基于EM4100 ID 卡 门禁系统.doc

校大学生电子设计竞赛项目： EM4100 ID Card 门禁系统 专业： 通信工程 班级： 通信1102班 姓名： 肖为坚、陈汉林、国际锐 时间：2014年 03月26日 - 04月 23日摘要在ID卡应用日益广泛的今天，ID卡门禁系统以其管理的安全、可靠、高效、灵活和方便逐步取代其它现有各类门锁成为目前门禁系统的主流方式。门禁安全管理系统是一种新型智能化的安全管理系统，它集自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术和通讯技术等诸多方面。它是解决重要部门出入口便捷控制和实现安全防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、办公大楼、智能化小区、工厂、军械库、机要室等。在数字技术和网络技术飞速发展的今天，门禁系统也得到了迅猛发展。门禁系统已由早期单纯的门道及钥匙管理，发展为一套完整的出入管理系统，并且通过采用先进的网络技术，使整套系统的操作和自身资源的使用不再受时间和地域的限制。非接触式ID卡门禁管理系统读卡器是以非接触ID卡射频识别技术为核心，使用户使用方便和管理方便为目的，具有高安全性、高可靠性的管理系统。当要开门时，只要将ID卡在读卡器前一划，读写器就会识别出该卡是否对应此门，当密码正确则打开门，并自动准确记录下卡号和开门时间等信息。此次我们团队设计介绍了一种基于EM4100非接触式ID卡的门禁管理系统，非接触式ID卡是ID卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和ID卡技术相结合的产物。射频识J1(RadioFrequency IdentifIDation，简称RFID)技术是最近几年发展起来的一门新的自动识别，它利用射频方式在非接触式ID卡和线圈之间完成目标识别和数据交换。而卡上电路的工作电源由读卡器发出的电磁波能量提供。由于非接触式ID卡具有操作快捷、防碰撞能力强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在身份识别、自动收费和电子钱包等领域具有接触式ID卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。非接触式ID卡读卡器是非接触式ID卡应用系统的关键设备之一。关键词：ID卡 EM4100 门禁系统 目录一、设计目的； 1二、方案设计芯片使用及说明 ； 12.1、单片机说明； 12.2、芯片74hc4060；22.3、EM4100 ID Card； 32.4、LCD12864； 7三、设计原理；73.1、文字阐述； 73.2、原理图功能模块； 73.3、软件功能模块； 9四、系统功能说明；11五、调试记录；13六、项目总结与心得体会；13七、参考文献；14八、附录；148.1、元件清单；148.2、原理图；158.3、项目程序；15 一、设计目的先进的门禁系统涉及保安、保密、防盗及系统安全等重大问题。由于目前国内尚未成功开发出可与国外著名厂商的门禁系统相抗衡且技术先进的产品。一般被国外品牌所垄断，国外的产品对我们来说也是有一定的缺点的。首先是价格高：第二国外品牌的门禁系统产品一般只针对大型用户，而中国很多客户需要的是中小型门禁系统，这种情况如果采用国外的产品，无疑造成巨大的浪费；第三是国外产品面向的是不同国家的用户，它们多数采用英文的显示平台。这给广大的中国用户带来诸多不便。二、方案设计芯片使用及说明；2.1、单片机说明AT8c51单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。、多功能：单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器-看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以51内核为核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等，LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。、高效率和高性能：为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如C语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。、低电压和低功耗：单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到uA级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。、低价格：单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。2.2、74hc4060振荡芯片（官方标准定义） 74HCT4060 are 14-stage ripple-carry counter/dividers and oscillators with three oscillator terminals (RS, RTC and CTC), ten buffered outputs (Q3 to Q9 and Q11 to Q13) and an overriding asynchronous master reset (MR). The oscillator conguration allows design ofeitherRC orcrystaloscillatorcircuits.The oscillator may be replaced by an externalclocksignalatinput RS.Inthis case keepthe otheroscillatorpins (RTC and CTC) oating. The counter advances on the negative-going transition of RS. A HIGHlevelon MR resetsthe counter(Q3to Q9 and Q11to Q13 = LOW),independentof other input conditions. In the HCT version, the MR input is TTL compatible, but the RS input has CMOS input switching levels and can be driven by a TTL output by using a pull-up resistor to V CC .2.3、EM4100 ID Card（官方标准定义）TheEM4100(previouslynamedH4100)isaCMOSintegratedcircuitforuseinelectronicReadOnlyRFTransponders.Thecircuitispoweredbyanexternalcoilplacedinanelectromagneticfield,andgetsitsmasterclockfromthesamefieldviaoneofthecoilterminals.Byturningonandoffthemodulationcurrent,thechipwillsendbackthe64bitsofinformationcontainedinafactorypre-programmedmemoryarray.Theprogrammingofthechipisperformedbylaserfusingofpolysiliconlinksinordertostoreauniquecodeoneachchip.TheEM4100hasseveralmetaloptionswhichareusedtodefinethecodetypeanddatarate.Dataratesof64,32and16periodsofcarrierfrequencyperdatabitareavailable.DatacanbecodedasManchester,BiphaseorPSK.Duetolowpowerconsumptionofthelogiccore,nosupplybuffercapacitorisrequired.Onlyanexternalcoilisneededtoobtainthechipfunction.Aparallelresonancecapacitorof74pFisalsointegrated.线圈与ID Card的数据的传送与接收图2.4、LCD12864128X64 是一种具有4 位/8 位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点 阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶 显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块三、设计原理3.1、原理说明由芯片74hc4060产生振荡，经过分频晶振电路产生100KHZ150KHZ的频率波形（正常状态下是125KHZ），当id card接近射频区域的时候，产生一段频率波形（每一张id card都只有唯一的码），采集这段波形并读取，存储于单片机内部的存储器中。当之后识别到所采集的码与存储在单片机内部（或存储芯片内）的码不同时，不执行开锁动作，当识别到所采集的码与储存在单片机内部（或存储芯片）的码相同时，执行开锁动作。3.2、原理图功能模块3.2.1、利用74hc4060产生125KHZ波形作为载波。3.2.2、解调出调制波，也就是ID Card的固有波形。3.2.3、将调制波进行放大处理。3.3、软件功能模块 ID Card 的编码为曼侧斯特码，波形中的高电平-低电平（10）读为二进制的1，波形中的低电平（01）读为二进制的0；曼彻斯特码的其实标志为111111111，之后开始读取之后的55位码值。（详见以下代码模块Read Card（）函数以及曼彻斯特码解码图）；曼侧斯特码解码图1：曼侧斯特码解码图2：曼彻斯特码解码程序：ulong Read_Card() uchar i=0; /起始为的计数值 uchar error; /时间溢出的计数值 uchar error_flag; /时间溢出标志 ulong timeout=0; /搜索次数寄存器 ulong _data; char row,col; ulong temp=0; while(1) if(timeout=10)return 1101;/尝试10次搜索，如没有责返回0 else timeout+; error=0; / Manchester_IN=0; while(Manchester_IN=0)/等高电平 if(error=TIME_OF) break;/超时退出 else error+; if(error=150)continue;/结束本次主循环 else error=0; Delay384us(); if(Manchester_IN)/寻找真正的1起始位，利用01的波形确定1起始位，即最后一位加第一位 for(i=0;i8;i+)/判断是否是真的起始位 error=0; /限定等待时间 while(Manchester_IN) if(error=TIME_OF) error_flag=1;/时间溢出 break; /退出 else error+; Delay384us(); /延时至下一码原 if(Manchester_IN&error_flag=0); /判断下一位是否为1 和是否没有时间溢出 else break; /不是1退出,溢出退出 if(error_flag)/因时间溢出造成的本次主循环退出 error_flag=0; continue; /退出本次循环 else; if(i=8) /起始位接受完并且正确后开始接受数据 error_flag=0; error=0; /限定等待时间 while(Manchester_IN) if(error=TIME_OF) error_flag=0; break; /时间溢出造成的出错 else error+; if(error_flag) error_flag=0; continue; /因等待待第一个正式数据错误引起的本次主循环退出 else; for (row=0;row10;row+) for(col=0;col5;col+) Delay384us(); if(Manchester_IN) _data=1; else _data=0; if(col4) temp=1; temp=temp+_data; while(Manchester_IN=_data); if(temp=cod) return 1001; /所有列校验清零 continue; continue; 四、系统功能说明1、利用35*45mm125khz低频ID读卡器线圈读取ID Card读取卡的波形，并提取其中的内容；2、开机界面：显示“欢迎使用 你已开启刷卡模式”；3、等待刷卡界面：显示：“请刷卡”，界面上包含了时间、日期以及星期；4、刷卡过程界面：显示：“已刷卡”，并保持显示2s时间，此时LED灯开始快速亮灭1s时间（模拟门禁系统中的开门动作），蜂鸣器保持响1s，2s时间过后又回到等待刷卡界面；五、调试记录1、LCD12864在板上运行的时候经常会出现乱码或者直接不显示字？解决问题：将12864的DB0DB7接入单片机的P0.0P0.7,硬件将板上的P0口电压上拉，如果采用P1口的话有可能会出现驱动电流不足，而无法正常显示；2、程序没有逻辑错误，可是无法进行刷卡感应？ 解决问题：线圈没有接牢固；线圈两边要完全导通，并且没有任何干扰；ID Card 放置的距离太远；3、用示波器观察P3.2口（读取曼彻斯特码的i/o口），一直没有信号读取进来？ 检查硬件电路板的焊接是否良好，分别检测波形的载波、已调波、调制波的波形发生点是否产生波形，最后在检测P3.2口的信号；六、项目总结与心得体会 为期一个月的EM4100 ID Card 门禁系统的校大学生电子设计竞赛设计项目终 于完成了，在近一个月的时间内，我们所做的设计将书本上的理论知识与动手实践相结合，在巩固我们理论知识的同时，还提高了动手实践的能力，包括项目的设计、制作电路板、调试电路板、编写程序、调试程序、整合所有模块，经过与组员的认真讨论思考与动手实践最终完成了此次竞赛项目。通过这次的比赛，我们综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了RF射频相关知识设计等课程所学的内容，懂得了怎样从一开始分析这个项目的整体，然后确定设计方案，在制作的过程中，提高了思考能力，查错能力，熟悉了规范和标准，同时对相关的课程都有了全面的复习，独立解决问题的能力也有了提高。通过这次竞赛，我深深体会学会只有我们从现在脚踏实地迈开步伐，才能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础，同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我学会了许多之前没掌握的知识，同时也收获了真挚的友谊。七、参考文献 单片机原理及接口技术 张毅刚 彭喜元 主编八、附录8.1、元件清单；CommentDescriptionDesignatorLibRefQuantityConnectorCON2174hc4060Component_114MCrystal Oscillator1XTAL189C52289C521CapCapacitorC1, C2, C3, C4, C5, C6Cap620UFCapacitorC7CAPACITOR1104CapacitorC8CAP156PCapacitorC9CAP130PCapacitorC10, C11CAP2Diode 1N40071 Amp General Purpose RectifierD1, D2, D3Diode 1N40073J1JP2HEADER 201J2JP3HEADER 201LM358JP4Component_11MHDR1X2Header, 2-PinP?MHDR1X21NPNNPN Bipolar TransistorQ1NPN1PNPPNP Bipolar TransistorQ?PNP1Res2ResistorR1, R3, R4, R5, R6, R7, R8Res27ResistorR2, R50Res2210KR9, R14RES222M2R10RES21220KR11RES211KR12RES214M7R13RES2168KR15RES21620KR16RES21SW-PBS1SW-PB111.0592MCrystalY1CRYSTAL1 8.2、原理图；8.3、项目程序；#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define TIME_OF 150sbit Manchester_IN=P32;sbit EN = P25 ; /使能端 sbit RW = P26 ; /串行数据口 高电平：读数据；低电平：写数据 sbit RS= P27 ; /串行片选信号 高电平时全屏sbit LED=P20; /led指示灯sbit BEEP=P21;uchar code table3=1101;ulong cod=0x500074162F;int cnt;uint k=0; uint p=0;uint i=0;uint qp=0; /等待清屏uint pp=0; /关闭字uchar num=0;uchar pum=0;uint timeplus=0;uint second=56;uint minute=50;uint hour=12;uchar timehehe=0123456789:;uchar code riqi=星期六;uchar code riqi1= 4月27日;uchar code riqi2=;uchar wenzi0=欢迎使用;uchar wenzi1=您已开启刷卡模式;uchar wenzi2=请刷卡;uchar wenzi3=门已开; void Delay(uint i) while(-i); void mDelay(unsigned int Delay) /Delay = 1000 时间为1S 定义延时函数unsigned int i;for(;Delay0;Delay-) for(i=0;i124;i+); void timer0_interrupt() interrupt 1 cnt+;void timer1(void) interrupt 3 /定时器1 方式1 50ms中断一次 TH1=0x3c; TL1=0xb0; TMOD=0x12; timeplus+; if(timeplus=20) if(pp!=0) pp+; i=i; timeplus=0; second+; if(second=60) second=0; minute+;if(minute=60) minute=0; hour+; if(hour=24) second=0; minute=0; hour=0; void interruptinit() /时钟 中断程序 初始化 TMOD=0x12; TH1=0x3c; TL1=0xb0; EA=1; ET1=1; TR1=1;void Delay384us() TR0=1; while(cnt15); cnt=0; TR0=0; void time_init() IE= 0x82; TMOD=0X12; TL0=0XF0; TH0=0XF0; ulong Read_Card() uchar i=0; /起始为的计数值 uchar error; /时间溢出的计数值 uchar error_flag; /时间溢出标志 ulong timeout=0; /搜索次数寄存器 ulong _data; char row,col; ulong temp=0; while(1) if(timeout=10)return 1101;/尝试10次搜索，如没有责返回0 else timeout+; error=0; / Manchester_IN=0; while(Manchester_IN=0)/等高电平 if(error=TIME_OF) break;/超时退出 else error+; if(error=150)continue;/结束本次主循环 else error=0; Delay384us(); if(Manchester_IN)/寻找真正的1起始位，利用01的波形确定1起始位，即最后一位加第一位 for(i=0;i8;i+)/判断是否是真的起始位 error=0; /限定等待时间 while(Manchester_IN) if(error=TIME_OF) error_flag=1;/时间溢出 break; /退出 else error+; Delay384us(); /延时至下一码原 if(Manchester_IN&error_flag=0); /判断下一位是否为1 和是否没有时间溢出 else break; /不是1退出,溢出退出 if(error_flag)/因时间溢出造成的本次主循环退出 error_flag=0; continue; /退出本次循环 else; if(i=8) /起始位接受完并且正确后开始接受数据 error_flag=0; error=0; /限定等待时间 while(Manchester_IN) if(error=TIME_OF) error_flag=0; break; /时间溢出造成的出错 else error+; if(error_flag) error_flag=0; continue; /因等待待第一个正式数据错误引起的本次主循环退出 else; for (row=0;row10;row+) for(col=0;col5;col+) Delay384us(); if(Manchester_IN) _data=1; else _data=0; if(col4) temp=1; temp=temp+_data; while(Manchester_IN=_data); if(temp=cod) return 1001; /所有列校验清零 continue; continue; void read_busy() /读忙标志，最高位为1则忙，不能进行读写操作 RS=0; RW=1; EN=1; while(P0&0x80); EN=0;void write_LCD_command(uchar value) /写命令函数 read_busy(); /是否忙 RS=0; RW=0; EN=1; P0=value; Delay(100); EN=0;void write_LCD_data(uchar value)/写数据函数 read_busy(); RS=1; RW=0; EN=1; P0 =value; Delay(100); EN=0;void init_LCD() /初始化 Delay(40000); write_LCD_command(0x30); Delay(100); write_LCD_command(0x30); Delay(37); write_LCD_command(0x0c); Delay(100); write_LCD_command(0x01); Delay(10000); write_LCD_command(0x06); void timeshow() write_LCD_command(0x9c); write_LCD_data(timehehehour/10);write_LCD_data(timehehehour%10); write_LCD_command(0x9d); write_LCD_data(timehehe10);write_LCD_data(timeheheminute/10); write_LCD_command(0x9e); write_LCD_data(timeheheminute%10);write_LCD_data(timehehe10); write_LCD_command(0x9f); write_LCD_data(timehehesecond/10); write_LCD_data(