基于RFID的门禁系统设计毕业论文.docx
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基于RFID的门禁系统设计毕业论文
本科毕业设计（论文）
基于RFID的门禁系统设计
张永义
燕山大学
2015年6月
本科毕业设计（论文）
基于RFID的门禁系统设计
学院：
专业：
学生姓名：
学号：
指导教师：
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
信息科学与工程学院系级教学单位：
电子与通信工程系
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
基于RFID的门禁系统设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（√）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（√）自选题目（）
主
要
内
容
以单片机为核心，基于RFID读写模块，设计门禁系统，该系统能够对RFID卡进行登记，识别，有效期管理，实现门禁控制。
基
本
要
求
1、独立完成系统软、硬件设计，并搭电路验证。
2、实现至少1000个的管理容量。
参
考
资
料
《MCS-51单片机应用设计》张毅刚等编哈尔滨工业大学出版社1992.4
《单片机原理及系统设计》胡汉才编著清华大学出版社2002
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～16周
第17～18周
应
完
成
的
内
容
收集资料
熟悉课题
内容
设计思路
电路设计
程序设计
程序设计
搭电路调试
改进
程序设计
搭电路调试
改进
论文撰写
课题总结
答辩
指导教师：
职称：
系级教学单位审批：
摘要
智能门禁系统在自动化应用中十分普遍，它为人们日常生活提供便利和保障人们的生活安全，随着社会和经济的发展需要，智能识别技术开始运用于许多行业，特别是安全系数特别高的行业（银行、机密机构、门控制行业等），智能门禁系统的便利性和安全性让它越来越受到重视。
本文分析了RFID门禁系统的国内外发展现状、未来发展趋势和目前主要存在的问题，提出了基于RFID门禁控制系统的设计方案。
先阐述了RFID门禁控制系统的组成、系统的基本工作原理，分析了系统的硬件电路设计、软件设计过程，对硬件子电路的选型设计、子程序设计等作了详细介绍。
门禁系统采用STC89C52RC单片机作为控制核心及FM1702SL读卡器控制单元。
门禁系统能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式射频卡，读卡距离约10cm。
当有卡进入时则读卡内数据后通过单片机处理后程序自动判断是不是合法RFID卡，并且将卡号传送到LCD1602上显示。
如果是合法的RFID卡则可以使步进电机转动，达到开门效果。
关键词 RFID；门禁控制系统；STC89C52RC；FM1702SL
Abstract
Theintelligententranceguardsystemisverycommoninapplicationsofautomation,itprovidesconvenienceandguaranteepeople’slifesafetyofpeople’sdailylife,alongwiththedevelopmentofsocietyandeconomy,theintelligentrecognitiontechnologyhasbeenusedinmanyindustries,especiallythesafetycoefficientofparticularlyhighindustry（bank,gatedindustry）,convenienceandsecurityintelligentaccesscontrolsystemtomakeitmoreitmoreattention.
AnalysisofthedesignoftheRFIDaccesscontrolsystemathomeandabroad,thefuturedevelopmenttrendandmainproblem,putforwardadesignschemeofaccesscontrolsystembasedonRFID.Firstelaboratedthebasicprinciple,systemcompositionofRFIDassesscontrolsystem,analyzesthesystemhardwarecircuitdesign,softwaredesign,hardwaredesign,selectionofthesubcircuitsubroutinedesignindetail.
AccesscontrolsystemusingSTC89C52RCmicrocontrollerascontrolcoreandtheFM1702SLcardcontrolmodule.AccesscontrolsystemcanreadandwritethePhilipsofthecompanyinHollandMifarenon-contactRFcard,thecardreaderdistanceofabout10cm.WhenthecardenteredwillreadthecarddataafterprocessingthoughtheMCUprogramtoautomaticallydetermineisnotlegitimateRFIDcard,andthecardnumberistransmittedtotheLCD1602display.IfitisalegitimateRFIDcardcanmakesteppermotorrotation,toachievethedooreffect.
Keywords RFID；accesscontrolsystem；STC89C52RC；FM1702SL
第1章绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题研究的背景
射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。
同时，经济水平的高速发展让人们越来越关心建筑内部的安全性。
为了适应信息时代的需要，保证建筑内部的安全性，满足用户当时的各种需求，门禁系统应运而生。
门禁系统集电脑技术、电子技术、机械技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使卡与锁之间实现完整“对话”功能，以智能卡来控制门锁的开启，开创了门禁管理的新概念，它不仅给管理者提供了更安全、更快捷、更自动化的管理模式，而且也给使用者带来了极大的方便。
本文研究的基于射频识别技术的门禁系统就是这样的一种系统[1]。
1.1.2课题研究的意义
当今科技飞速发展，给人们带来利益的同时，也带来了不法份子利用高科技进行盗窃、抢劫和犯罪等问题。
怎样才能使人们的安全防范措施跟上科技的发展、有效的阻止这些犯罪行为呢？
仅依靠普通的防盗门、门锁和监控是不够的。
原始的安防措施就是把门锁上，由人巡逻保证安全，随着科技的进步，智能化的门禁系统已成为现代化管理的重要手段。
智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自动识别技术和现代安全管理措施结合起来。
在社会财富不断增长的今天，建筑物内的主要管理区、出入口、贵重物品的库房、设备控制中心、电梯口等重要部门的通道口都需要加强安全防护措施，这就需要开发出与之相对应的智能门禁系统，识别出入口人员的身份，对出入口进行控制。
本课题提出了基于射频识别的门禁控制系统，具体分析和研究了其中的一个重要部分“门禁控制系统”。
门禁控制系统作为居民人身和财产安全的重要措施，其研究结果具有深远的现实意义[2]。
1.2门禁系统的国内外研究状况及发展趋势
1.2.1门禁系统国外研究状况
欧美门禁系统市场开始进入成熟阶段，其产业分工明确，如美国的HID公司、Hl-dala公司、德国的Destele公司。
生产控制器的公司只研究生产控制器和软件程序。
由于市场的不断成熟发展，人们在感受到门禁系统带来的便利性和使用性后，可以自行购买零部件组装而成一套完整的门禁系统。
从目前门禁系统的发展趋势和运用前景来看，磁卡和接触式门禁系统开始逐渐退出市场，非接触式门禁系统以它优越的性能和运用领域开始主导门禁系统市场。
RFID卡在国外很早就得到重视并且开始大量的投入研究，特别是在美国和欧洲，但在近几年才开始RFID卡方面的研究使用。
RFID卡、读卡器设计和生产关键技术掌握在欧美国家和部分亚洲国家中，单只有美国能实现大批次的设计生产。
当今世界上RFID卡主流产品是飞利浦（Philips）公司的Mifare技术，己经被制定为国际标准ISO/IEC14443TypeA标准。
欧洲及其他发展中国家的一些RFID卡、读卡器制造商都以Mifare技术为标准进行设计生产[3]。
1.2.2门禁系统国内研究状况
我国本土厂商（如爱迪尔、华本、芯微）等已经成功研发了指纹识别芯片，国内对门禁系统的研究已经从认识研究阶段发展到自主研究阶段，而在系统的结构方面，国内的门禁系统的核心就是控制器，门控器大多由国外企业开发研制，但国内大部分厂家对门禁系统的研究仍然处于仿制阶段，没有对门禁系统核心技术惊醒自主研究开发[4]。
1.2.3门禁系统的发展趋势
出入口门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统，它是在传统的门锁基础上发展而来的。
传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开。
在出入人很多的通道（像办公室，酒店客房）钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。
为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。
密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。
同时这个时期的产品由于大多采用读卡部分（密码输入）与控制部分合在一起安装在门外，很容易被人在室外打开锁。
这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。
最近几年随着感应卡技术，生物识别技术的发展，门禁系统得到了飞跃式的发展，进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，门禁系统的应用领域也越来越广[5]。
1.3RFID门禁系统的优越性
（1）使用寿命长RFID卡和读卡器无需机械接触即可工作，从而避免了因机械磨损而导致的故障，大大延长了使用寿命。
（2）使用方便RFID卡使用非常简单，不需固定方向和位置，决不会有黑暗中找不到锁孔的烦恼。
（3）安全可靠每张卡在出厂时都写有唯一的不可更改的编号，卡和读卡器均不可复制，且防水、防磁，抗干扰。
当卡片不慎丢失，不需再劳神费力换锁，只需在控制器或系统软件将卡片删除便可万无一失，确保系统的安全性和可靠性。
（4）一卡多用机械锁每门至少必须配一把钥匙，而RFID卡可以一张卡开多个门，只要随身带一张卡，便可通行任意通道，再也不用带很多沉甸甸的钥匙[6]。
1.4本文主要研究内容与论文结构
1.4.1研究的主要内容
本文针对国内目前的市场需求情况，通过51单片机实现了一套基于RFID的门禁系统。
论文在探讨了基于射频识别技术的门禁系统的发展现状和技术基础上，设计了门禁系统的硬件设计和软件设计，给出了以51单片机和RFID读卡器为核心的门禁系统设计方案，包括设计主程序流程图和模块子程序，并进行实际电路调试。
1.4.2本论文结构
第一章：
绪论。
简要论述了课题的背景及意义、探讨目前国内外研究现状以及发展趋势和论文结构等。
第二章：
RFID门禁系统理论基础。
主要概述了射频识别技术，说明了它的工作原理以及典型结构，介绍了门禁系统设计的基本原则，并且提出了论文拟解决的关键问题和解决方法。
第三章：
门禁系统硬件电路设计。
主要讲述门禁系统基本工作原理和设计框图及外围模块电路的设计以及展示了门禁系统的硬件实物。
第四章：
门禁系统软件设计。
主要讲述软件设计框图、主程序设计流程和各个子程序模块的设计，并且对程序的编译与调试做出了简要的说明。
第2章RFID门禁系统理论基础
2.1射频识别技术
射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是从八十年代逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。
射频识别是无线电识别的简称，它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别等高新技术，顺应了电子商务、交通运输、物流管理的发展需要。
是当前最受人们关注的技术之一。
射频识别技术具有非接触、自动完成识别过程、不易损坏、可识别高速运动物体、数据存储量大等优点，极大地加速了有关信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展[7]。
2.2射频识别技术原理
通常情况下，RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的，如图2-1所示：
图2-1射频识别系统原理图
其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对RFID卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。
而RFID卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路芯片及其外接天线组成，其中RFID卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。
RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理，所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。
可见，RFID卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线。
一方面，无源的RFID卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了RFID卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式[8]。
2.3射频识别系统的结构
射频识别系统的典型结构如图2-2所示：
主要是由两部份组成：
读写器和射频卡。
图2-2RFID系统典型结构
读写器同RFID卡之间通过无线方式通讯，因此它们都有无线收发模块及天线（或感应线圈）。
RFID卡中有存储器，内存容量为几个比特到几十千比特。
可以存储永久性数据和非永久性数据。
永久性数据可以是RFID卡序列号，它是用来作为RFID卡的唯一身份标识，不能更改；非永久性数据写在EEPROM等可重写的存储器内，用以存储用户数据。
RFID卡可以根据读写器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。
控制模块完成接收、译码及执行读写器的命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。
RFID卡分无源卡和有源卡两种，有源卡内置天线和电池，而无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供，由于无源卡无需电池因此其尺寸较小且使用寿命长，应用越来越广泛。
读写器内的控制模块往往具有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务，还要实现相互认证、数据加解密、数据纠错、出错报警及与计算机通信等功能。
计算机的功能是向读写器发送指令，并与读写器之间进行数据交换[9]。
2.4门禁系统设计的基本原则
门禁系统作为一项先进的高科技技术防范手段，在经济发达国家的智能大厦及酒店、银行、医疗监护、监狱等得到了广泛应用，特别是由于系统本身具有隐蔽性、及时性等特点，其应用领域越来越广泛。
门禁系统既要处于技术的尖端，具有智能性、高可靠性、实时性，又要能符合实际需要。
因此，系统的设计应遵循下列原则：
（1）实用性门禁系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。
如果片面追求系统的超前性，势必造成投资过大，离实际需要偏离太远。
因此，系统的实用性是首先应遵循的第一原则。
（2）实时性如果门禁系统中任何一个关键系统出现差错或停机将直接影响到整个系统的运作情况。
因此，门禁系统各子系统应尽可能属于不停机系统，以保证工作正常运行。
（3）完整性一个完整的门禁系统是建筑整体形象的重要标志。
功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。
（4）系统的安全性门禁系统中的所有设备及配件在性能安全可靠运转的同时，还应符合中国或国际有关的安全标准，并可在非理想环境下有效工作另外，系统安全性还应体现在信息传输及使用过程中，不易被劫获和窃取等方面。
（5）可扩展性门禁系统的技术不断向前发展，用户需求也在发生变化因此门禁系统的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，亦即：
可灵活增减或更新各个子系统，满足不同时期的需要，保持长时间领先地位，成为智能建筑的典范。
系统设计时，对需要实现的功能进行了合理配置，并且这种配置是可以改变的，设置甚至在工程完成后，这种配置的改变也是可能的和方便的。
系统软件根据需求进行相应的升级和完善。
（6）易维护性门禁系统在运行过程中的维护应尽量做到简单易行。
系统的运转真正做到开电即可工作，插上就能运行的程度。
从计算机的配置到系统的配置，都充分仔细地考虑了系统可靠性"在做到系统故障率最低的同时，也要考虑到即使因为意想不到的原因而发生问题时，保证数据的方便保存和快速恢复，并且保证紧急时能迅速地打开通道。
整个系统的维护是在线式的，不会因为部分设备的维护，而停止所有设备的正常运作。
（7）稳定性门禁系统和我们的生活和工作联系非常紧密，门禁系统的职能是保护人身和财产的安全，一旦系统开始工作就要求连续不间断的运行，所以稳定性对于门禁系统来说就显得非常重要[10]。
2.5本论文拟解决的关键问题与解决方法
本文研究RFID的门禁系统设计，用51单片机实现模拟汽车进入小区刷卡开门，当RFID为合法卡时可以开门进入，否则无法进入，并且有期限管理。
2.5.1拟解决的关键问题
1）怎样刷卡，采集卡号；
2）怎样判断RFID卡是否合法，能够开门；
3）怎样控制卡号是否到期；
4）怎样控制门的开关。
2.5.2解决方法
1）用STC89C52RC单片机控制FM1702Sl高频读卡器实现刷卡，读取卡号，卡号及看门状态会用LCD1602液晶显示屏显示；
2）采用实现将RFID卡号保存到存储器EEPROM中的方法来进行注册，刷卡时查询存储器的卡号是否存在，若存在则合法开门；
3）采用定时器DS1302进行时间设定，时间到期后需重新注册；
4）采用单片机控制步进电机模拟开门，当卡号合法时步进电机转动开门，此外还需要红外传感器判断刷卡者是否通过，若通过则关门，步进电机反转。
2.6本章小结
本章主要说明了基于RFID门禁系统设计的理论知识，首先概述了射频识别技术，说明了它的工作原理并介绍了RFID系统典型结构，此外还介绍了门禁系统设计的基本原则，包括：
实用性、实时性、完整性、安全性、可扩展性、易维护性、稳定性，最后并提出了论文拟解决的关键问题且给出了解决方法。
第3章门禁系统的硬件电路设计
3.1门禁系统工作原理和电路设计主框图
此次设计的门禁系统主要有读卡模块、单片机控制模块、步进电机电路、红外传感器模块、存储模块、定时器、蜂鸣器提示电路、显示电路。
其中高频读卡器模块FM1702Sl能读写荷兰Philips公司的Mifare非接触式RFID卡，读卡距离约10cm。
控制模块采用STC89C52RC单片机，它具有8K可编程Flash存储器。
单片机与读卡器通信是采用SPI通信。
其硬件主框图如图所示：
图3-1门禁系统硬件主框图
3.2FM1702SL读卡器
图3-2FM1702Sl读卡器实物图
FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOSEEPROM工艺，支持ISO14443typeA协议，支持MIFARE标准的加密算法。
芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持SPI接口，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。
该芯片的三路电源都可适用于低电压。
可兼容Philips的RC500、RC530、RC531及RC632等读卡机芯片。
芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持6种微处理器接口，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。
适用于各类计费系统的读卡器的应用。
尤其FM17XXL系列芯片，其三路电源的最低工作电压均可达2.9V，这一特性优于其他公司的同类产品[11]。
图3-2为FM1702SL读卡器实物图。
本文中FM1702Sl读卡器主要是通过SPI总线协议，下面主要对它进行介绍。
3.2.1SPI总线协议
SPI（SerialPeripheralInterface串行外设接口）总线系统是一个同步串行外设接口。
它允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通讯，交换信息。
外围接口器件包括简单的TTL移位寄存器（用作并行输入或输出）、A/D或D/A转换器、实时时钟（RTO）、存储器以及LCD和LED显示驱动器等。
SPI系统可与各个厂家生产的多种标准SPI外围器件直接接口，它使用四条线：
串行时钟（SCK），主设备输入/从设备输出数据线（MISO），主设备输出/从设备输入数据线（MOSI）和低电平有效的从设备选通线。
由于SPI系统总线只需3～4根数据线和控制线即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件，而并行总线扩展方法需8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因而SPI总线的使用可以简化电路设计，提高设计的可靠性[12]。
图3-3SPI工作原理图
SPI工作原理示意图见图3-3。
电路包括3个主要部分：
移位寄存器、发送缓冲器和接收缓冲器。
其中，发送缓冲区与数据总线相连，可以由用户程序写入欲发送的数据，然后自动向移位寄存器装载数据；接收缓冲器也与数据总线相连，可以由用户程序读取接收到的数据。
移位寄存器负责收发数据，他有移入和移出两个端口，分别与收和发两条通信线路连接，与通信对端单片机的移位寄存器，恰好构成一个“环形”结构。
SPI接口工作可分为半双工通信和全双工通信两种操作过程。
下面以全双工通讯为例说明SPI工作的操作过程。
首先主机把欲发送给从机的数据写入发送缓冲器A，随即该数据被自动装入移位寄存器A；同时从机把欲发送给主机的数据写入发送缓冲器B随即该数据被自动装入移位寄存器B。
然后主机启动发送过程，送出时钟脉冲信号，寄存器A中的数据经过M
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