，不可更改和复制的 ID 内码（64 位 2 进制机密的永不 重复的卡号） ，因其安全可靠，价格低廉而大量应用于身份识别、产品防伪等领域。 读卡器卡号输出格式的说明： 由于历史的原因，或者不同领域习惯的原因，最常见到的有五种读卡方式， 我们采用的读卡格式如下： 将 10 位十六进制的 ASC字符串，即 10Hex 格式的倒数第 5、第 6 位，转换 为 3 位十进制卡号，在将后 4 位，转换为 5 位十进制卡号，中间用“，”分开，即 “2H+4H”，即将“2H6F”转换为“111”，“4H6c3a”转换为“27706”，最终将 2 段连在一 起输出为“111，27706”。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 21 3.3.6显示模块 显示部分有二种方案可供选择；一种是采用 LCD 液晶显示，该方案具有低压 微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但本 设计要求显示的数据量小， 不能发挥其显示内容丰富的优点，同时占用 I/O 口线较 多。方案二采用 LED 数码管显示，程序容易实现，亮度，驱动电路简单，可靠性 也优于液晶显示器，这样通过比较，本文选择了数码管显示第二方案。 显示模块由 6 个数码管和 6 个 74LS164 串行静态显示。把数码管 8 个输入端 和 74LS164 输出端 Q0Q7 连接。 P1.0 和 74LS164 的 CLK 相连， P1.4 连 74LS164A 端。数码管连接电路如图 3-11 所示。 74LS164 原理：74LS164 是一块 14 个引脚双面直插式芯片，它的工作电源比 较宽，可以是 3V 至 12V 的电压；它工作的频率范围也比较宽，从 0-5MHZ 都能 正常工作7。它是一个串行输入，并行输出的移位寄存器，并带有清除端的 IC 芯 片，它为 8 位串入并出移位寄存器，1、2 为串行输入端，Q0Q7 为并行输出端， CLK 为移位时钟脉冲，上升沿移入一位；MR 为清零端，低电平时并行输出为零。 VCC 与 GND 为工作电源脚。 它一般正常工作电压为正 5V。CLR（/MR）端：为清除端，当此脚为低电平 时，使得 74LS164 输出全部为 0；CLK 端：时钟脉冲输入端，在 CP 脉冲的上升沿 的作用下实现移位，在 CLK 为 0，芯片不工作；CLR 为 1 时，74LS164 保持原始 状态不发生变化 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 M R 9 74LS164 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 10 9 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 M R 9 74LS164 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 10 9 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 M R 9 74LS164 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 10 9 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 M R 9 74LS164 a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 10 9 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 M R 9 74LS164 a