【文章內容簡介】 本科生畢業(yè)論文 6 獨立按鍵結構簡單使用它方便，只需要單片機 I/O 口和地跨接即可，當按下按鍵時候單片機 I/O 口電壓被拉低，單片機就可以檢測到此電壓的變化，一次來判斷是否有按鍵按下。但缺點是占用較多的 I/O 口資源。本系統(tǒng)需要按鍵數(shù)目較多， 單片機 I/O 口相對緊張，不能占用太多 I/O， 因此此方法不可行。 方案二：采用 4*4 矩陣鍵盤模塊。 在 鍵盤 中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成 矩陣 形式，如圖35 所示。在 矩陣 式 鍵盤 中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構成 4*4=16 個按鍵，比直接將端口線用于 鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成 20 鍵的 鍵盤 ，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用 矩陣 法來做鍵盤是 比較 合理的。 綜上，本系統(tǒng)需要實現(xiàn)數(shù)字輸入、 IC 卡添加、刪除等復雜的功能，因此需要按鍵數(shù)據(jù)較多，所以 我們選擇 占用較少 I/O 口的 方案 二 。 電子鎖門禁驅動 器件 的選擇 方案一：采用 S8550 三極管、繼電器驅動。 S8550 是一種常用的 普通 三極管 。 它是一種低電壓，大電流，小信號的 PNP 型硅三極管。三極管驅動具有電路結構簡單，成本低廉等特點 ，比較適合此類設計 。 繼電器是一種電控制 器件 ，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。它具有 控制系統(tǒng) （又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制 電路 中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。 在使用時增大 S8850 三極管驅動電流 來 驅動繼電器開關，進而來控制電子鎖部件。 方案二：采用 L298N 驅動芯片。 L298N 是一種雙 H 橋電機驅動芯片，其中每個 H 橋可以提供 2A 的電流，功率部分的供電電壓范圍是 ，邏輯部分 5v 供電，接受 5vTTL 電平。 LN298 內部繼承大功率 H橋路。具有穩(wěn)定性高、使用簡單，驅動力 大等特點。 由于 L298N 芯片器件成本較高，會大大加大開發(fā)成本，同時光耦元件適用于高速低電壓的開關場合，因此本方案不可取。 綜上分析，我們采用了第 一 個方案。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 7 數(shù)據(jù)存儲芯片的選 擇 方案一：采用單片機自帶的 EEPROM 存儲數(shù)據(jù) 。 STC89C52 單片機片內自帶了 2K 的 EEPROM 閃存。改閃存可以反復擦除和讀寫很多次，不需要采用另外的存儲器， 使用起來方便快捷、而且不增加成本。 方案二：采用 AT24C02 存儲芯片 。 AT24C02 是 TI 公司退出的典型的基于 IIC 總線協(xié)議的 DIP8 封裝的偏外存儲芯片。其內部是 一個 2K 位串行 CMOS EEPROM，內部含有 256 個 8 位字節(jié)。 AT24C02 支持 I2C，總線數(shù)據(jù)傳送 協(xié)議 I2C，總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從 總線 接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。 數(shù)據(jù)傳送 是由產生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。通過器件地址輸入端 A0、 A1 和 A2 可以實現(xiàn)將最多 8 個 AT24C02 器件連接到總線上。 此芯片性能較好，完全能夠滿足次設計的要求， 但此芯片價格昂貴，需要增加外部電路和硬件成本，因此 用于本課題大材小用 。 綜上分析，我們采用了第一個方案。 系統(tǒng)的軟件設計 RFID 通訊協(xié)議 讀卡器與電子標簽之間的通信方式是非接觸式的無線通信 ,系統(tǒng)要與 RFID通信并獲 取相關的信息 ,電子標簽要給系統(tǒng)返回命令執(zhí)行的結果 ,讀寫器與門禁控制器之間的通信和數(shù)據(jù)交換是通過雙向的智能無線通訊來完成的。 （ 1）編碼方式 在該門禁控制系統(tǒng)中電子標簽與讀卡器之間采用的是半雙工的通信方式 ,編碼方式采用的是脈寬調制編碼方式 ,即 PWM編碼方式 ,該系統(tǒng)中 PWM信號不是由硬件產生的 ,由單片機通過軟件方式產生和調制 PWM 信號。設 Te 為 PWM 信號的碼元周期 ,一般情況下 Te 取 100 娜到 400 娜之間 ,由碼元周期 Te 可知該通信過程中的波特率為 1/Te。在編碼的過程中如果用 3位碼元來表示 1 位要發(fā)送的數(shù)據(jù) ,第一和 第三位碼元為起始和終止碼元 ,用中間的碼元作為信息碼元 ,即要發(fā)送的數(shù)據(jù) ,采用 3 位碼元來表示一位數(shù)據(jù)的 PWM 的編碼方式 。 （ 2） 數(shù)據(jù)格式 門禁控制器與電子標簽之間的通信是通過約定好的協(xié)議來完成 。 射頻標簽向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)是通過 RF 發(fā)射模塊來完成的 ,RF 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)是由滾動碼和固定碼組成的 ,該系統(tǒng)中約定采用 32 位滾動碼和 34 位固定碼的數(shù)據(jù)幀格式 ,固定碼是由 28 位的序列號、 4位功能碼和 2位狀態(tài)碼組成的?？刂破飨?ID 卡發(fā)送數(shù)據(jù)幀是通過門禁控制器的 LF 發(fā)射模塊來實現(xiàn)的 。 RFID 讀寫器 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 8 RFID 系統(tǒng)的工作方 式為 :MCU(微控制器，即 STC89C52)通過串行口接收 PC 機的控制指令，與 MFRC500 進行數(shù)據(jù)通信；讀寫器的核心部分 MF RC500 負責數(shù)據(jù)信號的編碼、解碼，信號的調制、解調并通過天線建立讀寫器同射頻 Mifare 卡之間的聯(lián)系，實現(xiàn)對射頻 Mifare1 卡進行讀寫等一系列操作。 為實現(xiàn)讀寫器的功能，并根據(jù)系統(tǒng)硬件電路可知，硬件電路確定之后，射頻讀卡系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)，讀寫器軟件部分設計包括三部分：系統(tǒng)硬件配置初始化、對 Mifare1 卡的讀寫操作、利用液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。 1．系統(tǒng)硬件配 置初始化：包括對 LCD 液晶顯示的初始化，射頻模塊接口的初始化。初始化成功后系統(tǒng)才可以正常工作。 2．對 Mifare1 卡的讀寫操作：這個過程包括裝載密碼，尋卡，防沖突，選卡，驗證密碼，讀寫卡，?？ǖ纫幌盗羞^程。 3．液晶顯示屏顯示相關數(shù)據(jù)：液晶顯示模塊可以顯示 Mifare1 卡的序列號等相關數(shù)據(jù)，也可以顯示初始化、讀寫卡等相關程序的執(zhí)行情況。 軟件開發(fā)環(huán)境 單片機開發(fā)所使用的語言一般為匯編語言和 C 語言。本讀寫器中使用 C 語言進行程序設計。 KEIL C51 是德國 KEIL 公司推出的 WINDOWS 版的 MCS51 系列單片機開發(fā)套件 , 可以直接對 8051 單片機的內部特殊功能寄存器 I/O 口進行操作，直接訪問片內或者片外存儲器，還可以進行各種位操作，能夠產生簡潔、高效率的程序代碼，在代碼質量上可以與匯編語言的特點相媲美，可用于編譯匯編源程序、 C源程序 ,鏈接和定位目標文件和庫 ,創(chuàng)建 HEX文件以及調試目標程序 ,并內嵌有 RTX51 實時操作系統(tǒng) ,可簡化復雜的多任務實時應用系統(tǒng)的設計。因此選用 KEIL C51 軟件進行設計。 本章小結 通過對主控芯片、顯示模塊和電源電路等模塊不同方案的比較，擇 優(yōu)選取了適合本設計要求的既能滿足要求又 實惠 的器件， 來 完成 硬件部分模塊的 設計。 并介紹了 RFID 通信協(xié)議、RFID 讀寫器的和軟件開發(fā)環(huán)境。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 10 第 3 章 門禁 系統(tǒng)的硬件設計 整個系統(tǒng)硬件電路由：單片機最小系統(tǒng)、 4*4鍵盤模塊、 LCD1602 液晶顯示模塊、 IC 卡讀卡模塊、電子鎖門禁繼電器驅動模塊、 數(shù)據(jù)存儲模塊等 組成。： 單片機最小系統(tǒng)設計 51 單片機最小系統(tǒng)一般有： 51 單片機、電源模塊、復位電路、時鐘電路。 STC89C52 單片機介紹 STC89C52 是 STC 公司生產的一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經典的 MCS51 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k 字 節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路， 3 個 16 位 定 時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7向量 4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2級中斷結構），全雙工 串行口 。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切 工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T 可選。 51 最小系統(tǒng)電路設計 單片機的復位分為上電自動復位和按鈕手動復位兩種。 上電復位電路：由 22uf 電解電容和 10K 電阻構成。原理是上電瞬間，電容充電電流最大，電容相當于短路， RST 端為高電平，自動復位；電容兩端的電壓達到電源電壓時，電容充電電流為零，電容相當于開路 ， RST 端為低電平，程序正常運行。 按鍵手動復位電路：電路由按鍵、 10K 電阻、 1K 電阻、 22uf 構成。原理是首先經過上電復位，當按下按鍵時， RST 直接與 VCC 相連，為高電平形成復位，同時電解電容被短路放電；按鍵松開時 ， VCC 對電容充電，充電電流在電阻上， RST 依然為高電平，仍然是復位，充電完成后，電容相當于開路， RST 為低電平，正常工作。 這里我們采用按鍵復位來實現(xiàn)，電路圖如 31所示： 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 11 圖 31 單片機 復位電路 時鐘電路用于產生單片機所需要的時鐘信號，單片機在時鐘信號的控制下各部件之間同步協(xié)調工作。根據(jù)產生的方式不同，分為內部和外部兩種時鐘電路。 在 MCS51 芯片內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端為 芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳 XTAL2。而在芯片的外部， XTAL1 和 XTAL2 之間跨接晶體振蕩器和微調電容，從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，在引腳 XTAL1 和 XTAL2 上輸出 3V左右的正弦波，這就是單片機的振蕩電路，如圖 32所示。 圖 32 單片機振蕩 電路 通常，電容 C2 和 C3 這 取 30pf 左右，主要作用是幫助振蕩器起振，晶體的振蕩頻率范圍是 ～ 12MHz。晶體振蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快。在通常應用情況下， MCS51 使用振蕩頻率為 6MHz 或 12MHz。在由多片單片機 組成的系統(tǒng)中，西南科技大學本科生畢業(yè)論文 12 為了各單片機之間時鐘信號的同步，應當引入唯一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這是，外部的脈沖信號時經過 XTAL2 引腳注入，其連接如圖 32 所示，由于 XTAL2端邏輯電平不是 TTL 的，故需要外接一個上拉電阻，外接信號應為時鐘頻率低于 12MHz 的方波信號。 電源模塊 主控部分的 STC89C52 芯片正常工作需 5V電壓，射頻模塊的 MFRC522 芯片正常工作需3. 3V電壓，這就要求電源模塊將輸入的 5V電壓轉化為 3. 3V電壓，從而能提供穩(wěn)定的 5V和3. 3V電壓。 5V電壓轉化為 3. 3V電壓采用的是 AMS1117 芯片，它是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)壓電路，固定輸出電壓為 3. 3V的電壓精度為 1%，在 1A 電流下的壓降僅為 ，內部集成過熱保護和限流電路，溫度范圍在 40176。C ~25176。C 之間 ,適用于各類電子產品。 IC 卡原理及驅動電路設計 Mifare 射頻卡技術參數(shù) （ 1）容量為 8K 位 （ bits） =1K 字節(jié)（ bytes） EEPROM （ 2）分為 16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為 4塊，每塊 16 個字節(jié) ,以塊為存取單位 （ 3）每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制 （ 4）每 張卡有唯一序列號，為 32 位 （ 5）具有防沖突機制，支持多卡操作 （ 6）無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路 （ 7）數(shù)據(jù)保存期為 10年，可改寫 10萬次，讀無限次 （ 8）工作溫度： 20℃ ~50℃ (濕度為 90%) （ 9）工作頻率： （ 10）通信速率： 106 KBPS （ 11）讀寫距離： 10 cm以內（與讀寫器有關） IC 卡內部結構介紹 （ 1） M1 卡分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)由 4 塊（塊 0、塊 塊 塊 3）組成， 16 個扇區(qū)的 64 個塊按絕對地址編號為 0~63，存貯結構如 圖 33 所示： 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 13 扇區(qū) 0 塊 0 數(shù)據(jù)塊 0 塊 1 數(shù)據(jù)塊 1 塊 2 數(shù)據(jù)塊 2 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 3 扇區(qū) 1 塊 0 數(shù)據(jù)塊 4 塊 1 數(shù)據(jù)塊 5 塊 2 數(shù)據(jù)塊 6 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼