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《门禁系统设计》doc版

《门禁系统设计》doc版目录摘要：

2一、引言31.门禁系统发展32、IC卡门禁3二、方案设计41.系统要实现的功能42、系统整体分析53.设计时硬件的选择5三、各个模块设计与实现61.单片机最小系统62.单片机I/O接口扩展83.IC卡及读卡模块设计103.1IC卡介绍103.2MIFARE卡113.3MIFARE卡工作原理163.4MFRC500芯片概述193.5引脚功能204.天线设计235、串行通信部分256.显示模块287．键盘输入及报警电路291.键盘设置292.蜂鸣器控制部分308.门控锁部分311.上锁、开锁控制电路329.PC机部分32四、软件设计部分361.读卡程序设计363.LCD12864液晶显示部分453.串行通信程序48三、结束语53附录1.AT89C52电路图55附录2程序清单56基于单片机的IC卡门禁系统设计摘要：

本论文介绍了一种基于非接触式IC卡的门禁管理系统，门禁系统采用AT89C51单片机作为控制核心，采用Philips公司MFRC500芯片设计读卡模块。

PC机作为上位机，实现与单片机的通信控制，卡片管理，出入记录查询功能。

当刷卡时，能显示刷卡信息，并有蜂鸣器提示。

矩阵键盘作为备用输入，在没有带卡时可以输入卡号和密码，作为进出凭据。

本系统设计简单可行，成本低廉、性能优良，具有较好的实用性。

关键词：

门禁系统；IC卡；MFRC500芯片；RS485通信Abstract：

Nowadays,withtheimprovementofpeopleslivingstandardandtheprogressofscienceandtechnology,moreandmoreaccesssystemsuchasvillageentrance,garageentrance,publicplacesentranceareneeded，toensurethesafetyandconvenientofpeople.Atpresent,manyoftheentranceguardsystemisappliedineveryaspect,fortheirdifferentcharacteristicsandrequirements.ICcardentranceguardsystemhasbecomethemainstreamoftheentranceguardsystem，duetoitshighsafety,betterconvenienceandgoodperformancetopriceratio.Thispaperintroduceanacesscontrolsystembasedonnon-contact-typeICcard.ThesystemusetheAT89C51microcontrollerasthecorecontrol,andthePhilipsMFRC500chipascardmodule.PCastheuppercomputer,implementeandcommunicatewiththesingle-chipmicrocomputercontrol.Itisalsousedascardmanagement,accessrecordquerycapabilities.Whenyouswipe,cardinformationwillbedisplayed,andbuzzertipswillhappen.Matrixkeyboardasanalternateinput,whentherearenocardswithyou,thecardnumberandpasswordwillbeanaccesscredentials.Thesystemdesignissimpleandfeasible,lowcostandgoodperformancewithbetterpracticability.Keywords:

entranceguardsystem,ICcard,MFRC500chip,RS485communication一、引言1.门禁系统发展门禁系统，就是对出入进行管理的系统。

很长时间以来，人们习惯于传统的机械锁。

然而机械锁需要每一把钥匙对应一把锁，这样对于房间较多的场合使用很不方便，尤其是像宾馆、酒店、厂房等需要很多吧钥匙，管理很不方便。

钥匙丢失时就要重新更换锁，非常麻烦。

并且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，人们总能用通过各种手段把它打开，安全性很差。

此时的门禁还局限于一个个独立的门锁，无法统一管理，安全性很差。

随着社会的发展和技术的进步，人们已不满足传统的机械锁，对门禁系统的安全性和便捷性要求也更高。

为了解决这些问题，发明了电子磁卡锁，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。

这两种锁可以进行统一管理，也不再需要钥匙，大大方便了人们生活，具备了初步的门禁系统。

但是这两种锁也有很大的缺陷，磁卡锁信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。

密码锁的密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。

对密码的记忆也很麻烦，每个房间都需要单独的密码。

最近几年，随着感应技术、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。

但是新的门禁系统由于成本高等问题而没有得到广泛的市场认同。

现在流行和通用的还是IC卡门禁系统。

IC卡由于其较高的安全性、便捷性和高性价比成为门禁系统的主流。

2、IC卡门禁IC卡门禁系统具有如下优势1、使用寿命长。

感应式IC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。

感应式IC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，只需要靠近读卡器即可。

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，而感应式IC卡可以一卡开多门，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。

5、管理方便。

对不同的卡可以设置相应的进出权限，能够查询进出入记录。

IC卡由于便于携带，存储量大，保密性好，可实现分区管理，真正实现了一卡通。

IC卡已广泛应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能。

学习研究IC具有重要的现实意义。

本设计详细介绍了IC卡门禁系统的实现。

二、方案设计1.系统要实现的功能

（1）.读卡功能。

能够利用读卡器读出IC卡内容，并与单片机进行通信。

（2）.刷卡信息显示功能。

刷卡成功后LCD显示刷卡信息，失败后有报警提示。

（3）.与PC机通信。

单片机获取IC卡信息后能够与PC机通信，由PC机发出指令。

（4）.IC卡管理功能。

利用PC机作为上位机，对IC卡实现管理功能。

能为IC卡设置权限及增加、删除IC卡。

（5）.键盘输入。

键盘作为备用输入工具，在没有带卡的情况下多次输入进行验证。

（6）.电插锁控制。

利用单片机通过继电器实现对锁具的控制。

2、系统整体分析门禁系统构成分为三部分：

一是读写器部分，实现读卡功能，读出IC卡中的信息；二是单片机控制部分，实现与读卡器、PC机的通信功能，控制LCD显示屏显示，门锁的关闭及蜂鸣器报警，三是PC机控制部分，作为上位机实现卡号信息的查询及卡的管理，与单片机进行通信。

实际安装中的门禁系统如图1所示3.设计时硬件的选择经过比较和分析，IC卡采用Philips公司的非接触式IC卡Mifare1卡，以M1卡作为用户卡，以用户卡的序列号SN（全球唯一）为依据控制门的开启。

硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、中央控制、数据传输、主控制器AT89C52、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件框图如图2所示：

硬件电路主要由MIFARE卡读写模块ZLG500A及天线、中央控制、数据传输、主控制器AT89C51、键盘、显示器、门禁记录与授权卡号存储器、时钟电路以及电磁门锁等部分组成，其硬件框图如图2所示主控单片机芯片（AT89C51）复位电路数据存储电路传输模块RS485中央控制电脑MCM500模块天线液晶显示键盘电锁出门按钮射频卡图1门禁系统硬件框图三、各个模块设计与实现1.单片机最小系统1.本系统以MCS-51单片机成员中的AT89C51为控制核心。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统包括：

单片机、晶振电路、复位电路。

单片机最小系统如下图：

1.时钟电路AAT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

内部方式的时钟电路如图所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

2.复位及复位电路

（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。

其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。

（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。

若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。

整个复位电路包括芯片内、外两部分。

外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。

2.单片机I/O接口扩展单片机的输入、输出接口有限，无法满足实际的应用需求，如今有许多输入/输出接口扩展方法。

本设计采用芯片8255A用来扩展键盘/显示接口。

8255A作为通用的8位并行通信接口芯片，用途非常广泛，可以与8位、16位和32位CPU相连接，构成并行通信系统。

2.18255A内部结构及其引脚功能8255A是40引脚双列直插式芯片，片内有A,B,C3个8位I/O端口，可提供24条可编程的输入/输出端口线。

8255A由三部分电路组成：

与CPU的接口电路、内部控制逻辑电路和与外设连接的输入/输出接口电路。

（1）与CPU的接口电路与CPU的接口电路由数据总线缓冲器和读/写控制逻辑组成。

数据总线缓冲器是一个三态、双向、8位寄存器，8条数据线D7～D0与系统数据总线连接，构成CPU与8255A之间信息传送的通道，CPU通过执行输出指令向8255A写入控制命令或往外设传送数据，通过执行输入指令读取外设输入的数据。

读/写控制逻辑电路用来接收CPU系统总线的读信号，写信号，片选择信号，端口选择信号A1，A0和复位信号RESET，用于控制8255A内部寄存器的读/写操作和复位操作。

（2）内部控制逻辑电路内部控制逻辑包括A组控制与B组控制两部分。

A组控制寄存器用来控制A口PA7～PA0和C口的高4位PC7～PC4；B组控制寄存器用来控制B口PB7～PB0和C口的低4位PC3～PC0。

它们接收CPU发送来的控制命令，对A,B,C3个端口的输入/输出方式进行控制。

（3）输入/输出接口电路8255A片内有A,B,C3个8位并行端口，A口和B口分别有1个8位的数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入锁存器，C口有1个8位数据输出锁存/缓冲器和1个8位数据输入缓冲器，用于存放CPU与外部设备交换的数据。

对于8255A的3个数据端口和1个控制端口，数据端口既可以写入数据又可以读出数据，控制端口只能写入命令而不能读出，读/写控制信号（,）和端口选择信号（,A1和A0）的状态组合可以实现A,B,C3个端口和控制端口的读/写操作。

8255A有三种工作方式：

基本输入/输出方式、单向选通输入/输出方式和双向选通输入/输出方式。

3.IC卡及读卡模块设计3.1IC卡介绍IC卡是一种外形与信用卡一样，卡上含有一个符合ISO标准的集成电路芯片卡片，又称集成电路卡、智能卡，英文名称“IntegratedCircuitCard”。

它将具有存储加密及数据处理能力的集成电路芯片模块封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料片基中，便构成了IC卡。

非接触式IC卡又称射频卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

与接触式IC卡相比较，非接触式卡具有以下优点：

a．可靠性高非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。

例如：

由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。

此外，非接触式IC卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。

b．操作方便，快捷由于非接触通讯，读写器在10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必插拔卡，非常方便用户使用。

非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，即可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。

c．防冲突非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触IC卡。

这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度。

d．可以适合于多种应用非接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用，能应用于不同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。

e．加密性能好非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。

非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。

非接触式卡在处理前要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。

此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。

由于非接触式IC卡具有以上无可拟比的优点，所以它很适宜应用于电子钱包,公路自动收费系统和公共汽车自动售票系统等。

3.2MIFARE卡MIFARE卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、内存容量最大的一种感应式智能IC卡。

本设计采用的非接触式IC卡是Philips公司的MIFARE1S50卡。

非接触式IC卡的功能组成如图3所示：

卡片天线波形转换正弦波方波整流调制/解调电压调节上电复位能量CLOCKDATAATR请求模块防重叠模块选择模块认证模块控制和算术单元RAMROM数据加密单元接口存储器射频接口电路数字电路部分图4非接触式IC卡的功能组成图3.2.1MIFARE1S50卡系统参数S50非接触式卡符合MIFAREI的国际标准，容量为8K位，数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次。

S50卡不带电源，自带天线，内含加密控制逻辑电路和通讯逻辑电路，卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，具有极高的保密性能。

a.工作频率：

13.56MHzb.通信速率：

106KB波特率c.防冲突：

同一时间可处理多张卡d.读写距离：

在100mm内（与天线形状有关）能方便、快速地传递数据e.在无线通讯过程中通过以下机制来保证数据完整防冲突机制每块有16位CRC纠错每字节有奇偶校验位检查位数用编码方式来区分“1”、“0”或无信息信道监测（通过协议顺序和位流分析）f.支持多卡操作g.无电池：

无线方式传递数据和能量h.组成部分：

一个芯片和一个简单的线圈i.三次相互认证（ISO／IECDIS9798-2）j.通讯过程中所有数据均加密以防止信号截取k.每一扇区有相互独立的密码l.每张卡的序列号是全球唯一的，有32位m.传输密码保护n.支持一卡多用的存储结构3.2.2存储结构1、M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63，存贮结构如下图所示：

扇区0块0数据块0块1数据块1块2数据块2块3密码A存取控制密码B控制块3扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块3密码A存取控制密码B控制块7∶∶∶扇区150数据块601数据块612数据块623密码A存取控制密码B控制块632、第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

3、每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

数据块可作两种应用：

★用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

★用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。

4、每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。

具体结构如下：

A0A1A2A3A4A5FF078069B0B1B2B3B4B5密码A（6字节）存取控制（4字节）密码B（6字节）5、每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。

存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下：

块0：

C10C20C30块1：

C11C21C31块2：

C12C22C32块3：

C13C23C33三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等）。

三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例：

对块0的控制：

bit76543210字节6C20_bC10_b字节7C10C30_b字节8C30C20字节9（注：

C10_b表示C10取反）存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示：

bit76543210字节6C23_bC22_bC21_bC20_bC13_bC12_bC11_bC10_b字节7C13C12C11C10C33_bC32_bC31_bC30_b字节8C33C32C31C30C23C22C21C20字节9（注：

_b表示取反）6、数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下：

当块0的存取控制位C10C20C30=100时，验证密码A或密码B正确后可读；验证密码B正确后可写；不能进行加值、减值操作。

7、控制块块3的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下：

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