【基于RFID的住宅小區(qū)門禁系統(tǒng)設(shè)計7300字（論文）】

基于RFID的住宅小區(qū)門禁系統(tǒng)設(shè)計【摘要】智能門禁管理系統(tǒng)的核心為51單片機，本設(shè)備的主要器件有：單片機獨立按鍵，RFID射頻，1602LCD，上位機等，能夠完整實現(xiàn)從位機刷卡然后在液晶顯示卡號的功能。主控器是STC89C52，主要目的是讓主控芯片可以接收到集成電路（IC）卡信息和獨立按鍵，并且進行處理，在主控芯片的作用下，可以將IC卡信息及獨立按鍵被轉(zhuǎn)換為數(shù)碼形式，然后在液晶上顯示卡號，顯示的IC卡信息符合規(guī)定的話，就發(fā)出開啟電磁鎖的指令并進行報警提示，不符合要求則下位機會提示，本設(shè)計簡化了管理員的管理過程，設(shè)計規(guī)模小，成本較低，由于中國人口基數(shù)大，需求量巨大，以上設(shè)計的特點滿足這一大環(huán)境，擁有良好的實用價值?！娟P(guān)鍵詞】單片機；門禁系統(tǒng)；上位機；RF模塊目錄1概論 41.1前言 41.2選題的背景與意義 41.3國內(nèi)外研究情況 42體系結(jié)構(gòu)的選擇和論證 52.1設(shè)計任務(wù)和要求 52.1.1設(shè)計與需求內(nèi)容 52.1.2系統(tǒng)的設(shè)計與方案 52.2模塊基本方案 52.2.1單片機方案選擇與論證 52.2.2顯示方案 62.2.3按鍵的設(shè)計方案 62.3RFID射頻技術(shù) 63系統(tǒng)硬件設(shè)計 73.1硬件設(shè)計的總體框架 73.2單片機主控模塊 73.3液晶屏模塊 83.4IC卡讀卡器的工作原理 83.5獨立按鍵模塊 93.6報警器警報 93.7電源模塊 114系統(tǒng)軟件部分 114.1登記和撤銷程序流程框 114.2液晶流程框 124.3射頻流程框 124.4燒錄軟件簡介 135系統(tǒng)的調(diào)試 145.1單片機調(diào)試 145.2獨立鍵盤調(diào)試 145.3射頻模塊調(diào)試 145.4報警器調(diào)試 155.5液晶1602調(diào)試 155.6電源調(diào)試 155.7硬件調(diào)試 155.8軟件調(diào)試 155.9整體實現(xiàn) 15總結(jié) 16參考文獻 161概論1.1前言現(xiàn)如今我國的經(jīng)濟正在飛速發(fā)展，單片機也被大規(guī)模使用，應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域和應(yīng)用，在研發(fā)、制造、等方面都有良好的表現(xiàn)，單片機的優(yōu)點也是很可觀的例如：輕便小巧，價格優(yōu)惠，并且自身結(jié)構(gòu)和編程簡單，有較高的性價比，方便使用，在人們的生活中很多設(shè)備都離不開它的控制作用，如人臉識別技術(shù)、萬年歷、自動化紅綠燈等成品，在以上設(shè)備中都依賴于單片機的控制功能才能得以實現(xiàn)。如今，技術(shù)進步快，創(chuàng)新能力強，單片機技術(shù)跟隨趨勢，不斷發(fā)展用來滿足龐大的市場需求，當然應(yīng)時而生的不僅僅只有單片機技術(shù)，還有很多其他的技術(shù)也是如此，如：為了提高檢測精度，檢測技術(shù)也得到了發(fā)展，精度得到了大幅度提高，具有越來越長的壽命。目前自動檢測控制系統(tǒng)多以單片機為核心，而單靠單片機本身是無法完成任何工作的，必須借助其它外圍電路來輔助系統(tǒng)的工作。外設(shè)經(jīng)常檢測外部信息，并將檢測信息傳送給單片機，由單片機判斷處理信息，執(zhí)行相關(guān)指令，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。1.2選題的背景與意義科學(xué)技術(shù)日新月異，日新月異，門禁系統(tǒng)在人們的生活中扮演著重要角色，涉及個人、財產(chǎn)等諸多問題，住宅小區(qū)就是一個很好的例子，如果不實行門禁管理，就會造成外來人員混入，可能對居民的人身和財產(chǎn)造成威脅。大多數(shù)智能門禁系統(tǒng)，通常使用指紋技術(shù)、密碼鎖技術(shù)來驗證出入人員身份和控制門禁開關(guān)，但在使用的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)密碼泄露等現(xiàn)象，容易引起非安全人員也能夠進出小區(qū)的現(xiàn)象，經(jīng)常造成居民財產(chǎn)丟失的情況，因此采用RFID射頻技術(shù)，設(shè)計出利用門禁卡驗證身份的門禁系統(tǒng)，如若丟失只需及時注銷卡號就可以保證安全，這種系統(tǒng)不僅提高了門禁系統(tǒng)的安全性，而且也有利于小區(qū)居民的信息管理，具有很高的安全性，本設(shè)計優(yōu)化了小區(qū)管理模式，簡單方便的設(shè)計方式，成本低廉，面對中國龐大的市場需求，實用性和發(fā)展性是毋庸置疑的。1.3國內(nèi)外研究情況伴隨信息化的普及和發(fā)展，為了加快達到信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的目標，推進數(shù)字化小區(qū)建設(shè)等戰(zhàn)略被相繼提出?！皵?shù)字化”發(fā)展趨勢必不可少的一部分就是智能門禁。本文最重要的一點是利用射頻（RF）技術(shù)實現(xiàn)和構(gòu)成智能門禁系統(tǒng)。無線電頻率在國外發(fā)展也很快，在日本、美國等發(fā)達國家，無線電頻率技術(shù)已經(jīng)比較成熟。RF在發(fā)達國家中主要分為低、中、高頻率RF，125KHZ,13.4MHZ是低頻RF的主要頻率；高頻RF則分為915MHZ,2.45GHZ等階段，在日本和歐洲5.8GHZ射頻皆較為成熟，美國作為高頻頻率射頻發(fā)展的最快的國家，技術(shù)也處于領(lǐng)先水平。在現(xiàn)在的中國，射頻技術(shù)同發(fā)達國家還有一定的差距，但國家和政府對射頻技術(shù)的重要性是肯定的，所以加大了對發(fā)展射頻技術(shù)的關(guān)注力度和支持，部分專業(yè)部門也制定了自己的國家射頻階段標準，以促進國內(nèi)射頻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為目的，而且射頻技術(shù)與國際射頻技術(shù)還不兼容，還需要不斷加大投入，以加快我國自主研發(fā)射頻技術(shù)的速度。2體系結(jié)構(gòu)的選擇和論證2.1設(shè)計任務(wù)和要求2.1.1設(shè)計與需求內(nèi)容1、整個系統(tǒng)中最重要的一部分選用那些器件，在這里我們選擇的主控器是STC89C52，另外再同RFID射頻、繼電器、報警模塊，獨立按鍵，1602LCD等，一同組成了門禁系統(tǒng)；2、利用IC進行解鎖時，如果是非注冊IC卡刷卡，蜂鳴器會發(fā)出報警提示；如果是注冊過的IC卡刷卡，系統(tǒng)會將繼電器吸合，綠色LED燈亮。3、按菜單鍵時，1602LCD進入管理界面；再按菜單鍵，1602LCD進入刷卡界面。4、當系統(tǒng)進入到管理界面，并將卡放在RF上，按下注冊按鈕，LCD顯示注冊卡成功，蜂鳴器將進行提示，提示卡成功注冊。5、該系統(tǒng)進入管理界面后，將卡置于RF上，按下撤消鍵，LCD顯示撤消卡成功，蜂鳴器將顯示卡成功撤消的提示。2.1.2系統(tǒng)的設(shè)計與方案主控器為上文提到的STC89C52，采集到的IC卡及獨立按鍵的信息由STC89C52傳送給主控芯片進行處理，然后將IC卡及獨立按鍵的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)碼形式通過液晶顯示卡號（由主控器轉(zhuǎn)換），若IC卡信息符合則發(fā)送指令進行電磁鎖開啟，若不符合則下位機進行報警提示。2.2模塊基本方案2.2.1單片機方案選擇與論證方案的不同主要是芯片選擇的不同，本設(shè)計經(jīng)過對比有以下兩個方案一、主控芯片為STM32，這類芯片的優(yōu)點有：芯片內(nèi)部資源充足，功能多樣不單一，但是程序和硬件較為復(fù)雜，價格較昂貴，此類芯片一般應(yīng)用于大型操作系統(tǒng)。二、主控芯片為STC89C52，功能同樣富足，像定時、串口等內(nèi)部資源都有，同上一方案對比，價格便宜，而且操作相對簡單，常用于一些小型系統(tǒng)，十分方便。鑒于本系統(tǒng)需要具有操作簡單的同時也要盡可能降低資源消耗，所以選用了方案二的STC89C52芯片作為主控芯片，來實現(xiàn)門禁功能。2.2.2顯示方案對于本文設(shè)計的系統(tǒng)，適用顯示方法也可分為兩種一、顯示界面采用數(shù)碼管，數(shù)碼管主要用于數(shù)字顯示，優(yōu)點為：顯示效果好，占地小利于操作，但顯示字符數(shù)有限，焊接時較為復(fù)雜，通常應(yīng)用于需要顯示字符數(shù)目有限的設(shè)計。二、以1602液晶作為顯示界面，1602顯示效果好，操作也簡單，并且能夠多字符顯示，適用于需要多字符顯示的系統(tǒng)。本文設(shè)計的系統(tǒng)需要將采集到的卡號顯示在LCD上，如果用數(shù)碼管顯示有一定的局限性，兩者相對比，方案二更合適，因此采用1602液晶為LCD。2.2.3按鍵的設(shè)計方案一、矩陣按鍵，矩陣按鍵在使用時有些許不便，焊接過程繁瑣，靈活度不高，不易占用單片機I/O，適用于多鍵操作的系統(tǒng)。二、獨立按鍵，與矩陣按鍵相比編程簡單，焊接過程簡單，靈活度高，占用MCUI/O多，適用于少鍵系統(tǒng)。由于智能門禁檢測需要注冊和撤銷按鍵，主控芯片的I/O口很有限，為了節(jié)省可用資源所以選用方案二，采用獨立按鍵。2.3RFID射頻技術(shù)射頻識別技術(shù)的主要工作原理是：當有人持卡放入射頻模塊的可識別范圍時，讀卡器對卡進行識別并讀取卡的信息，然后存儲在芯片中，或時卡向讀卡器發(fā)送信息，讀卡器接收信息并破解，最后送到MCU（單片機），由MCU分析。讀取器和應(yīng)答器之間進行信息交換采用的通訊方式半雙工，并通過耦合為應(yīng)答器（被動式）提供能量。本設(shè)計中采用MFRC522讀卡器，高集成的屬于非接觸式讀卡器，3.56MHz是他的工頻。射頻識別系統(tǒng)是由讀卡器、集成電路卡等構(gòu)成，其工作原理也很簡單，讀卡器在發(fā)送數(shù)據(jù)驅(qū)動電路時，發(fā)射電波，讀寫器獲取并破譯，并進行相應(yīng)處理。圖2-3RC522的簡單模型3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件設(shè)計的總體框架門禁系統(tǒng)的硬件部分是:主控芯片依舊是上文所提的STC89C52，顯示模塊為1602，RFID射頻、報警、獨立按鍵模塊等。圖3-1硬件總體框架3.2單片機主控模塊STC89C52芯片作為8位處理器，含有多路定時器和計數(shù)器，并具有耗能小，價格低，編程簡單等優(yōu)勢，允許進行多次擦寫，單片機共有40根引腳，在這些引腳中結(jié)構(gòu)方式不同，開漏輸出是P1-P3的I/O的輸出方式，這種話輸出方式簡單快速，無需拉壓電阻即可正常工作，P0就與之相反，PO引腳時需加上拉電阻才能正常使用，因為它的內(nèi)部并無上拉電阻。圖3-289C52最小系統(tǒng)3.3液晶屏模塊在本系統(tǒng)中顯示模塊的作用是顯示卡號信息，1602是一種工業(yè)字符型液晶，可顯示2*16字符，且每個字符之間有間隔，能夠很好的達到顯示信息的目的，1602有20個引腳，從右邊開始，在對比度調(diào)節(jié)端，VCC在工作時一般接5V電源的正極，V0端口接不同的引腳對比度也不同，當V0接VCC時對比度低，接GND時對比度高。圖3-3液晶顯示電路3.4IC卡讀卡器的工作原理RFID模塊是本系統(tǒng)中的射頻模塊，當IC卡讀入并被識別到后，與其產(chǎn)生共同震動，用電磁波刺激內(nèi)部，且為內(nèi)部電容充電，這樣就可以讓他產(chǎn)生2V的電壓，隨后單片機對電壓進行識別，最后讀出卡號。在圖3.4中可以看到。圖3.4RFID射頻工作原理圖3.5獨立按鍵模塊獨立按鍵的作用是控制門禁系統(tǒng)，單獨按鍵中，每個按鍵有4個插孔，其中兩個插孔與另兩個插孔相連，一般情況下只使用兩個插腳，在獨立按鍵中，就有一個插腳與單片機的插腳相連接，另一個插腳與電源VDD和GND相連接，而另一個插腳與電源VDD和GND相連接，然后再由獨立按鍵上的插腳與電源VDD和GND相連接，最后由單片機的插腳檢測到高低電平，并執(zhí)行相關(guān)指令。當松開按鍵時，獨立鍵按下與單片機連接的引腳和將VDD和GND電源連接的引腳形成開路，單片機停止執(zhí)行獨立鍵指令。圖3-5獨立按鍵電路圖3.6報警器警報在智能門禁系統(tǒng)中，起提示和報警是蜂鳴器的主要用途，通常用三極管在焊接的時候?qū)Ψ澍Q器放大電流驅(qū)使其啟動，在焊接蜂鳴器電路后，要注意三級管的各個級的不同，三極管的開關(guān)受單片機的高低電平控制，可以讓蜂鳴器直接啟動，單片機P10的IO與蜂鳴器的引腳驅(qū)動連接。圖片3-6-1為蜂鳴器連接電路。圖3-6-1蜂鳴器的連接電路采用電磁式蜂鳴器的蜂鳴器，分為被動和主動，被動式通常用于消耗或規(guī)模大的電路中，報警聲音很不錯。自激蜂鳴器是另一種，它的振動與振蕩線圈相結(jié)合。在圖3-6-2和圖3-6-3中可以看到。圖3-6-2蜂鳴器圖3-6-3蜂鳴器原理圖本本系統(tǒng)選用的蜂鳴器是9012型，來驅(qū)動三極管，圖3-6-4所示，采用的是9012三極管。三極管具有很廣的應(yīng)用范圍，主要作用是放大電流，三級管具有三個引腳（基極、發(fā)射級和集電極），圖3-6-4三極管3.7電源模塊采用5V工作電源供電，在供電過程中可采用USB接口、充電寶等5V供電器提供電源，如果使用的電源高于5V就可能損壞物品，導(dǎo)致實物壞掉，反之則無法正常工作。1管腳是正極端口，2和3則是負極端口，在工作是最好加上一個電容，使系統(tǒng)在運作時更平穩(wěn)，只有這樣才能更好的為其他模塊提供功率。在圖3-7中可以看到。圖3-7電源電路4系統(tǒng)軟件部分4.1登記和撤銷程序流程框?qū)﹂T禁系統(tǒng)通電時，系統(tǒng)中的各個模塊都處于原始狀態(tài)，主控芯片在不斷檢測是否有按鍵進行操作，當有按鍵操作時就執(zhí)行與其相對的程序，在屏幕上就會出現(xiàn)菜單界面，隨后將IC卡放到射頻區(qū)，再在按鍵上選擇要進行的操作，如注冊或注銷，隨后會在頻幕上顯示進行的操作是否成功，報警器也會發(fā)出提示音，完成操作后再次按下菜單鍵即可返回，門禁系統(tǒng)只有已注冊的IC卡才開放，沒有注冊的IC卡系統(tǒng)顯示無效卡，不能與上位機進行通信。在圖4-1中可以看到圖4-1登記和撤銷程序流程框4.2液晶流程框在門禁系統(tǒng)通電時，液晶會進行初始化，并顯示出帶有“歡迎”兩個字的界面，如果有IC卡接近射頻模塊的話，液晶會刷新屏幕，隨后顯示出所刷卡的信息。如果所刷卡并沒有注冊，就無法進行識別，并且在屏幕上顯示無法識別同時蜂鳴器響起。在圖4-3中可以看到圖4-3液晶流程圖4.3射頻流程框當IC卡出現(xiàn)在射頻模塊可感應(yīng)的距離時，讀卡器會提取卡的信息，并進一步儲存，讀卡器就會發(fā)出請求并進行一系列操作，最后對所提取到的卡的信息解碼，并在解碼后送出交由單片機處理。流程如圖4-4RF圖4-4射頻流程圖4.4燒錄軟件簡介燒錄軟件選用普通軟件就行，對此沒有過多要求，在軟件中打開文件并選擇其產(chǎn)生的HEX，選擇好串號、調(diào)好各項參數(shù)等，然后在程序中點擊下載，燒錄軟件就會根據(jù)之前選擇的串口將HEX燒到單片機內(nèi)部，在軟件顯示頁面提示成功與否，如圖4-7所示。圖4-7燒錄圖5系統(tǒng)的調(diào)試5.1單片機調(diào)試STC89C52單片機為主控芯片，我們第一步要焊接單片機最小系統(tǒng)，并把單片機放入到它的凹槽中，隨后通電讓他進行工作，然后通過LED燈管的工作情況來檢查芯片的管腳正常與否，如果在一切正常的情況下，芯片中的程序會使所有的單片機輸入/輸出口保持1HZ方波輸出，如果是以上情況則代表一切正常，如果不是就需要檢查最小系統(tǒng)在焊接的過程中是否有問題，或檢查芯片是否工作情況。在最小系統(tǒng)以及芯片都沒出問題的前提下，下載程序通過MCU的I/O口P30和P31，在下載過程中燒錄軟件，然后選擇相對的HEX，調(diào)好各項參數(shù)，然后下載，燒錄軟件就會根據(jù)之前選擇的串口將HEX燒到單片機內(nèi)部，隨后會在視圖頁面顯示是否成功，如果下載失敗，軟件會提示失敗的原因。5.2獨立鍵盤調(diào)試在本次設(shè)計中采用的是獨立按鍵控制，在焊接的時候，引腳的兩端分別要與電源的GND和單片機芯片引腳相連接，當獨立按鍵出現(xiàn)操作時，按鍵上的引腳就會與GND相連接，單片機的引腳就會檢測低電平，然后執(zhí)行相對應(yīng)的操作。當按鍵停止操作時，與按鍵相連的兩個地方就會形成斷路，隨后單片機停止工作，在本次設(shè)計的系統(tǒng)中如果按鍵的一切功能正常，則代表其可以正常使用。5.3射頻模塊調(diào)試本次設(shè)計的智能化門禁系統(tǒng)采用RC522射頻模塊，在焊接RC522時，第一步要確定RC522管腳與單片機I/O口是否按照程序所指定的那樣，并把3.3V的電壓源加在模塊中，需要注意的是正常的工作電源時5V，而此時是3.3V，這就需要我們進行轉(zhuǎn)變，這樣才能保證RC522能夠正常的工作，否則過高的電壓會使射頻模塊損壞。5.4報警器調(diào)試蜂鳴器在在系統(tǒng)中的作用是報警和充當提示音，焊接時要注意，蜂鳴器需要利用三極管進行放大電流才能驅(qū)動，在焊接好蜂鳴器時，要注意三極管各個引腳的不同，然后通過高低電平來控制它的開關(guān)，以便啟動蜂鳴器。5.5液晶1602調(diào)試選用1602LCD顯示的門禁系統(tǒng)，1602共有16個引腳，要注意與LCD的引腳連接的單片機I/O口是否正確，能否正常工作，若要確定正確性要在程序下載完成后，檢驗LCD能否達到預(yù)期目標，如果顯示正常，則證明一切完好，反之就要重新檢查排除故障。5.6電源調(diào)試門禁系統(tǒng)的供電源為5V，供電設(shè)備可采用充電寶、USB接口等設(shè)備，切記不能使用過高電源導(dǎo)致系統(tǒng)損壞，電源過低也不行，會導(dǎo)致無法正常工作?？梢约右粋€電容用來保證電源穩(wěn)定。5.7硬件調(diào)試本次設(shè)計的智能門禁系統(tǒng)是洞洞板焊接，且焊接過程中各器件均需提前布置，否則將會出現(xiàn)焊接器件位置不美觀等因素，或由于布置不合理等因素導(dǎo)致部分器件無法焊接或焊接失敗。硬性焊接時最易發(fā)生焊接短路、斷路、虛焊等現(xiàn)象，若是出現(xiàn)這種情況的前兩種會導(dǎo)致線路損毀，虛焊則會導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，不能長時間工作。5.8軟件調(diào)試對于這個系統(tǒng)，編程方面采用的是C語言，在編程的過程中，很容易出現(xiàn)各種各樣的錯誤，尤其是語法錯誤一些條件句的用法。這就需要我們對單片機有一定程度的了解，編程軟件的話采用的是KEIL4，KEIL4會在編程的過程中提示各種錯誤，并對其做出一定修改，然后通過燒錄軟件燒到單片機內(nèi)部，觀察是否有錯誤以及功能是否齊全，如果以上預(yù)期均達到，則視為成功。5.9整體實現(xiàn)整體功能的實現(xiàn)首先要檢查各個硬件在焊接時是否存在短路、短路、虛焊等現(xiàn)象，程序是否出錯，各個部件是否按照預(yù)設(shè)鏈接，布局是否合理，按鍵能否正常使用等，對之前的操作進行檢查，如有不足之處及時改正。若以上方面均合格則可以成功實現(xiàn)?？偨Y(jié)在實際操作的過程中要比預(yù)期的難一些，因為平時所學(xué)的知識多為理論知識，與真正的動手實現(xiàn)還存在一定差距，所以在開始階段進行的不是很順利，不知道如何設(shè)計后來通過網(wǎng)上查詢相關(guān)資料以及老師的指導(dǎo)再加上同學(xué)的幫助終于有所頭緒，艱難的設(shè)計完成后再從網(wǎng)上購買相關(guān)器件進行組裝，但還是無法避免是各種各樣的失敗尤其是在編寫程序時更為艱難，不斷地在網(wǎng)上查詢相關(guān)知識以及借鑒他人代碼，從中吸取可用之處就這樣磕磕絆絆的歷經(jīng)幾個月總算完成了這項任務(wù)，雖然功能簡單也存在許多不足之處但也從中學(xué)到了很多東西。經(jīng)過這次設(shè)計讓我懂得了什么是萬事開有難，往往如何開始是最困擾人的，當你開始以后就會擁有一個一個目標，有明確的方向，要去克服一個一個困難，過程很艱辛但終究可以完成當你完成了一個模塊后就會有成功的喜悅感來支持你繼續(xù)做下去，這讓我懂得了不管做什么事都不能輕言放棄堅持終會成功，努力才會有收獲。參考文獻[1]游戰(zhàn)清,李蘇建.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:23-25.[2]周曉光,王曉華.射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用實例[M].人民郵電出版社,2006.5:35-37.[3]尼春雨,舒雄.VisualBasic基礎(chǔ)與案例開發(fā)詳解.清華大學(xué)出版社,2009.7[4]安劍,孫秀梅,鞏建華.VisualBasic項目開發(fā)全程實錄.清華大學(xué)