电子门禁系统的设计.docx

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电子门禁系统的设计

电子门禁系统的设计

摘要

随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活。

电子门禁系统作为一项先进的高科技防范和管理手段，已广泛应用于科研、工业、博物馆、酒店、商场、医疗监护、银行、监狱等行业。

特别是由于其本身具有的隐蔽性、及时性，使得在许多领域的应用越来越广泛。

所以，设计稳定性高、保密性强和易于扩展的较通用型门禁考勤系统具有重要的实际意义。

在整个系统的设计过程中，我首先参考了国内外同类产品的设计方法，然后结合实际，给出了设计方案，采用具有丰富多片内外设的LPC2368ARM为微控制器，选用ZLG522S/LT读卡模块为读卡器（使用Mifare卡），外加小晶格OCM12864-9液晶显示器显示日期时间和刷卡信息，并采用HUIGANG继电器作为门锁开关，同时有门状态指示灯。

系统通过RS-485总线与上位机进行通信。

该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段，还有同上位机时间同步和手动校对时间的功能，并能将记录信息通过SD卡导出。

该电子门禁系统具有实际应用中的单门门禁考勤系统的主要功能，并具有稳定性、可靠性，保密性强和人机界面友好的优点。

关键词：

ARM微控制器，读卡模块，RS-485，LCD，SD卡

THEDESIGNOFELECTRONICACCESSCONTROLSYSTEMS

ABSTRACT

Withtheboomingofhightechnology,intelligentmanagementhasenteredpeople'ssociallife.Electronicaccesscontrolsystems，asanadvancedhigh-techmeanswhichusedforpreventionandmanagement,hasbeenwidelyusedinscientificresearch,industry,museums,hotels,shoppingmalls,medicalcare,banks,prisons,etc.Especiallyforitscharactersofconcealmentandtimeliness,thedomainofitsapplicationshasbecomingmoreandmorewidely.Therefore,herehasimportantpracticalsignificancetodesignhighstability,highconfidentialityandstrongexpansionofmoreuniversalaccesstimeandattendancesystems.

Throughoutthesystem’sdesignprocess,Iatfirstconsultdomesticandinternationalsimilarproducts’designmethods，then，connectedwithreality,bringforwardthedesignmethods,adoptLPC2368ARMwhichhasrich-chipperipheralsasmicrocontrollers,ZLG522S/LTcardreader（usingMifarecard）,withasmalllatticeOCM12864-9liquidcrystaldisplayfortheshowingofthetimeanduserinformation,usingHUIGANGasrelayswitchlocks,atthesametimesupplywithstatusindicators.

ByusingRS-485bus,theSystemcommunicatewiththePC.Thesystemcouldindentifycard,thenopenthedoorandrecordfuctionsaccordingtothetimeanduser’sinformation,alsocanadduserfeatures,settimelimitsofauthorityandattendancetime,andsyncwiththePCtimeandtimechecksmanuallyfunctions,andwillderivedtherecordinformationthroughtheSDcardfunction.

Theelectronicaccesscontrolsystemshasthemainfunctionsofpracticalapplicationsintheone-dooraccesscontrolsystem,alsowithstabilityandreliable,strongsecurityandfriendlyman-machineinterfaceadvantages.

KEYWORDS：

ARMMicrocontrollers,ReaderModules,RS-485,LCD,SDCard

前言

随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活。

智能考勤系统基于现代电子与信息技术，利用智能卡或指纹等生物信息的唯一性来对员工上下班进行现代化高效管理，在各厂矿、机关、银行等场合已广泛应用并成为单位管理现代化和信息化的标志。

目前，欧美电子门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器。

在国内，电子门禁系统处于成长期和初始阶段。

此系统是采用具有丰富多片内外设的LPC2368ARM为微控制器，选用ZLG522S/LT读卡模块为读卡器（使用Mifare卡），外加小晶格OCM12864-9液晶显示器显示日期时间和刷卡信息，并采用HUIGANG继电器作为门锁开关，具有门状态指示灯，同时仿效实际产品引出必要的接口，如门磁检测，门内开关接口，门外铃声按钮接口，RS-485通信接口和电源接口等。

系统通过RS-485总线与上位机进行通信。

该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段，还有同上位机时间同步和手动校对时间的功能，并能将记录信息通过SD卡导出。

上位机在VC开发环境下编程，具有一些实际电子门禁系统的主要简单功能。

第1章系统方案概述

本设计是电子门禁系统的设计，系统主要分为下位机和上位机两大块儿，其中下位机的硬件选择决定了系统的大部分功能是否能完好的实现。

下面对此次设计做下方案论证。

§1.1方案论证

门禁系统由门禁控制器、读卡器、出门按钮、通讯集线器、感应卡和管理软件组成。

下面主要对门禁控制器、门禁系统的类型和感应卡的选择来进行论证。

§1.1.1门禁控制器的选择

门禁控制器有多种控制芯片可以选择，如8051系列单片机、ARM系列控制器等。

表11是对传统8051系列单片机和ARM系列控制器的对比，实物如图11。

表118051系列和ARM系列微控制器的对比

传统8051系列单片机

ARM系列微控制器

参考资料

丰富、成熟

较多

价格

便宜

稍贵

运行速度

一般（一般低于40M）

快（ARM7可达60到100M，ARM9可达200到300M）

引脚

较少

多

串行接口

很少

较多

操作难易

较简单，但模拟串行通信时，会比较麻烦

设置较多，操作较复杂，但串行通信较简单

图118051系列和ARM系列控制器

由于本门禁考勤系统使用的串行口较多（与PC机、读卡器、发卡器、键盘、显示、SD卡通信都要用到串口），就这一点传统的8051系列单片机的资源就比较拮据；在速度的要求上，ARM系列控制器很容易得到满足。

虽然ARM系列控制器价格较贵，但综合考虑，ARM系列控制器更适合本系统。

在众多的ARM控制器中，LPC2300系列较其他系列的显著优点，是其十分适用于串行通信的场合，所以选择LPC2300系列ARM控制器来做本系统的控制器。

§1.1.2门禁系统的类型选择

门禁系统一般有以下类型：

1.不联网门禁

优点：

每个门禁控制一个门，不需重新安装布线，价格便宜，一般通过自带键盘即可实现发卡、删除卡等操作。

缺点：

不能实现查看事件记录，不能通过管理软件统一管理。

适用场合：

已装修好不便于重新布线，安全性能要求不高的场合。

2.RS-485联网门禁

优点：

通过RS-485总线可实现多台控制器联网控制，可实时查看刷卡事件记录和灵活设置控制器工作参数。

缺点：

相对不联网门禁价格偏高，RS-485总线存在速度不高、实时性不强、布线不便和容易受雷电等因素影响。

适用场合：

小区、学校、仓库等人数稍多，门需统一管理，安全性能要求一般的场合。

3.CAN-bus联网门禁

优点：

通过CAN-bus总线可实现多台控制器联网控制，可实时查看刷卡事件记录和灵活设置控制器工作参数。

CAN-bus总线在工程布线上与RS-485总线相同，仅需两根通信线，布线简便。

CAN-bus总线比RS-485总线可靠得多，CAN-bus控制器本身就具备数据帧的CRC校验和自动重发的功能，能进一步确保通信的可靠性。

具有主动上传事件记录功能，实时性好，网络资源利用高。

缺点：

相对RS-485联网门禁初期需投入的成本偏高，但日后维护的成本会较RS-485门禁少。

适用场合：

通信性能稳定性要求高，传输速度要求快、传输距离要求远的场合，如金融机构、政府企事业机关等。

4.TCP/IP以太网联网门禁

优点：

通过TCP/IP以太网总线实现多台控制器联网控制，除能实现RS-485总线和CAN-bus总线门禁系统的所有功能外，还可以实现远程监控、跨控制器的联动和防反潜等高级功能。

只要有网络资源的地方均可安装，具有速度更快，安装更简单，联网数量更大，跨地域联网的优点。

缺点：

产品价格略比其它总线高，需要有网络资源。

适用场合：

适合安装在大项目、人数多、速度快、跨地域的工程中。

由于本系统的技术要求和应用场所是中距离通信场合，综合以上四种类型的优缺点和适用场所，可以看出RS-485联网系统，在价格上占优势，而且本系统对安全性的要求不是很高，RS-485联网系统可以胜任，而对于CAN-bus联网门禁和TCP/IP以太网联网门禁多是对较高安全性、高传输速度和远传输距离场合的应用，所以本系统采用了RS-485联网系统。

非接触IC卡RS-485门禁考勤系统示意图如图12所示。

图12非接触IC卡RS-485门禁考勤系统示意图

5.感应卡的选择

常见的门禁系统有：

密码门禁系统、非接触IC卡（感应式IC卡）门禁系统和指纹虹膜掌型生物识别门禁系统等。

密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰；生物识别门禁系统安全性高，但成本高，由于拒识率和存储容量等应用瓶颈问题而没有得到广泛的市场认同。

现在国际最流行最通用的还是非接触IC卡门禁系统。

非接触IC卡由于其较高的安全性，最好的便捷性和性价比成为门禁系统的主流。

所以该系统使用非接触IC卡。

§1.2设计的基本要求和主要技术指标

参见任务书中的“主要研究内容”和“主要技术指标（或研究目标）”栏目内容。

第2章硬件设计技术文档

本设计为门禁考勤系统，顾名思义，其兼具门禁和考勤的功能。

下面为本系统的硬件设计说明。

§2.1功能特点

此门禁考勤系统硬件电路板具有以下特点：

●控制器采用ARM嵌入式工业控制模块T2368中的最小系统，比一般门禁系统采用的MCS51处理器速度更快，质量更可靠；

●板上复位电路使用带看门狗功能的SP706复位芯片；

●电源部分采用开关电源芯片LM2575设计，比使用7800系列芯片设计的电源稳定，且省电；

●实时时钟RTC使用32.768KHz的独立外部晶振，和电池供电；

●4个独立的按键，门状态和通信指示灯，蜂鸣器控制电路，及继电器控制电路；

●与PC机通信设计了RS-232C转换和RS-485转换两种串行方式，RS-232C方式便于调试，RS-485方式用于实际应用；

●读卡器采用ZLG522S/LT读卡模块（UART和I2C两种接口）；

●OCM12864-9液晶显示屏；

●SD/MMC卡接口电路；

●ZLG7290接口，并将可以引出的I/O口通过排针形式都引出来（在实物中没有此接口）。

门禁考勤系统的功能框图见图21

图21门禁考勤系统的功能框

§2.2硬件电路分析

§2.2.1电路原理图

系统的电路原理图如附录图01所示。

§2.2.2硬件使用的资源

LPC2368是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并带有512kB的嵌入高速Flash存储器。

128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。

对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

其特别适合于串行通信的场合。

LPC2368内部由512K的Flash，58K的片内SRAM，包括32K的局部总线SRAM、8K的USB使用的SRAM、16K的以太网SRAM和2K的电池SRAM。

此门禁考勤系统只使用了片内Flash、局部总线SRAM和2K的电池SRAM，没有外部扩展存储器。

如表21所示，为LPC2368I/O口的使用和分配表。

表21LPC2368I/O口的使用和分配表

功能模块

使用LPC2368引脚

引脚功能

看门狗复位

P1.24

给SP706S喂狗

串口UART0（RS-232C和RS-485）接口

P0.2（TXD0）

串口UART0的输出输入

P0.3（RXD0）

P1.22（GPIO）

RSM485CHT的收发控制

读卡器模块

P0.10（TXD2）

微控制器与读卡模块的UART通信接口

P0.11（RXD2）

P0.27（SDA0）

微控制器与读卡模块的I2C通信接口

P0.28（SCL0）

P2.11（INT）

液晶显示模块

P2.0~P2.7

（GPIO）

液晶的并行数据总线（DB0~DB7）

P1.18

液晶读/写控制脚

（R/W（

））

P1.19

液晶使能控制脚（E（

））

P1.20

液晶片选择信号，低电平时有效（

）

P1.21

液晶数据/指令选择（AO）：

高电平：

DB0-DB7为显示数据

低电平：

DB0-DB7为操作指令

P1.23

液晶背光电源控制，低电平有效（LED+）

按键和门内开关

P0.6~P0.9

四个独立按键

P0.23

门内开门开关输入

指示灯

P1.28

门关闭指示灯（红色）

P1.29

门打开指示灯（绿色）

继电器和蜂鸣器

P1.26

继电器控制端（高电平有效）

P1.27

直流蜂鸣器控制（低电平有效）

门磁检测

P1.25

检测门磁状态（低电平为门开）

SD卡接口

P0.21、P0.22、P2.11、P2.12、P2.13、P0.20、P0.19、P2.8、P3.25

引脚具体说明见表23

ZLG7290接口

P0.0（SDA0）

此接口除去此三接口外，还有电源和地接口

§2.2.3各个部分单元电路原理及其分析

1.电源电路

系统设计为3.3V应用系统，但是LPC2300系列ARM微控制器需要2种类型的电源，分别是3.3V和1.8V，而与PC机通信使用的RS-485收发器（RSM485CHT）和继电器都是5V器件，所以设计5V电源为系统前级电源，3.3V为后级电源。

对于LPC2300系列ARM的1.8V内核供电，其有两种方案，一种是使用片内的DC-DC，另外一种是使用外部的1.8V直接供电，本系统采用前者。

由于本系统没有使用AD/DA功能，所以不区分模拟电源和数字电源。

如图22（a）、（b）所示，首先由CON30电源接口输入9V直流电源，二极管D11防止电源反接，经过C11、C12滤波，再通过LM2575将电源稳压至5V，然后通过L2、C111、C110组成的滤波电路，输出稳定的低纹波5V电压，再使用LDO芯片（低压差电源芯片）稳压输出3.3V电压。

考虑到系统长时间处于工作状态，从节能方面考虑采用了开关电源LM2575设计。

系统使用的电源是9V直流电源，由CON30电源接口输入，接头上的电源极性为外正内负。

当系统上电后，POWER指示LED1应点亮。

LDO芯片采用了SPX1117M3-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。

此系列芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1%以内，还具有电流限制和热保护功能，广泛用户在手持式仪表、数字家电、工业控制等领域。

使用时，其输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

图22系统前后级电源和RTC电源电路

LPC2300系列ARM集成有RTC外设，其单独供电，此次设计中提供了两种供电方式，系统电源和外部电池供电，如图22（c）所示。

系统电源方式便于调试系统时使用，电池供电方式在实际应用中使用。

2.时钟系统、RTC时钟电路

系统采用ARM嵌入式工业控制模块T2368中的最小系统，其中使用外部12.000MHz无源晶振作为主时钟源。

对于实时时钟（RTC）功能，在CPU的RTCK1和RTCK2脚之间接一个32.768KHz的晶振。

3.看门狗复位电路

由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作电压等特性导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。

使用了专用微处理器电源监控芯片SP706S以提高系统的可靠性，同时该芯片还带有硬件看门狗电路。

如图23所示，在电路中将看门狗复位信号输出脚（

）通过R32连接到SP706S的手动复位输入脚（

）上，信号nRST连接到CPU的复位脚nRST。

可通过定时翻转P1.24的电平来喂狗，一旦在1.6秒内未翻转P1.24的电平，则SP706S内部的看门狗溢出，

脚输出低电平，

脚被

脚拉低为低电平，导致SP706S在

脚输出200ms的复位脉冲令CPU复位，同时SP706S内部清零看门狗让其重新计数。

图23系统复位电路

当复位按键RST按下时，SP706S的

脚输出低电平复位系统。

SP706S的看门狗功能与LPC2368自带的看门狗功能，在实际应用中可以任选其一，在程序调试阶段，不焊掉R32，断开

与

之间的连接，实际应用中，如果使用SP706S的看门狗功能，则需焊接R32。

4.串口UART0（RS-232C和RS-485）接口

由于系统是3.3V系统，所以使用了SP3232E进行RS-232C电平转换，SP3232E是3V工作电源的RS-232C转换芯片。

如图24所示，CON2为UART0接口，可以在串口调试阶段使用，在实际应用中，则要使用CON3的RS-485接口。

RS-485收发器采用嵌入式隔离RS-485收发器RSM485CHT，如图24（c）所示。

RSM485CHT隔离收发器模块，是集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片，总线保护器件于一身，方便嵌入用户设备，使产品具有连接RS-485网络的功能，其为5V工作电源器件。

电路设计中采用保守方法，加入了PESD1CAN隔离，是系统稳定性更高。

RS-232C与RS-485功能可以通过跳线JP2来切换，如图24（b）。

JP2跳线器说明见表22。

图24UART0（RS-232CANDRS-485）接口

表22JP2跳线

JP2

功能

备注

控制器的UART0与CON2（RS-232C）连接

（模式1）串口调试时使用

控制器的UART0与CON3（RS-485）连接

（模式2）实际应用中使用

5.JTAG接口电路和ISP跳线电路

采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义及与T2368的连接如图25（a）所示。

其中RTCK引脚加上拉电阻，使系统重启后，LPC2368内部的JTAG接口使能，可以直接进行JTAG仿真调试，同时P2[9:

0]引脚不为跟踪功能；其他5个引脚可以不加上拉和下拉电阻。

当要使用ISP功能时，将PC的串口与CON2相连，并将跳线JP2设置为第一种模式，使用UART0通信。

同时把JP1（如图25JTAG接口电路（c））短接，是ISP的硬件条件得到满足。

图25JTAG接口电路

6.读卡模块和液晶显示接口

现在，接触式智能卡的应用已经濒临灭绝，门禁考勤系统一般都使用非接触式无线智能卡，Mifare卡就是其中的一员。

Mifare卡是由Philips开发的非接触式无线智能卡，符合ISO/IEC14443A标准，广泛应用于门禁、考勤、停车场和消费等场合，可以实现一卡通功能。

Mifare卡具有数据传送速度快、防碰撞、保密性高等特点，本系统中就选用此类卡。

读卡器采用ZLG500S系列读卡模块（ZLG522S/LT），此系列是非接触式IC卡读卡模块，支持MifareS50、MifareS70、MifareUltralight、MifarePro和MifareDesFire等符合ISO14443标准的卡片，ZLG522S/LT为3.3V供电，具有I2C和UART两种通信接口，和天线一体化，主动检测卡片进入的模块。

此系统中，将两种接口都引出来，但只使用UART接口，如图26（b）所示。

图26读卡模块和液晶显示接口电路

门禁系统应该有个液晶显示器，才比较专业。

此系统选用金鹏电子有限公司的OCM12864-9液晶显示器，此显示器为并口总线工作模式，优点是，小晶格，小巧美观、省电。

设计中使用GPIO口P2.0~P2.7模拟数据总线，P1.18、P1.19、P1.20、P1.21为控制线，P1.23为背光控制线，其接口如图26（a）所示。

7.按键、门内开关和指示灯

此系统中设计了四个独立按键、一个门内开关按钮接口（另外用万用板搭建了一个小型接口电路，可实现门内开关模拟、继电器状态指示和门磁状态模拟功能，如）和门状态指示灯（红：

门关；绿：

门开）、下位机向PC机发送信息指示灯（通信时闪烁），如图27（a）（b）所示。

图27按键、门内开关和指示灯电路

8.继电器和蜂鸣器

门禁考勤系统在刷卡时，权限允许时开门，此系统应用继电器做开门开关；且有蜂鸣器提示声。

继电器采用HUIGANG继电器，其为5V工作器件，而系统为3.3V系统，所以在设计上采用了NPN三极管来实现3.3V系统控制5V的器件，用P1.26控制（高电平闭合），驱动电路如图28（a）所示；直流蜂鸣器，用P1.27控制（低电平蜂鸣），驱动电路如图28（b）所示。

两个驱动中的二极管起到继流的作用。

图28继电器和蜂鸣器驱动电路

9.SD卡接口

SD/MMC卡有SD总线和SPI总线两种访问模式。

系统使用LPC2368为控制器，其内部带有SD/MMC卡控制器，支持SD/MMC卡的SD总线模式，因此，使用该控制器来访