智能家居门禁控制系统毕业论文Word文档下载推荐.doc
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目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1课题研究的背景 1
门禁系统简介 1
门禁系统出现的背景 1
课题研究的意义 2
1.2门禁系统的发展 3
1.3门禁系统的国内外现状 4
1.4本课题设计的主要工作和任务 5
2系统方案设计与实现 6
2.1卡片选型 6
2.2读卡模块介绍 6
2.3总体方案论证 7
各模块方案选择与论证 7
总体方案确定 9
3系统硬件设计与实现 10
3.1电源模块 10
3.2数码管显示电路 10
3.3单片机最小系统电路 11
3.4MF-RC522读写模块 12
MF-RC522芯片介绍 12
MF-RC522模块工作原理 13
读写模块的天线设计 14
读写模块电路 15
3.5MF-RC522模块与单片机接口电路 16
3.6门控锁电路 16
3.7蜂鸣器电路 18
3.8控制工作指示灯 18
3.9矩阵键盘电路 19
4系统软件设计与实现 19
4.1软件设计环境 19
4.2主程序的设计 20
4.3读/写卡程序设计 22
MF-RC522命令寄存器及指令说明 22
读/写卡程序流程图 25
4.4系统外围基本电路程序的设计 26
键盘程序设计 27
显示程序设计 28
5系统调试总结与展望 28
5.1系统调试 28
5.2系统总结与展望 29
系统总结 29
系统发展前景展望 29
6结束语 30
致谢 31
参考文献 32
附录 34
附录1元件清单 34
附录2门禁模块电路原理图 35
附录3PCB电路原理图 36
附录4电路板实物图 37
附录5程序清单 38
1绪论
1.1课题研究的背景
门禁系统简介
出入口门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。
它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。
适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间智能化小区，工厂等。
在数字技术网络技术飞速发展的今天门禁技术得到了迅猛的发展。
门禁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。
它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用。
在该系统的基础上增加相应的辅助设备可以进行电梯控制、车辆进出控制，物业消防监控、保安巡检管理、餐饮收费管理等，真正实现区域内一卡智能管理。
门禁系统出现的背景
当今社会科学技术飞速发展，人们都在感受着高科技带来的便利与益处，同时，人们对高科技服务于生活的要求和质量也越来越高。
我国经济的快速发展，城市人口也迅速增加，社会财富不断，因此对建筑的安全防护系统要求也越来越高。
高科技在带给人们生活便利的同时，也带来了一些人运用这些高科技手段进行盗窃和抢劫等违法犯罪行为，造成了人们的人身和财产安全的隐患，人们只有希望于更安全、更可靠的安全防范措施，来阻止这些犯罪份子的侵犯。
自古以来，人们一直使用一把普通的锁来保护他们的财产，对进出人员进行控制，这种简单的方法一直沿袭了几千年，这种普通的门锁始终离不开钥匙，而且一把门锁需要一把与之相对应的钥匙，多把锁就需要配多把钥匙。
钥匙多了就繁琐不便于携带，并且容易丢失和被盗，不管其结构多么的合理，材料多么固，总可以通过某种非正常的手段打开，因此安全性差。
在科技飞速发展的今天，传统的门锁在很大程度上不能满足人们对安防的需求，为了从根本上改变这种局面，产生了智能门禁系统，它是在电子、机械、光学、生物识别技术、计算机技术和通信技术等新技术的基础上开发出来的【】。
智能门禁系统已成为发达国家和地区一些重要场合其中重要的安防系统之一，与传统的门禁安全设备不同，它从被动转变到主动监控和报警控制，发挥了更高的安全防范作用。
所以，智能门禁系统在安防控制设备领域中大显风采。
根据美国当局的调查结果显示：
美国门禁设备销售占整个公共安全行业市场销售额的57．8％，闭路电视监控及其他报警设备销售总额仅占39．2％，另外台湾安防器材市场的年度调查报告中，门禁系统销售增长率为25％，与其他安防设备的增长率相比高出了十几倍。
随着人们对门禁系统的要求不断增加，现在的智能门禁控制系统的应用越来越广泛，人们对智能门禁系统的应用不再仅限于对出入口的单一管制，还要求它不仅可应用于智能大厦或者智能小区的门禁控制、企业的考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇智能控制等，而且还能与其他联动控制设备等一起构成具有多种控制功能的系统。
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、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。
目前，智能化已成为自动化领域新技术、新方法和新产品的发展趋势和标志，智能化迅速扩展到仪器、仪表、设备以及整个大系统之中。
它不仅深入到军事，也深入到工业控制、商业、建筑业和农业，包括计算机控制、管理、辅助设计和生产过程自动化等各个领域。
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。
在我国IC卡行业的发展起始于1993年左右，当时对IC卡行业非常重视，高瞻远瞩，国家大力发展我们自己的IC卡事业，建立了“金卡工程”。
已成功开发出了我国自主版权的较大容量的存储卡和逻辑加密卡等，但是对于高端CPU卡和非接触IC智能射频卡的制卡技术和相应的读／写卡设备的技术我们仍处于落后状态，极大的限制了我国IC卡事业的发展，制约着我国“金卡工程”的实施，智能门禁控制系统在我国的使用还处于发展阶段。
正是在这种背景下，本课题提出了基于射频识别的智能门禁控制系统，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。
1．2门禁系统的发展
门禁系统到底是如何发展起来的呢?
门禁系统，就是对进口和出口人员的控制，也叫做出入口控制系统。
在什么地方放人进出，什么地方拒绝人的入，以及什么时候需要拉响警报和对出入人员信息的存档，从而保障人身和财产的安全，是早期门禁系统的基本功能。
随着社会的不断发展，门禁系统也逐步的发展进步和智能化。
从人类社会的形成开始，随着人们的不断劳动创造了财富，人们有了属于自己的财物，为了保障自己财物的安全，人们将门用栓子锁起来，因此，人类从找个时候起就对进出门人口的控制，从而产生了早期的门禁系统。
随着人类社会的不断进步，人们的安全防范意识也不断的提高，出现了安全性能越来越高的门锁设备。
传统的门锁都是纯机械装置，无论它的内部结构多么的复杂，始终依赖于一把很简单的钥匙，就可以轻而易举的进出，如果钥匙丢失了门锁也就坏了。
磁卡式的门禁系统弥补了这种功能简单和单一的不足，用磁卡代替原来的钥匙，各方面的性能都得到了改善和提高，但是磁卡的存储空间小，磁卡与读卡器之间容易发生磨损，读卡器容易被人为破坏，这些因素使得磁卡式门禁系统的安全性和可靠性也受到了一定的限制。
随着接触式智能IC卡门禁系统的应用，其市场规模不断的扩大，它自身不可克服的缺点成为智能IC卡门禁系统发展的障碍。
通信的全球化和网络信息的飞速发展，人们对各方面提出了更高的要求，要求信息载体便于携带、安全性高、使用简单等，非接触式智能IC卡具有无机械磨损、维护方便、使用简单等特点，具有强大的潜力因此成为业界备受关注的新军。
随着数字化的普及和发展，数字电路的性能不断的完善和提高，芯片的价格也越来越低，使得人们能够有机会设计出大量各种性能、性价比高的产品。
控制处理模块是门禁控制系统所有功能和组合方式的灵魂，它能够充分的表现出门禁系统的安全防范能力以及对日常工作的管理。
上个世纪80年代，计算机技术飞速发展和光学扫描的技术革新，使得指纹的提取成为了现实。
在90年代后期，图像设备的引入和发展，以及图像处理的算法为指纹识别应用提供了条件，大大促进了生物识别的门禁系统的发展和应用。
生物识别的门禁系统是通过检测人体个人所具有的唯一特征的方法来进行出入的控制，研究表明，人的指纹、掌纹、面部特征、声音、视网膜、虹膜、骨骼都具有唯一性和稳定性的特点，即每个人的这些特点与他人不同而且终身不会发生变化，因此可以用这些特征作为判别人员身份的依据。
从而产生了基于这些特点的指纹识别、声音识别、脸部识别等生物识别的技术，指纹识别技术是生物识别技术的热点。
由于这些人体的这些生物特征具有可靠性和唯一性，终身不变，不会遗失和复制，其他的介质取代不了的优点，所以，基于生物识别的门禁系统从识别的方式来讲安全性高，可靠性高，而且成本高，对环境要求也高，对用户的要求也高，使用不方便。
13门禁系统的国内外现状
门禁控制系统是跟随着自动识别技术发展起来的，拥有很大的市场，有很多公司都从事门禁控制系统的生产和开发。
在国外的门禁系统有很多品牌，主要有美国的休斯HID、摩托罗拉MOTOROLA、英国的集宝，以色列的SERVANT等品牌，国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。
目前，国内外研究和开发的门禁控制系统主要是感应式门禁系统和基于生物识别技术的门禁控制系统。
在基于生物识别技术的门禁控制系统中主要是以指纹识别为应用的门禁系统使用最广泛。
随着计算机技术的发展、图像处理和自动识别技术的提高以及大规模的集成电路的发展，指纹识别系统的体积越来越小，价格也不断的降低，可以广泛应用于门禁系统和其他诸多领域。
无论是感应式的门禁系统还是基于生物识别技术的门禁系统，支撑射频识别技术和生物识别的技术都比较成熟。
门禁系统作为一种安全保护的产品，主要竞争是在其产品的安全性和可靠性以及性价比上。
在一般人看来，基于生物识别的门禁系统都很安全，其实这是一个误解。
虽然人体的生物特征是独一无二的，具有唯一性、可靠性和不可替代等优势，从识别的方式上来看确实是非常安全。
但是，门禁系统作为一个整体，其整体的安全性不仅包括识别方式的安全，还包括控制系统的安全、系统软件的安全、通信方式的安全以及电源的安全，任何一个部分的安全性能都可以影响到整个系统的安全。
指纹式门禁系统在安装时需要在门外安装控制器和指纹识别仪，这样一来门锁的控制线就会露在门外，容易被人打开。
虽然指纹式门禁系统的识别方式安全性很高，但是系统的整体安全性还是较差。
目前，国外开发使用的门禁系统安全性较高，但是价格也相对较高，智能卡的门禁控制系统的价格从4到3万不等。
国内生产的感应式门禁系统和指纹识别的门禁系统价格与国外同类产品相比要低大约10％50％，但是系统的可靠性相对会差一点。
1.4本课题设计的主要工作和任务
本文围绕着如何实现安全性高、自动识别认证以及实时性高的智能门禁系统来展开设计和开发，首先是将电子标签作为人身份的载体，然后利用射频识别设备和计算机等硬件来构建门禁控制系统，通过软件编程实现对硬件设备的调用和相互之间的通信，最终实现对射频标签的自动识别和门锁的控制。
本文的内容组织如下：
第l章，通过对门禁系统的特点、发展趋势和国内外现状的分析和总结，引出课题的研究目的和意义，介绍了射频识别技术的相关原理。
第2章，从射频识别系统的组成出发，详细的介绍了射频识别系统主要技术参数和RFID涉及到的关键技术，分析系统的设计要求和设计原则，得出门禁系统的总体设计方案。
第3章，论述系统的硬件设计过程，主要介绍门禁系统的各个模块的硬件电路设计和实现。
第4章，论述系统的软件设计过程，设计和软件协议。
主要叙述门禁系统的各个模块软件流程
第5章，对论文进行总结，概括本课题的研究内容和研究成果，并展望了未来RFID技术的发展前景。
2系统方案设计与实现
2.1卡片选型
目前经常接触到的卡有两种：
接触式和非接触式的卡。
接触式的卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；
非接触式卡通过射频线圈感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。
日前在社会上常见的是接触式卡，它具有存储量大，可实现一卡多用等功能。
但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡插入到读写器中才能完成数据交换，这样在读写卡片频繁的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上卡的触脚暴露在外，容易损坏和脏而造成接触不良。
非接触式智能卡又称射频卡，是近几年发展起来的新技术[4]。
它是根据射频电磁感应原理产生的，它的操作只需将卡放在读写器一定距离内就能实现数据交换。
它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，将具有微处理器功能的集成电路芯片和天线封装于塑料基片之中。
读写器采用兆频段及电磁感应技术，通过无线方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议。
其优点是应用范围广、操作方便。
因此，在公交、门禁、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。
目前我国引进的射频卡片主要以PHILIPS公司的MIFARE卡为主[]。
本系统中使用的是PHILIPS公司的MF1-S50，其属于TYPEA型卡，下面对其做一些简述：
Mifare1卡的核心是PHILIPS公司MF1S50系列微模块，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。
Mifare1智能卡内建有高速的MCU，卡片上除了微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件；
卡片上无源，工作时的电源能量由读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能；
它与读写器通信使用半双工通信协议[]。
2.2读卡模块介绍
非接触式卡读写模块以射频识别技术为核心，读写模块主要使用专用的读写处理芯片，它是读写操作的核心器件，其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制。
其内部结构分为射频区和接口区：
射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；
接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的、数据缓冲器、防碰撞模块和控制单元。
这是与智能卡实现无线通信的核心模块，也是读写器读写智能卡的关键接口芯片。
其工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波，当有卡靠近时，卡片内有一个LG串联谐振电路，其谐振频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG谐振电路产生谐振，从而使电容充电有了电荷。
在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。
当电容器充电达到一定电压值时，此电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的数据并保存[5]。
其工作过程如下:
第一，读卡模块将载波信号经天线向外发送；
第二，卡片进入工作区域后，卡内电感和电容组成的谐振回路接收读卡模块发射的载波信号，射频接口模块将其转换成电源电压、复位信号，使卡片激活；
第三，存取控制模块将存储器中信息调制到载波上，经卡上天线送给读卡模块；
第四，读卡模块对接收到的信号进行解调、解码后送给单片机处理；
第五，单片机根据卡片的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。
2.3总体方案论证
各模块方案选择与论证
1控制器的选择
方案一：
采用ATMEL公司的AT89S52作为系统的控制器。
AT89S52单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，但是其需要专用的编程器或仿真器，相对来说开发成本较高，另外代码执行速度较慢[6]。
方案二：
采用宏晶科技的STC11F52单片机，该单片机是宏晶科技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8051，但速度快8-12倍，并且该型号单片机还提供ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用的编程器和专用的仿真器，可通过串口直接下载用户程序，此外该单片机还具有32K的用户程序空间和28K的EEPROM，片上还集成了1280字节的RAM[7]，足够用户使用，并且具备了AT89S52的所有优点，且开发成本低，能更好的实现系统功能，故选用方案二。
2RFID读卡芯片的选择
随着RFID市场的迅猛增长，各大传统芯片制造商都加入到RFID读卡芯片的开发当中，可供选择的芯片很多，下面介绍两款主流的RFID读写芯片：
TI公司的TRF7960芯片。
TRF7960是一个整合的13.56MHz的RFID读卡器IC产品，可以用于较宽范围的近耦合RFID系统。
它的特点是完全整合协议处理，内部独立的模拟与数字电源，AM和PM双信号输入接收解调，读卡器与读卡器之间反冲突算法，输出功率可调，内建带通滤波器并且用户可选择边界频率，低功耗设计，掉电模式下电流小于lμA，激活状态10mA；
与微处理器接口为8位并行接口或者4线SPI接口[8]。
NXP公司原飞利浦半导体公司是较早进入RFID芯片行业的国际半导体公司，在射频读写芯片上产品较全。
MF-RC522芯片就是NXP公司生产的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片。
MF-RC522利用了先进的调制和解调技术，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议，支持ISO14443的多层应用。
其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443A-MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。
接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理ISO14443A兼容的应答器信号。
数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶＆CRC）。
此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。
MFRC522支持更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。
它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、I2C或串行UART类似RS232模式之一[9]，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本。
由于MF-RC522能够满足设计需求，而且应用范围比其他的芯片更广，资料
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