【基于RFID的住宅小区门禁系统设计7300字（论文）】

基于RFID的住宅小区门禁系统设计【摘要】智能门禁管理系统的核心为51单片机，本设备的主要器件有：单片机独立按键，RFID射频，1602LCD，上位机等，能够完整实现从位机刷卡然后在液晶显示卡号的功能。主控器是STC89C52，主要目的是让主控芯片可以接收到集成电路（IC）卡信息和独立按键，并且进行处理，在主控芯片的作用下，可以将IC卡信息及独立按键被转换为数码形式，然后在液晶上显示卡号，显示的IC卡信息符合规定的话，就发出开启电磁锁的指令并进行报警提示，不符合要求则下位机会提示，本设计简化了管理员的管理过程，设计规模小，成本较低，由于中国人口基数大，需求量巨大，以上设计的特点满足这一大环境，拥有良好的实用价值。【关键词】单片机；门禁系统；上位机；RF模块目录1概论 41.1前言 41.2选题的背景与意义 41.3国内外研究情况 42体系结构的选择和论证 52.1设计任务和要求 52.1.1设计与需求内容 52.1.2系统的设计与方案 52.2模块基本方案 52.2.1单片机方案选择与论证 52.2.2显示方案 62.2.3按键的设计方案 62.3RFID射频技术 63系统硬件设计 73.1硬件设计的总体框架 73.2单片机主控模块 73.3液晶屏模块 83.4IC卡读卡器的工作原理 83.5独立按键模块 93.6报警器警报 93.7电源模块 114系统软件部分 114.1登记和撤销程序流程框 114.2液晶流程框 124.3射频流程框 124.4烧录软件简介 135系统的调试 145.1单片机调试 145.2独立键盘调试 145.3射频模块调试 145.4报警器调试 155.5液晶1602调试 155.6电源调试 155.7硬件调试 155.8软件调试 155.9整体实现 15总结 16参考文献 161概论1.1前言现如今我国的经济正在飞速发展，单片机也被大规模使用，应用于各种不同的领域和应用，在研发、制造、等方面都有良好的表现，单片机的优点也是很可观的例如：轻便小巧，价格优惠，并且自身结构和编程简单，有较高的性价比，方便使用，在人们的生活中很多设备都离不开它的控制作用，如人脸识别技术、万年历、自动化红绿灯等成品，在以上设备中都依赖于单片机的控制功能才能得以实现。如今，技术进步快，创新能力强，单片机技术跟随趋势，不断发展用来满足庞大的市场需求，当然应时而生的不仅仅只有单片机技术，还有很多其他的技术也是如此，如：为了提高检测精度，检测技术也得到了发展，精度得到了大幅度提高，具有越来越长的寿命。目前自动检测控制系统多以单片机为核心，而单靠单片机本身是无法完成任何工作的，必须借助其它外围电路来辅助系统的工作。外设经常检测外部信息，并将检测信息传送给单片机，由单片机判断处理信息，执行相关指令，从而实现整个系统的功能。1.2选题的背景与意义科学技术日新月异，日新月异，门禁系统在人们的生活中扮演着重要角色，涉及个人、财产等诸多问题，住宅小区就是一个很好的例子，如果不实行门禁管理，就会造成外来人员混入，可能对居民的人身和财产造成威胁。大多数智能门禁系统，通常使用指纹技术、密码锁技术来验证出入人员身份和控制门禁开关，但在使用的过程中经常会出现密码泄露等现象，容易引起非安全人员也能够进出小区的现象，经常造成居民财产丢失的情况，因此采用RFID射频技术，设计出利用门禁卡验证身份的门禁系统，如若丢失只需及时注销卡号就可以保证安全，这种系统不仅提高了门禁系统的安全性，而且也有利于小区居民的信息管理，具有很高的安全性，本设计优化了小区管理模式，简单方便的设计方式，成本低廉，面对中国庞大的市场需求，实用性和发展性是毋庸置疑的。1.3国内外研究情况伴随信息化的普及和发展，为了加快达到信息化基础设施建设的目标，推进数字化小区建设等战略被相继提出。“数字化”发展趋势必不可少的一部分就是智能门禁。本文最重要的一点是利用射频（RF）技术实现和构成智能门禁系统。无线电频率在国外发展也很快，在日本、美国等发达国家，无线电频率技术已经比较成熟。RF在发达国家中主要分为低、中、高频率RF，125KHZ,13.4MHZ是低频RF的主要频率；高频RF则分为915MHZ,2.45GHZ等阶段，在日本和欧洲5.8GHZ射频皆较为成熟，美国作为高频频率射频发展的最快的国家，技术也处于领先水平。在现在的中国，射频技术同发达国家还有一定的差距，但国家和政府对射频技术的重要性是肯定的，所以加大了对发展射频技术的关注力度和支持，部分专业部门也制定了自己的国家射频阶段标准，以促进国内射频产业的发展为目的，而且射频技术与国际射频技术还不兼容，还需要不断加大投入，以加快我国自主研发射频技术的速度。2体系结构的选择和论证2.1设计任务和要求2.1.1设计与需求内容1、整个系统中最重要的一部分选用那些器件，在这里我们选择的主控器是STC89C52，另外再同RFID射频、继电器、报警模块，独立按键，1602LCD等，一同组成了门禁系统；2、利用IC进行解锁时，如果是非注册IC卡刷卡，蜂鸣器会发出报警提示；如果是注册过的IC卡刷卡，系统会将继电器吸合，绿色LED灯亮。3、按菜单键时，1602LCD进入管理界面；再按菜单键，1602LCD进入刷卡界面。4、当系统进入到管理界面，并将卡放在RF上，按下注册按钮，LCD显示注册卡成功，蜂鸣器将进行提示，提示卡成功注册。5、该系统进入管理界面后，将卡置于RF上，按下撤消键，LCD显示撤消卡成功，蜂鸣器将显示卡成功撤消的提示。2.1.2系统的设计与方案主控器为上文提到的STC89C52，采集到的IC卡及独立按键的信息由STC89C52传送给主控芯片进行处理，然后将IC卡及独立按键的信息转换为数码形式通过液晶显示卡号（由主控器转换），若IC卡信息符合则发送指令进行电磁锁开启，若不符合则下位机进行报警提示。2.2模块基本方案2.2.1单片机方案选择与论证方案的不同主要是芯片选择的不同，本设计经过对比有以下两个方案一、主控芯片为STM32，这类芯片的优点有：芯片内部资源充足，功能多样不单一，但是程序和硬件较为复杂，价格较昂贵，此类芯片一般应用于大型操作系统。二、主控芯片为STC89C52，功能同样富足，像定时、串口等内部资源都有，同上一方案对比，价格便宜，而且操作相对简单，常用于一些小型系统，十分方便。鉴于本系统需要具有操作简单的同时也要尽可能降低资源消耗，所以选用了方案二的STC89C52芯片作为主控芯片，来实现门禁功能。2.2.2显示方案对于本文设计的系统，适用显示方法也可分为两种一、显示界面采用数码管，数码管主要用于数字显示，优点为：显示效果好，占地小利于操作，但显示字符数有限，焊接时较为复杂，通常应用于需要显示字符数目有限的设计。二、以1602液晶作为显示界面，1602显示效果好，操作也简单，并且能够多字符显示，适用于需要多字符显示的系统。本文设计的系统需要将采集到的卡号显示在LCD上，如果用数码管显示有一定的局限性，两者相对比，方案二更合适，因此采用1602液晶为LCD。2.2.3按键的设计方案一、矩阵按键，矩阵按键在使用时有些许不便，焊接过程繁琐，灵活度不高，不易占用单片机I/O，适用于多键操作的系统。二、独立按键，与矩阵按键相比编程简单，焊接过程简单，灵活度高，占用MCUI/O多，适用于少键系统。由于智能门禁检测需要注册和撤销按键，主控芯片的I/O口很有限，为了节省可用资源所以选用方案二，采用独立按键。2.3RFID射频技术射频识别技术的主要工作原理是：当有人持卡放入射频模块的可识别范围时，读卡器对卡进行识别并读取卡的信息，然后存储在芯片中，或时卡向读卡器发送信息，读卡器接收信息并破解，最后送到MCU（单片机），由MCU分析。读取器和应答器之间进行信息交换采用的通讯方式半双工，并通过耦合为应答器（被动式）提供能量。本设计中采用MFRC522读卡器，高集成的属于非接触式读卡器，3.56MHz是他的工频。射频识别系统是由读卡器、集成电路卡等构成，其工作原理也很简单，读卡器在发送数据驱动电路时，发射电波，读写器获取并破译，并进行相应处理。图2-3RC522的简单模型3系统硬件设计3.1硬件设计的总体框架门禁系统的硬件部分是:主控芯片依旧是上文所提的STC89C52，显示模块为1602，RFID射频、报警、独立按键模块等。图3-1硬件总体框架3.2单片机主控模块STC89C52芯片作为8位处理器，含有多路定时器和计数器，并具有耗能小，价格低，编程简单等优势，允许进行多次擦写，单片机共有40根引脚，在这些引脚中结构方式不同，开漏输出是P1-P3的I/O的输出方式，这种话输出方式简单快速，无需拉压电阻即可正常工作，P0就与之相反，PO引脚时需加上拉电阻才能正常使用，因为它的内部并无上拉电阻。图3-289C52最小系统3.3液晶屏模块在本系统中显示模块的作用是显示卡号信息，1602是一种工业字符型液晶，可显示2*16字符，且每个字符之间有间隔，能够很好的达到显示信息的目的，1602有20个引脚，从右边开始，在对比度调节端，VCC在工作时一般接5V电源的正极，V0端口接不同的引脚对比度也不同，当V0接VCC时对比度低，接GND时对比度高。图3-3液晶显示电路3.4IC卡读卡器的工作原理RFID模块是本系统中的射频模块，当IC卡读入并被识别到后，与其产生共同震动，用电磁波刺激内部，且为内部电容充电，这样就可以让他产生2V的电压，随后单片机对电压进行识别，最后读出卡号。在图3.4中可以看到。图3.4RFID射频工作原理图3.5独立按键模块独立按键的作用是控制门禁系统，单独按键中，每个按键有4个插孔，其中两个插孔与另两个插孔相连，一般情况下只使用两个插脚，在独立按键中，就有一个插脚与单片机的插脚相连接，另一个插脚与电源VDD和GND相连接，而另一个插脚与电源VDD和GND相连接，然后再由独立按键上的插脚与电源VDD和GND相连接，最后由单片机的插脚检测到高低电平，并执行相关指令。当松开按键时，独立键按下与单片机连接的引脚和将VDD和GND电源连接的引脚形成开路，单片机停止执行独立键指令。图3-5独立按键电路图3.6报警器警报在智能门禁系统中，起提示和报警是蜂鸣器的主要用途，通常用三极管在焊接的时候对蜂鸣器放大电流驱使其启动，在焊接蜂鸣器电路后，要注意三级管的各个级的不同，三极管的开关受单片机的高低电平控制，可以让蜂鸣器直接启动，单片机P10的IO与蜂鸣器的引脚驱动连接。图片3-6-1为蜂鸣器连接电路。图3-6-1蜂鸣器的连接电路采用电磁式蜂鸣器的蜂鸣器，分为被动和主动，被动式通常用于消耗或规模大的电路中，报警声音很不错。自激蜂鸣器是另一种，它的振动与振荡线圈相结合。在图3-6-2和图3-6-3中可以看到。图3-6-2蜂鸣器图3-6-3蜂鸣器原理图本本系统选用的蜂鸣器是9012型，来驱动三极管，图3-6-4所示，采用的是9012三极管。三极管具有很广的应用范围，主要作用是放大电流，三级管具有三个引脚（基极、发射级和集电极），图3-6-4三极管3.7电源模块采用5V工作电源供电，在供电过程中可采用USB接口、充电宝等5V供电器提供电源，如果使用的电源高于5V就可能损坏物品，导致实物坏掉，反之则无法正常工作。1管脚是正极端口，2和3则是负极端口，在工作是最好加上一个电容，使系统在运作时更平稳，只有这样才能更好的为其他模块提供功率。在图3-7中可以看到。图3-7电源电路4系统软件部分4.1登记和撤销程序流程框对门禁系统通电时，系统中的各个模块都处于原始状态，主控芯片在不断检测是否有按键进行操作，当有按键操作时就执行与其相对的程序，在屏幕上就会出现菜单界面，随后将IC卡放到射频区，再在按键上选择要进行的操作，如注册或注销，随后会在频幕上显示进行的操作是否成功，报警器也会发出提示音，完成操作后再次按下菜单键即可返回，门禁系统只有已注册的IC卡才开放，没有注册的IC卡系统显示无效卡，不能与上位机进行通信。在图4-1中可以看到图4-1登记和撤销程序流程框4.2液晶流程框在门禁系统通电时，液晶会进行初始化，并显示出带有“欢迎”两个字的界面，如果有IC卡接近射频模块的话，液晶会刷新屏幕，随后显示出所刷卡的信息。如果所刷卡并没有注册，就无法进行识别，并且在屏幕上显示无法识别同时蜂鸣器响起。在图4-3中可以看到图4-3液晶流程图4.3射频流程框当IC卡出现在射频模块可感应的距离时，读卡器会提取卡的信息，并进一步储存，读卡器就会发出请求并进行一系列操作，最后对所提取到的卡的信息解码，并在解码后送出交由单片机处理。流程如图4-4RF图4-4射频流程图4.4烧录软件简介烧录软件选用普通软件就行，对此没有过多要求，在软件中打开文件并选择其产生的HEX，选择好串号、调好各项参数等，然后在程序中点击下载，烧录软件就会根据之前选择的串口将HEX烧到单片机内部，在软件显示页面提示成功与否，如图4-7所示。图4-7烧录图5系统的调试5.1单片机调试STC89C52单片机为主控芯片，我们第一步要焊接单片机最小系统，并把单片机放入到它的凹槽中，随后通电让他进行工作，然后通过LED灯管的工作情况来检查芯片的管脚正常与否，如果在一切正常的情况下，芯片中的程序会使所有的单片机输入/输出口保持1HZ方波输出，如果是以上情况则代表一切正常，如果不是就需要检查最小系统在焊接的过程中是否有问题，或检查芯片是否工作情况。在最小系统以及芯片都没出问题的前提下，下载程序通过MCU的I/O口P30和P31，在下载过程中烧录软件，然后选择相对的HEX，调好各项参数，然后下载，烧录软件就会根据之前选择的串口将HEX烧到单片机内部，随后会在视图页面显示是否成功，如果下载失败，软件会提示失败的原因。5.2独立键盘调试在本次设计中采用的是独立按键控制，在焊接的时候，引脚的两端分别要与电源的GND和单片机芯片引脚相连接，当独立按键出现操作时，按键上的引脚就会与GND相连接，单片机的引脚就会检测低电平，然后执行相对应的操作。当按键停止操作时，与按键相连的两个地方就会形成断路，随后单片机停止工作，在本次设计的系统中如果按键的一切功能正常，则代表其可以正常使用。5.3射频模块调试本次设计的智能化门禁系统采用RC522射频模块，在焊接RC522时，第一步要确定RC522管脚与单片机I/O口是否按照程序所指定的那样，并把3.3V的电压源加在模块中，需要注意的是正常的工作电源时5V，而此时是3.3V，这就需要我们进行转变，这样才能保证RC522能够正常的工作，否则过高的电压会使射频模块损坏。5.4报警器调试蜂鸣器在在系统中的作用是报警和充当提示音，焊接时要注意，蜂鸣器需要利用三极管进行放大电流才能驱动，在焊接好蜂鸣器时，要注意三极管各个引脚的不同，然后通过高低电平来控制它的开关，以便启动蜂鸣器。5.5液晶1602调试选用1602LCD显示的门禁系统，1602共有16个引脚，要注意与LCD的引脚连接的单片机I/O口是否正确，能否正常工作，若要确定正确性要在程序下载完成后，检验LCD能否达到预期目标，如果显示正常，则证明一切完好，反之就要重新检查排除故障。5.6电源调试门禁系统的供电源为5V，供电设备可采用充电宝、USB接口等设备，切记不能使用过高电源导致系统损坏，电源过低也不行，会导致无法正常工作。可以加一个电容用来保证电源稳定。5.7硬件调试本次设计的智能门禁系统是洞洞板焊接，且焊接过程中各器件均需提前布置，否则将会出现焊接器件位置不美观等因素，或由于布置不合理等因素导致部分器件无法焊接或焊接失败。硬性焊接时最易发生焊接短路、断路、虚焊等现象，若是出现这种情况的前两种会导致线路损毁，虚焊则会导致系统运行不稳定，不能长时间工作。5.8软件调试对于这个系统，编程方面采用的是C语言，在编程的过程中，很容易出现各种各样的错误，尤其是语法错误一些条件句的用法。这就需要我们对单片机有一定程度的了解，编程软件的话采用的是KEIL4，KEIL4会在编程的过程中提示各种错误，并对其做出一定修改，然后通过烧录软件烧到单片机内部，观察是否有错误以及功能是否齐全，如果以上预期均达到，则视为成功。5.9整体实现整体功能的实现首先要检查各个硬件在焊接时是否存在短路、短路、虚焊等现象，程序是否出错，各个部件是否按照预设链接，布局是否合理，按键能否正常使用等，对之前的操作进行检查，如有不足之处及时改正。若以上方面均合格则可以成功实现。总结在实际操作的过程中要比预期的难一些，因为平时所学的知识多为理论知识，与真正的动手实现还存在一定差距，所以在开始阶段进行的不是很顺利，不知道如何设计后来通过网上查询相关资料以及老师的指导再加上同学的帮助终于有所头绪，艰难的设计完成后再从网上购买相关器件进行组装，但还是无法避免是各种各样的失败尤其是在编写程序时更为艰难，不断地在网上查询相关知识以及借鉴他人代码，从中吸取可用之处就这样磕磕绊绊的历经几个月总算完成了这项任务，虽然功能简单也存在许多不足之处但也从中学到了很多东西。经过这次设计让我懂得了什么是万事开有难，往往如何开始是最困扰人的，当你开始以后就会拥有一个一个目标，有明确的方向，要去克服一个一个困难，过程很艰辛但终究可以完成当你完成了一个模块后就会有成功的喜悦感来支持你继续做下去，这让我懂得了不管做什么事都不能轻言放弃坚持终会成功，努力才会有收获。参考文献[1]游战清,李苏建.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004:23-25.[2]周晓光,王晓华.射频识别(RFID)技术原理与应用实例[M].人民邮电出版社,2006.5:35-37.[3]尼春雨,舒雄.VisualBasic基础与案例开发详解.清华大学出版社,2009.7[4]安剑,孙秀梅,巩建华.VisualBasic项目开发全程实录.清华大学