基于单片机的图书馆刷卡系统设计

基于单片机的图书馆刷卡系统设计 摘要根据任务要求，设计一款具有智能识别IC卡用户的智能门禁识别系统，具备不同的用户拥有不同的权限，输入密码开门，管理员拥有修改密码，添加住户，删除住户的特殊权限，同时具有住户信息储存的功能。本文提出了一种利用单片机及其射频IC模块，自制键盘电路，住户信息储存电路等多种电路来实现。设计成本小，体积小，上述功能完全实现，具有很高的使用价值。随着我国现代经济发展的推进，人民对于自身安全与财产也越来越更加重视。传统的门锁方案已越来越不适合当今人民对安全的重视程度。本次设计是基于上述问题而研究，更好的为人民自身安全与财产提供更大的保障。关键词：STC89C52单片机；射频IC；矩阵键盘；信息储存ABSTRACTAccordingtothetaskrequirements,anintelligentaccesscontrolidentificationsystemwithintelligentidentificationICcardusersisdesigned.Differentusershavedifferentpermissions.Enterthepasswordtoopenthedoor.Theadministratorhasthespecialpermissionstomodifythepassword,addanddeleteresidents.Atthesametime,ithasthefunctionofhouseholdinformationstorage.ThispaperpresentsamethodtorealizeitbyusingsinglechipmicrocomputeranditsRFICmodule,self-madekeyboardcircuit,householdinformationstoragecircuitandothercircuits.Thedesignprocessincludestwoaspects:hardwarecircuitdesignandsoftwareprogramming.Thedesigncostissmallandthevolumeissmall.Theabovefunctionsarefullyrealizedandhavehighusevalue.WiththeadvancementofChina'smoderneconomicdevelopment,peoplepaymoreandmoreattentiontotheirownsafetyandproperty.Thetraditionaldoorlockschemeisnolongersuitablefortoday'speople'sattentiontosafety.Thisdesignisbasedontheaboveproblems,soastobetterprovidegreaterprotectionforpeople'sownsafetyandproperty.Keywords:STC89C52chip;radiofrequencyIC;matrixkeyboard,informationstorage.

目录TOC\o"1-2"\h\u5005摘要 127266ABSTRACT 119427第一章绪论 3285961.1智能门禁系统研究背景和意义 4318301.2门禁系统的发展现状及趋势 4159661.3国内外研究现状 540771.4课题设计任务 79719第二章基于RFID技术的门禁系统理论基础 737522.1射频识别技术概述 7131452.2系统设计方案 10193022.3本章小结 1118834第三章门禁系统硬件设计 11128013.1单片机最小系统 12281753.2LCD1602液晶显示模块 16161983.3按键模块 19192483.4射频模块 20147723.5蜂鸣器报警模块 20175543.6本章小结 2114631第四章门禁系统软件设计 2147514.1软件程序设计准则 21155724.2KeilC51软件 22181084.3软件设计流程 22190194.4本章小结 2527001第五章实物的制作与调试 2595555.1电路的焊接与制作 2683885.2电路的功能测试 28286395.3整体不足之处及改进 294854第六章总结与展望 3014955参考文献 323088致谢 33

第一章绪论当今社会科学技术发展迅速，智能门禁开锁系统已经发展成一套功能齐全，能够提供安全的保障，现代化的智能管理系统，它能很好地保护了大家的人身安全和财产安全。现在社会中大部分使用的门禁系统已经和传统的钥匙锁有很大的区别。但传统门禁事实上存在着很多问题，如安全性和快速识别性，传统的门禁保护系统已然不能满足人们目前的需要。人们对于一款具有自动识别功能的安全门禁系统的呼声越来越高，这需要它不仅仅作为一个简单的限制进出的锁，它还可以识别信息，使得管理变得有条不紊。1.1智能门禁系统研究背景和意义近年来，社会经济在不断高速发展，但与此同时，财产的安全隐患也越来越高，越来越多的财产失窃事件出现在人们的眼前，所以人们对于安全且便捷的智能防盗系统的呼声也越来越高。近年来，智能门禁发展迅速，得益于智能识别技术和移动终端，门禁管理系统已经不再是传统的只用于人员的进出管理，而是将人员和车辆进出、出入打卡和消防安全有机的结合到一起的系统，在校园、厂区、企事业单位、国企单位等场合的需求日益增长，使用领域也在不断的随之扩大。智能门禁系统通过控制和识别建筑物和敏感区域内人员的出入和行为，从而管理建筑物的出入和安全。例如建筑物和电梯上都会有读卡器、人脸识别系统或者键盘控制装置，如果用户想进入，他们需要刷卡或者输入密码，或者通过人脸解锁。智能门禁系统能够识别进出入用户的信息，筛选已经存储在库中的数据，从而判断用户是否能进入，当然这样的筛选时间很短，智能门禁通过自动识别技术，能够有效保证进出入的安全性，从而为用户提供高效且舒适的生活环境。基于智能射频识别技术的门禁系统有效的将IC卡和智能门禁结合，免除了钥匙丢失的麻烦，同时通过远程计算机终端控制系统，实现了管理智能化和通信自动化。智能门禁系统因其高效识别能力和其出色的安全性，已经被不少的发达国家应用于许多场所如高校实验室、监狱、商业大楼、医疗设施等，然而在便捷性和实用性方面这些系统有进一步提高的空间。1.2门禁系统的发展现状及趋势随着社会科技的不断发展和社会财富的不断累积，之前被广泛使用的传统门禁系统逐渐被淘汰，逐渐向自动化和智能化发展。在现如今的高科技社会中，智能门禁被应用于很多场合，因此具有很高的安全性的要求，也因此有必要对其进行系统的整合和优化，通过对智能门禁系统的发展和现有特征的分析，可以发现现有门禁系统存在的一些普适性问题。(1)控制系统使用较为不便，很多时候需要用手解锁，而当腾不出手时，就会带来麻烦。(2)现在大多使用的是键盘式的门禁，安全系数较低。(3)感应控制的输入机比较容易被损坏，门卡也容易丢失。(4)入口控制系统需要长期处于运行状态，因此如果不能有效的降低功耗，就容易影响使用。如上所述，因着时代经济的飞速发展，越来越多的用户和公司发觉智能门禁系统的重要性。同时随着技术的不断革新，传统的门禁系统已然不能满足人们的要求，用户需要的是更加智能化、无人化和便捷化的门禁系统。现在的智能门禁系统已经不是只能开关锁的传统“钥匙”，而是集控制、管理、识别等多项功能一体的之智能系统。了解了目前智能门禁系统的现状，就目前来看，未来智能门禁的发展有望往以下几个趋势发展：1)IC一体化。IC卡容量会逐渐扩大，并且会集合IC的功能，之后也会出现相关IC一卡通系统。2)识别快速化。在识别人群出入特别是大流量人群时，实现快速识别、快速考勤、快速打卡。3)识别协作化。基于不同地区或者不同国家的门禁系统，安装相通的数据库，从而更好的协作管理与控制出入。4)便捷化。虽然门禁系统首要强调安全性，但是一般只有像机关或军事要地才会需要特别复杂且安全性高的门禁系统，一般用户的使用场景为居民楼或是办公楼，所以门禁系统的便捷性便成了重中之重，在不影响用户体验的情况下，实现智能门禁控制。1.3国内外研究现状射频技术自1994年进入中国，而后发展至今。与国外相比，国内的门禁系统研究起步相对来说是比较晚的。从一开始的迷茫探索，到后来的不断发展，从试用阶段到后来的实际使用。国内有关于做门禁系统的企业其实并不少，但是由于门禁系统的关键技术比如读卡器被欧美国家所把持着，所以目前在多项技术领域还是面领着“卡脖子”的尴尬境地。国内就技术方面而言，大多数只能模仿并仿制国外的优秀门禁，但是缺乏自我创新能力。国家为着大力发展射频识别和门禁的缘故，实施了“金卡工程”政策，为的就是能在技术上不断创新，拉近我们和发达国家的距离，因此射频识别技术在国内的创新和发展可谓是任重而道远。因为工业化程度领先的缘故，国外对于门禁系统的研究起步相对较早，就国际市场上占有率来说，欧美企业在国际市场上所占的较高，门禁系统发展也最为成熟。国外知名的门禁系统品牌公司有美国的洛泰克、西屋、德国的西门子、以色列DDS以及韩国的三星安防等。这些公司起步较早，经过许多年的发展，产品的安全性和实用性也得到了保障。但与之伴随的，是其系统高昂的价格，一套完整的门禁系统控制器，往往在几千到几万元不等，对于日常轻度需求的用户或许不是最好选择。但是随着各大公司之间的相互竞争，同时门禁系统硬件成本的降低，现如今的门禁产品价格也不再像以前那么高，市面上一套实用安全的门禁系统的花费一般在几千人民币左右，这个价位很多中小规模的需求都可以满足，价格门槛的降低，让门禁系统得到了更加广泛的运用。就目前来说，国内的门禁系统和国际上的门禁系统各有其优势。质量方面，国际品牌的门禁系统较国内占优，这源于技术的多年发展和积累，国际品牌的质量稳定，但相对应的定制响应上较慢，国内产品更新速度快，功能丰富，满足各种使用需求，但质量的稳定性还需进一步的优化。价格方面，国内品牌占优，这得益于部分软硬件技术的成熟。此外在行业应用领域上，国际品牌多用于要求稳定、安全和可靠的场合，如政府、金融、外企等较为高端市场，这些门禁系统功能相对来说较为单一，但胜在安全可靠，国内更多的是应用在学校、住宅小区、超市等中低端市场，这类市场在质量相差不大的情况下多数更看重价格的优惠。尽管国内外在门禁系统上的研究投入不少，但近年来门禁系统的智能化发展却还没有完全进入成熟阶段，门禁系统的移动化、自动化的发展是未来的发展趋势，市面上成熟的门禁系统多数是以门禁控制器为核心而进行构建的，这类系统一般都基于RFID技术实现的，本文基于上述情况，提出了一种基于RFID门禁管理系统设计方案，并根据用户实际管理需求，实现了场景优化。1.4课题设计任务智能门禁系统设计主要分为两个部分：门禁硬件系统设计和单片机软件程序设计。门禁硬件系统包括射频系统周围硬件电路的设计；单片机软件程序设计包括射频卡读取程序、LCD显示程序、数据存储和清除的设计编写。此门禁系统是在51单片机框架下，采用智能射频识别技术，可完成射频IC卡号识别、蜂鸣器报警、IC卡数据存储与清除和LCD显示等功能。第二章基于RFID技术的门禁系统理论基础2.1射频识别技术概述射频识别技术(RadioFrequencyIdentification)，简称RFIDRFID的发展起初于二战时期，当时主要被应用于一种战时通信技术，用于空中行动的敌我识别，现在已经发展为一种现代化的通信技术。射频识别在现代技术的发展下，通过结合多种高新技术，可满足集成控制系统、生产控制、家居安全等热门应用的发展需要。RFID的工作原理很简单，通过电磁场中的射频信号的传输特性，用于自动识别和跟踪。这些标签在被识别时，不需要外部供给能量便可以识别并且发出带有储存信息的信号。近年来，得益于有关IC技术的不断发展，使得射频识别技术的装置逐渐利民化，从而能够应用于实际工作和生活中。射频识别技术主要因其去接触化的方式而被广泛应用，它能适应多种使用环境，基本不受环境影响，识别高效，速度快，此外还具有体积小、易耐久、存储性能好、可靠性佳等优点。RFID因其出色的性能和实用性，给人们在新时代下不断更新的思维观念带来了巨大的革新的同时也悄然渐入到人们日常工作和生活的各方各面，与之同时，企业的生产活动也因着射频技术的出现而不断翻新。拥有巨大的产业和用户需求，目前有关于射频磁控的产品正在被社会大众大量需求，产业前景一片光明。2.1.1射频识别系统的组成常规的射频识别系统一般由三部分组成，分别是读写器、应答器和后台软件系统。图2-1为一个典型的射频识别系统组成结构，从图中可以看出，应答器又称之为射频卡，由天线和收发及控制模块等组成，一般将标签作为应答器，标签存储着对象的一些信息及标识，应答器为发挥载体作用，通常能够被人携带或是自己附着于物体上。读写器也称阅读器，主要作用是与应答器进行数据交互，这其中包括读取应答器的标签信息或者也可以对应答器中的标签进行信息的写入，一般可设计为便携式或固定式读写器，其组成元件的结构基本类似，特别是双方都有用于收发无线电的天线。后台软件系统，主要是接收读写器传输的数据，然后对收集到的数据做进一步的处理，完成相关工作流程。图2.1射频识别系统组成结构读写器主要由控制单元、高频通讯模块和天线组成。主要是用来捕捉和读写射频卡的数据。控制单元类似于指挥中心，不仅能够控制读写器和外部设备的运行而且可以与其他应用软件通信。天线的功能主要是转化，通常被用作信号的中转，既能够接收信号，而且能辐射信号，以电磁波形式。一般天线的尺寸都较小，所以可以比较轻松的附着在物体上。实际的效果图如图2-2所示：图2.2RFID射频效果图2.1.2RFID同其他射频技术的比较随着自动识别理论的丰富与完善，许多不同种类的自动识别技术不断涌现，目前主要有以下几种：光符识别技术(OCR)、近场通信(NFC)、条码识别技术、IC卡识别技术及射频识别技术。虽然自动识别相关技术层出不穷，但就目前而言还没有一家独大的趋势，每个技术都有着自己的特征和应用场所。OCR技术在文字识别领域被广泛应用，对于英语的正确识别率较高，但是在识别手写体时明显识别正确率会下降很多。NFC最适合用于在短距离内安全地传输一系列数据，因此它在访问控制和支付应用中很普遍。条码成本最低且输入速度快、误码率低但其存储的数据不易被更改并且无法直接用肉眼阅读。IC卡的价格稍高些，数据存储量很大，并且数据密度高，输入速度也比较快，但是因为其外部触点暴露在空气中，所以如果不加以保护很容易磨损从而造成性能缺失。而射频识别技术由于IC卡一般可以不用近距离接触便可以识别的特征，能够在充满灰尘油污的环境下完成识别工作，这是其他识别技术所做不到的，因此其实用性很强。射频卡因为其独特性和可携带性，在一些需求追踪和识别技术但是接触又不便的场所大放异彩。2.1.3射频识别技术的特点及优势RFID技术透过电磁场，可以对移动中物体进行识别，并且可以同时识别多个目标并进行数据交换。射频自动识别技术特点及优势主要表现为：1.快速识别在RFID系统中，使用防冲突机制来读取识别范围内的射频标签，能够快速对大量标签进行识别，并且可以同时识别多个标签。一般而言，只需要几秒就可以完成对数以百计的标签进行识别。2.可进行移动识别电子标签粘贴在物体上面，随着物体移动时，可以被阅读器进行识别：只要标签进入阅读器天线的覆盖范围内，物体不需要停止运动。不同于条形码识别、指纹识别等必须是近距离且没有物体限制时才能识别的技术，电子标签实现了非视距识别、当电子标签被塑料、玻璃、木材、纸张等非金属材料覆盖时，仍可以进行穿透性通信。4.安全性高电子标签内存储的数据可以进行加密处理，没有授权的阅读器无法识别和修改，使其内容不易被更改和伪造。5.可重复利用相较于条码技术而言，射频技术因为其自身载体缘故，射频卡内信息较容易修改和删除。6.存储容量大电子标签可以存储大量的数据，EPC区可以存储128bit的数据，用户区则可以存储几十KB的数据，远远超过一维码和二维码的存储容量。7.不易损坏、抗污能力强传统条形码的载体一般是纸张，容易磨损或污染，而射频芯片经过了严格封装，电子标签被内置在芯片中，故其对水、油和化学药品等物质具有较强抵抗性，不易腐蚀，使用寿命也相较条形码要长的多。8.形状多样、体积小电子标签种类繁多，标签外形更是多种多样，满足了不同应用的需求。2.2系统设计方案本设计主要分为以下五个模块，基于单片机主控，利用射频技术的特性，主要分为这几个模块：RFID识别模块(射频模块)、键盘模块、显示模块、电源模块和蜂鸣器报警模块。在实现门禁电路功能的情况下，智能射频门禁电路充分发挥了其独特性，能够读取卡信息并显示在LCD屏上，也能够通过按键来存储和清除射频卡数据。做到了在满足用户需求的同时，优化了用户体验。系统设计框图如图2-3所示：图2.3设计系统框图2.3本章小结本章主要介绍了射频门禁系统的一些基本原理和系统设计方案，具体包括RFID射频识别技术以及与其他自动识别技术的对比。RFID方面主要介绍了RFID射频识别技术的组成结构与工作原理，并介绍了组成射频识别系统的主要三个模块：应答器、读写器以及后台软件系统。在比较其他几种较为常用的自动识别技术，阐述了射频技术的优点和独特性。最后介绍了本文的设计方案以及系统框图。通过对系统主要基础理论和技术的介绍，为接下来的智能门禁系统的设计与实现打下良好的基础。第三章门禁系统硬件设计本设计硬件结构由单片机主控、射频识别模块、LCD显示模块、按键模块、蜂鸣器报警模块组成。射频卡信息由MFRC522模块读出，读取数据后将数据返回给单片机，并在LCD显示模块中显示。按键模块能够控制射频信息的存储和清除。在成功或失败开锁后，单片机都会返回数据，给蜂鸣器模块下达指令从而实现蜂鸣报警。各个模块在互不干扰的前提下，实现信息互通。3.1单片机最小系统单片机最小系统由STC89C52单片机主控芯片、复位电路和振荡电路以及电源电路构成。3.1.1STC89C52单片机本射频系统采用STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52对传统的51系列单片机进行了很大的改进，它具有51系列MCU过去所没有的性能和功能，使并且让MCU的使用更加灵活和高效。STC89C52是一款低功耗、高性能的8位CMOS具有8K可编程闪存的微控制器，具有智能8位CPU和在系统可编程闪存，其内部包括带二K字节的单芯片可编程可擦除式只读存储器、4K字节Flash闪速内存,256字节的片内数据存储器,共4个I/O接口,即P0口,P1,P2,P3口共32个I/O口线,二个十六位定时计数器,一个5向量二级中断结构,一个全双工的串行通讯接口,以及片内振荡器及时钟电路。STC89C52也给许多嵌入式系统带来了灵活并且有效的解决方案。3.1.2STC89C52管脚说明图3-1STC89C52管脚图VCC：电源电压。GND：接地。STC89C52单片机共有32根引脚。分为4组8位的可编程I/O口，依次为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位。P0口：P0口为一个能够作为外部程序数据存储器的8位双向I/O口，内部不提供上拉电阻。当P0口的管脚输入“1”时，此时的状态是高阻输入。P0口缓冲器能接受8TTL门电流的输出。P0口因其自身的存储特性，所以不需要反复输入。P1口：P1接口是八个双向I/O接口,内部有上拉电阻。P1接口缓冲器还能接受四TTL门电压的输出。当P1口管脚为“1”时,由于其内部上拉的特性,上拉电阻下增加了管脚输出,此时引脚的作用为进口。当上拉电阻下为P1口的最低电压值时,此时引脚的作用为输出口。P2口：P2口为一个能够用来接收高八位地址和控制信号的8位双向I/O口。当P2口被写“1”时，因着内部上拉的特性，上拉电阻拉高了管脚电平，且将其作为输入。当上拉电阻下拉P2口为低电平P时，此时管脚的作用为输出电流端口。P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口缓冲器可接收输出4个TTL门电流。当对P3口管脚输入“1”时，上拉电阻拉高其管脚电平，此时其功能为输入口。P3口也作为STC89C52的第二功能使用。具体功能如表3-1所示：表3-1P3引脚P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)T0(记时器0)P3.5T1(记时器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)RST：复位输入，高电平有效。一般用于清除数据，和复位电路相连接。当保持RST脚两个机器周期的高电平时间时，RST引脚有效，一般用于需对器件进行复位时。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号端，低电平有效。一般是在访问外部存储程序存储器时，ALE用来锁存地址的低8位字节，通过输入脉冲的方式。PORG为编程脉冲的输入端。ALE一般会输出固定的脉冲信号，因此他经常被用于定时目的或输出时钟作用。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在C52由外部程序取指令期间，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保持低电平或接地时，在此期间外部访问允许，才能使CPU访问外部程序储存器。XTAL1：外部时钟工作电路的输入及反向振荡放大器的输入。XTAL2：外部时钟工作电路的输出及反向振荡放大器的输出。3.1.3复位电路复位电路是单片机的初始化操作，类似于电脑的关机重启。当电脑在遇到系统卡死的状态时，可以通过重启的方式解决，单片机也是一样的道理，当单片机外部程序收到干扰而无法正常工作时，可以通过复位的方式来重启。不过对应于本设计具体电路，复位电路和键盘模块相结合，用于清除寄存器内的数据。复位电路接在AT89C51的RST端口，其中复位电路由10k的下拉电阻，复位按键，和10μF的电解电容组成。复位电路能否复位的关键取决于单片机RST的高低电平。单片机启动后，因为电容过小的缘故，会造成充电现象，而与此同时电阻的电压降到最低，这时复位引脚为低电平。而当按下复位按键后，发生了短路现象，当单片机的RST端口继续接收一定时间(一般为2个机器周期)的高电平时间时，系统将执行RESET也就是复位，使其恢复的初始状态，单片机达到复位效果。单片机复位电路如图3-2所示：图3-2复位电路3.1.4晶振电路晶振，全称晶体振荡器，是一种高精度和高稳定度的振荡器。在单片机运行的时候，需要一个脉冲信号使得单片机能够有条不紊的工作。振荡电路是单片机按照一定的节拍使其各部分有条不紊的工作。本文的晶振电路主要由单个晶体振荡器和两个电容组成，并且两个电容器接在单片机的X1，X1和接地端口，系统的时钟信号时依靠晶体的谐振特性来提供时钟信号的，以此来保证电路的稳定和正常运行。单片机晶振电路如图3-3所示：图3-3晶振电路3.1.5最小系统电路单片机最小系统电路如图3-4所示：图3-4单片机最小系统电路3.2LCD1602液晶显示模块本设计采用LCD1602模块输出显示信息。LCD模块具有使用便捷、功耗低等优势。能够不需外加驱动电路地显示数字和字符内容。当用户刷卡时，通过射频模块读取相应的信息，信息又通过单片机传输给LCD模块从而完成信息的传输和显示，如果门禁通过，射频卡信息会显示在屏幕上，反之则无。通过单片机与LCD1602连接的引脚高低电平变化来控制信息传输，也能够另外控制LCD屏的亮度。3.2.1LCD1602引脚分布第1引脚：GND为电源地第2引脚：VCC接5V电源正极第3引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接VCC时对比度最弱，接GND时对比度最高。第4引脚：RS为寄存器选择，低电平时选择指令寄存器、当高电平时选择数据寄存器。第5引脚：RW为读写信号线，当输入高电平时进行读操作，当输入低电平时时进行写操作。第6引脚：E端为使能端，当输入高电平时读取信息，负跳变时执行指令。第7~14引脚：D0~D7为8位双向数据端。第15~16脚：空脚或背灯电源。第15引脚背光正极，第16引脚背光负极。具体功能如表3-2所示：表3-2LCD1602引脚1923456E783.2.2LCD1602简介LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780。本设计使用的LCD是带有背光的。LCD显示器实物如图3-5和3-6所示：图3-5液晶屏正面图3-6液晶屏背面3.2.2显示电路原理图LCD显示电路原理图如图3-7所示：图3-7显示电路原理图3.3按键模块本模块主要完成射频信号的存储和清零，主要分为开门按键和禁门按键。本按键模块主要用的是独立式按键，开门和禁门按钮直接连接的单片机，能够更好的运行程序。其中K2按键接单片机P10接口，K3按键接单片机P11接口。当需要存储新的射频卡信息时，按下开门按键，单片机便能存储射频卡信息以便下次刷卡时能够解锁门禁；当按下禁门按键，寄存器中已有的射频卡数据便会全部清零，这样当下次刷卡时，门禁不会打开。按键模块原理图如图3-8所示：图3-8显示电路原理图3.4射频模块射频模块起到了读取射频信息的功能。当用户刷卡时，射频模块能够读取卡中的信息，并将信息返回给单片机，通过单片机来完成后续的开关锁或是LCD显示的功能。如果刷卡时发现单片机寄存器没有射频卡的信息，则开锁失败，这时候可能需要按键模块配合存储数据；如果刷卡时发现寄存器内有相应的射频卡信息，则开锁成功，LCD屏幕也会与相应的显示。射频模块主要起到了读取射频卡信息的作用。射频系统原理图如图3-12所示：图3-9显示电路原理图3.5蜂鸣器报警模块蜂鸣器主要是起到提示和报警功能。蜂鸣器由磁铁、铜线圈和震动片构成。它通过改变两端电压频率的方式来控制发出声音的声调。当用户刷卡时，单片机程序判断是否开门，并把指令传输给蜂鸣器，蜂鸣器发出提示声。具体的原理框图如图3-13所示：图3-10蜂鸣器原理图3.6本章小结本章主要对硬件系统各个模块进行了整理和分析，通过把一个大的系统模块化，后续在发现问题时也能够更加便捷的解决。完成了硬件电路的设计，后续就是门禁软件系统的设计以及相关的调试。第四章门禁系统软件设计上一章主要介绍了本设计的硬件系统，并介绍了各个模块的作用。当硬件电路确定后，本设计所想要实现的功能主要还是依靠软件系统来实现的。通过单片机程序的串联，硬件电路各个模块便能够发挥出功用，从而更好的实现功能，满足用户需求。4.1软件程序设计准则对于程序而言，不仅仅需要满足系统相关功能的实现，与此同时也应该关注系统的稳定性和可靠度。软件程序的设计是基于硬件系统的基础上，尽可能的联结不同的模块，使其最大可能的发挥出效能。故在本设计中系统的程序设计需要遵守一些准则：(1)程序精简化原则。对于类似或使用频率高的几个函数，应当精简其函数，在不影响其功能的情况下，增加每个函数的独立性，同时也提高了检查程序的效率。 (2)程序结构化原则。使软件系统分成些许不同的模块，让复杂问题简单化，提高代码维护和可读性。 (3)自顶向下原则。程序设计应该先考虑总体再考虑细节，在总体功能都能正常实现的情况下，优化细节，使问题更加具体化。4.2KeilC51软件单片机编程使用的语言一般为汇编语言和C语言。汇编语言的优点是运行速度较快、代码执行的效率高，但是其篇幅较大，可读性和简洁性较差，而用汇编语言编写单片机程序较为冗杂，编写程序所花费的时间也较多。C语言既有高级语言的特点，也有汇编语言的特征。C语言程序较为简洁，可读性强，编程效率也很高且易于维护和移植，是编写单片机程序的一个不错选择。KeilC51是美国KeilSoftwore软件公司出品的51系列C语言软件开发系统，C51编译器可以直接对8051系列单片机的内部特殊功能寄存器进行操作，Keil有很多个版本，具有强大的管理和仿真功能。本文在进行单片机程序烧录时需要用到Keil软件，它能够利用硬件仿真器进行实时仿真。4.3软件设计流程4.3.1终端软件总体设计本设计主要包括了四个功能模块：数据存储与清除模块、射频模块、LCD显示模块和开锁模块。系统各模块所实现的功能如下：射频模块：当用户刷卡时，射频模块会自动读取IC的信息并将IC卡信息通信给单片机，从而把信息传递给LCD屏幕完成显示。LCD显示模块：在完成开锁后，LCD屏幕会显示相应的字符来提示用户。数据存储与清除模块：当按下开门按钮并刷卡时，系统会自动存储已有的数据并完成开锁，当按下禁门按钮时，系统会清除已有的数据，这样当刷卡时便不会开锁。开锁模块：在射频卡完成识别和验证后，门禁开锁。4.3.2射频程序模块设计当用户在射频模块区域放入射频卡时，射频模块RC522能够自动识别卡的IC信息并将其通过I2C通信从而把IC卡信息传输给单片机。4.3.3LCD显示模块设计当射频卡的信息成功录入了系统并且射频卡被成功识别并开锁时，LCD屏就会有所显示，这就需要LCD显示的程序设计。首先需要对于LCD进行初始化并检测其忙碌状态。因为当LCD处于忙碌状态时，即使单片机主控发送了指令，LCD也不会接受指令以及射频模块所读取的数据。因此，LCD和初始化和忙碌状态检测至关重要。当判断完LCD的忙碌状态后，单片机便可以对其发送指令从而完成数据的传输。当LCD的三个引脚EP、RW、RS引脚分别为“0”“0”“1”时，此时单片机对其写入数据；当LCD的三个引脚均为低电平时，单片机对其写入数据。当射频模块读取完IC卡信息后，通过单片机给LCD的指令和数据传输，便可完成显示。具体LCD初始化的流程图如图4-3所示：图4-1LCD初始化流程图4.3.4数据存储和清除模块设计数据存储和清除模块主要依靠的是按键模块，单片机程序中给单片机的P30和P31定义，通过控制P30和P31所连接的开门和禁门按钮，从而控制射频卡信息的存储和清除。当射频模块识别完IC卡后，此时按下开门按钮，系统便能自动存储IC卡信息在寄存器中；如果在识别完后按下禁门按钮，系统便会清除寄存器内已有的IC卡信息。4.3.5开锁模块设计当射频识别完放入的IC卡信息后，单片机会自动检索已有的信息是否以及存储在寄存器中，如果已经存在，则门禁开锁；如果当放入IC卡后，发现IC卡信息并没有存储在寄存器中，则门禁不开锁，此时如果按下开门按钮，系统会存储门禁卡信息在库中，门禁打开。具体的流程图如图4-2所示：图4-2开锁模块流程图4.3.6智能射频门禁整体程序流程本次智能射频系统所需要实现的功能主要有两个，一个是射频卡的读取和显示，一个是在刷卡通过后的开锁。当用户刷卡后，射频模块会自动读取IC卡的数据，并把数据通信给单片机，单片机在接受数据后将数据传输给LCD从而显示。当射频模块中没有卡时，LCD则不显示具体卡号。当然，LCD在显示之前会完成初始化从而保证射频卡数据的无误读取。当刷卡后如果按下开门按钮，系统会自动存储IC卡的数据在寄存器中，这样当下次刷卡时，门锁便能自动打开；而当刷卡后按下禁门按钮，存储在单片机寄存器内的数据会被清除，这样当下次刷卡时，门锁不会打开，从而完成了智能刷卡门禁系统的功能。具体的流程图如图4-3所示：图4-3总体系统流程图4.4本章小结本章介绍了软件系统的各个模块及其工作方式，并介绍了总体的系统流程，并以流程图的方式表示。下一章主要就是实物的焊接与调试了。第五章实物的制作与调试在完成硬件电路和软件程序的编写后,接下来就是射频刷卡电路实物的焊接和调试了。尽管之前已经完成了射频系统的硬件和软件设计，但倘若焊接不出实物或电路板不能正常工作，那这一切都只是纸上谈兵了。所以实物的焊接和调试就显得尤为重要。5.1电路的焊接与制作在开始焊接之前，最首先的是要确认我待会所要焊接的元器件是否和我原理图上所展示的一致。本次智能射频刷卡门禁系统所用到的元器件有：电源座、AMS1117、开关、指示灯、电阻、IC座、单片机STC89C52、晶振、独石电容、按键、电解电容、排母、RC522刷卡器、排座、LCD1602、电位器、蜂鸣器、三极管S8550、继电器、覆铜板。完成了元器件的确认，我又确认了一下我所需要的焊接器件是否齐全，例如万用电表、电烙铁、镊子、剪刀、焊锡丝、松香、导线。在确认焊接器件都无误后，我开始了焊接。虽然在之前的数电和模电课设中，我已然有了一些焊接电路板的经验，但毕竟这次是一个全新的电路，所以我也十分的谨慎小心。因为这次用的是覆铜板的缘故，所以这次的电路焊接会比以往简单很多。因为覆铜板在出厂时，已经将电路用铜通路的方式刻在了电路板背面，所以对于我而言，只需要知道每个元器件的位置和方向即可。但一开始我并不知道，由于之前课设都用的普通电路板，所以一开始我并没有觉察覆铜板的差别，并将焊锡焊在了铜通路上，这也导致我焊接的效率相对较低，本来几小时就可以完成的任务却花了一两天的时间才完成。不过不论是覆铜板还是普通的电路板，相信焊接的流程都是差不多的。在确认元器件和焊接工具都正常后就可以开始焊接。首先需要看好自己设计的电路元器件图以及PCB图，了解每个元器件的布局和走向。我在开始焊接时有些着急，先把单片机底座的引脚焊了上去，但是这样做是不利于后续的焊接的，因为每个元器件的大小都有高低之分，如果我把相对较大的元器件焊接上去了，那么之后一些相对较小的元器件比如电阻电容在焊接时可能就没法固定，影响了后续的焊接和整体美观度。我在焊接时首先观察了一下原理图和PCB的走向，发现整个电路都是围绕着单片机为中心而工作的，所以我先把单片机底座的引脚焊接上，在围绕着单片机的引脚来焊接周围的电路，例如复位电路、晶振电路还有按键电路等。在实际的焊接中，因为覆铜板的缘故，所以没有遇到特别多的障碍。在我焊接完单片机的引脚时，首先确定了VCC和GND的位置，并把单片机的VCC和GND与之相连，因为GND和VCC相对而言是一个公共连接点，所以如果弄错位置可能就会导致电路后续无法正常运行。我焊接的顺序是按着单片机周围的电路逆时针焊接的，分别是按键电路、复位电路、蜂鸣器、开锁电路、LCD显示电路、射频电路和电源电路。根据我的PCB图，我也发现了有两处焊接交叉的地方，所以我采用了飞线的方式，并且将导线尽量剪短，在不影响电路实用性的情况下，也提升了电路的美观度。在焊接完毕后，我将射频模块以及LCD模块插上，智能射频刷卡门禁电路的实物图就完成了，完成图如图5-1和5-2所示：图5-1刷卡门禁电路实物图正面图5-2刷卡门禁电路实物图背面5.2电路的功能测试接下去就是进行上电测试了，也是整个电路设计中最为关键的一步，因为如果上电之后没有反应或者是功能残缺，整个电路设计包括硬件和软件可能都得推倒重来一遍。但是在上电之前不能着急，需要首先用万用电表测试每个线路是否导通或者短路，因为很可能因为焊接的问题导致有些引脚没有焊接上或是将焊锡焊在了一起，如果不加以检查，轻则电路失效，重则单片机烧毁甚至是电路板折断。考虑到了这些后果后，我仔细的检查了每个电路，在确保每个引脚都完好接上并且没有短路现象时，我接上了电源。结果还算令人满意，在接上电源之后，电路正常运行，LCD屏幕和小灯都亮了起来，具体实物图如5-3所示：图5-3上电后实物图而后测试了射频模块和按键模块能否正常工作，在刷完IC卡后，LCD屏幕会显示已读取的卡的数据。并且如果按下开门按键，系统会自动存储门禁卡数据，而后控制开锁模块开锁，如果按下禁门按键，系统会删除已有的门禁卡数据，这样下次再刷卡时就不会开锁。具体实物图如5-4和5-5所示：图5-4刷卡后效果图(开锁)图5-5刷卡后效果图(未开锁)5.3整体不足之处及改进虽然电路最后正常工作了，但回望我整个电路的设计，我觉得还是有很多不足之处。首先当然还是对于电路和元器件知识不够了解，导致我对于覆铜板的判断错误，让我走了一些弯路，焊制电路的效率降低。其次是关于电路本身的，在后续的测试中发现开门和禁门按钮有时候没有反应，后来才知道是其本身的延迟，在刷卡解锁后，开锁模块可能要过一会才能有反应。如果对于元器件和程序能有所调整，降低开锁的延迟，实际的效果应该会更好。最后就是关于开锁的效果，这次的电路因为元器件有限，所以开锁模块只有一个衔铁来表示开锁效果，如果能在衔铁后加上电机和转轴，这样当衔铁打开或闭合时，电机和转轴能够配合着工作，这样更加能够演示出开锁的效果。第六章总结与展望在经过了数个月的努力后，从一开始的文献调研、资料搜集、器件购买，再到后来的摸索学习、不断实践，终于在最后完成了我的毕业设计。在刚得知我的毕业选题时，我心中更多的是迷茫和惧怕，因为我的毕设课题是基于单片机的图书馆刷卡系统设计，但是我在大学时并没有接触太多单片机的知识，最后烧录用到的C语言，也是在我大一的时候学到的。所以对于当时