門禁系統設計

廣東省工商高級技工學校 肖春花

一、系統設計

1.前言

在現今社會，隨著人們對門禁系統各方面要求的不斷提高，門禁系統的應用范圍越來越廣泛，它已成為安全防范系統中極其重要的一部分，在一些發達國家，門禁系統正以遠遠高于其它類安防產品的進度迅猛發展；門禁系統之所以能在眾多安防產品中脫穎而出，根本原因是因為其改變了以往安防產品，如：閉路監控，防盜報警等被動的安防方式，以主動的控制替代了被動監視的方式，通過對主要通道的控制，大大的防止了罪犯從正常通道的侵入，并且可以在罪案發生時通過對通道門的控制限制罪犯的活動范圍，制止犯罪或減少損失。此外，人們對門禁系統的應用已不局限在單一的出入口控制，而且還要求它不僅可應用于智能大廈或智能社區的門禁控制、考勤管理、安防報警、停車場控制、電梯控制、樓宇自控等，還可與其它系統聯動控制等多種控制功能。

2.方案選擇

門禁系統有許多種方案：主要有聯網和不聯網型。本文選擇了不聯網型，不聯網型門禁系統的優點：單臺刷卡機就能工作，不用布線，操作簡單方便。

3.CPU的選擇

51單片機系統成本較低，功能完全可以滿足本設計需求，發展較成熟且完善。而DSP、ARM系統雖然科技含量高于51單片機系統，但是其價格昂貴并且發展尚未成熟。因此，經過綜合比較，本文選擇了技術成熟、價格便宜、設計簡單、使用方便的51單片機系統。

4.關于射頻卡的選擇

目前市面上的卡有很多種類：條碼、磁卡、接觸式IC卡，非接觸式IC卡等，條碼和磁卡，在超市和銀行方面應用的比較多，接觸式IC卡，以前在公共電話中用的比較多，但接觸式IC卡，芯片外露易壞、易折，而非接觸式IC卡既射頻卡，它把芯片和線圈封裝卡片內，不容易損壞、不怕惡劣的環境，現在社會上很流行，可靠性也高。根據以上的分析，本文選擇目前流行最廣，可靠性高，成本低的只讀卡，即采用EM4000型的ID卡。

二、硬件電路的設計

1.基本原理框圖(見圖1)

圖1 基本原理框圖

1）門禁系統主要組成：由CPU、復位電路、電源指示、工作指示、振蕩電路、蜂鳴器電路、門控鎖電路、出門按鈕、讀卡模塊、顯示模塊組成。如圖3原理圖所示。

圖2 門禁系統原理圖

圖3 讀卡程序流程圖

2）門禁系統的工作原理

當刷卡時，蜂鳴器響一下，如卡權限獲得允許，顯示模塊顯示卡號，同時繼電器動作將門鎖打開指示燈點亮，延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉指示燈熄滅。當按下出門按鈕時，繼電器動作將門鎖打開指示燈點亮，延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉指示燈熄滅。當非法卡刷卡時，沒有任何動作。

2.資源分配

軟、硬件設計是設計中不可缺少的，為了滿足功能和指標的要求，資源分配如下：

1)晶振采用11.0592MHZ；

2)內存分配見表1

表1 內存分配

3)計算：因為射頻卡的讀卡頭選用EM4000型，讀卡頻率是11.0592MHZ，所以最小系統晶振，必須用11.0592MHZ才能讀卡。

門禁系統原理見圖2。

3.各部分電路原理

1）門控鎖電路

以Q16的基極作為門控信號的輸入端與P1.3口相連，此電路由12V繼電器、限流二極管、5.1K偏置電阻以及9014與8050兩個三級管復合成的驅動電路組成。在這里用到復合管的優點：是為了用低電平控制，考慮到由于AT89S52的I/O口輸出高電平時的驅動能力可能會不足，所以本電路采用復合三級管就可以避免驅動能力不足的情況發生。

2）蜂鳴器電路

以Q1的基極作為蜂鳴器控制信號的輸入端與P1.2口相連，主要由蜂鳴器、9013與9014兩個三極管及5.1K偏置電阻組成。

3）控制工作指示燈

以Q5的基極與P1.5口相連，由三極管9013、發光二極管、限流電阻組成。

4）出門按鈕

當按下時，給P1.7口輸入低電平。

5）讀卡模塊

本設計采用ID射頻卡讀卡器。EM9-913BF 125KHz感應式讀卡模組是針對125KHz非接觸式RFID晶片而設計的讀卡模組，它能針對目前市面上125KHz非接觸式RFID晶片如凌航科技GK4001晶片或其它規格現相近產品進行資料讀取與資料判斷，使用者可以一次開發感應式讀卡及相關應用系統，該模塊主要范圍為互動式玩具、門禁管制系統、人員考勤管理、動物或物品辨識及產品管理，此讀卡模組主要優點：獨立性高，二次開發容易，安裝簡單；資料讀取穩定性高；系統安全性高，RFID資料不重復且難以復制，可選擇數據輸出格式。缺點是電腦必須24小時開機，便于數據傳送。

讀卡原理是每個卡片內部有一個小芯片和感應線圈，價格低廉，國內最普及的EM ID卡，大多為瑞士nEM或臺灣GK公司的4100、4102系列芯片+線圈+卡基封裝而成。每張卡有且只有一個唯一的，不可更改和復制的ID內碼（64位2進制機密的永不重復的卡號），因其安全可靠，價格低廉而大量應用于身份識別、產品防偽等領域。

讀卡器卡號輸出格式是將10位十六進制的ASCⅡ字符串，即10Hex格式的倒數第5、第6位，轉換為3位十進制卡號，在將后4位，轉換為5位十進制卡號，中間用“，”分開，即“2H+4H”，即將2H“6F”轉換為“111”，4H“6c3a”轉換為“27706”，最終將2段連在一起輸出為“111，27706”。

4.顯示模塊

顯示部分采用LED數碼管顯示，它具有實現容易、發光亮度大、驅動電路簡單等優點，且其可靠性也優于LCD的顯示。由8個數碼管和8個74LS164組成，采用串行靜態顯示的方法。將數碼管的8個輸入端與74LS164的輸出端Q0-Q7相連。P1.0和74LS164的CLK連接，P1.4接74LS164的A端。

三、軟件設計

單片機技術比較成熟，開發過程可利用的資源和工具豐富，最大的優點是價格便宜，成本低。調試軟件采用Keil51.keiluVison是眾多單片機應用開發軟件中優秀軟件之一，界面友好，易寫易操作。在調試程序中，軟件仿真功能也很強，軟件調通，再通過編程器下載到AT89S52中，然后插到系統中即可獨立完成所有的控制。

軟件設計上，根據功能分了幾個模塊編程。模塊主要有：讀卡模塊、數制轉換模塊、顯示模塊、合法卡比較模塊、開鎖模塊、中斷子程序模塊、延時子程序模塊等。根據達盛單片機最小系統的設計，其P0口、P2口都已占用，外圍電路的控制口只能占用P1口和P3口，口地址可用的就少了，所以，顯示上選擇了靜態顯示，顯示只用了P1.0和P1.4兩個口線，這樣，編程簡單，不占用CPU。程序中還增加了射頻卡權限判斷，當遇到合法卡時顯示卡號，門鎖打開，延時10s自動關閉，非法卡不顯示卡號，門鎖不開。讀卡程序的流程圖如圖3所示。

四、結束語

本設計實現了程序控制開鎖、出門按鈕開鎖、讀卡顯示、蜂鳴器報警、工作指示燈等多項功能，并有兩項技術創新，一是采用門態檢測，關上門，保證門態是關閉狀態，非正常打開門或門沒有正常關閉時，報警，起到電子門衛的作用；二是采用非接觸的IC卡，非接觸式IC卡，是感應卡家族中的一員，除具有接觸式IC卡的優點，更有存儲容量大，安全性強，無機械磨損等優點。而且它還克服了接觸式IC卡所無法避免的缺點，如讀寫故障率高，由于觸點外露而導致的污染、損傷、磨損、靜電以及插卡不便、易受惡意攻擊等。本系統設計簡單、性能優良，具有一定的實用性。

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