【《基于STM32微控制器的门禁系统设计》6800字（论文）】

I第一章绪论1.1国内外研究现状在日益发展壮大的中国伟大进程中，随着我国计算机网络控制技术的快速发展以及人们对更高生活质量的追求和向往，发生了由原来的基本物质追求转向精神层次方面追求的转变，由生活层次方面来看，人们追求的智能家居现已然成为日常家居生活中一个主要发展方向。而智能自动控制门禁系统则是智能家居生活的一个重点内容，因其在智能门禁系统应用模式中具有高效、便捷的优良特点，所以使得智能门禁系统在日常家居和办公要所中得到广泛的使用及发展。在现阶段门禁系统中应用较为普遍的门禁锁主要是传统的机械锁和现代新兴的IC卡电子密码锁，但随着大量普通用户对门禁系统的安全性能和其使用的便捷性要求越来越高，以指纹采集、虹膜及人脸扫描等生物特征识别为主的新兴人体识别技术逐渐与智能门禁系统相融合起来。基于满足实现设计预期功能和现阶段能实现的技术支持等多方面综合考量，本论文提出一种通过密码解锁、指纹识别和RFID验证三种识别方式的智能门禁系统，在方便了用户使用的同时，同时增强了系统的安全性，在实际应用中对用户的使用体验具有良好的实用价值。随着指纹识别的快速发展，在国内外己经产生了许多种新的指纹识别算法，但由于算法没有在实际使用中达到完美的使用效果，所以大都还在试验阶段，没有的得到广泛的应用，所以在市场上真正应用于实际产品的较为稀少，并且应用于门禁系统的指纹算法与理想的算数指纹算法有一定出入。所以在使用过程中很难保证不会因为外界因素出现问题。一般的智能门禁系统常常采用单一的验证方式，很少有将指纹识别，RFID，密码锁等联合起来应用来增强系统的安全性能。而RFID验证方式已经广泛应用于公共交通，食堂消费，图书馆借阅等公共场所，而由此产生的交通卡和校园卡门禁并不会提高太多的制造和应用成本，反而大大提高了出行效率和缓解了公共场所的交通堵塞。随着电子信息科学技术的发展，各种利用科技漏洞进行的违法行为层出不穷，有人利用指纹解锁盲区采用假指纹来欺骗指纹门禁系统，而采用RFID和摄像头等多重验证识别技术可以很好有效的解决单一的指纹解锁门禁。对于现阶段广泛使用的MiFareOne卡，该卡的常用工作频率高达13.56MHz，而通信速率高达106KBPS，并且每张卡里面内置一串32位序列号，每张卡里面的序列号都是唯一且各不相同的，同时每张卡都带有特殊的加密控制和通讯逻辑电路，使用寿命高达十年左右。在国内门禁系统发展阶段，也有很多对于智能门禁的研究。2018年，马馨雅发表的文章中介绍了指纹识别当前使用较为广泛的生物识别技术且具有广泛的市场前景。同时介绍了随着智能设备与计算机网络的联系原来越紧密[8]。金钧老师则提出采用微控制处理芯片来提高门禁系统的安全性和高效性能，采用双重认证识别技术应用与电子门禁系统[2]。郭芸君2017年发表的文章在其中借绍了支持三种识别技术的智能门禁系统，以STM32作为主控制芯片，用指纹提取器提取目标指纹,另外又在系统中加入GSM功能，实现了对门禁系统的远程控制[9]。从当前我国技术发展层面来看，当前的国产门禁系统大多是以国外的优良产品为模板，进行二次改造从而适应国内市场需求。通常有两种生产方式，一种是通过从国外批发商手里购买制造所需要的各部分零部件，比如读写器、门控器等，然后对购买的芯片进行再次编辑满足市场需求，然后制成成品。这一系列的门禁系统性能处于居中系列，没有国外的原装产品优良但又比国内市场的产品有一定的提高，能够满足用户对高安全性能的需求，但这种系统的价格一般没有价格优势。而另一种只是采用国外购买的芯片，对于其他的部件主要应用国产自主研发的。这种方式可以依据不同用户的实际需求，可以做出相应的改变，能够满足用户对智能门禁系统的一般合理性要求，并且成本与其性能相同的同类门禁有很大的价格优势。由门禁系统的内部组成结构出发来看，国内大多数的门禁系统研发主要是以控制器为核心，而门控器部分主要采用国外厂家的生产。对于目前国内的智能门禁系统未来总体发展而言，我们还有很长一段路要走，还有很大的发展空间。1.2研究内容本次论文设计了一种基于STM32单片机的智能门禁系统,采取指纹识别技术、射频识别技术种识别和密码登入三种方式进行用户身份的验证,在极大程度上提高了门禁的安全性,在日常家居生活种具有很高的实用价值和可观的市场前景。本文的设计以实际的需求作为出发点,使用嵌入式等技术作为开发基础,具体设计方案如下:在硬件上选择了作STM32F103C8T6为主控芯片,AS608芯片做指纹识别功能，MFRC522做IC卡读写功能，矩阵按键模块实现密码登入功能，有源蜂鸣器做报警提示，LM2596和AMS1117芯片为系统供电,串口屏做人机交互界面;在软件方面,使C语言进行开发,采用模块化设计思想进行功能的设计,对于往后的使用和售后带来便捷。经过测试,系统最终完成了使用指纹识别、RFID识别来进行开关电控锁功能,并且系统运行稳定。1.3研究意义以往使用的机械门禁锁在使用上具有极大地缺陷，每个锁芯对应钥匙不唯一且安全性能不能得到保障。传统的锁芯完全由各种机械硬件组成，机械相对于各种生物识别门禁而言，门禁的识别精准度有较大的误差，不能准确识别钥匙的真假和出入的是否为允许通入者。在过去的生活当中总能听到失窃的那案件在我们生活当中发生。传统的门禁系统采用机械锁芯，不同锁芯对应的钥匙不同。对于一部分人员来说，由于工作的需求和生活需要，出行时要携带大串的钥匙，这使得用户对钥匙容易产生混淆。一旦不小心丢失，不仅会打乱自己工作和生活的节奏，还会给自己或单位带来经济损失。对于当前人们所追求的高效、安全的目标来说，传统的机械门禁已不能满足现代社会发展的需求。而随着现代生物识别技术在门禁系统中的应用产生的新兴智能门禁系统，可以最大程度上满足当前人们的需求。本设计通过指纹功能和RFID功能的共同作用，实现对门禁系统的升级。为将来的门禁系统市场提供新的发展方向，同时给用户带来新的使用体验。为公共财产安全和个人隐私提供更好的保障。第二章理论知识2.1主控芯片设计采用的主控芯片是以Cortex-M3为内核的STM32F103C8T6单片机，工作频率高达72MHz，该程序的内部存储器具有256KB的容量，可以在SPI、I2C、UART接口下满足不同环境下的通信需求。芯片正常工作电压在3.3V左右，搭载多重电容滤波用以平衡内部电压，同时外部接有8MHZ的晶振电路。该系统内部电路主要由复位电路、时钟电路、接口调试电路组成。2.1.1复位电路复位电路的作用在系统内部电路运行前后，与CPU的复位息息相关:使CPU在这段时间空隙中处于休息状态，而不让CPU处于连环的工作状态,以防内部的信息滞留导致CPU错误运行。单片机的运行离不开复位电路的支持。各类单片机设计在进行调试时，经常出现“死机”、“程序走飞”等现象,这都是因为单片机的复位电路出现误差导致的。单片机工作前后都要执行复位电路的校正，保证CPU及系统在运行时不会出错。电路图如下：图2.1复位电路2.1.2时钟电路单片机与时钟电路相生相伴，就像计算机与CPU联系紧密一样。没有时钟电路来填充时间的空白，就像人们没有时间和四季一样，生活处于一片混乱。CPU需要通过时序电路来传达各项指令，而单片机则需要时钟信号的引导来操作指令。时钟信号可以通过内部的振荡电路产生，同时也可以通过电路引入外部时钟信号。具体的电路图如下：图2.2时钟电路2.2指纹采集模块本次设计采国产公司自主研发的AS608指纹识别芯片。该芯片内含高级指纹算法，能够精准、快速的完成指纹的提取任务，并进行下一步的识别工作。模块还同时拥有串口和USB通讯接口，使开发者省略了对指纹的提取和识别这项庞大的工程，只要按照串口通讯协议和USB通讯协议就可以与主控芯片进行联系。指纹采集流程图如下：图2.3指纹工作流程图2.3射频识别射频识别是一种通过磁场传递无线信号的特殊信息传递方式，可以通过带有信号源的物体接收并识别所传输的无线电信息。无线电信号是通过物理作用将电磁场调到带特定频率区间的信号，能够与带有相同物理信息的信号源进行联系，进而判断目标的物理信息。这些标签不仅可以从识别器发出的电磁场获取能量，同时也可以通过自身的电源发出无线电波。与日常使用的条形码和二维码不同的是，射频标签不需要通过实际的图码来与系统进行联系，它可以直接嵌入卡片或需要识别追踪的物体上。第三章系统设计本设计以STM32F103C8T6作为主控芯片，将指纹识别模块、RFID识别模块与主控芯片通过串口进行通信，通过液晶显示屏进行页面操作。当识别模块接收到信号时，传输到主芯片进行识别，通过内部存储的用户信息识别是否为可通行用户，再通过主芯片开启相关权限。总设计框图如图2.1所示：图3.1系统整体硬件组成框图3.1软件部分3.1.1开发环境STM32常用的开发工具有KeilMDK和IAREWARM，本设计采用的开发工具为ARM公司研发的KeilMDK用以系统的开发调试。Keil的功能相比于其它的软件显得更加强大，在运行过程中可进行C编译器、宏汇编相关的操作，同时也可以很好的进行仿真调试处理，这些都可以在开发时使用，通过提前的仿真测试避免后期的错误。使用者的开发界面和我们日常基础使用的C++尤为相似。简单易懂的操作流程适用于大量初学者。开发软件过程如下：图3.2keil开发软件过程3.1.2主程序模块设计本设计以STM32做为主制芯片，程序则则通过C语言实现各模块功能。本次设计的智能门禁系统的软件设计主要包括主程序模块、射频模块、指纹模块。通过各个模块的功能实现门禁系统的整体功能实现。我们需要编写的程序主要有系统的主程序、各驱动模块的程序和相关子程序等,各部分的程序编写都是通过C语言的编写实现特定功能。具体的软件运行流程图如下：图3.3软件运行流程图该系统有三种认证识别模式，分别为指纹认证、RFID认证、数字密码认证。本次设计基于对系统的安全性和用户实用方便性出发，设计的操作模式为协同操作模式，只要完成指纹认证、RFID认证、数字密码其中任一认证即可，就可以获得系统的出入许可.操作系统以6410作为主处理器，可以直接控制系统进行管理员操作。而RFID模块则通过电子标签来进行认证，电子标签不仅具有极高的安全性能，同时为用户的使用提供了有极大的方便。符合我们现代人的追求。数字密码认证则更具代表性，不仅是因为数字的排列组合具有多样性，同时密码带有的隐私性更强。对于传统的中国人而言，不会轻易的将任何密码告诉任何人。使得除了技术手段之外，数字密码很难被破解。3.1.3射频模块设计射频识别开门程序的设计思路如下图所示。系统启动后，初始化微控制器;初始化MFRC522的端口，其中包括MFRC522与微控制器接口的配置、SPI的初始化以及MFRC522各个寄存器的初始化配置;初始化工作完成之后，当系统检测到射频卡时，执行防冲突程序，选择一张卡片进入认证程序。如果成功认证，则实现开门操作，否则重新寻卡，如果3次认证都失败，则进入自锁状态，系统主动掉电。工作流程图如下图所示：图3.4射频开门流程图3.1.4指纹识别模块当指纹识别模块检测到指纹时，系统进入到指纹认证过程。系统发送指纹提取指令，将提取的指纹进行特征提取，然后将采取的特征信息发送到指纹数据库进行比对。系统采用多次指纹认证，在短暂的时间内完成数次指纹的提取和比对工作，因而对指纹芯片的运算处理能力有较高的要求。在完成指纹的认证后，会将处理的结果传送到主控芯片进行下一步的指令处理。指纹识别开门程序的设计思路如图所示：图3.5指纹登记流程图3.2硬件部分3.2.1芯片介绍本设计采用以ARM的Cortex-M3作为处理器的STM32F103C8T6作为主控芯片。内置64k的存储器，用于存储编写的程序和应用数据。采用2.0～3.6V供电，在高温和低温环境下都可以正常工作。这是一款功耗较低且性能高的芯片，在大量工程中被广泛应用。3.2.2电源模块设计选取的单片机正常工作电压在5V左右，而5V的电压一般很难通过电路直接实现。电路中最常用的是通过适配器来实现220V交流电转5V直流，同时也可以通过电脑或各类电子设备上的USB接口来进行供电。但是还有另外一个问题需要我们去解决，那就是MFRC522读卡模块是需要提供3.3V电压，这就需要通过电压转换电路来实现。电路图如下：图3.6电压转换电路3.2.3RFID模块MFRC522是一款性能非常优良的读卡器。发送模块利用调制和解调的原理，将它们集成到各种通信方法和协议中。它的内部集成电路具有极高的工作效率，能够在极短的时间内完成对电码的解调和编译，同时能够间断的使用。少量的外接设备就能将输出连接到天线进行信号传输，高效的传输速度和通信质量使得它的市场应用很广。其工作流程简图如下：图3.7通信原理图3.2.4显示模块本次设计采用了J12864中文液晶显示屏，该显示屏可以我们满足显示文字和图片的需求，该显示屏可以显示所有的字符和数字，并带有64X256点阵显示。工作电压为3.3V-5V。第四章系统调试4.1仿真测试仿真测试是指通过软件模拟设计在实际的使用中的运行状态，本次设计在原理图的基础上进行了仿真测试，对使用过程中可能会发生的问题做一个检测，并进行整改。原理图仿真结果如下：图4.1原理图仿真图4.2实物调试对于指纹和RFID模块我们通过实际的操作测试，硬件只有在使用中才能得到检验。其中关键问题在于指纹和RFI的录入，实际测试图如下：图4.2指纹录入图4.3RFID录入第五章总结与展望系统的开发主要体现了计算机网络与智能设备之间的联系越来越紧密。与传统的机械门禁相比，现代门禁系统不仅更具安全性、多样性，同时通过科技的发展丰富人们的生活，使人们感受到科技给人们带来的改变。本次设计的智能门禁系统是以STM32系列单片机为处理核心，结合了以生物识别技术、射频识别技术为主的智能门禁系统。该系统的安全性能具有极大保障，不仅在成本上具有具有市场优势，同时在功耗性能方面相比其他系统也不逊色,适用于广大公共或隐私场所。本文主要介绍了在基于传统机械门禁的基础上，融入现代科技元素研发的现代智能门禁系统，系统采取了指纹、RFID和密码解锁3种认证方式，有效的替代了传统门禁的历史作用，这使得现代门禁系统更具科技感、现代化。其中主要做了以下工作:1．详细介绍了现代门禁系统与指纹识别认证系统和RFID系统的联系和发展历程及现状的，通过现代电子门禁系统与传统机械门禁的各方面对比，突出了现代门禁系统使用指纹和RFID的优点，以及指纹在门禁系统上的应用和指纹的工作原理。2．详细介绍了指纹识别和RFID的功能实现原理和工作流程图，在查阅了大量相关的文献资料后，给出了指纹识别功能和RFID功能结合的可行性，通过严谨的设计和理论结合，获得了实在可行性的方案。3.将指纹模块和RFID模块进行系统性的整合，通过相关方面的通信协议，使指纹模块和RFID模块能够在实际应用系统中以稳定、高速、有效的方式进行合理运作。为了提高系统