基于单片机的门禁系统的设计与实现

杨 奇

（沈阳师范大学,辽宁 沈阳 110034）

1 引言

如今，人们非常关注安全问题。电子锁被应用于很多场所，由于其具有很高的安全性的需求，因此有必要对此类技术进行深入探索。通过对智能门禁系统的发展和现有特征的分析，可以发现现有的智能门禁系统存在以下问题。

（1）早期的进入控制系统使用不便。在使用的时候需要人们用手打开，但是当人们腾不出手时，就会带来很多麻烦。

（2）键盘式的门禁对使用人员的要求比较低，但现在的技术比较轻易就能破解密码，安全系数低，而且人们总是容易忘记密码。

（3）感应控制的输入机比较容易被损坏，门卡也容易丢失。

（4）大部分区域都利用了智能门禁系统，但过度依赖外在系统进行解锁，会造成人们对每个物品的相应智能门禁产生混乱。

（5）入口控制系统需要长期处于运行状态，因此，如果没有良好的热分配系统，就容易影响使用。

针对上述情况，结合目前的高新科技，可以开发出具有广阔市场前景的、智能的、安全性高的、消耗小的，适合进行远程监控的门禁系统。

2 RFID技术的含义

RFID（radio frequency identification）技术，又叫作无线射频识别，它是一种通信科技，通过使用无线电信号识别某种目标来获取和输入相关信息。本文利用RFID技术来对智能门禁系统进行研究[1]。

3 基于 RFID 技术智能门禁系统总体设计

3.1 门禁设计遵循的原则

进入控制科技是一种高度发展的高科技，所以它非常流行，并应用于各个领域，如某些高端住宅区、旅馆和办公楼。但是，使用智能门禁系统时，还应遵循以下一些规则。

（1）适配性。基于现实的智能门禁系统，要能真正起到方便人们的作用。因此，需要考虑到人们的使用感受。

（2）稳定性。由于智能门禁系统需要长时间处于工作状态，并且系统的功能运作关乎人们的生活，一旦发生事故，将带来严重的后果。所以对其稳定性提出了很高的要求，在设计时必须重点考虑这一点。

（3）安全性。连接到智能门禁系统的所有零件和组件必须非常安全稳定，在生产过程中还需要符合我国有关的安全标准、通信协议和国际水准。另外，智能门禁系统还必须保证在智能门禁系统的操作期间信息的传输，并且可以很好地保护用户和一些相关数据的使用安全性。

（4）实时性。当门禁体系在运行状态时，有时一个组件出现问题就会导致系统运行发生中断，并降低整个体系的运行速度，从而造成严重的不良后果。[2]因此，工程师和设计人员应重点关注此问题，以保证各部分独立运行，出现错误时不会影响其他部分，并保证在相互独立的情况下所有信息资料都可以准确无误进行传送。

（5）扩展性。智能门禁系统发展非常迅速，用户的需求也在不断提升，已经不再局限于现有功能，因此，有必要继续将智能门禁系统的功能进行拓展。根据客户要求，进行一些新的探索，更新或开发更多性能。

（6）合理性。在客户对智能门禁系统等的质量和功能都认可的情况下，还需要维护和更新各种系统设置以降低使用费用。

（7）易于维护。进入门禁系统必须平稳运行，整个系统不能过于冗杂，否则不利于技术人员进行日常维修，因此，设计人员应考虑到这一方面的问题。

3.2 门禁设计实现的功能

智能门禁系统处理基础的安全功能以及系统管理功能。该系统主要负责注册人员的进出记录。每个用户都拥有自己的门禁卡，也可以在系统上删除或取消这些卡。另外，该系统还具有以下性能。

（1）用户在出入期间应只使用门禁卡，无任何其他帮助。

（2）只有被授权过的人员可以使用该门禁系统，为用户提供高质量的服务和环境。

（3）系统管理人员可以通过计算机对出入情况进行随时监视、请求和计算，并查看每个门的状态和监控每个门的运行情况，如出入时间、人员信息等。

（4）系统可以保存全部人员的使用状况，以及每个门的进入和退出数据以及状态数据，并将这些信息存档便于将来查询。

（5）紧急状态下，如出错或是有不合法的干扰，此系统会自动发出警报。

（6）火灾时，按下制动紧急按钮可以打开所有门，为内部人员提供逃生通道。

3.3 设计方案

本研究使用单片机STC89C52作为基础，还有一些外围电路，如射频辨别板块、噪声警报板块、键盘输进板块、液晶屏幕展示板块和电平转化板块。该项目的实质是使用射频卡作为进入允许证明。打开微控制器，辨别门卡，若门卡正确，则继电器将关闭，并且灯会点亮，屏幕上将出现表示打开的字样“Open”。反之，不正确的门卡将造成继电器无法关闭，并使蜂鸣器执行警报动作。此时，屏幕显示单词表示错误。图1为系统的框架图。

4 硬件设计

4.1 单片机模块

图1 系统框图

单片机STC89C52是由宏晶科技开发的高性能且低功耗的单片机。尽管它是最新的产品，但也符合传统的微控制器指令，并且有12时钟/6时钟机械周期这两个选项。

作为加强型的8051单片机，有12时钟/6时钟机械周期能够任意转换，完美包容传统的型号为8051的单片机命令。

表1为单片机STC89C52的主要特征。

单片机主要电路包括：电源端口是一个USB接口，由一个六角形开关和一个电阻操作，电源指示灯是一个LED，它们共同构成了电源电路；STC89C52的工作电压约为5V，因此，在进行电路连接前，必须用万用表测量出正负极。本实验不需要使用其他两个具有单个芯片的微型计算机引脚。

表1 单片机STC89C52的主要特征

4.2 RFID识别模块

该系统采用MFRC522射频板块插卡滑动操作。MFRC522是在13.56MHz非碰触卡读写芯片上利用的板块类别，而且也能兼容回应器信号。CRYPTO1加密算法也可以用于测试Mifare系列。Mifare系列高速非接触式通信也可以在MFRC522上实现，而且可以实现424 kbit/s。尽管MFRC522作为一个新的产品，但它与MFRC530很像。SPI模式帮助它与主机进行联系,并能减小PCB板的大小，以实现成本降低。

4.3 报警模块

蜂鸣器是一个整体结构，由于其电源恒定，电子产品一般都会使用到它。比如我们常用的手机和电脑等。压电和电磁是两种类型的蜂鸣器。一般用“H”和“HA”标识。压电蜂鸣器由多谐振荡器、压电噪声片、电阻矩阵和其他部分一起组成。

多谐振荡器是一种由2个或多个电子电路和设备组成的电子仪器，可输出电波。它必须与直流电源相连，电压在1.5～15V，尽量稳定。它可产生1.5～2.5kHz 的频率，可以与其他一些组件一起使用，以达到压电蜂鸣器的发声目的。

压电噪声片可以由锆酸铅陶瓷材料或压电镁粉制成。电磁蜂鸣器电磁噪声由振动器、磁线圈、磁体、振动膜片和外壳构成。

接触电源插座后，振荡器将产生电波和一些别的信息，并且电波还将出现在仪器两端的绕组中，电磁线圈和磁铁也将混合以产生线圈的磁场。

三极管蜂鸣器和限流电阻器的组合可形成其驱动电路。因为蜂鸣器有声音装置，如果要使其发声，可以在原始材料上在两侧添加DC和方波。

关于蜂鸣器声音的停止，主要受到晶体管Q1的影响，当然也受基极电平的一定影响。如果底座较低，则将导致电子管顺畅，并且会发出声音。如果过高，内管会发生阻塞，声音则停止。

5 软件设计

5.1 通信协议

RFID通信协议射频标签和读卡器通过非接触式信息通信来交流信息和数据。在该智能门禁系统中，通过双向无线通信性能完成了带有RFID的信息传输。

（1）编码形式。射频设备和读卡器选择半双工通信，可以让两者进行信息传输。射频识别利用PWM进行编码，也称为脉冲宽度调制编码。在此输入控制系统中，将自动生成PWM信号。在编程流程中，使用三位符号来达到编码目的。三位符号分别表示开始符号、信息符号和停止符号。

（2）数据格式。智能门禁的控制器和射频卡类型的信息的传输必须首先执行协议的制定。数据帧是一个比较抽象的定义，是整个信息传递中的最小单位。它适用于传输对两者都有意义的连续数据集。根据它的作用，也可以分为命令帧、数据帧等。它们的功能分别是传输指令、地址和信息。通常，所存储的射频标签数据是集成的。

5.2 程序流程图

5.2.1 主程序流程图

图2表示了主程序的构造。开机后，首先，开始初始化操作，并检测是否正在寻找工作状态的卡。若要查找不处于休眠状态的卡，则该卡可以防止碰撞并开始使用。其次，检查密码是否准确。若准确，则可以打开门锁，否则，将提醒该卡无效并发出警报。

5.2.2 显示模块

LCD12864液晶展示板块是此设计中使用的展示屏，这是一个比较全面的蒸发器，可以通过发指令来指导它进行工作。该板块具有一个包含含义字母的库和一个处理器，并具有自己的指令，用户仅需按照手册中的说明使用即可，而且由于其内涵库，用户还可以省去设计字体的时间。

图2 主程序流程图

6 结论

使用RFID科技的输入控制系统的控制板块是STC89C52的单片机，将系统射频板块作为识别板块，而且在蜂鸣器的帮助下有一个警报电路。所有字体将显示在LCD 12864上。体系由5伏的直流电来进行供电。此设计更简洁，仅用作一个控件。

但是该体系还有一些其他作用，如使用密码和指纹来解锁智能门禁系统，或是现在比较普及的人脸识别。这些功能部件安装繁杂且生产成本也比较高。