P基于单片机的门禁设计

近年来，电子门禁系统发展非常迅速，按照其开门方式可以分为3类，密码识别、卡片识别和生物识别。无线射频识别技术（REID）在门禁系统中得到广泛的应用，本例中以使用工作频率为125kHz的射频ID卡和密码识别相结合的门禁系统为例，说明单片机控制门禁系统的原理与应用。基于51单片机的汽车门禁系统设计智能门禁系统的核心是智能卡识别技术，利用单片机作为控制核心，外围加键盘、智能卡识别电路等。其工作原理：上电后进入主页面，显示请刷卡进入；按菜单键，输入密码获得权限，可以选择添加新卡或者注销所有卡，自动退出该界面；进入菜单界面，长按切换键，进入修改授权密码界面，可以选择修改授权密码。工作原理系统的结构图如下图所示系统包括门禁管理机、门禁处主机以及上位管理机。门禁管理机主要完成门禁系统发卡、挂失卡以及与PC机通信等操作，硬件电路包括：CPU、射频卡读卡器电路、RS-485通信电路、电源电路等。门禁处主机完成对进入楼宇门的控制及判断操作，另外需要与PC机通信，获得系统中存在的ID卡编号及其他信息。硬件电路包括：CPU、电源电路、键盘显示电路、射频卡读卡器电路、存储器电路、语音电路、电磁锁控制电路等。设计构成门禁主机硬件设计门禁主机由CPU、键盘显示电路、存储器、射频卡读卡器、通信电路、语音电路和电源电路等组成。原理框图如右图所示增强型51单片机单片机选用体积小、功能强、存储器容量大的C8051F340。该单片机是一款完全集成的混合信号片上系统型MCU，片上有4352字节的RAM(256B片内RAM和4KB片外RAM)，多达64KB的片内Flash存储器，具有一个内部可编程高速振荡器，可以作为系统时钟使用，片内集成了看门狗定时器功能，只需要极少的外围电路就可以构成单片机最小应用系统，电路设计简单，可以提供较多的I/O口，可以灵活配置中断引脚及I/O口的输入/输出方式。由于在系统中要存储一定数量的射频ID卡号、开门记录以及其他的信息，所需要的存储器空间比较大，存储器选用Flash型的AT45DB041D存储器，这是单一2.7V～3.6V电源供电串行接口Flash存储卡，适用于系统内重复编程，它共有4325376bit内存，分为2048页，每页为264字节；在主内存之外AT45DB041D还有两个SRAM数据缓存，每个264字节，缓存使得主内存的一页正在编程的同时可以接收数据。与用多条地址线和一个并行接口随机访问的传统Flash存储器不同，其数据闪存DataFlash采用串行接口顺序访问数据，这种简单的串行接口方便了硬件布局，增强了系统灵活性。存储器电路原理如下图所示。AT45D041D为SPI总线的器件，在系统中使用单片机管脚模拟SPI总线的方式实现了对存储器芯片的读写操作。存储器电路键盘显示电路键盘显示电路采用专用的控制芯片HD7279A来驱动，该芯片最多能驱动8位共阴极数码管及64个键盘，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能，使设计的电路更加简洁。HD7279A同样也是SPI总线的器件，在键盘显示电路中也是通过单片机管脚模拟SPI总线的方式实现对HD7279A的操作。键盘显示电路原理如下图所示。键盘显示由8个数码管以及13个按键组成，其中的12个键为10个数字键、“*”建和“#”键，另外1个按键作为楼道内开门的按键使用。语音电路在本系统中对语音质量要求不高，而且语音提示信息不是很长，我们选用了价格低廉的APLUS公司生产的语音芯片AP89170，这是一款OTP的语音芯片，声音的最大存储长度可以达到170s，芯片可以最多存储254个语音片段。功率放大电路采用专用的语音放大器LM386，该放大器的增益可以调整，在使用过程中比较灵活。语音电路原理如右图所示125kHz的射频卡读卡器电路可以由模拟电路和集成电路芯片电路两种方式实现。由于模拟电路设计复杂、调试难度大，所以系统的射频卡读卡器电路选用专用的低成本读卡器芯片U2270B实现，这是由美国TEMIC公司生产的、发射频率为125kHz的射频卡基站芯片，其载波振荡器能产生l00kHz～150kHz的振荡频率，其典型应用频率为125kHz，此时，典型数据传输速率为Skbit/s，典型读写距离为15cm。适用于曼彻斯特编码和双相位编码，并带有微处理器接口，可与单片机直接连接。另外，供电方式灵活，可以采用+5V直流供电，也可以采用汽车用+12V供电，同时具有电压输出功能，可以给微处理器或其他外围电路供电。具有低功耗待机模式，可以极大地降低基站的耗电量。其典型的应用电路原理如下图所示。射频卡读卡器电路续、图中Fl为射频卡读卡器天线线圈，线圈的电感值为680μH，使用漆包线缠绕制成，单片机通过P0.0读出U2270B送出的ID卡号。电磁锁控制电路电磁锁的开闭需要由继电器提供一个开关信号。楼与门经常的打开关闭，而机械式的继电器使用寿命有限，因而采用光电式的继电器AQV102A，它负载电压为60V时，负载电流可以高达600mA，完全满足一般电磁锁要求，磁锁控制电路原理如图所示电源电路门禁系统由220v交流电供电经过开关电源转换后输入的12V电压供电，在门禁主机电路中，有需要3.3V和5V供电的器件，设计中把开关电源的输出12V再转换为5V和3.3V。5v电压转换电路使用开关稳压芯片LM2576T-5，该器件具有较高的转换效率，而且提供较大的转换电流，3.3V通过稳压芯片AMS1117-3.3获得，电源电路原理如下图所示*RS232通信标准的距离较短，而且速率低，在本门禁系统里采用RS-485通信标准。*RS-485标准的最大通信距离为1219m最大数据传输速率为10Mbit/s,采用双绞线传输。*RS-485通信电路原理图如下所示，单片机的标准串行口TXD和RXD接到MAX485的DI和RO管脚，控制信号R/D接到MAX485的RE及DE管脚。当R/D为1时发送器有效，接收器禁止，当R/D为0时接收器有效，发送器禁止。RS-485通信管理机硬件设计管理机的硬件设计采用与门禁主机相类似的电路设计，单片机的选型及射频卡读卡器电路、电源电路采用完全相同的硬件的设计，只是通信电路采用更简单的RS-232通信标准，使整个系统的硬件设计一致，维护更加方便。当有EM4100卡进入到射频卡读卡器线圈的工作范围内以后，门禁主机通过射频卡读卡器电路获得该卡的卡号信息，并对存储器进行读操作，确认该卡号信息在系统中是否存在，如果存在，则打开电磁锁，否则给出语音提示。如果键盘有按键按下，则语音提示提示“请输入房间号码”，对存储器进行读操作，判断该房间号是否正确，如果正确则语音提示“请输入密码”，密码正确后打开电磁锁，否则有相应的错误语音提示，电磁锁拒开。主程序流程图如下图所示。门禁主机程序设计思想EM4100芯片的数据调制和传送，是以常用的Manchester（曼彻斯特）调制格式来编码的，如图14-18所示。只要EM4100芯片的外部线圈两端产生的AC感应电压≥3.5Vpp，线圈时钟频率约为125kHz时，芯片即上电启动。EM4100的全部数据位为64bit，它包含9个开始位（其值均为‘1’）、40个数据位（8个厂商信息位+32个数据位）、14个行列校验位(10个行校验+4个列校验)和1个结束停止位。EM4100在向读卡机或PC机传送信息时，首先传送9个开始引导位，接着传送8个芯片厂商信息或版本代码，然后再传送32个数据位。其中15个校验以及结束位用以跟踪包含厂商信息在内的40位数据。射频卡读卡器读卡操作子程序曼彻斯特编码说明对于曼彻斯特编码，本例使用单片机的软件解码，利用单片机的定时器T0产生精确定时，测定编码脉冲确认数据位是0还是1，然后读取指定个数的数据位即可得到卡的信息。程序的编写要按照曼彻斯特编码的时序编写。readbit()函数实现读取一个数据位的功能程序代码：实现读取一个完整的数据位的子程序，注意应用这个函数时需要在循环中不断查询程序代码如下：readdata()函数unsignedcharreaddata()/*读一个完整的数据位子程序*/{switch(readbit()){case1:/*一个周期*/return!bitin;case2:/*半个周期*/if(readbit()!=2)return2;/*再读一次半个周期*/return!bitin;default:return2;}}readdata()函数实现接收并解码子程序，程序中调用了readdata()函数。CheckData()函数续、实现读取卡号的功能。程序中如果检测到卡信息正确，则卡号信息存放在Buff缓冲区中。程序代码如下：ReadCardNo()函数本系统扩展的存储器可存储几千张射频卡信息，很多场合，可选容量小的存储器即可满足要求，甚至直接采用C8051F340内部存储器即可满足要求。本门禁系统采用的是RS485总线构成整个管理系统，用户也可采用其他数据交换方式进行管理，如无线通信模式（如GPRS）、手持式红外抄表模式或者直接用键盘到门禁机现场来管理，各种模式在技术上均能实现，各有利弊。注意天线的绕制形状和圈数，如果天线参数不合适，会导致寻卡距离缩短甚至寻不到射频卡。详细说明