門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東省工商高級(jí)技工學(xué)校 肖春花

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.前言

在現(xiàn)今社會(huì)，隨著人們對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)各方面要求的不斷提高，門(mén)禁系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，它已成為安全防范系統(tǒng)中極其重要的一部分，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，門(mén)禁系統(tǒng)正以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類(lèi)安防產(chǎn)品的進(jìn)度迅猛發(fā)展；門(mén)禁系統(tǒng)之所以能在眾多安防產(chǎn)品中脫穎而出，根本原因是因?yàn)槠涓淖兞艘酝卜喇a(chǎn)品，如：閉路監(jiān)控，防盜報(bào)警等被動(dòng)的安防方式，以主動(dòng)的控制替代了被動(dòng)監(jiān)視的方式，通過(guò)對(duì)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(fā)生時(shí)通過(guò)對(duì)通道門(mén)的控制限制罪犯的活動(dòng)范圍，制止犯罪或減少損失。此外，人們對(duì)門(mén)禁系統(tǒng)的應(yīng)用已不局限在單一的出入口控制，而且還要求它不僅可應(yīng)用于智能大廈或智能社區(qū)的門(mén)禁控制、考勤管理、安防報(bào)警、停車(chē)場(chǎng)控制、電梯控制、樓宇自控等，還可與其它系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制等多種控制功能。

2.方案選擇

門(mén)禁系統(tǒng)有許多種方案：主要有聯(lián)網(wǎng)和不聯(lián)網(wǎng)型。本文選擇了不聯(lián)網(wǎng)型，不聯(lián)網(wǎng)型門(mén)禁系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)闻_(tái)刷卡機(jī)就能工作，不用布線，操作簡(jiǎn)單方便。

3.CPU的選擇

51單片機(jī)系統(tǒng)成本較低，功能完全可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)需求，發(fā)展較成熟且完善。而DSP、ARM系統(tǒng)雖然科技含量高于51單片機(jī)系統(tǒng)，但是其價(jià)格昂貴并且發(fā)展尚未成熟。因此，經(jīng)過(guò)綜合比較，本文選擇了技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便的51單片機(jī)系統(tǒng)。

4.關(guān)于射頻卡的選擇

目前市面上的卡有很多種類(lèi)：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(yīng)用的比較多，接觸式IC卡，以前在公共電話(huà)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(nèi)，不容易損壞、不怕惡劣的環(huán)境，現(xiàn)在社會(huì)上很流行，可靠性也高。根據(jù)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(shè)計(jì)

1.基本原理框圖(見(jiàn)圖1)

圖1 基本原理框圖

1）門(mén)禁系統(tǒng)主要組成：由CPU、復(fù)位電路、電源指示、工作指示、振蕩電路、蜂鳴器電路、門(mén)控鎖電路、出門(mén)按鈕、讀卡模塊、顯示模塊組成。如圖3原理圖所示。

圖2 門(mén)禁系統(tǒng)原理圖

圖3 讀卡程序流程圖

2）門(mén)禁系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)刷卡時(shí)，蜂鳴器響一下，如卡權(quán)限獲得允許，顯示模塊顯示卡號(hào)，同時(shí)繼電器動(dòng)作將門(mén)鎖打開(kāi)指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門(mén)鎖鎖閉指示燈熄滅。當(dāng)按下出門(mén)按鈕時(shí)，繼電器動(dòng)作將門(mén)鎖打開(kāi)指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門(mén)鎖鎖閉指示燈熄滅。當(dāng)非法卡刷卡時(shí)，沒(méi)有任何動(dòng)作。

2.資源分配

軟、硬件設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中不可缺少的，為了滿(mǎn)足功能和指標(biāo)的要求，資源分配如下：

1)晶振采用11.0592MHZ；

2)內(nèi)存分配見(jiàn)表1

表1 內(nèi)存分配

3)計(jì)算：因?yàn)樯漕l卡的讀卡頭選用EM4000型，讀卡頻率是11.0592MHZ，所以最小系統(tǒng)晶振，必須用11.0592MHZ才能讀卡。

門(mén)禁系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

3.各部分電路原理

1）門(mén)控鎖電路

以Q16的基極作為門(mén)控信號(hào)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(gè)三級(jí)管復(fù)合成的驅(qū)動(dòng)電路組成。在這里用到復(fù)合管的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)的驅(qū)動(dòng)能力可能會(huì)不足，所以本電路采用復(fù)合三級(jí)管就可以避免驅(qū)動(dòng)能力不足的情況發(fā)生。

2）蜂鳴器電路

以Q1的基極作為蜂鳴器控制信號(hào)的輸入端與P1.2口相連，主要由蜂鳴器、9013與9014兩個(gè)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(fā)光二極管、限流電阻組成。

4）出門(mén)按鈕

當(dāng)按下時(shí)，給P1.7口輸入低電平。

5）讀卡模塊

本設(shè)計(jì)采用ID射頻卡讀卡器。EM9-913BF 125KHz感應(yīng)式讀卡模組是針對(duì)125KHz非接觸式RFID晶片而設(shè)計(jì)的讀卡模組，它能針對(duì)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(guī)格現(xiàn)相近產(chǎn)品進(jìn)行資料讀取與資料判斷，使用者可以一次開(kāi)發(fā)感應(yīng)式讀卡及相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)，該模塊主要范圍為互動(dòng)式玩具、門(mén)禁管制系統(tǒng)、人員考勤管理、動(dòng)物或物品辨識(shí)及產(chǎn)品管理，此讀卡模組主要優(yōu)點(diǎn)：獨(dú)立性高，二次開(kāi)發(fā)容易，安裝簡(jiǎn)單；資料讀取穩(wěn)定性高；系統(tǒng)安全性高，RFID資料不重復(fù)且難以復(fù)制，可選擇數(shù)據(jù)輸出格式。缺點(diǎn)是電腦必須24小時(shí)開(kāi)機(jī)，便于數(shù)據(jù)傳送。

讀卡原理是每個(gè)卡片內(nèi)部有一個(gè)小芯片和感應(yīng)線圈，價(jià)格低廉，國(guó)內(nèi)最普及的EM ID卡，大多為瑞士nEM或臺(tái)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(gè)唯一的，不可更改和復(fù)制的ID內(nèi)碼（64位2進(jìn)制機(jī)密的永不重復(fù)的卡號(hào)），因其安全可靠，價(jià)格低廉而大量應(yīng)用于身份識(shí)別、產(chǎn)品防偽等領(lǐng)域。

讀卡器卡號(hào)輸出格式是將10位十六進(jìn)制的ASCⅡ字符串，即10Hex格式的倒數(shù)第5、第6位，轉(zhuǎn)換為3位十進(jìn)制卡號(hào)，在將后4位，轉(zhuǎn)換為5位十進(jìn)制卡號(hào)，中間用“，”分開(kāi)，即“2H+4H”，即將2H“6F”轉(zhuǎn)換為“111”，4H“6c3a”轉(zhuǎn)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(shù)碼管顯示，它具有實(shí)現(xiàn)容易、發(fā)光亮度大、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且其可靠性也優(yōu)于LCD的顯示。由8個(gè)數(shù)碼管和8個(gè)74LS164組成，采用串行靜態(tài)顯示的方法。將數(shù)碼管的8個(gè)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(shè)計(jì)

單片機(jī)技術(shù)比較成熟，開(kāi)發(fā)過(guò)程可利用的資源和工具豐富，最大的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，成本低。調(diào)試軟件采用Keil51.keiluVison是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件中優(yōu)秀軟件之一，界面友好，易寫(xiě)易操作。在調(diào)試程序中，軟件仿真功能也很強(qiáng)，軟件調(diào)通，再通過(guò)編程器下載到AT89S52中，然后插到系統(tǒng)中即可獨(dú)立完成所有的控制。

軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。模塊主要有：讀卡模塊、數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、合法卡比較模塊、開(kāi)鎖模塊、中斷子程序模塊、延時(shí)子程序模塊等。根據(jù)達(dá)盛單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(tài)顯示，顯示只用了P1.0和P1.4兩個(gè)口線，這樣，編程簡(jiǎn)單，不占用CPU。程序中還增加了射頻卡權(quán)限判斷，當(dāng)遇到合法卡時(shí)顯示卡號(hào)，門(mén)鎖打開(kāi)，延時(shí)10s自動(dòng)關(guān)閉，非法卡不顯示卡號(hào)，門(mén)鎖不開(kāi)。讀卡程序的流程圖如圖3所示。

四、結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了程序控制開(kāi)鎖、出門(mén)按鈕開(kāi)鎖、讀卡顯示、蜂鳴器報(bào)警、工作指示燈等多項(xiàng)功能，并有兩項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，一是采用門(mén)態(tài)檢測(cè)，關(guān)上門(mén)，保證門(mén)態(tài)是關(guān)閉狀態(tài)，非正常打開(kāi)門(mén)或門(mén)沒(méi)有正常關(guān)閉時(shí)，報(bào)警，起到電子門(mén)衛(wèi)的作用；二是采用非接觸的IC卡，非接觸式IC卡，是感應(yīng)卡家族中的一員，除具有接觸式IC卡的優(yōu)點(diǎn)，更有存儲(chǔ)容量大，安全性強(qiáng)，無(wú)機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)。而且它還克服了接觸式IC卡所無(wú)法避免的缺點(diǎn)，如讀寫(xiě)故障率高，由于觸點(diǎn)外露而導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，具有一定的實(shí)用性。

[1] 林全新.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2002:184-186.

[2] 李朝青.單片微機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].天津:南開(kāi)大學(xué)出版社,1998.

[3] 劉守義.智能卡技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004:220-222.

[4] 李忠國(guó).單片機(jī)應(yīng)用技能訓(xùn)練[M].北京:人民郵電出版社,2006.

[5] 何立民.潛入式系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)得探討[J].浙江:浙江大學(xué)學(xué)報(bào),1998(增刊).