1、 本科毕业论文（设计） 题 目 基于 PLC 的门禁系统设计 姓 名 唐斌梅 学号 201212701054 二级学院 机电工程学院 专 业 自动化 指导教师 季致和 职称 教授 齐鲁理工学院教务处制 目录 摘要 . 1 关键词 . 1 Abstract . 1 Key words . 1 引言 . 2 1 概述 . 2 1.1 门禁系统的发展 . 2 1.2 门禁系统的功能 . 3 1.3 门禁系统的分类 . 3 2 门禁系统的结构与总体分析 . 4 2.1 门禁系统的构成 . 4 2.2 门禁系统工作过程的硬件实现框图 . 4 2.3 门禁系统工作的软件流程图 . 5 3 门禁控制系统的硬
2、件设计 . 5 3.1 IC 卡的 读写 . 5 3.1.1 IC 卡的种类和特点 . 5 3.1.2 读卡器 . 6 3.2 电控锁 . 7 3.3 传感器 . 7 3.4 门禁控制器 . 8 3.4.1 门禁控制器的功能 . 8 3.4.2 门禁控制器的总体设计 . 8 3.4.3 PLC 的选择 . 9 3.4.4 PLC 的 I/O 端口分配 . 10 3.4.5 门禁系统的硬件电路设计图 . 11 4 系统软件的设计 . 11 4.1 程序梯形图 . 11 4.2 软件调试 . 14 5 总结 . 15 致谢 . 16 参考文献： . 17 1 基于 PLC 的门禁系统设计 自动化专
3、业学生 唐斌梅 指导教师 季致和 摘要： 门禁系统就是对各种通道权限的管理。随着人们生活水平的不断提升，安全也成为了大众关注的焦点，所以有了门禁系统的产生。近几年，门禁系统飞跃发展，出现了指纹识别、无线识别、生物识别等高端技术。本设计由 IC 卡、读卡器、施耐德可编程控制器、电控锁和传感器这些硬件设备构成。用户进出系统需按等级加以区分，故软件设计时将进出方式分为三个等级： IC 卡， IC 卡 +密码， IC 卡 +密码 +钥匙。本设计还增加了红外报警功能 和消防功能。主要实现的是进出通道权 限、进出通道方式和异常报警这些功能。 关键词： PLC IC 卡 传感器 Design of Acce
4、ss System Based on PLC Student majoring in automation Binmei Tang Tutor Zhihe Ji Abstract： Access control system is to manage the various channels of authority. As peoples living standards rising, security has become the focus of public attention, it has generated access control system. In recent ye
5、ars, the rapid development of access control systems, the emergence of fingerprint identification, RFID, biometrics and other high-end technology. The design consists of an IC card reader, Schneider programmable controllers, electric locks and sensors these hardware devices. User access to the syste
6、m level basis having to partition out of the way so the software is divided into three levels design: IC card, IC card with a password, IC card with a password plus key. This design also adds an infrared alarm and fire-fighting capabilities. The main access routes to achieve the permissions, access
7、channel mode and alarm function abnormalities. Key words： PLC;IC card;sensor 2 引言 为了跟上信息时代的脚步，维护社会财产的安全，满足用户对于安全的不同需求，门禁系统便产生了。门禁系统不仅给管理人员提供了更加安全便捷的管理模式，也给使用者带来了更便捷体验。为此，本文研究一种基于 PLC 技术的门禁系统。适用范围为：智能办公楼、政府办公机构、医院、智能小区、供电局变电站和电信基站。门禁系统在近几年来都有着突飞猛进的变化，出现了智能卡识别、生物识别、无线门禁等一系列高端技术，在便捷性和安全性方面也有了很大的突破。本次设计
8、主要 是基于 PLC 可编程控制器的一种设计，利用读卡器、控制器、传感器、电磁锁、识别卡等其他设备构成，实现了多级别区分功能，报警功能，消防功能等 1。设计实现的过程是先软件测试，软件测试合格后再进行硬件与软件结合调试，如果时序方面没有问题控制器就能正常工作，即可以实现门禁控制器的各项功能。门禁系统设计的完成有利于提高社会的安全性和便捷性。 1 概述 本文研究一种基于 PLC 技术的门禁系统。适用范围为：智能办公楼、政府办公机构、医院、智能小区、供电局变电站和电信基站。门禁控制系统的基本系统组成：卡 +密码 +钥 匙 +读卡器 +控制器 +电控锁 +传感器开关门机构；在这个基础之上又添加了防盗
9、报警系统，运用各种方法使其成为一个封闭的安全环境。通过不同的编程，进出人员根据身份级别的不同，使用不同的开门方式，例如：卡，卡 +密码，卡 +密码 +钥匙方式中的一种或几种。主要实现的是进出通道权限、进出通道方式和异常报警这些功能。 1.1 门禁系统的发展 门禁系统在市场上发展很快，出现了很多新技术，例如人体特征识别（生物识别），手机一卡通，无线控制门禁之类的，它们各有所长，安全性和便捷性也有了非常大的提高，并且出现在各个领域，可以 算得上是无处不在，这也标志着门禁系统已经发展得比较成熟。门禁系统近几年开发的新技术： （ 1） 手机一卡通发展蓬勃 最先崛起的是手机一卡通这种新技术，历时一年多的
10、发展，手机一卡通在门禁领域也称得上是家喻户晓，至此人们的需求也更加多样化。 （ 2） 生物识别技术发展迅猛 生物识别技术是继手机一卡通之后又一新的时代，经过手机一卡通之后，人们将最新的科技与需求相结合便产生了生物识别技术。生物识别技术顾名思义就是生物体特征的识别，例如人脸识别，指纹识别，掌纹识别之类的，这项技术将门禁带入更高一层领域，实现了 质的飞跃。 （ 3） 无线门禁技术日渐成熟 无线门禁系统的问世超越了人们对门禁的认识，以前人们普遍认为必须有实物接触才能实现开门，无线门禁利用了当今最智能化的无线物联网，可以通过蓝牙、 GPS、 FSK等方式传输，更加提高了门禁系统的安全性，这也是现在做的
11、最为成熟的一种门禁系统。 以上三种门禁可以说是代表了门禁发展的过程，将门禁系统又一个少见的技术领域发展壮大为无所不在的必备工具，这也意味着好的科技产品终究会被大众认可，这也激励着人们不断的开发创新 2。 3 图 1. 门禁系统图 1.2 门禁系统 的功能 （ 1） 由于不同用户加密程度不同，为此按用户等级将开门方式分了以下几种： 级别一：级别 1IC 卡号 +密码 +钥匙 =开门一次（ 10s 后自动关闭） 级别二：级别 2IC 卡号 +密码 =开门一次（ 10s 后自动关闭） 级别三：级别 3IC 卡号 =开门一次（ 10s 后自动关闭） （ 2） 门窗、消防和报警这些状态在总控室有指示灯提
12、示。 （ 3） 当有人非法闯入门禁系统时，系统能立刻报警，并且只有当总控室工作人员按下解除报警按钮时报警才能停止。 （ 4） 当系统有消防事宜发生时，处于中央控制室中控制 人拥有打开所有门窗且进行系统报警的权利。 1.3 门禁系统的分类 门禁系统的分类按进出识别方式可分为以下三大类： 1 密码识别：通过判断输入密码的有效性来判断该用户的进出权限。 密码键盘有两种：一种是普通型，另一种是乱序型。 （ 1） 普通型： 优点：成本低，操作方便，无须携带卡片。 缺点：最多只能同时存储三组密码，保密性低；不能存储进出记录，只能单向操 作。 （ 2） 乱序型： 优点：安全性好，操作简单，使用方便易懂。 缺
13、点：保密性能低，无法存储进出记录；单 向操作；价钱昂贵。 2 卡片识别：通过读取卡片信息来判别进出方式权限，卡片有普通读卡器和射频卡 3。 （ 1） 磁卡： 优点：一人一卡，安全性能一般；可以联机，有进出记录；成本较低。 缺点：卡片和设备会出现磨损，使用有效时间较短；不容易实现双向控制；而且卡4 片可以复制。卡片信息又可能会出现消磁，而使卡片无效。 （ 2） 射频卡： 优点：卡片和设备不需要接触，更加便捷；寿命较长，最少可以使用 5 年以上；保密性好，双向控制联机查询进出记录；安全性好，无需担心被拷贝。 缺点：成本偏高 。 3 生物识别：进出方式权限通过检测人体生物体征来判别。例如指纹、人脸识
14、别等。 优点：从识别角度来说安全性能相当好；不需要携带卡片 。 缺点：价格昂贵，对识别者和识别者周围环境要求较高，导致识别效果不好，例如识别者的面部变化会导致识别失败。 人们对生物识别门禁有一些误区，都认为门禁中最安全的是生物识别门禁，其实不然，门禁系统的安全性能包括通讯系统、电源系统、控制系统、软件系统和识别系统这些系统的安全，所以不能仅有识别性高就说这类系统安全性能高，几大系统其中一个出现问题，整个系统都存在 安全隐患 4。 2 门禁系统的结构与总体分析 2.1 门禁系统的构成 门禁系统的基本构成：由识别卡、读卡器、控制器、电控锁和传感器等组成。 （ 1） 读卡器：主要用于读取 IC 卡里
15、的信息。根据卡的种类不同，读卡器也分多种类型，例如在一些高级场所和机要处的出入口，可以用生物识别来作为终极识别装置，这是将来的发展方向。 （ 2） 控制器：主要用于判别信息的有效性并发出指令。控制器是整个门禁系统的核心，它由一台微处理机和一些外围电路构成。由控制器来判断某卡的信息是否正确，以及该卡的级别，信息正确后电控锁即可打 开 5。 （ 3） 电控锁：主要负责门的开关。电控锁根据应用场的合不同，分为电插锁，阴极锁，磁力锁等几大类型。 （ 4） 识别卡：主要用于存储用户信息。识别卡的种类有两种，非接触卡和接触卡。非接触卡有加密卡、存储卡和 CPU 卡，接触卡有记忆卡， CPU 卡，超级智能卡
16、。现在用得最多的是 IC 卡和 CPU 卡。 （ 5） 传感器：主要用于检测非用户进入。传感器感应被测量，将其信息转换成别的形式输出，例如电信号，这样可以实现信息的显示、处理功能。 2.2 门禁系统工作过程的硬件实现框图 门禁系统的工作过程是：持卡人通过刷卡 ，设备上的读卡器将卡里存储的信息转换成相应信号，并转递给门禁控制器，门禁控制器作为系统的中心，将信号做出判断分析，之后将其传递给各个系统，再由各系统做出相应的动作。 硬件框图 如图 2.1。 图 2.1 门禁系统硬件框图 IC 卡 读卡器 PLC 红外探测器 报警系统 显示系统 门开关系统 窗震动系统 5 N Y N N N N N N
17、Y Y Y Y Y Y Y 2.3 门禁系统工作的软件流程图 根据具体要求加上实物的查看，系统能实现的是： （ 1）开始时检查门窗是否打开，若打开则关闭门窗，关闭门窗灯亮，关上后灯灭。 （ 2）按下消防按钮时实现消防与报警灯全亮，门窗打开，按下报警解除 按钮时门窗全部关闭。 （ 3）实现 3 种不同权限 IC 卡以不同方式的开门。 （ 4）若强制开门，则视为非法入侵，则报警灯亮，解除后全灭。 （ 5）门正常打开并且完全打开后定时 10s 门自动关闭。 图 2.2 程序流程图 3 门禁控制系统的硬件设计 3.1 IC 卡的读写 3.1.1 IC 卡的种类和特点 IC 卡的分类： （ 1） 存储卡
18、： IC 卡内部采用的是可编程可擦除的 EEPROM6。这类 IC 卡是同步通信的方式，为非主 动型 IC 卡，不仅使用方便，而且价格相对实惠，市场上大多采用这类 IC 卡。但是也有不足之处，它的保密性不如其他 IC 卡，所以只用于简单的信息存放。 （ 2） 逻辑加密卡：这类 IC 卡不仅有之都存储功能，而且还拥有逻辑加密功能，此开始 门窗位于关闭状态？ 消防信号 =0？ 报警信号 =0？ ID 信号等级1=1？ 钥匙信号 =1？ 开门， 10S 后关门 初始复位门窗 消防指示灯点亮，门窗开，报警！ 报警灯点亮，报警！ ID 信号等级1=2？ ID 信号等级1=3？ 密码信号 =1？ 开始 6
19、 D1 D0 12V GND BEEPER 卡不能轻易打开，必须要输入密码才行。如果有非法盗用者想通过多次输入密码获取该信息，此 IC 卡将会自动封存此段信息。所以相对来说此类卡安全性能较高，价格也不贵。 （ 3） CPU 卡： CPU 卡内部包含了三个主要的单元，即输入输出单元、存储单元和微处理单元。 CPU 卡和逻辑加密卡一样，当发现有非法行为时，将自 动锁死该单元，不让非法者有可乘之机。这类卡是安全性能最高的卡，所以占据了大部分的市场，也是将来 IC 卡市场的主导 7。 IC 卡的特点： IC 卡即为智能卡。它和其他磁卡不同之处为，卡片内有一块刻有存储大量数据的微型集成芯片，优点是安全保
20、密性强、信息容量大、使用寿命长，结算和受理速度快。 3.1.2 读卡器 读卡器顾名思义这是一种读取 数 据 的设备，但其不单单可以支持数据的读取同样支持数据的写入。其初期的设计思路主要是为了弥补数码相机数据输出的缺陷而产生的。由于早期 USB 接口并不普及，因此数码相机的输出口都是同电脑的串口连接的，由于串口的数据传输速度很低，如果把这些数据拷贝到硬盘上，那就要花费大量的等待时间了，因此，读卡器就应运而生了。 （ 1） 读卡器的构成： 标签：标签是目标对象唯一识别的智能编码，由多种元件组成，存在于物体表面。 阅读器：阅读器分为两种，一种是固定不动的，一种是手控的，同样存在于物体表面 8。 天
21、线：是一种传递信号的设备。 读卡器由键盘、单片机、监控电路等部分组成。将信息芯片封装在 IC 卡中，将该卡插入 IC 卡读写器的卡座中，读卡器便能对它进行读取。 IC 卡座有多个引脚，当 IC 卡插入时，芯片与里面引脚相连。另外读卡器有两个端口与簧片连接，这样簧片和端口就相当于一个常闭的开关。当卡插入时，簧片被顶开；当卡未插入时，簧片闭合 9。 （ 2） 读卡器的工作过程： 读卡器作为一个中间传媒工具，将 IC 卡里的信息读取出来传递给接收器再由接收器传递给微机处理器，由微机处理器判断卡信息的有效性，再将判断结 果通过通信接口反馈给控制装置，使控制装置做出相应动作。 D0 图 3.1 门禁控制
22、器和读卡器的连接 门 禁 控 制 器 地址转换 读 卡 器 7 Y Y N N Y N 图 3.2 IC 卡与读卡器信息交换原理图 3.2 电控锁 电控锁是由电磁铁和一些机械装置开关构成，并无复杂的程序，只是通过一些简单的指令控制磁铁动作。当控制失效时，需先测量经过电磁铁的电压，并且关闭磁门，观察通过的电压是否产生变化，如果变化产生而磁铁不动作，则说明磁铁控制出现问题，可 以更换相应部件。电控锁也有软件部分，软件部分与控制中心连接，它的作用是记录信息。一般控制输出电压由继电器控制输出。首先看继电器是否有吸合声，如没有，可测量继电器控制接口各部分电压和驱动器件是否损坏，如完好，可进一步测量有关集
23、成电路的工作电压，复位端口及时钟振荡部分，如无问题，一般为软件故障，这只能和开发商联系 10。 3.3 传感器 主要用于检测非用户进入。传感器感应被测量，将其信息转换成别的形式输出，例开始 是否有 上电、复位 读取 IC 卡上数据 完成？ 开始读时钟芯片命令字 读数据到指定地址。完成？ 开始进行密码数据比较 合法？ 发信号，允许开门 警告程序 下电 开始 8 如电信号，这样可以实现信息的显示、处理功能。 本设计的红外探测装置采用的是热释电红外 传感器，热释电红外传感器在结构用场效应管来实现阻抗的转换。因为输入信号不能直接识别，是电荷信号，所以要利用电阻来实现转换。 N 沟道场效应管的添加也是为
24、了实现阻抗的转换。热释电红外传感器由三部分构成，即干涉滤光片、传感探测元件和场效应管。利用此传感器时，需将该材料做成一定厚度的薄片。选择此传感器是因为本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉 11。 图 3.3 电控锁和传感器 3.4 门禁控制器 3.4.1 门禁控制器的功能 （ 1） 门禁控制器的复位 门禁系统的复位方式有三种：上 电复位、按键复位和系统遥控复位。 （ 2） 持卡人及门的管理 门禁控制器可以完成对识别卡的分类，监视识别卡状态，持卡人的管理，对持卡人划分级别，检测门的开关状态，控制码的属性和出入门方式。 （ 3） 事件管理 事件分为读卡引发的事件和非读卡引发的事
25、件两种 。 （ 4） 系统通信 门禁控制器的通信方式是通过 RS232/RS485 总线方式由上位机控制以太网加载。 （ 5） 电源管理 电源连续工作是门禁控制出入口最大的特点，所以门禁控制器具有自动充电功能和备用电池。 （ 6） 指示和提示 门禁控制器将系统的所有状态和读卡器的反馈结果做出提示。 3.4.2 门禁控制器的总体设计 门禁控制器是整个系统的核心，每一个子程序都拥有不同的 ID 号。在门禁系统开始工作前，控制器通过信道各子系统传输相关信息，包括所有设备的控制连接情况，使用人信息，允许时间，通行方式等。 控制中 心随时处于待命状态，待有人刷卡时，读卡器获取卡里的信息，将此信息通过信道传递给控制中心，控制 中心根据储存的信息判断卡的有效性，再将结果传递给相应 的子系统，再由子系统做出相应的动作，同时系统会记录此次事件。
