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基于单片机的IC读写卡器的设计与实现

发布时间:2020-01-20 14:51文字数:7023字

  摘要:本文将研究基于单片机的IC卡读写卡,然后设计基于非接触IC卡的门禁系统的控制部分。无触点IC卡是近年来发展起来的一项新技术。它集成了无线识别技术和IC卡技术,成功地解决了无源(无卡电源)和非接触问题。这是电子器件领域的一个突破。随着社会经济和技术的发展,非接触式IC卡技术已广泛应用于各个行业,特别是在公共交通、无线通信、身份识别、金融交易和安全防御等行业。门禁系统是管理人员出入境的数字化管理系统。非接触式IC卡以其安全性高、使用方便、性价比高等优点成为门禁系统的主流。

  本次毕业设计实现了非接触式IC卡读写卡,它是由ZLG500A点读写射频(RF)模块和ATMEL公司的AT89C52单片机。该系统具有与非接触式IC卡的数据通信功能,可实现数据缓冲、无线唤醒和信息处理。该项目的内容包括设计一个基本的应用系统线、开发模块和驱动程序。

  关键词:门禁系统,读写卡器,单片机

  引言

  当今社会是信息飞速发展和科学技术飞速发展的时代。人们感受到高科技带来的极大便利和好处。与此同时,人们对高科技服务的要求也越来越高。但随着科学技术的发展,利用高科技手段进行盗窃、抢劫、间谍罪层出不穷。人们正在寻找更可靠、更安全和更安全的措施来跟上对这些罪行的侵犯。

  自古以来,用普通锁来保护室内财产安全和控制人员出人的方法已经沿袭了几千年。这种安全措施总是依赖于金属密钥。但是钥匙更麻烦,而且容易复制、丢失和生锈。传统的门锁已不能满足现代安全的需要。为了从根本上改变落后的局面,智能门禁系统应运而生。智能门禁系统是一门综合性多学科的高科技技术集。它是在电子、机械、计算机技术、通信技术等多种新技术的基础上发展起来的。

  目前,智能门禁系统已成为发达国家和地区最重要的安防系统之一。它不同于传统的安全设备。它将被动监控和报警变为主动控制,起到了更高的安全作用。因此,在现场安全设备中引入智能门禁系统。根据美国当局的调查结果:美国门禁设备的销售占整个公共安全行业市场销售额的57.8%,闭路电视监控和其他报警设备的销售占比仅为39.2%,台湾安全设备市场年度调查报告,访问控制系统的销售增长率为25%,高于以上其他安全设备十倍的增长率。

  随着人们对门禁系统性能的要求越来越高,智能门禁系统的应用也越来越广泛。智能门禁系统的应用不再局限于单一的访问控制,而且它不仅可用于智能大厦或智能小区的门禁控制、考勤管理、业务报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自动化、也与其他联动控制设备共同构成各种控制功能系统。

  第1章 非接触式IC卡技术

  1.1 IC卡技术背景与应用概况

  IC技术是在二十世纪底出现的一个新课题。随着微电子技术、集成电路制造技术和现代计算机技术和理论的发展,为IC技术的出现奠定了理论和技术基础。在首次提出智能卡的概念时,由于当时条件有限,芯片制造技术或成本的可行性不高,采用磁条技术制造射频卡的相对成本相对较低。

  随着芯片制造技术的发展和先进技术的采用,接触式IC卡取得了长足的进步。上世纪末,以银行为代表的银行广泛分布各种信用卡。这些卡由接触IC芯片制成,具有良好的安全性和高可靠性。

  随后的非接触式IC卡为智能卡的发展开辟了新的领域。与接触式IC卡和非接触式IC卡相比,它具有容量大、非接触式IC卡的高安全性的特点,而且克服了IC卡与接触模式难以避免的缺点,如接触磨损,污染,和静电卡不便读写的过程中,利用非接触式IC卡更自由、更广泛的应用。

  由于IC卡的潜在应用非常广泛,许多优点引起了人们的广泛关注。IC卡的使用迅速增加。特别是非接触式IC卡的发展,引起了国内外学术界和科学家的广泛关注和研究。近年来,射频识别系统的发展异常迅速。国内IC卡智能卡技术起步晚。在中国的智能卡产业的发展开始于“金卡工程”建立了约1993。近年来,中国的信用卡量的年增长率已经达到30%到40%,这已成为世界发展速度最快的国家。

  1.2 非接触式IC卡的工作原理

  非接触式IC卡由IC芯片和感应天线组成,完全密封在没有外露部分的标准PVC卡中。非接触式IC卡的读写过程一般是通过非接触式IC卡与读写器之间的无线电波来完成的。与接触式IC卡相比,非接触式IC卡非常适用于总线、考勤等需要频繁读写卡的场合。非接触式IC卡是根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡放入读卡器的射频能量范围内,即可实现无需触摸的数据交换。它非常方便和快捷,而且不容易损坏。

  非接触IC卡本身是一个被动体。通过将卡片上的振荡线圈与基站振荡线圈耦合,获得能量,并通过必要的通信软件保证卡与基站之间的双向数据交换。当基站读取器读写卡时,由读取器发送的信号由两部分组成:一是电源信号,由卡接收信号,然后与自身的L/C产生共振,产生瞬时能量以供给芯片工作。另一部分是数据信号的结合,命令芯片完成数据、修改、存储等功能,并返回给读者。非接触IC卡构成的读写系统在硬件结构和操作过程上都大大简化了。借助先进的管理软件,脱机操作方式使数据读写过程更加简单。

  1.3非接触式IC卡的设计

  1.3.1系统原理框图的绘制

  一般来说,一个电路原理图的设计,先设置图纸的尺寸和形状,电路图的整体规划,然后把零件图纸上,(其中,图书馆没有我们需要画出自己的组件)布局布线,然后编辑和调整布局,最后保存或打印,具体的电路原理图的设计流程如图1所示:

  PCB板的设计从Protel 99 - PCB编辑器开始。启动编辑器

  具体如下:创建或打开设计数据库文件( * )。滴涕)。输入设计文件夹文档。选择“文件/新建”命令以打开对话框。

  双击该对话框中的

  即可创建一个新的元件库文件,默认的文件名为PCB1。在工作窗口中该文件的图标上单击或在设计浏览器中该文件名上双击,即可进入PCB板编辑器。

  然后即可在PCB编辑板上画出所需的电路原理图,如下页所示:

  1.3.2 原理图:

  1.3.3 RS232串行接口

  EIA - RS - 232 c是美国电子工业协会EIA开发的串行物理接口标准。RS - 232 采用负逻辑,- 5~- 15v为逻辑1,5~15v为逻辑0。和电使用RS - 232 c总线,平板“1”和“0”的特征电压分别为2.4v和0.4v串行通信需要外部电路来实现电平转换。在发送端需要驱动电路来转换TTL电平接收电路将RS - 232 c电路转换为接收端的TTL电平。本设计是用的TI公司的RS-232C收发器MAX232,可用单一+5V电源供电实现电平转换。

  在实际应用中,该装置对电源噪声敏感。因此,必须将VCC添加到值为0.1μf的去耦电容器中。电容器C1、C2、C3和C4采用与钽电解电容器相同的值以提高抗干扰能力,并且在连接时必须尽可能靠近器件。

  第2章 门禁系统的刷卡控制概述和设计分析

  2.1 门禁系统的刷卡控制的组成

  本该系统由非接触式IC卡、天线、ZLG500A模块、继电器、稳压器、蜂鸣器、电源。

  电源是一个非常重要的部分:工作电压接入控制器的一部分提供给稳定和清洁成分是稳定的必要前提,但220伏特电源往往是不稳定的,有可能是太低或太高、电压波动、浪涌现象,需要电源具有良好的滤波和稳压。此外,电源还需要较强的抗干扰能力,所谓干扰包括高频感应信号、雷击等。

  控制器内部的不间断电源也是必需的,不间断电源必须放在控制器机箱内,这样就不容易被切断或损坏。

  可编程控制器:门禁控制器相当一些和其它弱电子系统的高级功能的实现联动,完全依赖计算机及软件来实现的,由于计算机是非常不稳定的,这可能意味着,一旦电脑出现故障将导致系统故障或瘫痪。访问控制系统的设计中,所有的逻辑和各种先进的功能,很好的应用,硬件系统必须依靠完整的门禁控制器,它是必要的控制程序来实现,只有这样,访问控制系统是最可靠的,也有系统的响应速度是最快的,但没有系统的扩展和降低响应速度和整个控制系统的性能;

  继电器的容量:门控制控制器的输出由继电器控制。当控制器工作时,继电器需要频繁闭合,并且每一时刻都有瞬时电流流过。如果继电器太小,瞬时电流可能超过继电器的容量,并且很快会损坏继电器。继电器容量一般比电锁峰值电流高3倍以上。另外继电器输出通常是电感器件,具有大电流的电锁,瞬间通断会产生反馈电流冲击,所以输出应为压敏电阻或反向二极管元件加以保护;

  控制器的保护是,接入控制器的元件的工作电压通常为5伏,如果电压超过5伏,元件就会损坏,控制器无法工作。这就要求控制器的所有输入和输出端口都有动态电压保护,以便将外部可能的大电压装入控制器并损坏元件。读卡器的输入电路的控制器还需要有防错接和防浪涌保护,可即使电源接在读卡终端数据不会燃烧,通过防浪涌电路,动态电压保护可避免因读卡器质量问题影响控制器的正常操作。

  2.2 门禁系统的刷卡控制的功能

  本门禁系统刷卡控制部分的功能是实现对非接触式IC卡门的辨认与识别。刷卡后,首先识别是否为有效Mifare卡,如果是的话,读出本卡的序列号(密钥),然后把此序列号与ZLG500内部(密钥)比较,如果一致,则启动蜂鸣器发声和继电器变化。

  2.3门禁系统的刷卡控制的设计

  系统采用Philips公司的非接触智能IC卡Mifare 1卡,以M1卡作为用户卡,以用户卡的序列号SN(全球唯一)为依据控制门的开启。因为它是一个高频卡(工作频率为13.5MHZ),有较强的抗干扰能力、读写距离远(5MM—10MM)。

  首先,在发卡系统(中央控制PC机)里把用户的卡号及个人信息输入系统数据库,并将该卡号作为合法卡号下载给所有门禁机。当有一张M1卡在门禁机的有效工作范围内时,系统会自动向卡发出命令,卡接收到命令后向门禁机反馈其SN, 门禁机判断收到的卡号是否合法,合法则驱动电磁门锁开门,并实时上传其开门记录,且发出报警声;如果是非法卡(未经授权或已挂失的卡)则拒绝开门。只有最高授权者(掌握授权密码)才可以发管理员卡,管理员必须用管理员卡方可登录发卡系统进行发卡/下传合法卡号、挂失、解挂、下传黑名单等操作。

  由于采用了Philips公司的非接触式Mifare 1卡,所以卡的读写模块也采用了以Philips公司最新推出的Mifare读写芯片MF RC500为核心开发的ZLG500A读写模块。

  通过AT89C52对ZLG500A的控制达到对卡的读写。系统结构简单,成本较低且具有信息量大和安全保密性好等特点。门禁机模块的主控软件主要完成门禁机模块的初始化、卡的识别、开启门锁及保存有关数据和数据的传输等五大功能。

  在完成整个门禁机模块的设计和制作前,首先必须明确非接触式IC卡读写模块的功能特性、接口规范和控制方式。本系统选用Mifare 1卡作为门禁钥匙,相应地,选用广州周立功公司的ZLG500A读写模块作为卡与门禁机交换数据的接口模块。

  第3章 门禁系统的刷卡控制硬件电路设计

  控制器电路是门禁系统的核心,由一台微处理机以及相应的外围电路组成。如果将读卡器比作系统的眼睛,将电磁锁比作系统的手,那么控制器就是系统的大脑,由它来辨别是否为本系统已注册的有效卡,该卡是否符合所限定的时间段,从而控制电磁锁是否打开。

  目前国内大部分门禁系统大都是采用MCU控制,所以本门禁系统的刷卡控制部分采用AT89C52MCU作为控制器,用其自身带的串行口实现门禁系统和上位机的通信。

  由于系统比较复杂,使用的元件比较多,因此,必须从系统的稳定性、正确性、小巧性、低成本等方面来考虑,主要有以下几点:

  1.由于系统的元器件比较多,而AT89C52的I/O口有限,因此必须对系统进行I/O口扩展。

  2.根据ZLG500A的特性,系统的电源模块必须工作稳定,在电源与读写器的模块接口处要使用电感来稳定电源,并且系统的模拟地和数字地必须分开。

  本章将具体介绍门禁系统硬件各个部分的设计。

  3.1 微处理模块

  3.1.1 主芯片简介

  本系统采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为微处理器。AT89C52与MCS一51系列单片机完全兼容,它采用静态时钟方式,可以大大节省耗电量。AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),功能强大的AT89C52单片机已经应用于较复杂的系统控制场合。

  PDIP封装的AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。

  AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。

  3.1.2 AT89C52特性

  AT89C52的主要性能和参数:

  ·与MCS一51单片机完全兼容的指令和引脚排列以及工作特性

  ·片内程序存储器内含8K可重复擦写的Flash程序存储器,可擦写寿命为1000次

  ·片内数据存储器内含256字节的RAM

  ·3个可编程的16位计数器(定时器)和32个可编程I/O口线

  ·串行口是具有一个全双工的可编程的串行通信口

  ·中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优先权的中断机构

  ·低功耗模式有空闲模式和掉电模式

  ·编程频率是3一24MH,编程启动电流是1 mA

  ·AT89C52的工作电压是5(1+/一0.2)V,典型值为5V

  在实际应用中,AT89C52可以构成真正的单片机最小应用系统,提高系统的可靠性,缩小系统的体积。AT89C52的工作电压是5V,这样它同ZLG500A可以工作在同一个电源下。其内部的8K字节的程序存储器足够装载系统的程序(系统程序有6K),无需扩展程序存储器。AT89C52具有三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,保证了程序或系统不被仿制。因此,本系统采用AT89C52。

  3.2 读写模块

  3.2.1 ZLG500A读写模块特性

  ZLG500A非接触式IC卡读写模块,该模块采用最新PHILIPS高集成ISO14读卡芯片—MF RC500,能读写RC500内EEPROM,提供三线SPI接口,并具有控制线输出口,能与任何MCU接口。此外,该模块四层电路板设计,双面表贴,EMC性能优良;并自带无源蜂鸣器信号输出,能用软件控制输出频率及持续时间。

  3.2.2 ZLG500A读写模块管脚说明

  如图所示J1 为与天线的接口,J2 为与MCU 的接口,J1、J2的管脚排列和功能说明见下表:

  表4-1 ZLG500A非接触式IC卡读写模块管脚说明(a)

  管脚符号描述

  J1-1GND地

  J1-2TX1天线发送1

  J1-3GND地

  J1-4TX2天线发送2

  J1-5GND地

  J1-6RX天线接收

  表3-3 ZLG500A非接触式IC卡读写模块管脚说明(b)

  管脚符号类型描述

  J2-1SCLK输入三线SPI 接口时钟线总是由外部MCU 产生

  J2-2SDATA双向数据线可双向传输

  J2-3SS双向传输启动线接MCU 外部中断

  J2-4VCCPWR电源正端

  J2-5RST复位内部MCU 复位端高电平有效

  J2-6GNDPWR电源负端

  J2-7CTRL输出控制线输出

  J2-8BZ输出蜂鸣器信号输出

  3.3 微处理模块与读写模块的接口电路

  ZLG500 模块可方便地与任何MCU 进行接口,如图所示为ZLG500与MCS-51 单片机

  SCLK、SDATA、SS为ZLG500A与MCU相联接的控制线,分别为片选SS、时钟线SCLK 和数据线SDATA。主控制器的MCU 和读卡模块内的MCU 通过此三线相连,三根线上的实际电平是双方口线状态逻辑线与的结果。

  3.4 电源电路设计

  该电路功能是给系统供电。主要由开关电源和C7805稳压管组成。本门禁系统工作时,需要+5V的稳压电源,为了使系统的轻巧、便捷,控制器电路设计时没把线圈和整流桥部分设计到控制板上,直接将12V直流电源接入到控制板的电源变换电路,由C7805稳压成DC5V给系统供电。由于C7805发热量很大,因此最好要安置散热片。

  结论

  本课题对基于单片机的IC卡读写卡进行了研究,设计了基于非接触式IC卡的门禁系统的控制部分。研究的主要项目包括:以ZLG500A为核心,结合AT89C52、蜂鸣器、继电器等,我们设计了一套门禁系统的信用卡控制部分调试和卡的优化控制部分的访问控制系统在现场。根据ZLG500A特点采用模块化软件设计方法,对ZLG500A芯片操作系统的研究,采用C51语言开发的阅读器控制软件的底部,和非接触式IC卡到不同操作的子程序模块,方便系统升级。

  该系统具有较强的通用性和广泛的应用性。在现有硬件和软件的基础上,只要对其进行适当的修改,就可以将其应用到其他方面。如发卡、公交车辆、校园一卡通等用途。

  随着科学技术的发展,非接触式IC卡的应用将越来越广泛。在使用磁卡之前,接触IC卡的地方将逐渐被非接触式IC卡所取代。用mfis50卡现在是一种多功能卡,卡内16个区可以作16种用途。随着芯片技术的发展和产量的增加,非接触式智能卡的生产成本将进一步降低,性能也将得到改善。低功耗、大容量、高速、完善的加密功能和多功能性将是未来的发展方向。

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