基于ATmega8單片機的IC卡門禁系統(tǒng)設(shè).doc

IC卡門禁系統(tǒng) 摘 要 常見的門禁系統(tǒng)有:密碼門禁系統(tǒng)，IC卡門禁系統(tǒng)，指紋識別門禁系統(tǒng)等。密碼門禁系統(tǒng)由于安全性弱和便捷性差已經(jīng)面臨淘汰 ，指紋識別門禁系統(tǒng)安全性高,但由于成本高等問題而沒有得到廣泛的市場認同?，F(xiàn)在流行和通用的還是IC卡門禁系統(tǒng)。IC卡由于其較高的安全性、便捷性和性價比成為門禁系統(tǒng)的主流，但市面上的門禁系統(tǒng)都要配置相應(yīng)的IC卡才能使用，如果由于遺失或各種原因?qū)е聸]有足夠的IC卡，便要再聯(lián)系廠商購買，不但帶來不便 ，而且價格昂貴。本文介紹的環(huán)保型IC卡門禁系統(tǒng)使用的是中國電信公司的IC電話卡作為門禁的IC卡 ，不但成本低 ，而且到處都能買到，很好的解決了IC卡成本高和難購買的問題。關(guān)鍵詞 單片機 ；IC電話卡讀寫 ；信息存儲 ；信息識別Recycle IC Card JanitorAbstract：Pass Word Gate Controller、IC Card Gate Controller and Fingerprint Validate Gate Controller are familiar to us . Pass Word Gate Controller has been falled into disuse because of its weakness of security . Fingerprint Validate Gate Controller is very safe , but it is too expensive to use. So , IC Card Gate Controller still is the most popular . But nearlly all the IC Card Gate Contoller needs the homologous IC Card and the homologous IC Card is expensive and hard to buy . This text is tell you how to use the IC Telephone Card to design Recycle IC Card Janitor . So , you never need to worry about the problems of money and hard to buy , because the IC Telephone Card is cheap and easy to buy .Key words： MCU ; Read and Write IC Telephone Card ; Information Save ; Information Validate1引言門禁，又稱出入管理控制系統(tǒng)。是一種管理人員進出的數(shù)字化管理系統(tǒng).隨著智能化、數(shù)字化信息社會的到來，“卡”已逐漸深入到了人們生活的方方面面，人們正在一步步地適應(yīng)著卡，也漸漸地離不開卡，毫不夸張地說，人類將走向“卡”的世界?？ㄊ菍崿F(xiàn)智能化管理和自動化管理工作的一種重要手段。在需要控制人員出入情況的場所，比如人員階段性流動的實驗室，賓館的客房，有特殊需求的保密部門等等，如果使用卡開啟門，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的出入證和鑰匙，就能使管理工作實現(xiàn)自動化、智能化。不但用者方便，管理者也方便，而且工作效率和安全性都可以大大地提高。下面介紹的環(huán)保型IC卡門禁系統(tǒng)就是一個安全、可靠的電子門鎖系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，可以方便地管理和控制應(yīng)用場所的人員進出情況，驗明出入人員的身份和出入權(quán)限。在IC卡應(yīng)用日益廣泛的今天，IC卡門禁系統(tǒng)以其門禁管理的安全、可靠、高效、靈活、方便，已逐步取代其他現(xiàn)有各類門鎖，成為目前門禁系統(tǒng)的主流方式。2系統(tǒng)功能設(shè)計必須輸入正確密碼才能進入系統(tǒng)菜單設(shè)置各項功能，如：增加新的IC卡、刪除已有的IC卡、修改密碼等。能增加新的IC卡，最多可以發(fā)卡83張。能刪除已有的IC卡能識別IC卡并提示卡號能識別不正確的插卡并提示能讀出IC電話卡內(nèi)的余額，并能按設(shè)置減去卡內(nèi)相應(yīng)的余額（為防止人為誤操作，每次最高只能減去0.9元）以綠燈亮代表開門信號3系統(tǒng)硬件原理3.1 系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖如圖1所示:圖1 系統(tǒng)原理圖3.2 主控芯片：ATmega8ATmega8是ATMEL公司推出的一款新型AVR高檔單片機。在AVR家族中，Atmega8是一種非常特殊的單片機，它的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGA系列的全部性能和特點。Atmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機。AVR單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時訪問（讀寫）兩個獨立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了全碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，Atmega8可以達到接近1MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍。Atmega8的部分主要性能如下： 高性能、低功耗的8位AVR微控制器，先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu) 130條功能強大的指令，大多數(shù)為單周期指令 32個8位通用工作寄存器 工作在16MHz時，具有16MIPS的性能 片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個時鐘周期） 片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器 8K字節(jié)的Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)：10000次 支持可在線編程（IPS）、可在應(yīng)用自編程（IAP） 帶有獨立加密位的可先BOOT區(qū)，可通過BOOT區(qū)內(nèi)的引導(dǎo)程序區(qū)（用戶自己寫入）來實現(xiàn)IPA編程。 512個字節(jié)的EEPROM，擦寫次數(shù)：100000次 1K字節(jié)內(nèi)部SRAM 可編程的程序加密位 特殊的微控制器性能 可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路 內(nèi)部集成了可選擇頻率（1/2/4/8MHz）、可校準的RC振蕩器、外部和內(nèi)部的中斷源18個 最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負載；輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻 寬工作電壓：2.7V5.5V（Atmega8L）本系統(tǒng)使用Atmega8作為主控芯片，主要作用為：使用其I/O口讀寫IC電話卡內(nèi)的全部信息，并將卡內(nèi)的全部信息存儲在Atmega8的EEPROM內(nèi)，一張卡占用6個字節(jié)，一共可存儲83張IC電話卡的信息，存儲地址為EEPROM（0497）；驗證插入的IC卡是否允許通行，可通行則綠燈亮;驗證輸入的登錄密碼是否與EEPROM（地址為：504511）內(nèi)存儲的密碼相同；檢測3x4鍵盤是否有按鍵按下；將各類信息顯示到液晶1602，以進行人機交換操作。3.3 IC電話卡90年代的初期IC電話卡的出現(xiàn)，就已經(jīng)取代了當時獨霸一時的電話磁卡了，由于電話磁卡存在嚴重的安全性問題，所以推出不久就被黑客破解，所以訖今亦徹底淘汰了。IC電話卡實質(zhì)是一個帶串行輸出的128位的EPROM，片內(nèi)的前64位已經(jīng)寫了保護，在出廠時已經(jīng)編程而且其熔絲位已被加密，所以無法更改片內(nèi)的數(shù)據(jù)，。而其后的40位計數(shù)單元是受內(nèi)部邏輯控制的，在讀寫時卡片內(nèi)只能作減法計數(shù)，不能作加法計數(shù)，直至存儲單元內(nèi)裝入的預(yù)置值減到0為止，因為IC電話卡是一種一次性的計數(shù)卡片，所以卡片內(nèi)的存儲單元減至空，卡片也就用完了,也就是作廢了。很多人都會把用完的IC卡扔掉，但是電信公司發(fā)行的IC電話卡不計其數(shù)，這樣一來就會對環(huán)境造成污染。本文介紹的門禁系統(tǒng)使用的IC卡就是電信公司的IC電話卡，無論IC電話卡內(nèi)有無余額都能作為門禁的IC卡使用，完全符合環(huán)保的概念，并能很好的解決門禁IC卡成本高和難購買的問題。IC電話卡消費計數(shù)的單位價格是根據(jù)各種應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)定的，例如：30元面值的IC電話卡，對應(yīng)的片內(nèi)的存儲單元的預(yù)置是#300，那每單位值就是0.1元了，IC電話機以每分鐘產(chǎn)生一個扣費脈沖信號，扣費值是由當?shù)豂C電話管理系統(tǒng)設(shè)定的。一般是0.3元和0.8元，卡片內(nèi)被減值是3次或8次了。而其它國家的IC電話卡也是如此。一般IC電話卡的引腳如圖2所示：圖2 IC電話卡引腳圖IC電話卡一般采用8腳封裝和6腳封裝，如果采用6腳封裝的則無下面兩個空腳。它的存儲單元分布 ：64位EPROM（8字節(jié)）寫保護區(qū) 芯片數(shù)據(jù)代碼區(qū) 發(fā)行商數(shù)據(jù)代碼區(qū)，40位EEPROM（5字節(jié)）預(yù)置值計數(shù)區(qū)24位為1（3字節(jié)）共16字節(jié)數(shù)據(jù)，如圖3所示：3.4 IC電話卡的原理： 圖3 IC卡存儲單元分布圖3.4.1 復(fù)位： 要使地址計數(shù)器復(fù)位“0”，先讓Resct復(fù)位端由“0”變成“1”，然后跟著一個Clock脈沖從“0”變成“1”再降回“0”電平，Resct復(fù)位端再至“0”，把Clock脈沖包住，隨著Reset端變低，地址0單元的數(shù)據(jù)從I/O上輸出。對應(yīng) Clock端的每個脈沖，其上升沿使地址計數(shù)器增加。其下降沿使被選通地址單元的數(shù)據(jù)從I/O上輸出。地址計數(shù)器增加到127后返回到0，如圖4的時序圖所示： 圖4 復(fù)位時序圖3.4.2 寫位： 在Reset和Clk端均為低的情況下，如果某地址單元允許寫操作（64-103位，且該位必需為1），則Reset端上的一個脈沖（即從低到高再回低）將允許芯片進行位寫操作。在緊跟著的時鐘脈沖期間執(zhí)行寫操作，調(diào)整寫操作維持時間至少10ms,在這個CLK脈沖期間，地址計數(shù)器不會增加，在CLK寫脈沖下降沿，數(shù)據(jù)0從I/O端輸出。從Reset脈沖的上升沿到CLK寫脈沖的下降沿期間，I/O端的數(shù)據(jù)是無效的。在下一個才CLK脈沖，且Reset為低時，地址計數(shù)器又增1，并在下降沿時，把選通的地址單元的數(shù)據(jù)送到I/O端。如圖5的時序圖所示： 圖5 寫位時序圖3.4.3 字節(jié)擦除： 對位地址72-103的字節(jié)單元來說，只要在每個字節(jié)的前面一位進行一次正常的寫操作，就可以對此字節(jié)后一字節(jié)進行字節(jié)擦除操作。也就是說，每向高一字節(jié)進行借位（即寫一位0），緊接著的擦除時序可以對后一字節(jié)按字節(jié)擦除（即整個字節(jié)寫1）。被擦除的字節(jié)總是比借位寫的字節(jié)低一字節(jié)。從以下時序圖可以看出，首先，完成一個“位寫”操作，在CLK的寫脈沖結(jié)束后，在CLK為低電平時，在發(fā)一個Reset脈沖即啟動字節(jié)擦除操作。在第二個CLK脈沖完成字節(jié)擦除，脈沖維持時間整定為擦除周期時間（至少1ms)。芯片邏輯控制電路驗證了借位寫確已完成從“1”寫“0”后，才擦除其低位字節(jié)。從Reset的上升沿到擦除操作的CLK脈沖的下降沿，I/O腳上的數(shù)據(jù)無效。地址計數(shù)器仍然停留在借位寫的地址上。如圖6的時序圖所示： 圖6 字節(jié)擦除時序圖3.4.4 計數(shù)方法： 在67-103地址單元中分為5個不可重置8單元計數(shù)器，芯片初始化時，72-103地址單元所對應(yīng)的4個較低的8單元計數(shù)器中可以放0到8個“1”而67-71地址單元所對應(yīng)的第5個計數(shù)器可以放0到5個“1”。所謂計數(shù)一次，就是將一個單元從“1”寫成“0”。一個計數(shù)器中8位全為“0”后，要計數(shù)，需借位操作，即將高位計數(shù)器的一位從“1”寫成“0”而相應(yīng)其低位計數(shù)器整個字節(jié)從“0”擦除成“1”?？梢?個8單元計數(shù)器如此逐一遞減，其最大計數(shù)為8的4次方=4096。第5個計數(shù)器中5個單元因處在最高位只能被寫“0”無法擦成“1”。因此只能計數(shù)5次。故芯片總計數(shù)為5X4096=20480。當全部計數(shù)單元（地址67-103）都被寫成“0”時，卡片就用完了，不過，芯片出廠初始化時，初置的計數(shù)值由國家不同和卡片面值不同而不同，如100元卡初置計數(shù)值為1000。如圖7所示： 圖7 IC卡計數(shù)方法圖3.5 3x4行列式鍵盤 本系統(tǒng)使用4x3行列式鍵盤控制門禁系統(tǒng)，從左到右（從上到下）分別為：按鍵“1”， 按鍵“2”， 按鍵“3”， 按鍵“4”， 按鍵“5”， 按鍵“6”， 按鍵“7”， 按鍵“8”， 按鍵“9”， 按鍵“0”， 按鍵“取消”， 按鍵“確定”。 鍵盤輸入信息的主要過程如下： 3.5.1 CPU判斷是否有鍵按下。 首先單片機向列掃描口PD0PD2輸出 全為0的掃描碼F0H，然后從行檢測口PD4PD7輸入行檢測信號，中要有一列信號不為1，即PD口不為F0H，則表示有鍵按下。 3.5.2 查詢按下鍵所在的行、列位置。 單片機將得到的信號取反，PD4PD7口中為了的位便是按鍵所在的列，確定行位置原理相同。 3.5.3 鍵的抖動處理。 當用手按下一個鍵時，往往會出現(xiàn)所按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個鍵時，也會出現(xiàn)類似的情況這就是鍵抖動。抖動的持續(xù)時間不一，通常不會大于10ms。若抖動問題不解決，就會引起對閉合鍵的多次讀入。解決鍵抖動最方便的方法就是：當發(fā)現(xiàn)有鍵按下后，不要立即進行逐行掃描，而是延時10ms后現(xiàn)進行。由于鍵按下的時間持續(xù)上百ms，延時后再掃描也不遲。 3.6 字符型LCD顯示模塊 液晶顯示器以其微功耗、體積小、重量輕、超薄型等諸多其他顯示器件無法比擬的優(yōu)點，在袖珍式登記表和低功耗系統(tǒng)中，得到越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)使用液晶顯示模塊作為人機交換界面顯示，采用四線接法，大大節(jié)省了單片機的I/O口。4系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 系統(tǒng)總體理論設(shè)計方框圖 本系統(tǒng)最主要的部分是軟件，所有的控制都是由單片機程序控制實現(xiàn)。上電開機后，LCD顯示器第一行顯示“Jason Janito”，第二行顯“Total : 卡數(shù)/83”；然后門禁系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，等待期間不斷檢測是否有卡插入或按鍵按下，若有卡插入則驗證該卡，若有鍵按下，在輸入正確密碼后進入設(shè)置菜單。整體操作流程圖如圖8所示。YESYESYESliver1028SYESliver1028SYESliver1028SNONOYESNOYESNOYESliver1028SYES開門(綠色LED燈亮)檢測是否有卡插入檢測是否已取出卡NO檢測是否按下確定NO確定是否允許該卡進入減錢程序檢測是否按下取消檢測是否有鍵按下檢測密碼是否正確NO進入設(shè)置菜單退出增加新IC卡刪除已有IC卡修改登錄密碼檢測機內(nèi)是否有該卡信息增加或刪除該卡輸入新密碼再次輸入新密碼檢測兩次輸入密碼是否相同NO門禁系統(tǒng) （等待狀態(tài)）退回主程序門禁系統(tǒng) （等待狀態(tài)）返回設(shè)置菜單退回主程序門禁系統(tǒng) （等待狀態(tài)）NO 圖8 整體流程圖4.2 IC電話卡驗證、顯示及減錢程序當系統(tǒng)檢測到有IC卡插入時，CPU Atmega8首先將IC卡內(nèi)的全部數(shù)據(jù)讀出并存儲在數(shù)組IC_Codes_816內(nèi)，然后將數(shù)組與預(yù)先存儲在EEPROM中的IC卡數(shù)據(jù)作比較，如果全部數(shù)據(jù)相同則表示該卡允許放行，以綠燈提示，并將IC電話卡內(nèi)的余額顯示在液晶顯示器上；如果此時按下確定鍵，則進入IC卡減錢程序，在提示處輸入要減去的金額（每次最多可減0.9元），按下確定鍵即可。部分程序如下：void Read_Card ( void ) / 讀卡程序（讀取IC電話卡內(nèi)的數(shù)據(jù)） unsigned char I = 0 , j = 0 , k = 0 , / 循環(huán)用變量 IC_Codes_2128 = 0 ; / IC卡內(nèi)128bit數(shù)據(jù) for( i = 0 ; i 16 ; i+ ) IC_Codes_8i = 0 ; / 上次讀卡的全局變量數(shù)據(jù)清除 Reset_0 ; / IC電話卡復(fù)位 CLK_0 ; delay_nms(10) ; / 延時10ms Reset_1 ; / 為使地址計數(shù)器復(fù)位到0，先讓Reset端變高。 delay_nus(8) ; / 緊跟著一個Clock脈沖（從低到高再降到0）， CLK_1 ; / Reset重新變低，把Clock脈沖包住。隨著Reset delay_nus(44) ; / 端變低，地址0單元的數(shù)據(jù)從I/O上輸出。對應(yīng) CLK_0 ; / Clock端的每個脈沖，其上升沿使地址計數(shù)器增加。 delay_nus(8) ; / 其下降沿使被選通地址單元的數(shù)據(jù)從I/O上輸出。 Reset_0 ; / 地址計數(shù)器增加到127后返回到0。 delay_nus(5) ; if ( ( PINB & 0x02 ) = 0 ) IC_Codes_20 = 0 ; / 讀取IC卡地址0的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為0時） else IC_Codes_20 = 1 ; / 讀取IC卡地址0的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為1時） delay_nus(27) ; / 延時27us for ( i = 1 ; i 128 ; i+ ) CLK_1 ; delay_nus(40) ; / IC卡時鐘脈沖 CLK_0 ; delay_nus(20) ; if ( ( PINB & 0x02 ) = 0 ) IC_Codes_2i = 0 ; / 讀取IC卡地址1127的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為0時） else IC_Codes_2i = 1 ; / 讀取IC卡地址1127的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)為1時） delay_nus(20) ; for( i = 0 ; i 16 ; i+ ) / 將128bit 數(shù)據(jù)按順序轉(zhuǎn)換成16個字節(jié) for ( j = 0 ; j 8 ; j+ ) / 把16個字節(jié)存儲到數(shù)組IC_Codes_816 IC_Codes_8i |= ( IC_Codes_2k 4 ) ; LCD_en_write() ; / 調(diào)整位置后寫高四位數(shù)據(jù) LCD_DATA_PORT &= 0Xf0 ; / 初始化I/O口 LCD_DATA_PORT |= data_temp & 0x0f ; LCD_en_write() ; / 寫低四位數(shù)據(jù) else / 如果命令為1則寫入命令 LCD_RS_PORT& = LCD_RS ; / RS=0 LCD_DATA_PORT &= 0Xf0 ; / 初始化I/O口 LCD_DATA_PORT |= ( ( command_temp & 0xf0 ) 4 ) ; LCD_en_write() ; / 調(diào)整位置后寫高四位命令 LCD_DATA_PORT &= 0xf0 ; / 初始化I/O口 LCD_DATA_PORT |= command_temp & 0x0f ; LCD_en_write() ; / 寫低四位命令 4.3.2 鍵盤掃描程序： unsigned char Key_Scan( void ) / 鍵盤掃描程序 （返回按鍵值） unsigned char Key = 0 ； / 定義按鍵值變量 PORTD = 0x0f ; / PD0PD3輸出低電平，PD4PD7上拉電阻 DDRD = 0xf0 ; / PD0PD3定義為輸出，PD4PD7定義為輸入 if ( ( PIND & 0x04 ) = 0 ) Key_1 = 1 ; / 讀取相應(yīng)輸入口的電平 else if ( ( PIND & 0x02 ) = 0 ) / 以確定是否有按鍵按下 Key_1 = 2 ; / 并賦予相應(yīng)的Key值 else if ( ( PIND & 0x01 ) = 0 ) Key_1 = 3 ; delay_nms(50) ; / 延時50ms PORTD = 0xf0 ; / PD4PD7輸出低電平，PD0PD3上拉電阻 DDRD = 0x0f ; / PD4PD7定義為輸出，PD0PD3定義為輸入 if ( ( PIND & 0x80 ) = 0) Key_1 += 0 ; else if ( ( PIND & 0x40 ) =0 ) / 讀取相應(yīng)輸入口的電平 Key_1 += 3 ; else if ( ( PIND & 0x20 ) = 0 ) / 以確定是否有按鍵按下 Key_1 += 6 ; else if ( ( PIND & 0x10 ) = 0 ) / 并賦予相應(yīng)的Key值 Key_1 += 9 ; return Key ; / 返回按鍵值4.4 EEPROM讀寫程序 Atmega8芯片內(nèi)集成有512個字節(jié)的EEPROM，擦寫次數(shù)高達100000次。本系統(tǒng)的全部信息都存儲在此EEPROM內(nèi)，包括：登錄密碼、被允許的IC卡信息。所有輸入的數(shù)據(jù)都要與EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)比較，符合要求的才能被允許。所以此EEPROM在本系統(tǒng)中起