【導讀】隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，門禁控制系統(tǒng)在安全技術防范領域扮演著越來越重要的角色，式IC卡來對人的進出實施放行、拒絕和記錄等操作的智能化控制系統(tǒng)。核心技術為射頻識別，其環(huán)境適應性強，可全天候、無接觸地完成自動識別功能。的基礎理論知識。最后重點闡述了系統(tǒng)的硬件電路與軟件設計。硬件方面主要包括單片機。計、液晶顯示模塊設計及數(shù)據(jù)存儲模塊設計等。程序設計與單片機外圍芯片的驅動程序設計等。序列號信息以及打卡狀態(tài)。經過綜合調試，實際運行結果表明本課題設計的系統(tǒng)基本滿足

　　

【正文】 要。 讀頭部分采用非接觸式 IC 卡讀寫模塊，由讀卡器讀入數(shù)據(jù)并加以保存，非接觸式 IC卡按常規(guī)要具有加密和數(shù)據(jù)分區(qū)存儲功能，讀寫器的讀寫距離在 5~10 厘米左右，系統(tǒng)必須具有掉電保護、精確時間記時和顯示，要求系統(tǒng)具有一定的臨時數(shù)據(jù)存儲能力。主控模塊是門禁系統(tǒng)的核心部分，主要包括單片機、鍵盤、電子時鐘以及外部數(shù)據(jù)存儲器等。 在系統(tǒng)設計當中，要求能夠利用語音錄放系統(tǒng)完成操作的語音提示， IC 卡若為非法卡，提示持卡人錄音，確保持非法卡的人員有緊急情況而與主人進行聯(lián)系，以防主人漏掉重要信息，造成不必要的損失，但是，要確保此時門鎖為禁閉狀態(tài)，只是向持卡人開放錄音系統(tǒng)而已。要求通過按鍵可以更改系統(tǒng)時間，查詢記錄訪問信息。 系統(tǒng)總體方案 基于非接觸式 IC 卡的門禁控制系統(tǒng)以 STC89C54 單片機為控制核心 ,單片機通過連接射頻讀寫模塊實現(xiàn)對射頻標簽數(shù)據(jù)的讀寫。由單片機發(fā)送讀卡、寫卡等命令，讀寫器通過射頻讀寫模塊與卡片通信，實現(xiàn)與卡片的交易。按鍵和報警顯示模塊在讀寫器脫機工作時作為持卡者與讀寫器的 互操作平臺。讀取信息可存儲在擴展存儲器中。當需要與上位機通信時，可通過串口電路連接到上位機進行通信。按鍵配合 LCD(液晶顯示屏 )共同完成人機交互功能。電源模塊采用電池和 USB 兩種供電方式。門鎖與電機模塊，即門禁機械動作部分由相應的指示模塊進行模擬。 本設計采用非接觸式 IC 卡，主機無卡口， IC 卡不需要和主機接觸，通過無線射頻方式傳輸數(shù)據(jù)。讀寫器與卡之間的接口采用的是 Mifare 技術的射頻接口，它與 ISO/IEC 14443A 標準兼容。 本課題設計的系統(tǒng)主要包括主控制器、時鐘模塊、顯示模塊、射 頻讀寫模塊、電源電路、復位模塊、串行通訊模塊、按鍵模塊、語音模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊等等。單片機控制ZLG500AT 讀寫模塊，驅動 ZLG500AT 中自帶的 PCB 天線對 Mifare 卡進行讀寫操作 。然后目 錄 佳木斯大學教務處 15 根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其他接口設備如液晶顯示屏和 PC 機之間進行無線收、發(fā)或 RS232 接口通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機 (本系統(tǒng)僅對下位機進行研究 )。液晶屏采用帶中文字庫的HJ12864ZW，并且采用串口操作方式，這樣占用單片機的 I/O 口較少，節(jié)省資源。具體的硬件設計在以后的章節(jié)里會作較詳細的介紹，系統(tǒng)總體方案框圖如圖 31 所示。 P C 機M A X 23 2主 控 制 器S T C 8 9 C 5 4T X DR X D獨 立 式 鍵 盤液 晶 顯 示H J 1 2 8 6 4 Z W數(shù) 據(jù) 存 儲A T 2 4 C 0 2復 位 電 路電 源 模 塊讀 寫 模 塊Z L G 5 0 0 A T非 接 觸 式 I C 卡M I F A R E I C S 5 0時 鐘 電 路D S 1 3 0 2語 音 電 路I S D 1 7 6 0 圖 31 系統(tǒng)總體方案框圖 微處理器接口設計 微處理器控制 (MCU)部分是非接觸式 IC 卡讀寫器的控制核心，主要負責對射頻基站部分的初始化工作，對串行通訊部分進行初始化，控制通訊部分完成與上位機進行串行數(shù)據(jù)通訊，對單片機外圍芯片進行初始化，通過控制射頻讀寫模塊完成對非接觸式 IC 卡的各種操作。 根據(jù)系統(tǒng)的要求，考慮到系統(tǒng)工作頻率與系統(tǒng)的整體設計，就本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法以及存儲空間大小等方面，再結合 市場上的單片機的性能、價格、應用領域，本課題選擇了宏晶科技生產的 STC89C54RD+(PDIP)芯片。 STC89C54 是一種低功耗、高性能微控制器，具有 16KFlash 存儲器， STC89C54 為現(xiàn)今許多單片機控制系統(tǒng)提供了較靈活有效的解決途徑。選擇 STC 單片機降低了成本，提升了系統(tǒng)的性能，原有程序可以直接使用，硬件無需改動 [12]。 在本次設計中，單片機 STC89C54 的接口電路如圖 32 所示，由于單片機 P0 口內部沒有上拉電阻，為高阻狀態(tài)，所以不能正常地輸出高 /低電平，因此該組 I/O 口在使用時需 要目 錄 佳木斯大學教務處 16 外接上拉電阻，一般我們選擇接入 10K MCUZLG50ATP1.P3./SCLKSDATASRSTCTRLBZ接 發(fā) 光 二極 管接 蜂 鳴 器 電 路的上拉電阻。 P0 口輸出的數(shù)據(jù)用來控制語音電路。、 、 、 這四個 I/O 口接入的是 ZLG500AT 讀寫模塊，使得它與單片機之間進行交互通訊。 與 與數(shù)據(jù)存儲芯片 AT24C02 連接，用于存儲系統(tǒng)中的關鍵信息。 、 、 接入實時時鐘芯片 DS1302，用于獲取實時時間與日期。 與 用來進行兩個 74HC573 的片選， ~ 與液晶模塊連接，從而獲得顯示 信息 通過三極管連接一個蜂鳴器。在 P3 口中， 與 與 MAX232 進行串行通信，完成程序的下載與上位機的通信； ~ 作為輸入口，直接與獨立式鍵盤連接，利用鍵盤來改變系統(tǒng)的參數(shù)，增強系統(tǒng)的方便性。 12345678RESET91011121314151617XALT018XALT119GND20(AD8)21(AD9)22(AD10)23(AD11)24(AD12)25(AD13)26(AD14)27(AD15)28PSEN29ALE30EA31(AD7)32(AD6)33(AD5)34(AD4)35(AD3)36(AD2)37(AD1)38(AD0)39VCC40U2STC89C54VCCR4R512Y230pFC130pFC3GNDVCC10KR7GNDCSSTDLCD SCLKPSBLCD RSTSCLKSDATARSTSDASCLCLKIOSSMCU RXDMCU TXDVCCS10S11S12S13S14D4S8SWPB1KR810uFC10123456789P110KVCCD0D1D2D3D4D5D6D7S_YUYINS_MOREDS_RSTbeepBellVCCQ3PNP1KR1GNDbeep 圖 32 單片機接口電路圖 單片機的 9 引腳是單片機的復位引腳。當輸入連續(xù)兩個機械周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作，復位后程序計數(shù)器 PC=0000Ｈ，即復位后將從程序存儲器的 0000H 單元讀取第一條指令碼，通俗地講就是單片機從頭開始執(zhí)行程序。本課題設計中采 用上電與按鍵兩種復位方式。單片機的引腳 XTAL XTAL1 外接 的晶目 錄 佳木斯大學教務處 17 振時鐘電路。它是給單片機提供工作信號脈沖的，即為單片機的工作速度。由于單片機的晶振與引腳 XTAL XTAL1 構成的振蕩電路中會產生諧波，這個諧波對電路的影響不大，但會降低時鐘振蕩器的穩(wěn)定性。為了電路穩(wěn)定性起見，在晶振的兩引腳處接入兩個 30PF的電容。 電源模塊設計 本設計系統(tǒng)采用 5V電源供電，由于 USB 總線可為連接在其上的設備提供穩(wěn)定的 5V電壓 /100mA 電流，且可以支持熱拔，因此本系統(tǒng)采用了 USB 供電。與此同 時，在系統(tǒng)中增加了電池供電模塊，利用 7805 三端穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)單極性 +5V 電源的輸出，作為備用電源 (在實際應用中應該有主電源斷電檢測與切換的功能，在本設計中沒有此方面的設計 )。在 7805 左側的電容為輸入穩(wěn)定電容，其作用是減少紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾；7805 右側的電容為輸出穩(wěn)定電容，其作用是改善負載的瞬態(tài)響應。電源供電電路如圖 33所示。 Vin1GND2Vout3780512BATTERY1KR32GND3 4LED+5VD3C9C812345VUSBD1D2+E3SW DPDT10uFC1210uFC13C11C7 圖 33 電源電路 ZLG500AT讀寫模塊設計 ZLG500AT 模塊的硬件概述 本設計系統(tǒng)采用的 IC 卡讀寫模塊是廣州周立功單片機發(fā)展有限公司生產的ZLG500AT(天線一體式 )模塊，該模塊四層電路板設計，雙面表貼， EMC 性能優(yōu)良；采用PHILIPS 高集成 ISO14443A 讀卡芯片 —MF RC500；三線 SPI 接口能與任何 MCU 接口連接；能用軟件控制蜂鳴信號輸出頻率及持續(xù)時間；能讀 RC500 EEPROM；發(fā)光二極管指示目 錄 佳木斯大學教務處 18 模塊當前狀態(tài)；提供給用戶三線 SPI 用來完成對 Mifare 卡的全部操作。 該模塊向用戶提供了四個端口 (J J J J4)，其中 J1 為天線接口，由于 ZLG500AT 自帶 PCB 天線，所以在本次設計中沒有考慮此端口，而是著重研究了 J2 端口，因為 就是由此端口與單片機之間的串行口通信才完成射頻識別的關鍵工作。 J2 口的具體含義見表 31內容 [13]。 表 31 J2 端口具體含義 管腳 符號 類型 描述 J21 SCLK 輸入 SPI 接口時鐘線，由外部單片機產生 J22 SDATA 雙向 數(shù)據(jù)線，傳輸方向為雙向 J23 SS 雙向 傳輸啟動線，接單片機外部中斷 J24 VCC PWR 電源正端 J25 RST 復位 模塊復位端 高電平有效 J26 GND PWR 電源負端 J27 CTRL 輸出 輸出控制信號 J28 BZ 輸出 輸出蜂鳴信號，頻率可調 ZLG500AT 模塊與任何 MCU的接口電路比較簡單，其典型電路如圖 34 所示。 M C UZ L G 5 0 0 A TP 1 . 0P 1 . 1P 3 . 3 / P 3 . 2P 1 . 2S C L KS D A T AS SR S TC T R LB Z接 發(fā) 光 二極 管接 蜂 鳴 器 電 路 圖 34 ZLG500 模塊與 MCU 的典型接口電路 在本論文中電路原理圖采用網(wǎng)絡標簽 (NETLAB)的形式進行連線，標號一樣的端口在物理上是電氣連接在一起的，這樣就大大減少了畫圖時排線的工作量，使得原理圖整體顯得清爽。與單片機 STC89C54 相對應的網(wǎng)絡標號參見前所講的微處理器接口部分內容，或者是參照附錄 B 上的原理圖來進 行理解。 目 錄 佳木斯大學教務處 19 在 ZLG500AT 模塊中 J1 端口是懸空的，內部電路已經將其與天線連接完畢，不用再人為接入天線。據(jù)公司相關技術人員介紹，此模塊不支持兩個天線同時工作。采用無源蜂鳴器，利用讀寫模塊 BZ端連接一個 NPN 來控制。切記一點，該模塊的 SS 端一定要與單片機的一個外部中斷相連。 針對于本課題的設計， ZLG500AT 模塊與單片機的連接及其外圍設備如圖 35 所示。在連接硬件電路的時候，主要有兩塊板子，這兩塊電路板一定要共地，這對于 ZLG500AT讀寫模塊與單片機之間的通信很關鍵，因為 SPI 數(shù)據(jù)傳輸對于 時序的要求比較嚴格，在讀寫模塊的 J1 端口中有三個端口是與地相連的，它們與天線載波信號的發(fā)射有關。 SCLKJ21SDATAJ22SSJ23VCCJ24RSTJ25GNDJ26CTRLJ27BZJ28GNDJ11TX1J12GNDJ13TX2J14GNDJ15RXJ16U4ZLG500ATVCCGNDGNDSCLKSDATASSRSTCTRLBZTX1TX2RXVCCR6330R2GNDQ1NPND1LED1GNDCTRLBZBell 圖 35 本系統(tǒng)中 ZLG500AT 模塊接口電路 ZLG500AT 的串行接口規(guī)范 1．接口原理 SS 和 SDATA 是雙向的，但是 SCLK 是單向的，也就是說時鐘信號僅僅由主控制器來產生， ZLG500AT必須釋放時