基于射频卡的电子门锁设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于射频卡的电子门锁设计 The Design of Electronic Door Lock Based on Radio Frequency Card 2013 届 电气工程 系 专 业 学 号 学生姓名 指导老师 完成日期 2013 年 5 月 27 日 毕业设计成绩单 学生姓名学号班级专业 毕业设计题目基于射频卡的电子门锁设计 指导教师姓名 指导教师职称高级工程师 评 定 成 绩 指导教师 得分 评阅人得分 答辩小组 组长 得分 成绩 院长 主任 签字 年 月 日 毕业设计任务书 题 目基于射频卡的电子门锁设计 学生姓名 学号班级专业 自动化 承担指导任务单位电气工程系 导师 姓名 导师 职称 高级工程师 一 基本要求 设计一个电子门锁 刷卡时将从卡里读出的数据进行校验 校验正确后 吸合门锁继电 器 模拟开门 要求利用单片机 射频卡 wm 17td 等器件设计并制作该电子门锁 设计出该系统的硬 件电路和软件部分 做出实物 二 技术参数和要求 通讯接口 232 接口或 USB TTL 接口 供电电压 DC12V 射频卡 选用 wm 17td 三 系统组成 单片机系统分为四部分 单片机 射频卡模块 门锁驱动电路 电源模块 显示模块 1 单片机负责读取射频卡信息并进行校验 控制门锁驱动电路工作 2 射频卡模块负责读取射频卡信息 并与单片机之间进行数据传送 3 电源模块负责将 DC12V 转换成单片机需要的 DC5V 4 显示模块负责显示卡号和门锁的开关状态 四 参考及查阅资料和相关知识 1 学习 STC12C520XAD 系列单片机知识 2 学习射频卡 wm 17td 的相关知识 DC12V 显示模块 单片机 射频卡模块 电源模块 门锁驱动 射频卡 五 进度计划 第 1 3 周 资料收集 文献阅读 确定系统方案 完成开题报告 第 4 7 周 系统设计 设计硬件电路 做出实物 编写程序 第 8 周 中期检查 第 9 10 周 系统调试 完善系统 撰写论文 第 11 14 周 撰写 完善论文 第 15 16 周 答辩 教研室主任签字时 间 年 月 日 毕业设计开题报告 题 目基于射频卡的电子门锁设计 学生姓名安林峰学号 20097362班级方 0953 4专业自动化 一 研究背景 锁具经过漫长的发展 随着近代电子科学技术的进步 这个有着几千年历史的古董终 于驾着新技术的帆船 承载着传统锁具的功用与现代电子的实用而跨入现代人们生活的科 学便利化时代 门锁在发展的过程中种类有很多 门锁因控制技术不同 分为机械锁和电 子锁两大类 传统的机械锁以其价格低廉和使用的方便性成为普通大众首选锁具 但是由 于传统机械锁是用钥匙开启 所以锁体必须要有锁孔 而自从有锁以来 历代梁上君子都 能运用一定的工具和技巧 轻易打开锁具 尤其是当今世界 各种先进的开锁工具层出不 穷 开锁技术也更出神入化 传统的机械锁在社会发展过程中已经不能更好的保护使用者 的安全了 而电子锁安全性较高 具有防盗报警功能的电子密码锁与传统的机械式密码锁 相比 克服了机械式密码锁密码量少 安全性能差的缺点 使密码锁无论在技术上还是在 性能上都大大提高一步 电子锁的表面一般都是密封的 防暴力破坏的能力强 也防止非 法把异物插入锁内导致不同程度的破坏 在锁具的发展过程中电子锁优点显而易见 能很 好的补充传统机械锁的不足之处 已经迅速占据锁具市场 进而取代机械锁成为主导门禁 产品 门锁作为安全防范产品必须具有安全性和稳定性 安全性来衡量 抵抗故意破坏 恶 作剧和蓄意的撬 钻等暴力破坏 在此方面 机械锁和电子门锁的机械强度一般都能够达 到要求 但是电子门锁的控制部分使用电子电路 执行部分使用电磁铁和锁体 与传统的 机械门锁相比 电子门锁在当下优点主要包括 电子门锁由于其保密性高 使用灵活性好 安全系数高 不用金属钥匙 安全可靠 使用方便 本设计即是设计一种基于射频卡的电 子门锁 可很好的满足门锁的安全性和稳定性 二 国内外研究现状 1 国外研究现状及特点 本世纪 70 年代初期 国外研制成脱胎于机械锁的电子锁 并迅速应用于各种安全防盗 领域 目前发达国家已经大规模地应用基于电子锁的智能门禁系统 可以通过多种更加安 全 更加可靠的方法来实现门禁的管理 国外当下电子锁可分为磁卡门锁 IC 卡门锁和射 频卡门锁 在欧美日等经济发达国家 电子锁已成为具有规模效益的重要产业 目前 其 销售额已占到锁具总销售额的七成以上 全球交易额已达 50 亿美元 国外的电子锁具技术 成熟 计算机 微电子 光刻 纳米等技术正在快速地 不断地向锁具产业注入 使锁具 的安全性 可靠性不断得到提高 2 我国研究现状及特点 作为锁具产业的重要构成并使之成为产业提升的重要因素的电子锁 国内研究和生产 起步并不算晚 据有关资料记载 是始于 80 年代初天津 苏州等地的一些高等学府 直到 90 年代初 前后用了 10 年的时间 才迟迟进入普通电子锁的小批量生产 至今高保密级别 电子锁的核心器件仍完全依赖进口 不利于我国电子锁产业的提升和发展 从国内生产电 子锁之日起 锁的功能在较长的一段时间 仅是作了小的变化 如报警等 直到近年才出现用 进口 专用芯片研发的计算机高保密级别的电子锁 实现系统网络监管 虽然现国内高档电子锁 市场仍被国外产品所占领 但是国内制锁行业正对传统的锁具从设计 工艺材料等全方位 的进行一场变革 可以预见 伴随着消费水品的不断提高 在科研人员的共同努力下 射 频卡电子门锁会很快引导整个中国锁具市场 这将极大的提高了管理者的工作效率和管理 区域内的安全程度 三 主要技术指标 1 主要工作 本设计包括硬件设计和软件设计两大部分 硬件部分 电源模块负责将 DC12V 电源转化成 DC5V 电源 设计电源电路 选用 STC12C5204AD 型单片机作为主控制芯片 继电器型号选择 DC5V 型产品 设计出驱动电 路 射频模块采用 WM 17TD 模块 连接天线板接收射频卡的刷卡信号 设计该模块与单 片机的接口电路 显示模块显示卡号和门锁状态 设计出显示电路 软件部分 编写主程序 显示程序 单片机与射频卡模块之间的通信程序等 实现控 制功能 2 采用的方法 手段 根据设计要求 电源电压选择 DC12V 采用 7805 芯片将 DC12V 电源转化成 DC5V 电 源 选用 STC12C5204AD 型单片机作为主控制芯片 采用 SKDIP28 封装 射频模块采用 WM 17TD 模块 将该模块与单片机串行通讯口直接相连 显示模块采用 LCD1602 显示 使用单片机的 P1 口和 P2 口与 LCD1602 相连 对以上各个电路使用 Protel 作图软件绘制出 电路原理图 生成 PCB 图 做出实物 四 预期达到的结果 刷卡时将从卡里读出的数据进行校验 校验正确后 吸合门锁继电器 模拟开门 如 果校验失败 则门锁继电器不动作 指导教师签字时 间 年 月 日 摘 要 本设计是以单片机为控制芯片 设计了射频卡电子门锁控制系统 以便于提高 门锁的安全性 系统由主控模块 电源模块 射频模块 显示模块 门锁驱动模块五部分组成 单片机作为主控芯片 直接与射频卡之间进行数据传送 控制其他模块工作 电源 模块将输入电源 12V 转换成 5V 电源 为电路中各模块提供电源 射频模块负责读 取卡的信息 并和单片机进行数据传送 显示模块采用 LCD1602 显示器 显示卡号 驱动模块采用三极管驱动 DC5V 继电器动作 实现模拟开门 软件部分采用 Keil C 软件编程 能够实现单片机对各个模块控制 最终实现 刷卡时 单片机对卡号进行校验 校验成功后 上传卡号并显示刷 卡的卡号 同时驱动继电器动作 实现模拟开门 关键词 射频卡 单片机 液晶显示器 Abstract This design with a Radio Frequency card electric lock control system takes single chip microcomputer as the control chip to promote the security of doors The system consists of the following five parts the master control module the power supply module the Radio Frequency module the show module and the lock drivers module As the master chip the power supply module takes control over other modules and performs data transfer with Radio Frequency card directly The power supply module converts the incoming power from 12V into 5V as well as provides power source to each modules in the electric circuit The Radio Frequency module is in charge of reading the information of the card as well as performing the data transfer with single chip microcomputer The show module adopts monitor LCD1602 to display card number The drive module adopts triode driver DC5V relay actuation to realize analog door opening The software adopts Keil C software programming partially to fulfill the control of single chip microcomputer over other modules The final realization of design when swiping the card microcomputer checks card number if the check is successful it will uploads the card number and displays the credit card number simultaneously drives the relay for action and realizes simulating open of the door Key words Radio frequency card MCU LCD I 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 射频卡门锁研究背景 1 1 2 电子门锁的发展 2 第 2 章 基于射频卡的电子门锁设计要求及方案 3 2 1 设计要求 3 2 2 设计方案 3 第 3 章 系统主要元器件介绍 5 3 1 单片机介绍 5 3 2 MAX232 芯片和 RS 232 介绍 9 3 2 1 MAX232 的电气特性 9 3 2 2 RS 232 串口的电气特性 9 3 3 LCD 显示器 10 3 4 WM 17TD 射频刷卡模块 12 3 4 1 射频卡工作原理 12 3 4 2 射频模块及其工作方式 13 3 4 3 射频模块存贮结构 14 3 4 4 射频模块通讯协议 15 3 5 DC5V 继电器 17 3 6 稳压芯片 18 第 4 章 硬件电路设计 20 4 1 单片机最小系统 20 4 2 继电器驱动电路 21 4 3 射频模块电路 21 4 4 电源电路 22 4 5 LCD 显示电路 22 第 5 章 软件设计 24 5 1 主程序模块 24 5 2 射频卡上传卡号 25 5 3 LCD 显示模块 26 第 6 章 结论 28 参考文献 29 致谢 30 附录 31 附录 A 外文资料 31 II 附录 B 电路原理图 48 附录 C PCB 布局图 49 附录 D 源程序 50 1 第 1 章 绪 论 1 1 射频卡门锁研究背景 锁具经过漫长的发展 随着近代电子科学技术的进步 这个有着几千年历史的 古董终于驾着新技术的帆船 承载着传统锁具的功用与现代电子的实用而跨入现代 人们生活的科学便利化时代 门锁因制锁技术与应用不同 分为机械锁和电子锁两大类 传统的机械锁以其 价格低廉和使用的方便性成为普通大众首选锁具 但是由于传统机械锁是用钥匙开 启 所以锁体必须要有锁孔 而自从有锁以来 历代梁上君子都能运用一定的工具 和技巧 轻易打开锁具 尤其是当今世界 各种先进的开锁工具层出不穷 开锁技 术也更出神入化 传统的机械锁在社会发展过程中已经不能更好的保护使用者的安 全了 电子锁在安全技术防范领域具有防盗报警功能 克服了机械式密码锁密码量 少 安全性能差的缺点 使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步 在 电子锁上 锁的表面一般都是密封的 防暴力破坏的能力强 也防止非法把异物插 入锁内导致不同程度的破坏 在锁具的发展过程中电子锁优点显而易见 能很好的 补充传统机械锁的不足之处 已经迅速占据锁具市场 进而取代机械锁成为主导门 禁产品 随着我国对外开放的不断深入 高档建筑发展很快 高档锁具市场的前景乐观 我国锁具行业对锁具高新技术的投入正逐年增大 高档锁的市场需求也逐年增加 在安防工程中 门禁系统的锁具产品是关系到整个系统安全性的重要设备 所以锁 具产品的优劣也关系了整个安防工程的质量和验收 电子锁正是当下电子产品与家 居产品在技术方面结合后产生的一种锁具行业划时代的科技成果 电子门锁是电子 元件和机械结构相结合的一种新颖门锁 集合了计算机技术 智能卡技术 精密电 磁技术 是当今世界上最先进的门锁之一 在使用的方便性 防非法开启 智能管 理等方面是机械锁无法比拟的 电子门锁的控制部分使用电子电路 执行部分使用电磁铁和锁体 与传统的机 械门锁相比 电子门锁在当下优点主要包括 电子门锁由于其保密性高 使用灵活 性好 安全系数高 不用金属钥匙 安全可靠 使用方便 当然相比之下其缺点也 是显而易见的 缺点主要有以下几个方面 锁定时可能存在被打开 解锁时又可能 存在不能被打开 用指纹或脸部扫描等人体器官等技术 严重存在危害使用者人身 2 安全隐患 密码单一 密码钥匙之间可以说无兼容 密码更换复杂 电子产品抗干 扰性能差 容易受强冷热 强电磁 强静电和湿度等影响 本设计即是设计一种基 于射频卡的电子门锁 可很好的满足门锁的安全性和稳定性 1 2 电子门锁的发展 市场上常见的电子门锁主要是磁卡 接触式 IC 卡 射频卡电子门锁 磁卡门锁是使用类似于我们银行卡 信用卡一类的卡 在卡上有条黑色的磁带 作为储存 电子钥匙 的载体 但由于磁带会在与其他带磁性的物体放在一起时会 存在消磁的情况 导致 电子钥匙 消失或减弱而不能正常使用开门 带来极大的 不便 IC 卡门锁是使用 IC 卡作为储存 电子钥匙 的载体 最多用于储值公共电话 卡 这个技术对于现在是很成熟的 比磁卡要强 能永久的记录 电子钥匙 直到 芯片损坏为止 由于 IC 卡是接触式感应 在长期的使用和读取器的摩擦 会出现 IC 卡金手指损坏 导致不能使用 而且在一般家庭也能难维护 所以一般都不用于 家庭 多用于酒店和商务场所 射频卡门锁按芯片分为 RF57 MIFARE 1 MIFARE 0 等射频卡 由于是非 接触式 所以一般只要不是把卡折成两半都能永久使用 在射频卡门锁上 锁的表 面一般都是密封的 防暴力破坏的能力强 也防止非法把异物插入锁内导致不同程 度的破坏 再者 射频卡中有快速防冲突机制 能防止卡片之间出现数据干扰 因 此 读写器可以同时处理多张射频卡 这提高了应用的并行性 无形中提高了系统 工作速度 智能卡在电子门锁中的应用也同样经历了三个阶段 综合上述三个门锁的优缺 点磁卡门锁的传统市场已逐渐消失 接触式 IC 卡门锁的使用已经相当普遍 但是与 射频卡门锁相比仍有不足 射频卡门锁目前全国的正处在上升期 射频卡读卡方便 快捷 锁和卡的使用寿命长 完成 一卡通 系统的配套厂商众多 射频卡锁肯定 是电子门锁的主流产品 3 第 2 章 基于射频卡的电子门锁设计要求及方案 2 1 设计要求 电源模块主要负责将 DC12V 电源转换成 DC5V 电源 使单片机 字符液晶 LCD1602 继电器以及射频卡模块能够正常工作 射频卡模块读取射频卡信息 将读取的信息通过串口传送给单片机 单片机读 取射频卡的信息并进行校验 校验成功后 使 LCD1602 字符液晶显示器显示射频卡 卡号 并且驱动继电器动作 要求设计出该系统的硬件电路和软件部分 并做出实物 2 2 设计方案 设计方案主要包括硬件和软件两部分 其中硬件系统主要由单片机 继电器 射频卡模块 显示几部分组成 系统框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统框图 硬件部分 电源电压选择 DC12V 电源模块需要将 DC12V 电源转化成 DC5V 电源 选用 STC12C5204AD 型单片机作为主控制芯片 负责与射频模块传输数据 控制门锁控制电路 为了降低成本用继电器代替电控锁来模拟开锁和关锁状态 继 电器型号选择 DC5V 型产品 射频卡模块采用 WM 17TD 射频模块 在接收模块上 连接天线 天线型号采用 M1ANT20 2 天线板 显示模块采用 LCD1602 字符液晶显 示 主要对射频卡的卡号进行显示 显示门锁状态 射频卡 DC12V 显示模块 单片机 射频卡模块 电源模块 门锁驱动 4 软件部分 使用 Keil C 软件编程 实现功能主要分为三部分 显示部分 继电 器驱动部分和射频模块 刷卡后 天线把信息传送给射频模块 单片机通过串口对 射频模块读取的信息进行校验 校验成功后上传卡号并且对卡进行读写 同时单片 机对继电器进行驱动 使继电器进行动作 单片机把上传的卡号通过 LCD1602 字符 液晶显示器进行显示 5 第 3 章 系统主要元器件介绍 3 1 单片机介绍 系统采用 STC12C5204AD 系列单片机 单片机内部包含中央处理器 CPU 程 序存储器 Flash 数据存储器 SRAM 定时 计数器 UART 串口 I O 接口 高速 A D 转换 PCA 看门狗及片内 R C 振荡器和外部晶体振荡电路模块 是高速 低功 耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 STC12C5204AD 系列单片机几乎包含数据采集和控制中所需的所有单元模块 可称得上一个片上系统 1 主要特性如下 1 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 5 5V 3 3V 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 8K 字节 5 片上集成 256 字节 RAM 6 通用 I O 口 27 23 15 13 11 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开 漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 55mA 7 ISP 在系统可编程 IAP9 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 有 EEPROM 功能 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 20M 以下时 复位脚可直接 1K 电阻到地 11 内置一个掉电检测电路 在 P1 2 口有一个低压门槛比较器 5V 单片机为 1 32V 误差为 5 3 3V 单片机为 1 30V 误差为 3 12 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 温漂为 5 到 10 以 内 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常 温下内部 R C 振荡器频率为 11MHz 15 5MHz 13 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 6 T0 和 T1 再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器 14 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P3 4 T0 输出时钟 可由 T1 的溢出在 P3 5 T1 输出时钟 15 外部中断 I O 口 6 路 传统的下降沿中断或低电平触发中断 并新增支持上升 沿中断 PCA 模块 Power Down 模式可由外部中断唤醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 PCA0 P3 7 PCA1 P3 5 16 PWM 2 路 PCA 可编程计数器阵列 2 路 也可用来当 2 路 D A 使用 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断 上升沿中断 下降沿中断均可分别或同时支持 17 A D 转换 8 位精度 ADC 共 8 路 转换速度可达 300K S 每秒钟 30 万次 18 通用全双工异步串行口 UART 由于 STC12 系列是高速的 8051 可再用 定时器或 PCA 软件实现多串口 19 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 20 封装 SKDIP28 有 23 个 I O 口 I O 口不够时 可用 2 到 3 根普通 I O 口线 外接 74HC164 165 595 均可级联 来扩展 I O 口 STC12C5204AD 芯片引脚如图 3 1 所示 图 3 1 STC12C5204AD 引脚图 P0 端口 P0 0 P0 7 P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I O 口 作为输出端口 每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载 对端口 P0 写入 1 时 可以作为高阻抗输入 在 访问外部程序和数据存储器时 P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总线 此时 P0 口是真正的双向口 在 Flash ROM 编程时 P0 端口接收指令字节 而在 7 校验程序时 则输出指令字节 验证时 要求外接上拉电阻 P1 端口 P1 0 P1 7 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输 出缓冲器可驱动 吸收或者输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写入 1 时 通过内 部的上拉电阻把端口拉到高电位 这时可用作输入口 P1 口作输入口使用时 因为 有内部上拉电阻 那些被外部拉低的引脚会输出一个电流 此外 P1 0 和 P1 1 还可以作为定时器 计数器 2 的外部输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体见表 3 1 P2 端口 P2 0 P2 7 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P2 的 输出缓冲器可以驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写入 1 时 通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电平 这时可用作输入口 P2 作为输入口使用时 因 为有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 送出高 8 位地址 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX R1 指令 时 P2 口引脚上的内容 就是专用寄存器 SFR 区中的 P2 寄存 器的内容 在整个访问期间不会改变 在对 Flash ROM 编程和程序校验期间 P2 也接收高位地址和一些控制信号 表 3 1 P1 0 和 P1 1 口引脚复用功能 引脚号 功能特性 P1 0T2 定时器 计数器 2 外部计数输入 时钟输出 P1 1T2 EX 定时器 计数器 2 捕获 重装触发和方向控制 P3 端口 P3 0 P3 7 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P3 的输 出缓冲器可驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口写入 1 时 通过内部 的上拉电阻把端口拉到高电位 这时可用作输入口 P3 做输入口使用时 因为有内 部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流 在对 Flash ROM 编程 或程序校验时 P3 还接收一些控制信号 P3 口除作为一般 I O 口外 还有其他一些复用功能 如表 3 2 所示 RST 复位输入 当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效 用来完成单 片机的复位初始化操作 看门狗计时完成后 RST 引脚输出 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 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PSEN 8 地址的输出脉冲 在 Flash 编程时 此引脚也用作编程输入脉冲 PROG 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 通过将地址位 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 MOV 指令时有效 否则 ALE 将被微弱 拉高 这个 ALE 使能标志位 地址位 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 外部程序存储器选通信号 是外部程序存储器选通信号 低电平PSENPSEN 有效 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EA 序存储器读取指令 必须接 GND 注意加密方式 1 时 将内部锁定位EAEA Vcc 运行和程序校验时接电源正端 Vss 接地 XTAL1 输入到单片机内部振荡器的反响放大器 当采用外部振荡器时 对 HMOS 单片微机 此引脚应接地 对 CHMOS 单片机 此引脚作驱动端 XTAL2 反相放大器的输出 输入到内部时钟发生器 当采用外部振荡器时 XTAL2 接收振荡器信号 对 CHMOS 单片机 此引脚应悬浮 P3 口各个引脚功能如表 3 2 所示 表 3 2 P3 口引脚复用功能 引脚号复用功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4T0 定时器 0 的外部输入 P3 5T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD 9 3 2 MAX232 芯片和 RS 232 介绍 3 2 1 MAX232 的电气特性 MAX232 是一种把 PC 机的串行口 RS232 信号电平 10 10V 转换为单片机所 用的 TTL 信号电平 0 5V 的芯片 其中 232 是电荷泵芯片 可以完成两路 TTL RS 232 电平的转换 它的 9 10 11 12 引脚是 TTL 电平端 用来连接单片 机 2 下面来介绍一下 MAX232 引脚图和引脚定义 引脚图如图 3 2 所示 图 3 2 MAX232 引脚图 其内部结构基本可分三个部分 第一部分是电荷泵电路 由 1 6 脚和 4 只电容构成 功能是产生 12V 和 12V 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 第二部分是数据转换通道 由 7 14 脚构成两个数据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到电脑 DP9 插头 DP9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 第三部分是供电 15 脚 DNG 16 脚 VCC 5V 3 2 2 RS 232 串口的电气特性 RS 232 串口的原理图如图 3 3 所示 引脚功能如下 第 1 脚 DCD 载波检测 主要用于 Modem 通知计算机其处于在线状态 即 10 Modem 检测到拨号音 处于在线状态 第 2 脚 RXD 此引脚用于接收外部设备送来的数据 在你使用 Modem 时 你 会发现 RXD 指示灯在闪烁 说明 RXD 引脚上有数据进入 图 3 3 RS 232 引脚图 第 3 脚 TXD 此引脚将计算机的数据发送给外部设备 在你使用 Modem 时 你会发现 TXD 指示灯在闪烁 说明计算机正在通过 TXD 引脚发送数据 第 4 脚 DTR 数据终端就绪 当此引脚高电平时 通知 Modem 可以进行数据 传输 计算机已经准备好 第 5 脚 GND 信号地 第 6 脚 DSR 数据设备就绪 此引脚高电平时 通知计算机 Modem 已经准备 好 可以进行数据通讯了 第 7 脚 RTS 请求发送 此脚由计算机来控制 用以通知 Modem 马上传送数 据至计算机 否则 Modem 将收到的数据暂时放入缓冲区中 第 8 脚 CTS 清除发送 此脚由 Modem 控制 用以通知计算机将欲传的数据 送至 Modem 第 9 脚 RI Modem 通知计算机有呼叫进来 是否接听呼叫由计算机决定 使用 RS 232 特性如下 1 RS 232 串口通讯最远距离是 50 英尺 2 RS 232 可做到双向传输 全双工通讯 最高传输率 20kbps 3 RS 232 上采用传送的数字量采用负逻辑 且与地对称 3 3 LCD 显示器 液晶是一种特殊物质态 它不同于固体 晶体 又不同于液体和气体 有人把 液晶称为第四态 简称 LC 用它制成的液晶显示器件称为 LCD 2 液晶显示必 须通过环境光来显示信息 其本身并不发光 因此 功耗很低 只要求液晶周围有 11 足够的光强 必要时 可选用背光源来保证 LCD 显示信息 液晶必须由交流电压驱 动 使用直流驱动会损坏 LCD 液晶显示的分类方法有很多种 通常可按其显示方式分为段式 字符式 点阵 式等 除了黑白显示外 液晶显示器还有多灰度有彩色显示等 本次设计系统显示 部分采用 LCD1602 液晶显示 是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 1602LCD 主要技术参数 显示容量为 16 2 个字符 工作电流为 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 3 4 所示 图 3 4 LCD 液晶显示器 引脚图如图 3 5 所示 图 3 5 液晶显示器的管脚 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地时对比 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 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存 12 器 第 5 脚 R W 为读写信号线 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 第 6 脚 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 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 3 LCD1602 的操作时序如表 3 3 所示 表 3 3 1602 操作时序 RS R W 操作说明 0 0 写入指令码 D0 D7 0 1 读取输出的 D0 D7 状态字 1 0 写入数据 D0 D7 1 1 从 D0 D7 读取信息 3 4 WM 17TD 射频刷卡模块 3 4 1 射频卡工作原理 非接触式 IC 卡又称射频卡 是世界上最近几年发展起来的一项新技术 它成功 地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来 解决了无源 卡中无电源 和免接触这一难 题 是电子器件领域的一大突破 卡片的电气部分只由一个天线和 ASIC 组成 没有其它外部器件 天线 卡片 的天线是只有几组绕线的线圈 很适于封装到 ISO 卡片中 ASIC 卡片的 ASIC 由 一个高速 106KB 波特率 的接口 一个控制单元和一个 8K 位 EEPBOM 组成 M1 卡是射频卡中的一种 Ml 射频卡的工作原理是 读写器向 Ml 卡发一组固定频率的 电磁波 卡片内有一个 LC 串联谐振电路 其频率与读写器发射的频率相同 在电 磁波的激励下 LC 谐振电路产生共振 从而使电容内有了电荷 在这个电容的另一 端 接有一个单向导通的电子泵 将电容内的电荷送到另一个电容内储存 当所积 累的电荷达到 2V 时 此电容可作为电源为其它电路提供工作电压 将卡内数据发 13 射出去或接取读写器的数据 14 3 4 2 射频模块及其工作方式 17TD 读写模块是一款可以读写 Mifare One 卡的读写设备 这款读写卡器有两 种操作模式 主动上传模式和被动上传模式 模块上电时默认为主动上传模式 主动上传模式 当有人刷卡时 模块主动上传卡号 当计算机发送检测卡命令 后模块就转入被动上传模式 被动上传模式 这时模块不再主动上传卡号 只有计算机发送检测卡命令时模 块才返回是否有卡的命令上传卡号 发送检测卡命令会使模块进入被动上传模式 模块断电重新上电后可以恢复到主动上传卡号的状态 射频模块与单片机通讯时直接使用串口中断接收数据 默认使用主动上传模式 这时当有人刷卡时模块主动上传卡号 当计算机发送检测卡命令后模块就转入被动 上传模式 实物图如图 3 6 所示 图 3 6 模块实物图 射频接收模块有 9 个引脚 第 1 脚 VCC 为 5V 电源 第 2 脚 接单片机中断 可接可不接 第 3 脚 悬空 第 4 脚 数据发送引脚 第 5 脚 数据接收引脚 第 6 脚 GND 接地 第 7 脚 接天线板 TXT1 第 8 脚 接天线板 TXT2 第 9 脚 天线接收引脚 15 3 4 3 射频模块存贮结构 射频卡分为 16 个扇区 每个扇区由 4 块 块 0 块 1 块 2 块 3 组成 我们也 将 16 个扇区的 64 个块按绝对地址编号为 0 63 存贮结构如下图 3 7 所示 图 3 7 存贮位置结构图 第 0 扇区的块 0 即绝对地址 0 块 它用于存放厂商代码 已经固化 不可更改 每个扇区的块 0 块 1 块 2 为数据块 可用于存贮数据 每个扇区的块 3 为控制块 包括了密码 A 存取控制 密码 B 具体结构如图 3 8 所示 A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码A 6字节 存取控制 4字节 密码 B 6字节 图 3 8 块 3 具体结构图 每个扇区的密码和存取控制都是独立的 可以根据实际需要设定各自的密码及 存取控制 存取控制为 4 个字节 共 32 位 扇区中的每个块 包括数据块和控制块 的存取条件是由密码和存取控制共同决定的 在存取控制中每个块都有相应的三个 控制位 16 3 4 4 射频模块通讯协议 3 4 4 1 配置模块命令 配置模块命令用于设置模块的串口波特率和是否 300 毫秒延时 当关闭 300 毫 秒延时的时候必须发关卡命令关卡 否则模块将不能进行下一轮的自动寻卡 当不 知道模块的配置参数时用下述波特率挨个测试配置命令即可 模块接收到正确的配 置命令返回成功配置命令后模块不再工作必须重新上电才可以正常工作 具体格式 如下 命令头 固定为 2 个字节的 AA FF 命令类型 1 字节的 FE 波特率 00 2400 01 4800 02 9600 03 19200 04 57600 05 115200 300 毫秒延时 00 表示关闭 300 毫秒延时 FF 表示打开 300 毫秒延时 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 6 个字节长度 成功返回 BB FF FE 校验码 3 4 4 2 上传卡号命令 上传卡号命令指模块通过天线读到卡后会主动通过此命令发送给主机 具体格 式如下 命令头 固定为 2 个字节的 BB FF 命令类型 1 字节的 00 卡号 4 字节的卡号 顺序自左至右从高到低 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 8 个字节长度 3 4 4 3 读卡命令 读卡命令用于读取卡片中指定数据块的 16 个字节数据 具体格式如下 命令头 固定为 2 个字节的 AA FF 命令类型 1 字节的 10 块号 要读取的块号 密码类型 A 密码或 B 密码 A 密码时为 60 B 密码时为 61 17 密码 要读取块号的密码 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 12 个字节长度 读取正确后模块返回 BB FF 10 16 字节数据 校验码 读取失败后模块返回 BB FF A0 校验码 密码验证失败后模块返回 BB FF A1 校验码 3 4 4 4 写卡命令 写卡命令用于将 16 个字节的数据写入卡片中的指定数据块 具体格式如下 命令头 固定为 2 个字节的 AA FF 命令类型 1 字节的 20 块号 要写入的块号 密码类型 A 密码或 B 密码 A 密码时为 60 B 密码时为 61 密码 要写入块号的密码 数据 16 字节的数据 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 28 个字节长度 写入正确后模块返回 BB FF AF 校验码 写入失败后模块返回 BB FF A0 校验码 密码验证失败后模块返回 BB FF A1 校验码 3 4 4 5 检测卡命令 检测卡命令用于检测卡片是否在刷卡区 同时可以选择检测卡片的方式 发送 此命令后模块就不会再主动上传卡号 必须发送此命令模块才返回当前模块上是否 有卡 模块重新上电可以使模块回到主动上传卡号的状态 具体格式如下 命令头 固定为 2 个字节的 AA FF 命令类型 1 字节的 70 检卡方式 检测卡片的方式 26 只能检测到一次 52 只要卡片在刷卡区总是 可以检测到 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 5 个字节长度 18 检测到卡返回 BB FF 704 个字节卡号 校验码 无卡返回 BB FF A0 校验码 3 4 4 6 关卡命令 关卡命令用于使模块回到主动寻卡状态 具体格式如下 命令头 固定为 2 个字节的 AA FF 命令类型 1 字节的 40 校验码 1 个字节 从命令头的第一个字节到命令参数的最后一个字节的异或 结果 命令总长度 4 个字节长度 3 5 DC5V 继电器 继电器是一种电子控制器件 它具有控制系统 又称输入回路 和被控制系统 又称输出回路 通常应用于自动控制电路中 它实际上是用较小的电流去控制较 大电流的一种 自动开关 故在电路中起着自动调节 安全保护 转换电路等作用 当输入量 如电压 电流 达到规定值时 使被控制的输出电路导通或断开的电器 具有动作快 工作稳定 使用寿命长 体积小等优点 广泛应用于电力保护 自动 化 运动 遥控 测量和通信等装置中 根据题目要求实现通过对射频卡的密码校验来驱动门锁使房门打开 但是实际 条件有限 考虑到门锁工艺 成本以及时间等方面的因素 门锁驱动部分使用 DC5V 的继电器代替 继电器选用的是 JQC 3F C 型号额定电压 DC5V 最大转换电 流 15A 最大转换电压 DC16V 继电器原理图如图 3 9 所示 第 1 脚 GND 接地 第 2 脚 VCC 电源 第 3 脚 接 1k 再连接电源 VCC 第 4 脚 接三极管触发极 第 5 脚 GND 接地 19 图 3 9 继电器原理图 20 3 6 稳压芯片 7805 三端稳压集成电路 实物如图 3 10 所示 由于系统采用 12V 电源供电 但是系统供电电源为 5V 在电源模块需要将 12V 电压转换成 5V 电源给系统供电 根据 7805 稳压芯片的工作特性 在此选择 7805 作为电压转换芯片 顾名思义 三 端 IC 是指这种稳压用的集成电路 只有三条引脚输出 分别是输入端 接地端和输 出端 图 3 10 7805 稳压芯片实物图 7805 稳压芯片主要技术参数如表 3 4 所示 表 3 4 7805 稳压芯片技术参数 参数 符号 典型值 单位 输出电压 Vo 5 0 V 静态电流 IQ 5 0 mA 输入输出电压差 Vo 2 0 V 输出阻抗 Ro 15 m 短路电流 1SC 230 mA 峰值电流 1PK 2 2 mA 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还有 过流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 该系列集 成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压 如 7806 表示输出电压为正 6V 7909 表示输出电压为负 9V 21 当制作中需要一个能输出 1 5A 以上电流的稳压电源 通常采用几块三端稳压电 路并联起来 使其最大输出电流为 N 个 1 5A 但应用时需注意 并联使用的集成稳 压电路应采用同一厂家 同一批号的产品 以保证参数的一致 另外在输出电流上 留有一定的余量 以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁 在实 际应用中 应在三断集成稳压电路上安装足够大的散热器 当然小功率的条件下不用 当稳压管温度过高时 稳压性能将变差 甚至损坏 22 第 4 章 硬件电路设计 4 1 单片机最小系统 如图 4 1 所示为单片机最小系统的电路图 主要由电源电路 复位电路和晶振 电路组成 图 4 1 单片机最小系统 单片机通常有上电复位和按键复位两种复位方法 本系统复位电路采用上电复 位 通过电容与电阻串接方式来实现 选择 0 1uF 的电容和 1k 电阻如图 4 1 联接 构成微分电路 在联接处与单片机复位引脚联接 上电时 由于电容两端的电压不 能突变 所以单片机复位引脚会得到一个瞬时高电平 此后随着电容两端电压升高 复位引脚电平会慢慢降低 直到电压为 0V 复位结束 单片机开始执行内部程序 高电平维持时间由电容与电阻的取值决定 只要这个时间足够宽 单片机就能正常 复位 每个单片机系统里都有晶振 全称叫晶体震荡器 在单片机系统中 晶振的作 用非常大 他结合单片机内部的电路 产生单片机所必须的时钟频率 单片机的一 切指令的执行都是建立在这