电子门禁系统的设计.pdf
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1、 I电子门禁系统的设计 摘 要 随着高科技的蓬勃发展,智能化管理已经走进了人们的社会生活。电子门禁系统作为一项先进的高科技防范和管理手段,已广泛应用于科研、工业、博物馆、酒店、商场、医疗监护、银行、监狱等行业。特别是由于其本身具有的隐蔽性、及时性,使得在许多领域的应用越来越广泛。所以,设计稳定性高、保密性强和易于扩展的较通用型门禁考勤系统具有重要的实际意义。在整个系统的设计过程中,作者首先参考了国内外同类产品的设计方法,然后结合实际,给出了设计方案,采用具有丰富多片内外设的 LPC2368 ARM为微控制器,选用 ZLG522S/LT 读卡模块为读卡器(使用 Mifare 卡),外加小晶格 O
2、CM12864-9 液晶显示器显示日期时间和刷卡信息,并采用 HUIGANG 继电器作为门锁开关,同时有门状态指示灯。系统通过 RS-485 总线与上位机进行通信。该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段,还有同上位机时间同步和手动校对时间的功能,并能将记录信息通过 SD 卡导出。该电子门禁系统具有实际应用中的单门门禁考勤系统的主要功能,并具有稳定性、可靠性,保密性强和人机界面友好的优点。关键词:ARM 微控制器,读卡模块,RS-485,LCD,SD 卡 IITHE DESIGN OF ELECTRONIC ACCESS CONTROL SYSTEM
3、S ABSTRACT With the booming of high technology,intelligent management has entered peoples social life.Electronic access control systems,as an advanced high-tech means which used for prevention and management,has been widely used in scientific research,industry,museums,hotels,shopping malls,medical c
4、are,banks,prisons,etc.Especially for its characters of concealment and timeliness,the domain of its applications has becoming more and more widely.Therefore,here has important practical significance to design high stability,high confidentiality and strong expansion of more universal access time and
5、attendance systems.Throughout the systems design process,I at first consult domestic and international similar productsdesign methods,then,connected with reality,bring forward the design methods,adopt LPC2368 ARM which has rich-chip peripherals as microcontrollers,ZLG522S/LT card reader(using Mifare
6、 card),with a small lattice OCM12864-9 liquid crystal display for the showing of the time and user information,using HUIGANG as relay switch locks,at the same time supply with status indicators.By using RS-485 bus,the System communicate with the PC.The system could indentify card,then open the door
7、and record fuctions according to the time and users information,also can add user features,set time limits of authority and attendance time,and sync IIIwith the PC time and time checks manually functions,and will derived the record information through the SD card function.The electronic access contr
8、ol systems has the main functions of practical applications in the one-door access control system,also with stability and reliable,strong security and friendly man-machine interface advantages.KEY WORDS:ARM Microcontrollers,Reader Modules,RS-485,LCD,SD Card IV目 录 前 言.1第 1 章 系统方案概述.21.1 方案论证.21.1.1 门
9、禁控制器的选择.21.1.2 门禁系统的类型选择.31.2 设计的基本要求和主要技术指标.5第 2 章 硬件设计技术文档.62.1 功能特点.62.2 硬件电路分析.72.2.1 电路原理图.72.2.2 硬件使用的资源.72.2.3 各个部分单元电路原理及其分析.92.2.4 硬件电路 PCB 板布线图.17第 3 章 软件设计说明.183.1 软件任务.183.2 下位机软件设计资源分配.193.2.1 512K 片内 Flash 部分扇区和电池 SRAM 分配.193.2.2 后台任务和中断优先级分配.203.3 下位机软件设计.203.3.1 下位机软件设计整体思想.203.3.2 主
10、程序的流程框架.213.3.3 主要功能模式刷卡开门和考勤模式程序设计.213.3.4 主要功能模式发卡模式.253.3.5 RS-485 通信协议定义.263.3.6 后台程序介绍.293.3.7 附加功能程序设计.323.4 上位机软件设计.32 V3.4.1 上位机软件设计思想.323.4.2 各功能的程序设计.33结 论.34参考文献.35附 录.37附录 1.部分电路图.37附录 2.RS-485 通信的发送和接收程序.39 1前 言 随着高科技的蓬勃发展,智能化管理已经走进了人们的社会生活。智能考勤系统基于现代电子与信息技术,利用智能卡或指纹等生物信息的唯一性来对员工上下班进行现代
11、化高效管理,在各厂矿、机关、银行等场合已广泛应用并成为单位管理现代化和信息化的标志。目前,欧美电子门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段,其产业的分工已进人细分阶段,生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器。在国内,电子门禁系统处于成长期和初始阶段。此系统是采用具有丰富多片内外设的 LPC2368 ARM 为微控制器,选用ZLG522S/LT 读卡模块为读卡器(使用 Mifare 卡),外加小晶格 OCM12864-9液晶显示器显示日期时间和刷卡信息,并采用 HUIGANG 继电器作为门锁开关,具有门状态指示灯,同时仿效实际产品引出必要的接口,如门磁检测,门内开关接口,门外铃声按钮接口,RS-485 通
12、信接口和电源接口等。系统通过 RS-485 总线与上位机进行通信。该系统具有按用户与时间权限刷卡开门和记录功能、添加用户功能、设置时间权限和考勤时间段,还有同上位机时间同步和手动校对时间的功能,并能将记录信息通过 SD 卡导出。上位机在 VC 开发环境下编程,具有一些实际电子门禁系统的主要简单功能。2第1章 系统方案概述 本设计是电子门禁系统的设计,系统主要分为下位机和上位机两大块儿,其中下位机的硬件选择决定了系统的大部分功能是否能完好的实现。下面对此次设计做下方案论证。1.1 方案论证 门禁系统由门禁控制器、读卡器、出门按钮、通讯集线器、感应卡和管理软件组成。下面主要对门禁控制器、门禁系统的
13、类型和感应卡的选择来进行论证。1.1.1 门禁控制器的选择 门禁控制器有多种控制芯片可以选择,如 8051 系列单片机、ARM 系列控制器等。表 1-1 是对传统 8051 系列单片机和 ARM 系列控制器的对比,实物如图 1-1。表 1-1 8051 系列和 ARM 系列微控制器的对比 传统 8051 系列单片机 ARM 系列微控制器 参考资料 丰富、成熟 较多 价格 便宜 稍贵 运行速度 一般(一般低于 40M)快(ARM7 可达 60 到 100M,ARM9 可达 200 到 300M)引脚 较少 多 串行接口 很少 较多 操作难易 较简单,但模拟串行通信时,会比较麻烦 设置较多,操作较
14、复杂,但串行通信较简单 控 制 器 特 性 3 图 1-1 8051 系列和 ARM 系列控制器 由于本门禁考勤系统使用的串行口较多(与 PC 机、读卡器、发卡器、键盘、显示、SD 卡通信都要用到串口),就这一点传统的 8051 系列单片机的资源就比较拮据;在速度的要求上,ARM 系列控制器很容易得到满足。虽然 ARM 系列控制器价格较贵,但综合考虑,ARM 系列控制器更适合本系统。在众多的 ARM 控制器中,LPC2300 系列较其他系列的显著优点,是其十分适用于串行通信的场合,所以选择 LPC2300 系列 ARM 控制器来做本系统的控制器。1.1.2 门禁系统的类型选择 门禁系统一般有以
15、下类型:1.不联网门禁 优点:每个门禁控制一个门,不需重新安装布线,价格便宜,一般通过自带键盘即可实现发卡、删除卡等操作。缺点:不能实现查看事件记录,不能通过管理软件统一管理。适用场合:已装修好不便于重新布线,安全性能要求不高的场合。2.RS-485 联网门禁 优点:通过 RS-485 总线可实现多台控制器联网控制,可实时查看刷卡事件记录和灵活设置控制器工作参数。缺点:相对不联网门禁价格偏高,RS-485 总线存在速度不高、实时性不强、布线不便和容易受雷电等因素影响。适用场合:小区、学校、仓库等人数稍多,门需统一管理,安全性能要 4求一般的场合。3.CAN-bus 联网门禁 优点:通过 CAN
16、-bus 总线可实现多台控制器联网控制,可实时查看刷卡事件记录和灵活设置控制器工作参数。CAN-bus 总线在工程布线上与 RS-485总线相同,仅需两根通信线,布线简便。CAN-bus 总线比 RS-485 总线可靠得多,CAN-bus 控制器本身就具备数据帧的 CRC 校验和自动重发的功能,能进一步确保通信的可靠性。具有主动上传事件记录功能,实时性好,网络资源利用高。缺点:相对 RS-485 联网门禁初期需投入的成本偏高,但日后维护的成本会较 RS-485 门禁少。适用场合:通信性能稳定性要求高,传输速度要求快、传输距离要求远的场合,如金融机构、政府企事业机关等。4.TCP/IP 以太网联
17、网门禁 优点:通过 TCP/IP 以太网总线实现多台控制器联网控制,除能实现RS-485 总线和 CAN-bus 总线门禁系统的所有功能外,还可以实现远程监控、跨控制器的联动和防反潜等高级功能。只要有网络资源的地方均可安装,具有速度更快,安装更简单,联网数量更大,跨地域联网的优点。缺点:产品价格略比其它总线高,需要有网络资源。适用场合:适合安装在大项目、人数多、速度快、跨地域的工程中。由于本系统的技术要求和应用场所是中距离通信场合,综合以上四种类型的优缺点和适用场所,可以看出 RS-485 联网系统,在价格上占优势,而且本系统对安全性的要求不是很高,RS-485 联网系统可以胜任,而对于CAN
18、-bus 联网门禁和 TCP/IP 以太网联网门禁多是对较高安全性、高传输速度和远传输距离场合的应用,所以本系统采用了 RS-485 联网系统。非接触IC 卡 RS-485 门禁考勤系统示意图如图 1-2 所示。5 图 1-2 非接触 IC 卡 RS-485 门禁考勤系统示意图 5.感应卡的选择 常见的门禁系统有:密码门禁系统、非接触 IC 卡(感应式 IC 卡)门禁系统和指纹虹膜掌型生物识别门禁系统等。密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰;生物识别门禁系统安全性高,但成本高,由于拒识率和存储容量等应用瓶颈问题而没有得到广泛的市场认同。现在国际最流行最通用的还是非接触 IC
19、卡门禁系统。非接触 IC 卡由于其较高的安全性,最好的便捷性和性价比成为门禁系统的主流。所以该系统使用非接触 IC 卡。1.2 设计的基本要求和主要技术指标 参见任务书中的“主要研究内容”和“主要技术指标(或研究目标)”栏目内容。6 第2章 硬件设计技术文档 本设计为门禁考勤系统,顾名思义,其兼具门禁和考勤的功能。下面为本系统的硬件设计说明。2.1 功能特点 此门禁考勤系统硬件电路板具有以下特点:控制器采用 ARM 嵌入式工业控制模块 T2368 中的最小系统,比一般门禁系统采用的 MCS51 处理器速度更快,质量更可靠;板上复位电路使用带看门狗功能的 SP706 复位芯片;电源部分采用开关电
20、源芯片 LM2575 设计,比使用 7800 系列芯片设计的电源稳定,且省电;实时时钟 RTC 使用 32.768KHz 的独立外部晶振,和电池供电;4 个独立的按键,门状态和通信指示灯,蜂鸣器控制电路,及继电器控制电路;与 PC 机通信设计了 RS-232C 转换和 RS-485 转换两种串行方式,RS-232C 方式便于调试,RS-485 方式用于实际应用;读卡器采用 ZLG522S/LT 读卡模块(UART 和 I2C 两种接口);OCM12864-9 液晶显示屏;SD/MMC 卡接口电路;ZLG7290 接口,并将可以引出的 I/O 口通过排针形式都引出来(在实物中没有此接口)。门禁考
21、勤系统的功能框图见图 2-1 7 图 2-1 门禁考勤系统的功能框 2.2 硬件电路分析 2.2.1 电路原理图 系统的电路原理图如附录图 0-1 所示。2.2.2 硬件使用的资源 LPC2368是 基 于 一 个 支 持 实 时 仿 真 和 嵌 入 式 跟 踪 的32/16 位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器,并带有 512 kB 的嵌入高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%,而性能的损失却很小。其特别适合于串行通信的场合。
22、LPC2368 内部由 512K 的 Flash,58K 的片内 SRAM,包括 32K 的局部总线 SRAM、8K 的 USB 使用的 SRAM、16K 的以太网 SRAM 和 2K 的电池SRAM。此门禁考勤系统只使用了片内 Flash、局部总线 SRAM 和 2K 的电池SRAM,没有外部扩展存储器。如表 2-1 所示,为 LPC2368I/O 口的使用和分配表。8 表 2-1 LPC2368I/O 口的使用和分配表 功能模块 使用 LPC2368 引脚 引脚功能 看门狗复位 P1.24 给 SP706S 喂狗 串口 UART0(RS-232C 和 RS-485)接口 P0.2(TXD0
23、)串口 UART0 的输出输入 P0.3(RXD0)P1.22(GPIO)RSM485CHT 的收发控制 读卡器模块 P0.10(TXD2)微控制器与读卡模块的 UART 通信接口 P0.11(RXD2)P0.27(SDA0)微控制器与读卡模块的 I2C 通信接口P0.28(SCL0)P2.11(INT)液晶显示模块 P2.0P2.7(GPIO)液晶的并行数据总线(DB0DB7)P1.18 液晶读/写控制脚(R/W(WR)P1.19 液晶使能控制脚(E(RD)P1.20 液晶片选择信号,低电平时有效(CS1)P1.21 液晶数据/指令选择(AO):高电平:DB0-DB7为显示数据 低电平:DB
24、0-DB7为操作指令 P1.23 液晶背光电源控制,低电平有效(LED+)按键和门内开关 P0.6P0.9 四个独立按键 P0.23 门内开门开关输入 指示灯 P1.28 门关闭指示灯(红色)P1.29 门打开指示灯(绿色)继电器和蜂鸣器 P1.26 继电器控制端(高电平有效)P1.27 直流蜂鸣器控制(低电平有效)门磁检测 P1.25 检测门磁状态(低电平为门开)SD 卡接口 P0.21、P0.22、P2.11、P2.12、P2.13、P0.20、P0.19、P2.8、P3.25引脚具体说明见表 2-3 ZLG7290 接口 P0.0(SDA0)此接口除去此三接口外,还有电源和地接口 9 2
25、.2.3 各个部分单元电路原理及其分析 1.电源电路 系统设计为 3.3V 应用系统,但是 LPC2300 系列 ARM 微控制器需要 2种类型的电源,分别是 3.3V 和 1.8V,而与 PC 机通信使用的 RS-485 收发器(RSM485CHT)和继电器都是 5V 器件,所以设计 5V 电源为系统前级电源,3.3V 为后级电源。对于 LPC2300 系列 ARM 的 1.8V 内核供电,其有两种方案,一种是使用片内的 DC-DC,另外一种是使用外部的 1.8V 直接供电,本系统采用前者。由于本系统没有使用 AD/DA 功能,所以不区分模拟电源和数字电源。如图 2-2(a)、(b)所示,首
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