电动门控制器本科设计.docx
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电动门控制器本科设计
南京林业大学
本科毕业设计（论文）
题目：
电动门控制器
学院：
专业：
学号：
学生姓名：
指导教师：
职称：
摘要：
随着国民经济的发展，在越来越注重商业情报和安全的今天，对进出一些重要机关、科研实验室、档案馆、以及关系到国计民生的公用事业单位的控制中心、民航机场等场所的工作人员，给予进出授权控制。
经济的增长有时引发犯罪的发生，对安全感的追求导致现代化楼宇对保安系统的要求也越来越高。
门禁系统即是在这一背景下应运而生，本次课题既是针对门禁系统中的核心组件-电动门控制器进行的分析与设计。
通过对“电动门控制器”的研究和设计，精心撰写了电动门控制器的论文。
论文着重阐述了以单片机为主体，矩阵键盘扫描模块，无线收发模块及射频卡模块相搭配的控制系统。
本设计主要应用STC89C52RC作为控制核心，液晶显示、键盘扫描、无线收发模块、射频卡及网络通讯模块相结合的系统，此外还具有扩展存储的功能。
关键词：
单片机键盘扫描无线收发射频卡
Abstract：
Withthedevelopmentofthenationaleconomy,todaymoreandmorepeopleattachimportancetocommerceintelligenceanditssafety.Inmostimportantgovernmentorgans,scientificresearchlaboratory,archivesestablishmentandbeingrelatedtothenation'seconomyandpeople'slivelihoodutilityunitcontrolcentre,airportandsoon,theyhavetogivetheirstafftherightofentry-exit.Theoccurrencetheeconomyincreaseisinitiatedsometimescommittingacrime,therequestleadingtothesecuritysystemofthemodernizingbuildingishigherandhigher,Entranceguardsystemistobeanalysisanddesignthatariseatthehistoricmoment,thisprojectisaimedtothecoremodular-theelectricdoorcontroller.
Throughtheresearchanddesigntothethingthat“theelectricdoorcontroller”havewrittenthecontrolledthesystematicthesisofautomatically-controlleddoormeticulously.Thisthesisitrelymainlyonone-chipcomputertoexplainemphatically,LCDmodular,KeyboardScanningmodular,WirelessTransmit-Receiveandsmartcardcombinedtogether.
ItuseSTC89C52ascoreofcontrolling,LCDmodular,KeyboardScanningmodular,WirelessTransmit-Receive,smartcardandnetcommunicationcombinedtogether.Besidethese,italsohastheexpandstorefunction.
Keywords：
MCUKeyboardScanningWirelessTransmit-ReceiveSmartCard
第一章前言
1.1门禁系统的概况
门禁系统属于智能弱电系统中的一种安防系统。
它作为一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和现代安全管理措施为一体，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。
门禁系统通过在建筑物内的主要出入口、电梯厅、设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部门的通道口安装门磁、电控锁或控制器、读卡器等控制装置，由计算机或管理人员在中心控制室监控，能够对各通道口的位置、通行对象及通行时间、方向等进行实时控制或设定程序控制，从而实现对出入口的控制。
门禁系统常规由门禁控制器、门禁读卡器、卡片、电控锁、门禁软件、电源和其他相关门禁设备几部分组成。
门禁控制器：
门禁控制器是门禁系统的核心部分，其功能相当于计算机的CPU，它负责整个系统的输入、输出信息的处理和储存、控制等。
它验证门禁读卡器输入信息的可靠性，并根据出入规则判断其有效性，如若有效则对执行部件发出动作信号。
门禁控制器性能的好坏直接影响着系统的稳定，而系统的稳定性直接影响着客户的生命和财产的安全。
门禁读卡器：
读取卡片中的数据与生物特征信息，并将这些信息传送到门禁控制器。
卡片：
门禁系统的开门电子钥匙，这个《钥匙》可以是磁卡、IC卡、ID卡和其他相关功能的卡片（卡片上能打印持卡人的个人照片，开门卡、胸卡合二为一）。
电控锁：
门禁系统的执行部件，电控锁通常在断电时呈开门状态，以符合消防要求,并配备多种安装结构类型供客户选择使用。
按单向的木门、玻璃门、金属防火门和双向对开的电动门等不同技术要求可选取不同类别的电控锁。
门禁软件：
负责门禁系统的监控、管理、查询等工作。
管理人员可通过调整可以扩展完成巡更、考勤、人员定位等功能。
电源和其他相关门禁设备：
电源是负责整个门禁系统的能源，是一个非常重要的组成部分（门禁系统如若无电源，整个门禁系统如同成瘫痪状态）。
其他门禁设备如出门按钮，按一下打开开门设备，适用于对出门无限制的情况；再如门磁，运用于检测门的安全/开关状态等。
[1]
1.2门禁系统的发展
传统的个人身份鉴别手段已不能完全满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。
从消除人为不安全因素看，只有不易被他人代替、仿制、甚至其本人也无法转让的身份识别凭证才能胜任。
因此，从易用性、安全性、成熟性和造价等方面综合比较，随着信息技术的不断发展，随着识别技术的不断成熟，计算机技术的飞速发展，门禁技术发展迅猛，正以惊人的迅度从传统的键盘、磁卡式向感应卡、智能卡及多功能卡的方向发展。
现在门禁系统甚至可以利用卫星网络提供全球门禁服务。
从门禁系统迅猛的成长迅度可以看出该产品的市场已逐渐成熟，一改往日报警和监控产品一统天下的局面，由专家最近执行的预测表明：
感应式门禁系统的市场正以每年300%的惊人速度增长。
大部分人认为门禁仅是一种进行出入门控制的设备，最典型的就是传统的门边安装的键盘控制器或磁卡读卡器，出入者为了获得进入权必需先刷卡。
然而现在门禁已有更先进的技术和新的应用市场，现在应用于门禁系统的技术有：
条形码、图形ID、磁条形码、韦根码、感应式、智能码、生物辨识等。
其中感应式门禁和生物辨识将成为门禁发展的两大趋势。
这些门禁系统所采用的技术及所能达到的安防级别互不相同。
例如：
光学技术应用于条形码及图形ID系统中以辨别贮存在条形码及图形ID中的信息；电磁技术则应用于磁卡门禁系统中，当持卡人刷磁卡时系统将读取允许进入的磁特性；韦根技术极为巧妙，仍属电磁学的范畴；感应式技术通常使用的频率一般在110～125KHz，频率越高，感应式门禁系统的读卡距离越远，随着技术的不断完善，频率为13.56MHz感应式门禁系统的读卡距离已可达到将近1米，这种门禁系统已有了许多其它的应用领域，例如：
停车场、各种收费系统等。
当然最安全的门禁系统应是能辨识人体生物特征，而不是辨识人所持物体特征的系统，例如：
利用人体独有的生物特征的生物辨识系统可辨识指纹和瞳孔结构，这将是门禁系统的最高境界，但价格极为昂贵，难以为广大用户所接受。
相比之下，技术较为成熟和完善价格较为合理的仍是感应式门禁系统，许多专家预测到2002年感应式门禁系统将取代其它门禁（如：
电磁门禁系统等）成为门禁市场的主导。
感应式门禁系统之所以能迅速为市场所接受有以下几个原因：
使用简单；由于系统无任何机械磨损，故长期的维护费用低；卡的使用寿命长。
[2]
1.3本文研究的目的和意义
在门禁系统中最关键的也是成本最高的便是其控制器，也就是电动门的控制器，本次研究的电动门控制器集密码识别，遥控开门与刷开辨识3大功能于一体，同时还具备与上位机的网络通信的功能，可以说是具备了市面主流产品的常用功能，其研究的目的在于如何有效降低电动门控制器的成本，连带降低门禁系统的成本使得门禁系统能够有更为广泛的运用在国民生活的各个领域。
1.4设计的要求与方案
所设计的电动门控制器应具有以下功能：
⑴输入密码开门：
此部分是通过CH451键盘专用芯片与单片机的配合实现按键扫描与密码校验功能
⑵通过遥控器遥控开门：
此部分依靠既有的PT2294无线收发模块与单片机配合实现其功能
⑶刷卡开门：
此部分是通过既有天线一体化射频卡模块HY502BTG及Mifare1S50智能卡与单片机配合实现其辨识功能
此外设计中要求的网络通信这里选择了RS485通信标准来实现其功能。
第二章总体设计分析
2.1组成框图
▲图2.1组成框图
正如上图所示，根据设计思想所要完成的功能，该电动门控制器可分为三大模块，包括：
①密码辨识②遥控开门③刷卡识别。
除了这三大模块外，该电动门控制器还具有网络功能，所有开门信息（具体的开门时间及使用何种方式开门）均可通过通信模块上传至上位机以供查询与监控。
此外根据设计思想为达到更高的灵活性与安全性，使用者可以自行设定密码辨识与刷卡识别开门的逻辑关系，既可以两者单独使用（实现的是或的开门关系），也可以搭配使用（实现的是与的开门关系，此处的设置为先密码辨识后刷卡识别），此两者切换只需通过一个开关即可实现。
2.2主要功能模块的简介
2.2.1密码辨识
密码辨识模块的构成电路并不复杂，主要由键盘专用IC：
WCH451L与单片机STC89C52RC构成，根据键盘专用IC的输出特点，键盘是否按下的检测是通过中断来实现的。
此外该部分还搭配了LCD1602可以使用户界面更人性化。
▲图2.2密码辨识模块实物图
2.2.2遥控开门
远程遥控模块则是选用的既有的315MHz无线发射与接收模块，接收模块输出端经过反相处理再连接至单片机I/O口，这一块的信号的检测是通过在主循环中不断的查询对应I/O口的电平实现的。
▲图2.3遥控收发模块实物图
2.2.3刷卡识别
为缩短开发周期，提高可靠性，刷卡识别模块也采用了既有的兼容于PHILIPSMIFARE标准的射频模块。
其主芯片为FM1702，该模块采用SPI接口与单片机通信。
其信号的检测与远程遥控一样均采用通过在主循环中不断的查询对应I/O口的电平实现。
▲图2.4刷卡识别模块实物图
2.2.4网络通信模块
网络通信模块采用RS485通信标准，该电动门控制模块在发送端端配置一颗RS485，将所要发送的数据转为差分信号，为实现与计算机的串口通讯，在电动门控制模块外还搭配了一个RS485转232的转换模块。
▲图2.5位于电动门控制器上的RS485发送端
▲图2.6RS485—RS232转换头
第三章硬件设计
3.1密码辨识部分
3.1.1器件选型与简介
⑴微控制器：
该电动门控制器选用的微控制器是STC89C52RC，指令上完全兼容8051系列，具备512B的RAM，8KBFLASH程序存储器，具备看门狗、P4口、第三个定时器、ISP等扩展功能，在5V电压下其最高频率可达80MHz，这里选用其的主要考量在于两点：
1是它具备比AT89S52系列更好的抗干扰能力；2是它的加密功能较为完善，有利于开发者保护其知识产权。
[10]
▲图3.1STC89C52RC引脚图
⑵键盘专用IC
这里选用的键盘专用IC为CH451L，CH451是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描以及微控制器监控的多功能外围芯片，CH451内置RC振荡电路，可以直接动态驱动8位数码管或者64位LED，具备BCD译码功能，可以实现数据的左移、右移、左循环、右循环、各数字独立闪烁等控制功能。
CH451内置大电流驱动级，段电流不小于30mA，字电流不小于160mA，具有16级亮度控制功能；在键盘控制方面，该器件内置64键键盘控制器，可实现8×8矩阵键盘扫描，并内置去抖动电路，可提供按键中断与按键释放标志位等功能；在外部接口方面，CH451可选择简洁的1线串行接口或者高速4线串行接口，并内置上电复位，可提供高电平有效复位和低电平有效复位两种输出，同时内置看门狗。
[11]
▲图3.2CH451引脚图
表3.1CH451引脚说明
引脚号
引脚名称
类型
引脚说明
2
Vcc
电源
正电源
15
GND
电源
接地
4
LOAD
输入
四线串行接口的数据加载，带上拉
5
DIN
输入
四线串行接口的数据输入，带上拉
6
DCLK
输入
串行接口的数据时钟，带上拉
3
DOUT
输出
串行接口的数据输出，键盘中断
1、24～18
SEG7～SEG0
三态输出及输入
数码管的段驱动，高电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉
7～14
DIG7～DIG0
输出
数码管的字驱动，低电平有效，键盘扫描输入，高电平有效，带下拉
17
NC
不连接，禁止使用
▲图3.3CH451与单片机的概要连线
这里仅使用CH451的键盘扫描功能，因此选择了DIP24S的CH451L，采用的是4线串口方式连接至单片机。
以下对在键盘扫描功能中使用到的CH451控制字作简要说明：
●芯片内部复位：
001000000001B
内部复位命令可将CH451的各个寄存器和各种参数复位到默认的状态。
芯片上电时，CH451均被复位，此时各个寄存器军复位为0，各种参数均恢复为默认值。
●设定系统参数：
010000000[WDOG][KEYB][DISP]B
该命令用于设定CH451的系统级参数：
如看门狗使能WDOG、键盘扫描使能KEYB、显示使能驱动DISP等。
各个参数均可通过1位数据来进行控制，将相应的数据位置1可启动该功能，否则关闭该功能（默认值）。
●读取按键代码：
0111XXXXXXXXB
读取按键代码命令用于获得CH451最近检测到的有效按键的按键代码。
该命令是唯一的具有数据返回的命令，CH451通常从DOUT引脚输出按键代码，按键代码总是7位数据，最高位是状态码，位5～位0是扫描码。
读取按键代码命令的位数据B7～B0可以是任意值，所以控制器可以将该操作命令缩短为4位数据B11～B8。
例如，CH451检测到有效按键并中断时，如按键代码是5EH，则先向CH451发出读取按键代码命令0111B，然后再从DOUT中获得按键代码5EH。
CH451所提供的按键代码为7位，位2～位0是列扫描码，位5～位3是行扫描码，位6是状态码（键按下为1，键释放为0）。
例如，连接DIG3与SEG4的键被按下时，按键代码是23H。
单片机可以在任何时刻读取按键代码，但一般在CH451检测到有效按键而产生键盘中塅时读取按键代码，此时按键代码的位6总是1。
另外，如果需要了解按键何时释放，单片机可以通过查询方式定期读取按键代码，直到按键代码的位6为0。
下表是连接在DIG7～DIG0与SEG7～SEG0之间的键被按下时，CH451所提供的按键代码。
应注意的是CH451不支持组合键，也就是说，同一时刻，不能有两个或者更多的键被按下。
表3.2CH451键盘编码表
按键代码
DIG7
DIG6
DIG5
DIG4
DIG3
DIG2
DIG1
DIG0
SEG0
47H
46H
45H
44H
43H
42H
41H
40H
SEG1
4FH
4EH
4DH
4CH
4BH
4AH
49H
48H
SEG2
57H
56H
55H
54H
53H
52H
51H
50H
SEG3
5FH
5EH
5DH
5CH
5BH
5AH
59H
58H
SEG4
67H
66H
65H
64H
63H
62H
61H
60H
SEG5
6FH
6EH
6DH
6CH
6BH
6AH
69H
68H
SEG6
77H
76H
75H
74H
73H
72H
71H
70H
SEG7
7FH
7EH
7DH
7CH
7BH
7AH
79H
78H
总的说来由CH451组成矩阵键盘相对而言较由74164的解决方案来得昂贵，但优势明显只需要占用4根I/O口，可以有效节约P口，而且比起同类芯片MAX7219等性价比优势不言而喻。
⑶液晶显示模块：
液晶显示模块这里采用的是：
LCD1602，LCD1602采用5V单电源电压；内置192种字符；具有64个字节的自定义字符RAM；显示方式为STN、半透、正显；通讯方式为4位或8位并口。
表3.3LCD1602引脚说明
管脚号
符号
功能
1
Vss
电源地（GND）
2
Vdd
电源电压（+5V）
3
Vo
LCD驱动电压
4
RS
寄存器选择输入端
5
R/W
读写控制输入端
6
E
使能信号输入端
7～14
DB0～7
数据输入输出口
15
A
背光正端
16
K
背光负端
以下简要介绍该控制器所用LCD1602部分控制字：
[12]
●ClearDisplay清显示
指令码：
清显示指令将空位字符码20H送入全部DDRAM地址中。
使DDRAM中的内容全部清除，显示消失；地址计数器AC＝0，自动增1模式；显示归位，光标或者闪烁回到原点；但不改变移位设置模式。
●Entrymodeset设置输入模式
指令码：
I/D:
字符码写入或者读出DDRAM后DDRAM地址指针AC变化方向标志：
I/D=1,完成一个字符码传送后，AC自动加1；
I/D=0,完成一个字符码传送后，AC自动减1；
S：
显示移位标志：
S＝1，将全部显示向右（I/D=0）或者向左（I/D）移位：
S＝0，显示不发生移位；
S＝1时，显示移位时，光标并不移位；此外，读DDRAM操作以及对CGRAM的访问，不发生显示移位。
●Functionset功能设置
指令码：
功能设置指令设置模块数据接口宽度和LCD显示屏显示方式，即MPU与模块接口数据总线是4位或者是8位、LCD显示行数和显示字符点阵规格；所以应在执行其它指令设置之前，在程序的开始，进行功能设置指令的执行：
DL：
数据接口宽度标志；DL＝1，8位数据总线DB7～DB0；DL＝0，4位数据总线DB7～DB4，DB3～DB0不用，使用此方式传送数据，需分两次进行：
N：
显示行数标志
F：
显示字符点阵字体标志
●SetDDRAMaddressDDRAM地址设置
指令码：
DDRAM地址设置指令设置DDRAM地址指针，它将DDRAM存储显示字符码的首地址ADD6～ADD0送入AC中，于是显示字符的字符码就可以写入DDRAM中或者从DDRAM中读出；在LCD显示屏一行显示方式下，DDRAM的地址范围为：
00H～4FH；两行显示方式下，DDRAM的地址范围为：
第一行00H～27H，第二行40H～67H；
●WritedatatoCGRAMorDDRAM写数据到CGRAM或DDRAM
指令码：
写数据到CGRAM或DDRAM指令，是将用户自定义字符的字模数据写到已经设置好的CGRAM中，或者是将欲显示字符的字符码写到DDRAM中；欲写入的数据D7～D0首先暂存在DR中，再由模块的内部操作自动写入地址指针所指定的CGRAM中或者DDRAM中；
采用液晶显示模块虽然增加了成本，但使得用户界面更加友善，同时也便于下一步研究中射频卡模块的调试。
⑷在线存储单元：
X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM三种功能于一身的可编程控制电路。
▲图3.4X5045引脚图
根据实际使用的需要，这里主要介绍X5045的串行EEPROM功能，存储器部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM阵列，阵列的内部组织是512x8位。
X5045可提供最少为1000,000次擦写和100年的数据保存期，并具有串行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。
这里对于X5045所用的SPI总线作一个简单介绍：
串行外围设备接口SPI（serialperipheralinterface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。
Motorola公司生产的绝大多数MCU都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。
SPI总线是一种三线同步总线，包括串行时钟线（SCLK）、主机输入从机输出（MISO）、主机输出从机输入（MOSI），除此以外还有一根低电平有效选择（OE）
[19]
X5045主要是通过一个8位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过SI输入端（MSB在前）写入寄存器。
[13]
表3.4X5045的指令格式及其操作
命令名称
命令格式
内 容
WREN
00000110
打开写使能开关
WRDI
00000100
关闭写使能开关
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器
READ
0000A8011
读存储单元
WRITE
0000A8010
写存储单元
X5045在该电动门控制器中暂定为未来扩展用，供未来密码辨识增加的密码存储用或用于刷卡识别中增加的卡号存储，由于定位是存储器扩展，所以在设计中希望其不要独占I/O端口，因此选用与射频卡模块相同接口（SPI）的X5045。
3.1.2整个模块设计与分析
1原理图
▲图3.5单片机各引脚连线图
▲图3.6液晶模块与单片机连线图
液晶模块中除了与P0口相连的8根数据线外，还使用了P2.1、P2.2、P2.3分别与LCM的RS（指令/数据寄存器选择端）、R/W（读写控制输入端）及使能端E相连接。
▲图3.7键盘扫描部分连线图
根据实际需要使用了10个按键，原理图中考虑到矩阵键盘组的读图直观性，将第11和12个按键也连接在电路中。
这10个按键占用了CH451中键盘扫描端口中SEG0～SEG2与DIG0～DIG3共7个端口，CH451与单片机P1.0、P1.1、P1.2、P3.2（INT0）端口分别相连的有DIN（串行数据输入）、DCLK（串行接口的时钟线）、LOAD（4线串行接口加载协议）以及DOUT（串行数据输出），这里采用
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