1、本科毕业论文（20 届）基于单片机及射频识别技术的门禁系统设计所在学院专业班级 通信工程学生姓名指导教师完成日期基于单片机及射频识别技术的门禁系统设计摘要 以 STC12C5A60S2 单片机最小系统作为主控平台，加上由功率放大电路、检波电路、滤波放大电路组成的低频读卡单元构成回路，实现在 125kHz 频段下对 EM4100 型射频卡进行识别，并将其利用到门禁控制中，对其功能进行深入设计，在系统中增加了语音播报模块、DS1302 时钟模块、LCD12864 液晶显示模块。经实验结果表明：系统可以读取 125kHz 射频卡中的信息，进行曼彻斯特解码获得该卡的卡号，并在LCD12864 液晶屏上
2、显示出对应的卡号以及系统设置的卡号对应使用人的身份信息。另外，系统还实现了语音播报卡号、多模式门客访问功能以及万年历显示。采用分立元件构成的系统，无需读卡基站芯片，电路结构更加简单，可以让系统更加稳定且成本极低；在 C 环境下进行程序编写，利用曼彻斯特解码方法构成的软件系统不但移植性强和系统升级简单，而且读卡稳定、成功率高。【关键词】门禁，射频识别，单片机，射频卡Entrance guard system design based on MCU and RFIDAbstractWith STC12C5A60S2 MCU smallest system being the main contro
3、l platform, and combined with the low frequency circuit card reading unit constitution consisting of the power amplification circuit, detection circuit, filter amplifier circuit, the system implement the identify of EM4100 type radio frequency card under the 125 KHZ frequency, which be used to the e
4、ntrance guard control and whose function can be designed deep. The system increased the speech module , DS1302 clock module, LCD12864 liquid crystal display module. The experiment results showed that the system can read the information in the 125 KHZ radio frequency card, do Manchester decoding to g
5、ain the card number, and display the corresponding card number and the card number of system Setting corresponding to the identity information of the user in LCD12864 liquid crystal display screen.In addition, the system also implements that the speech broadcasts card number, and multiple-mode publi
6、c access functions and calendar display. without base station chip card reader, the system consisted with discrete element makes the circuit structure simpler and makes the system more stable and low cost.Under the environment of C programming, the software system is not only strong portability and
7、simple system upgrades, but also can read the card with high successful rate stably.【Key Words】Entrance guard ,RFID, MCU,Radio frequency card目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义.11.2 国内外研究发展状况.11.3 本文的主要设计内容.22 RFID 技术理论基础及开发工具简介 .32.1 RFID 技术概述 .32.2 非接触式 EM4100 型 ID 卡简介.42.3 STC12C5A60S2 单片机简介 .52.4 开发环境.62.4.1
8、Altium Designer 10 简介 .62.4.2 集成开发环境 Keil Vision4 简介 .73 系统的硬件设计 .83.1 系统整体硬件电路设计.83.2 各个模块电路设计.103.2.1 STC12C5A60S2 最小系统电路设计 .103.2.2 125KHZ 载波产生电路设计 .113.2.3 阅读器硬件电路设计.113.2.4 DS1302 时钟电路设计 .123.2.5 语音播报电路设计.133.2.6 LCD12864 液晶显示及按键控制电路设计.133.2.7 系统电源电路设计.134 系统的软件设计 .154.1 系统软件工作流程图.154.2 软件详细设计.
9、154.2.1 曼彻斯特码解码子程序.154.2.2 用户信息储存子程序.184.2.3 卡号核对及报警子程序.194.2.4 用户界面设计子程序.194.2.5 按键服务子程序.215 系统整体测试 .235.1 电路焊接及调试.235.2 系统各路信号测试.235.2.1 125KHZ 载波信号产生电路测试 .235.2.2 谐振信号测试.245.2.3 曼彻斯特编码信号测试.245.3 系统运行测试.256 结论 .27参考文献 .28致谢 .29附录 .301 绪论1.1 研究背景及意义 随着我国经济以及社会科学技术的蓬勃发展，人们的生活水平也有了很大的提升。因此在我们学习、生活乃至工
10、作中高科技产品所处可见，给人们的生活带来了很多的益处。另一方面，伴随着城市人口的迅速增加，我国的住宅发展进入到一个新的时期，由原来只是简单的追求生存空间变成了现在的追求住宅质量、功能、服务等，所以将现代科技融入到住宅建设中，让其转变为智能建筑是未来的必然趋势。现代科技会给人们带来很多的益处，但同时也会带来不少的麻烦，一些不法分子会利用高科技进行盗窃，抢劫等犯罪行为。要怎么样才能让人们在享受现代科技带来的益处的同时又能避免这些麻烦，阻止这些犯罪行为的发生，保护好我们的财产及人生安全呢？就像是在门禁安防系统中，以前人们用的一把普通的锁组成的门禁，而这种锁又需要对应一把钥匙，多个门锁就要多把钥匙，钥
11、匙多了不便于携带，容易丢失和被盗，并且钥匙是可以被复制的，因此安全性没有保障。为了从根本上改变这种局面，便产生了依赖于射频识别技术（Radio Frequency Identification, RFID） 1 的智能门禁系统，它是在电子、机械、计算机和通信等技术的基础上开发出来的。基于 RFID 技术的门禁系统将“射频卡”与“机械锁”有机结合，让“射频卡”替代传统的“钥匙” ，配合单片机进行信息化、智能化管理，让用户再也不需要携带钥匙，进而避免了钥匙的丢失或被复制带来的财产的损失。而这种高科技技术，在很多经济发达的国家已经广泛应用于科研、工业、酒店、银行、监狱等，正是因为门禁技术应用的多样性
12、，功能的完善和广泛的适应性，已成为当今社会安防技术重点研究和开发的方向 2 3。1.2 国内外研究发展状况射频识别技术作为快速、实时、准确的采集信息和处理信息的高新技术，被世界列为 21 世纪十大重要技术之一，在生产、安防、销售和物流等领域有着广阔的应用前景 4。智能门禁控制系统将自动识别技术结合后，发展之迅速，拥有很大的市场，现在国内外已经有很多的公司都是从事智能门禁系统控制的研发和生产的。在国外的门禁系统主要品牌有德国的博世 BOSCH、美国的 HID Global、以色列的 DDS 等，国内门禁系统的品牌主要有西门子、科松 COSON、捷顺 JSST 等，其中有很多产品都是基于射频识别技
13、术的智能门禁控制系统。如今智能门禁系统已经是发达地区一些重要场合乃至日常生活中重要的安防系统之一，与原始的门禁系统不一样，它从被动的身份转变到主动监控和自动报警控制，发挥了更好的安全防范作用，让其在安防控制设备领域中大显风采。根据聪慧安防网讯2012-2016 年门禁系统项目商业计划书的数据显示：2011 年，国内门禁一卡通市场及相关配套产业链规模猛增达到了 160 亿元左右，门禁产品销售在各行各业的发展也出现大幅增长。在 2012 年国内门禁系统产品销售市场规模趋势预测达到了 58 亿元，年增长约为 35%，国内的智能门禁行业从刚发展到现在基本普及的十数年里，在理性化发展道路上，门禁企业着重
14、行业解决方案的研发，不断的发展、创新，市场需求不断上升。1.3 本文的主要设计内容本设计主要分为两个部分：硬件系统和软件系统。硬件系统包括单片机最小系统电路的设计、射频读卡器电路的设计和其他外围硬件设备电路的设计；软件系统包括单片机控制系统程序的设计、非接触式 ID 卡的曼彻斯特码解码程序的设计和用户信息数据建立的程序设计，以及门禁系统人机界面的设计等。整个系统是基于 STC12C5A60S2 单片机最小系统建立的管理终端，采用了一种不可写入，含固定编号的 EM4100 型射频 ID 卡建立用户信息系统，形成了一种集自动化识别、智能化管理、自动化报警的智能门禁控制系统。其中为了更好的研究读卡器
15、的原理采用分立元件设计了功率放大电路、检波电路、滤波放大电路构成 RFID 读卡器提取出非接触式 ID 卡的信息，通过单片机对其译码并核对是否是合法的卡号，采用实时语音播报卡号，如果是非法卡号则通过声光报警电路发出报警信息。另外，本系统使用 LCD12864 作为显示界面，并加上 DS1302 时钟电路，可在液晶上实时显示出时间、操作指示以及系统当前状态，构成了很好的人机交互界面。该系统读卡准确，快速，性能安全可靠、操作简单、实用性强。2 RFID 技术理论基础及开发工具简介2.1 RFID 技术概述RFID 源于上世纪 40 年代的雷达技术，在 90 年代开始广泛的使用，射频识别技术是利用电
16、磁感应、无线电波或者微波进行非接触双向通信，通过空间耦合实现非接触信息传递并且通过传递的信息达到识别目的和交换数据的技术 5。RFID 的主要核心部件是读写器和电子标签。电子标签是带有个人身份信息的，电子标签在靠近读写器附近时，读写器利用自身发射的无线电波来将电子标签中的信息提取出来，达到识别的效果。读写器是用来读取电子标签的信息和对电子标签执行写操作的设备，典型的读写器包括射频模块、控制模块、接口模块及读写器的天线 5。读写器在接收到 ID 卡的信息后，通过一定的方式解码信息，并对数据进行校验后判断接收到的数据是否正确，如果是正确的就告知发射器停止发送信息，反之就告知发射器重新发送信息。电子
17、标签又叫应答器，也就是射频卡，它由耦合元件和射频标签专用芯片组成，其中芯片模块由存储器、存取控制和射频控制接口三个部分组成 6。每个标签都具有唯一的识别码。当读写器查询时，电子标签把存储的信息发射出去。电子标签可以存储相应人员的一些数据信息，并且根据需要可以分别进行管理，还可以根据需要的不同制作新的标签，电子标签中的内容在被改写的同时，也可以永久锁死保护起来。现在常用的标签一般是由带内存的集成电路组成的，它实际是一个有内存的微处理器，电子标签的基本任务就是读内存、写内存，或者用其他的方式处理内存中的数据 7。根据不用的方式，可以对其进行分类，根据电子标签内存属性可分为 3 种，只读、写一次读多
18、次和可读写多次。根据供电方式的不同，还可以将电子标签分为有源、无源和半无源的。有源电子标签其内部有电池，这个内部电池将提供自身工作能量以及电子标签与读写器通信所需要的能量。无源电子标签没有内装电池，只能从读写器产生的电磁场中通过耦合的方式获得电能。一般用整流的方式将射频能量转换成直流电源并且存储在标签的电容中，无源电子标签具有体积小、重量轻和价格低的优点，但是其工作距离和通信速率都不及有源电子标签。半无源电子标签介于二者之间，部分依靠工作能量由电池来提供。射频卡的识别是按照一定的工作流程来的，首先读写器通过发射天线向电子标签发送一定频率的射频信号，此时进入发射天线的工作范围的电子标签会产生一定
19、的感应电流，电子标签通过耦合的方式获取能量，然后把存储在芯片内的编码信息发送出去，或者电子标签主动向读写器发送一定频率的信号，把电子标签的射频编码信息发送出去；天线在收到电子标签发送过来的载波信号后传给读写器，读写器对收到的信号解调和解码 8。2.2 非接触式 EM4100 型 ID 卡简介ID 卡全称为身份识别卡（Identification Card） ，是一种不可写入的感应卡，在生产时其内部就有固定的编号，现在市场上主要用的是美国 HIDMOTOROLA、台湾 SYRIS的 EM 格式的 ID 卡，载波频率分为 125KHZ（THRC12）或 13.56MHZ（THRC13） ；ID 卡
20、向读卡器传送数据的调制方式为加载调幅；数据存储采用 EEPROM，数据保存时间超过 10 年；数据存储容量共 64 位，包括制造商、发行商和用户代码；卡号在封卡前写入后不可再更改，绝对确保卡号的唯一性和安全性。本系统使用的是 EM 格式，载波为 125KHZ 的 EM4100 型 ID 卡，EM4100 有 64位数据信息，它由 5 个区组成：9 个引导位、10 个行偶校验位“POP9” 、4 个列偶校验位“PC0PC3” 、40 个数据位“D00D93”和 1 个停止位 S0。9 个引导位是出厂时就已掩膜在芯片内的，其值为“111111111” ，当它输出数据时，首先输出 9 个引导位，然后
21、是 10 组由 4 个数据位和 1 个行偶校验位组成的数据串，其次是 4 个列偶校验位，最后是停止位“0” 。 “D00D13”是一个 8 位的晶体版本号或 ID 识别码。“D20D93”是 8 组 32 位的芯片信息，即卡号。存储格式如图 2.1 所示。 9图 2.1 EM4100 数据存储格式2.3 STC12C5A60S2 单片机简介STC12C5A60S2 是 STC 生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，而且速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 1
22、0 位 A/D 转换，强干扰场合。引脚结构如图 2.2 所示。主要特点如下：图 2.2 STC12C5A60S2 引脚图1、增强型 8051CPU，单时钟/机器周期（1T） ；2、工作电压 5.5-3.5V；3、通用 I/O 口，复位后为：准双向口/弱上拉；可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不超过 120mA；4、外部掉电检测电路；5、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器常温下内部 R/C 振荡器频率为： 5.0V 单片机为：1117MHz，3.3V 单片机为： 812MHz；6、4 个 16 位定时器，两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器，16 位定时器 T0 和T1；7、3 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在P3.5/T1 输出时钟，独立波特率发生器可以在 P1.0 口输出时钟；8、外部中断 I/O 口 7 路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的 PCA 模块，Power Down 模式可由外部中断唤醒，
