基于單片機的門禁系統的設計與實現

楊 奇

（沈陽師范大學,遼寧 沈陽 110034）

1 引言

如今，人們非常關注安全問題。電子鎖被應用于很多場所，由于其具有很高的安全性的需求，因此有必要對此類技術進行深入探索。通過對智能門禁系統的發展和現有特征的分析，可以發現現有的智能門禁系統存在以下問題。

（1）早期的進入控制系統使用不便。在使用的時候需要人們用手打開，但是當人們騰不出手時，就會帶來很多麻煩。

（2）鍵盤式的門禁對使用人員的要求比較低，但現在的技術比較輕易就能破解密碼，安全系數低，而且人們總是容易忘記密碼。

（3）感應控制的輸入機比較容易被損壞，門卡也容易丟失。

（4）大部分區域都利用了智能門禁系統，但過度依賴外在系統進行解鎖，會造成人們對每個物品的相應智能門禁產生混亂。

（5）入口控制系統需要長期處于運行狀態，因此，如果沒有良好的熱分配系統，就容易影響使用。

針對上述情況，結合目前的高新科技，可以開發出具有廣闊市場前景的、智能的、安全性高的、消耗小的，適合進行遠程監控的門禁系統。

2 RFID技術的含義

RFID（radio frequency identification）技術，又叫作無線射頻識別，它是一種通信科技，通過使用無線電信號識別某種目標來獲取和輸入相關信息。本文利用RFID技術來對智能門禁系統進行研究[1]。

3 基于 RFID 技術智能門禁系統總體設計

3.1 門禁設計遵循的原則

進入控制科技是一種高度發展的高科技，所以它非常流行，并應用于各個領域，如某些高端住宅區、旅館和辦公樓。但是，使用智能門禁系統時，還應遵循以下一些規則。

（1）適配性。基于現實的智能門禁系統，要能真正起到方便人們的作用。因此，需要考慮到人們的使用感受。

（2）穩定性。由于智能門禁系統需要長時間處于工作狀態，并且系統的功能運作關乎人們的生活，一旦發生事故，將帶來嚴重的后果。所以對其穩定性提出了很高的要求，在設計時必須重點考慮這一點。

（3）安全性。連接到智能門禁系統的所有零件和組件必須非常安全穩定，在生產過程中還需要符合我國有關的安全標準、通信協議和國際水準。另外，智能門禁系統還必須保證在智能門禁系統的操作期間信息的傳輸，并且可以很好地保護用戶和一些相關數據的使用安全性。

（4）實時性。當門禁體系在運行狀態時，有時一個組件出現問題就會導致系統運行發生中斷，并降低整個體系的運行速度，從而造成嚴重的不良后果。[2]因此，工程師和設計人員應重點關注此問題，以保證各部分獨立運行，出現錯誤時不會影響其他部分，并保證在相互獨立的情況下所有信息資料都可以準確無誤進行傳送。

（5）擴展性。智能門禁系統發展非常迅速，用戶的需求也在不斷提升，已經不再局限于現有功能，因此，有必要繼續將智能門禁系統的功能進行拓展。根據客戶要求，進行一些新的探索，更新或開發更多性能。

（6）合理性。在客戶對智能門禁系統等的質量和功能都認可的情況下，還需要維護和更新各種系統設置以降低使用費用。

（7）易于維護。進入門禁系統必須平穩運行，整個系統不能過于冗雜，否則不利于技術人員進行日常維修，因此，設計人員應考慮到這一方面的問題。

3.2 門禁設計實現的功能

智能門禁系統處理基礎的安全功能以及系統管理功能。該系統主要負責注冊人員的進出記錄。每個用戶都擁有自己的門禁卡，也可以在系統上刪除或取消這些卡。另外，該系統還具有以下性能。

（1）用戶在出入期間應只使用門禁卡，無任何其他幫助。

（2）只有被授權過的人員可以使用該門禁系統，為用戶提供高質量的服務和環境。

（3）系統管理人員可以通過計算機對出入情況進行隨時監視、請求和計算，并查看每個門的狀態和監控每個門的運行情況，如出入時間、人員信息等。

（4）系統可以保存全部人員的使用狀況，以及每個門的進入和退出數據以及狀態數據，并將這些信息存檔便于將來查詢。

（5）緊急狀態下，如出錯或是有不合法的干擾，此系統會自動發出警報。

（6）火災時，按下制動緊急按鈕可以打開所有門，為內部人員提供逃生通道。

3.3 設計方案

本研究使用單片機STC89C52作為基礎，還有一些外圍電路，如射頻辨別板塊、噪聲警報板塊、鍵盤輸進板塊、液晶屏幕展示板塊和電平轉化板塊。該項目的實質是使用射頻卡作為進入允許證明。打開微控制器，辨別門卡，若門卡正確，則繼電器將關閉，并且燈會點亮，屏幕上將出現表示打開的字樣“Open”。反之，不正確的門卡將造成繼電器無法關閉，并使蜂鳴器執行警報動作。此時，屏幕顯示單詞表示錯誤。圖1為系統的框架圖。

4 硬件設計

4.1 單片機模塊

圖1 系統框圖

單片機STC89C52是由宏晶科技開發的高性能且低功耗的單片機。盡管它是最新的產品，但也符合傳統的微控制器指令，并且有12時鐘/6時鐘機械周期這兩個選項。

作為加強型的8051單片機，有12時鐘/6時鐘機械周期能夠任意轉換，完美包容傳統的型號為8051的單片機命令。

表1為單片機STC89C52的主要特征。

單片機主要電路包括：電源端口是一個USB接口，由一個六角形開關和一個電阻操作，電源指示燈是一個LED，它們共同構成了電源電路；STC89C52的工作電壓約為5V，因此，在進行電路連接前，必須用萬用表測量出正負極。本實驗不需要使用其他兩個具有單個芯片的微型計算機引腳。

表1 單片機STC89C52的主要特征

4.2 RFID識別模塊

該系統采用MFRC522射頻板塊插卡滑動操作。MFRC522是在13.56MHz非碰觸卡讀寫芯片上利用的板塊類別，而且也能兼容回應器信號。CRYPTO1加密算法也可以用于測試Mifare系列。Mifare系列高速非接觸式通信也可以在MFRC522上實現，而且可以實現424 kbit/s。盡管MFRC522作為一個新的產品，但它與MFRC530很像。SPI模式幫助它與主機進行聯系,并能減小PCB板的大小，以實現成本降低。

4.3 報警模塊

蜂鳴器是一個整體結構，由于其電源恒定，電子產品一般都會使用到它。比如我們常用的手機和電腦等。壓電和電磁是兩種類型的蜂鳴器。一般用“H”和“HA”標識。壓電蜂鳴器由多諧振蕩器、壓電噪聲片、電阻矩陣和其他部分一起組成。

多諧振蕩器是一種由2個或多個電子電路和設備組成的電子儀器，可輸出電波。它必須與直流電源相連，電壓在1.5～15V，盡量穩定。它可產生1.5～2.5kHz 的頻率，可以與其他一些組件一起使用，以達到壓電蜂鳴器的發聲目的。

壓電噪聲片可以由鋯酸鉛陶瓷材料或壓電鎂粉制成。電磁蜂鳴器電磁噪聲由振動器、磁線圈、磁體、振動膜片和外殼構成。

接觸電源插座后，振蕩器將產生電波和一些別的信息，并且電波還將出現在儀器兩端的繞組中，電磁線圈和磁鐵也將混合以產生線圈的磁場。

三極管蜂鳴器和限流電阻器的組合可形成其驅動電路。因為蜂鳴器有聲音裝置，如果要使其發聲，可以在原始材料上在兩側添加DC和方波。

關于蜂鳴器聲音的停止，主要受到晶體管Q1的影響，當然也受基極電平的一定影響。如果底座較低，則將導致電子管順暢，并且會發出聲音。如果過高，內管會發生阻塞，聲音則停止。

5 軟件設計

5.1 通信協議

RFID通信協議射頻標簽和讀卡器通過非接觸式信息通信來交流信息和數據。在該智能門禁系統中，通過雙向無線通信性能完成了帶有RFID的信息傳輸。

（1）編碼形式。射頻設備和讀卡器選擇半雙工通信，可以讓兩者進行信息傳輸。射頻識別利用PWM進行編碼，也稱為脈沖寬度調制編碼。在此輸入控制系統中，將自動生成PWM信號。在編程流程中，使用三位符號來達到編碼目的。三位符號分別表示開始符號、信息符號和停止符號。

（2）數據格式。智能門禁的控制器和射頻卡類型的信息的傳輸必須首先執行協議的制定。數據幀是一個比較抽象的定義，是整個信息傳遞中的最小單位。它適用于傳輸對兩者都有意義的連續數據集。根據它的作用，也可以分為命令幀、數據幀等。它們的功能分別是傳輸指令、地址和信息。通常，所存儲的射頻標簽數據是集成的。

5.2 程序流程圖

5.2.1 主程序流程圖

圖2表示了主程序的構造。開機后，首先，開始初始化操作，并檢測是否正在尋找工作狀態的卡。若要查找不處于休眠狀態的卡，則該卡可以防止碰撞并開始使用。其次，檢查密碼是否準確。若準確，則可以打開門鎖，否則，將提醒該卡無效并發出警報。

5.2.2 顯示模塊

LCD12864液晶展示板塊是此設計中使用的展示屏，這是一個比較全面的蒸發器，可以通過發指令來指導它進行工作。該板塊具有一個包含含義字母的庫和一個處理器，并具有自己的指令，用戶僅需按照手冊中的說明使用即可，而且由于其內涵庫，用戶還可以省去設計字體的時間。

圖2 主程序流程圖

6 結論

使用RFID科技的輸入控制系統的控制板塊是STC89C52的單片機，將系統射頻板塊作為識別板塊，而且在蜂鳴器的幫助下有一個警報電路。所有字體將顯示在LCD 12864上。體系由5伏的直流電來進行供電。此設計更簡潔，僅用作一個控件。

但是該體系還有一些其他作用，如使用密碼和指紋來解鎖智能門禁系統，或是現在比較普及的人臉識別。這些功能部件安裝繁雜且生產成本也比較高。