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1、智能门禁系统设计摘要：随着射频技术的飞速发展及其应用范围的越发宽广，在身份识别和安防等行业，门禁系统作为智能建筑的重要单元越来越得到重视，从原始的机械锁操作到如今刷卡的智能门禁系统。射频识别技术的出现弥补了原来门禁系统的不足，而且让门禁系统变的更加安全、便捷和实用。射频标签是采用非接触式，具有读写速度快、功耗低等优点。本文设计了一种采用RFID（Radio Frequency Identification）技术的高安全性的智能门禁系统。首先分析了门禁系统的国内外发展现状和趋势，阐述了门禁系统当前存在的问题，引出课题研究目的和意义，给出了智能门禁系统设计方案，并对射频识别技术进行了阐述，研究了射
2、频识别系统的工作原理、主要技术参数和相关的关键技术。其次完成了系统硬件和软件设计，对硬件电路芯片的选择、硬件驱动程序的设计、串口通讯程序的设计等作出了具体详细的分析。最后对智能门禁系统进行检测，当使用者进入门禁系统的检测范围时，系统会自动获取身份信息确定该使用者是不是授权用户，并且记录进出人员信息，对非授权用户发出报警信号。经试验测试，达到设计要求。关键词：RFID；智能门禁；IC卡；STC89C52Design of intelligent access control systemAbstract：With the rapid development of radio frequency
3、(RFID) technology and its application more and more broad, in the identification and security industries, access control system as an important element of intelligent building more and more importance has been attached to the, from the original mechanical lock operation to todays credit card intelli
4、gent access control system. The emergence of radio frequency identification technology has made up the shortage of the original access control system, and makes access control system become more secure, convenient and practical. Radio frequency tags are non-contact, read and write fast and low power
5、 consumption.In this paper, a high security intelligent access control system is designed, which is based on RFID (Frequency Identification Radio) technology. Begins with an analysis of the access control system of the domestic and foreign development status and trends, describes the problems existe
6、d in current access control system, leads to the purpose and significance of the topic research, based on the design scheme of the intelligent entrance guard system, and on the radio frequency identification technology is discussed in this paper, introduces the radio frequency identification system,
7、 the working principle, main technical parameters and related key technologies. Secondly, the hardware and software design of the system are introduced, the choice of hardware circuit, the design of the hardware driver, the design of serial communication program, etc. Finally, summary the paper, sum
8、marizes the research contents and results of this paper, when the user enters the detection range of access control system, the system will automatically obtain identity information to identify the user is not authorized to the user, and records and personnel information, to non authorized user send
9、s out the alarm signal. The project also needs to improve the place, and the prospect of the development of RFID technology.Key words： STC89C52, IC card, LCD1602, intelligent access control目 录第1章 绪 论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外技术的发展现状11.3 设计的主要目标任务21.4 本章小结3第2章 门禁系统总体方案设计42.1 系统设计原理42.2 硬件方案的选择42.2.1主控制芯
10、片的选择42.2.2 显示模块的选择52.2.3电源电路的比较与选择52.2.4 键盘输入模块的选择62.2.5电子锁门禁驱动器件的选择62.2.6 数据存储芯片的选择72.3 系统的软件设计72.3.1 RFID通讯协议72.3.2 RFID读写器82.3.3 软件开发环境82.4 本章小结9第3章 门禁系统的硬件设计103.1 单片机最小系统设计103.1.1 STC89C52单片机介绍103.1.2 51最小系统电路设计103.2 IC卡原理及驱动电路设计123.2.1 Mifare射频卡技术参数123.2.2 IC卡内部结构介绍123.2.3 IC卡读写过程143.2.4单片机与IC卡
11、读卡模块接口电路设计153.3 键盘电路设计153.3.1 键盘识别原理153.3.2 键盘电路及键盘按键定义163.4 电子锁门禁继电器驱动电路设计163.4.1 继电器介绍163.4.2 继电器驱动电路设计173.5 LCD1602液晶显示电路设计183.5.1 LCD1602液晶介绍183.5.2 单片机与LCD1602液晶接口介绍183.6 本章小结19第4 章 系统的软件设计204.1 系统总程序设计204.2 IC卡读写子程序设计214.3 键盘扫描程序的设计224.5 LCD1602液晶显示子程序224.6 电子锁门禁开关子程序设计234.7 报警子程序设计244.8 本章小结2
12、4第5 章 门禁系统的调试255.1 门禁系统模拟调试255.1.1 单片机软件模拟调试255.1.2 单片机硬件模拟调试275.2 系统硬件焊接与调试275.3 功能验证285.4 本章小结31结论32致谢33参考文献34附录1 电路图35附录2 部分软件程序36第1章 绪 论1.1 课题研究的背景及意义IC卡门考勤与门禁系统有人也称门禁系统器。其中比较核心的是IC读卡器部分。提起IC卡读卡器，很多人都立即会想到这种产品是配合数码相机而产生的，不过目前已经不再局限于数码相机使用了，而是扩展到了更多的领域。“读卡器”顾名思义这是一种读取数据的设备，但其不单单可以支持数据的读取同样支持数据的写入
13、。其初期的设计思路主要是为了弥补数码相机数据输出的缺陷而产生的。由于早期USB接口并不普及，因此数码相机的输出口都是同电脑的串口连接的，由于串口的数据传输速度很低，如果把这些数据拷贝到硬盘上，那就要花费大量的等待时间了。因此，读卡器就应运而生了。早在1970年IC 卡读写器就伴随IC卡的产生而产生了，IC（Integrated Circuit）卡是1970年由法国人Roland Moreno发明的，他第一次将可编程设置的IC芯片放于卡片中，使卡片具有更多功能。法国布尔(BULL)公司于1976年首先创造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，使读卡器也产生了不同的
14、功能，和适应不同场合的不同类型，它提供了将微电子技术和计算机技术结合在一起的IC卡与人直接沟通的枢纽，提高了人们生活和工作的现代化程度。在我国的一些领域，如电信、交通、医疗等部门，使用IC卡也已经很普遍，很多单位也已经使用IC卡来进行人员和财务管理。目前市面上见到读卡器都是被整合在自助一体付费机里，或连接在银行柜台服务员的电脑里。有接触类和非接触类之分，用于读取不同的接触类卡片和非接触类卡片。IC卡读写器主要应用于为智能卡进行余额查询和充值的读写数据工作。如今，IC卡考勤与门禁系统的制作成本将不断降低，IC卡芯片随着半导体技术、大规模集成电路芯片的发展而产生，也必将随着计算机技术、网络技术等的
15、高速发展而迅速发展壮大。而与其相伴而生的考勤与门禁系统的科学技术和制造工艺也再不断进步。 IC卡发展的如此迅疾自然也会导致其读写器的性能越来越好，功能也越来越强。IC卡考勤与门禁系统现在在银行、消费办公场所到处可见。今天我们用的校园一卡通，在卡务中心就是通过IC卡读写器将IC卡与电脑相连来进行充值的,所以本设计将对IC卡考勤与门禁系统装置展开研究。1.2 国内外技术的发展现状门禁控制系统是跟随着自动识别技术发展起来的,拥有很大的市场,有很多公司都从事门禁控制系统的生产和开发。在国外的门禁系统有很多品牌,主要有美国的休斯(HID)、摩托罗拉(MOTOROLA)、英国的集宝,以色列的SERVANT
16、等品牌,国内门禁系统的品牌主要有清华紫光和捷顺等。门禁系统可有效管理门的开启与关闭，保证授权人员自由出入，限制未授权人员进入。智能化门禁管理不仅方便了内部管理，而且增强了内部的保安，从而为用户提供一个高效和具有经济效益的工作环境。基于RFID技术的门禁管理系统将“感应卡”与“锁具”有机结合，进而由“感应卡”替代“钥匙”，配合电脑实行智能化管理。正是由于感应卡的上市，使用者再也不需要携带钥匙，更免除了钥匙被复制的烦恼，再也不必担心财物可能蒙受损失。同时，它在功能上实现了通讯自动化、办公自动和管理自动化，以计算机网络为桥梁，全面实现对通讯系统、办公自动化系统的综合管理。基于RFID技术的门禁系统作
17、为一项先进的高科技技术防范和管理手段，在一些经济发达的国家已经广泛应用于科研、工业、博物馆、酒店、商场、医疗监护、银行、监狱等，正是因为门禁技术应用的多样性，功能的完善和广泛的适应性，已成为安防技术重点研究和开发的方向。射频识别与手动系统如条形码相比有几项优势。即便标签被他物遮盖或者不可见，射频标签只要靠近通过一个读取器就可以读取。无论是在手提箱里，纸箱里，盒子里，或是其他什么容器里，射频标签都可以被读取。读取机可以一次读取上百个射频标签，而条形码只能一次一读。射频识别技术可应用的领域十分广泛，主要决定因素是该项技术在相应领域中的经济效益。经常提到的具体应用包括：门禁系统、身份证、通行证（包括
18、门票）、电子收费系统（高速公路收费、停车场收费）、饲养动物识别、图书管理、物流管理等。在我国读写器也已经很普遍，IC卡读写器也就是我们平时应用到的智能卡的读写机具、考勤与门禁系统等等。比如我们用的预付费电卡、煤气表卡、水表卡、乘车的公交卡等。目前市面上见到读卡器都是被整合在自助一体付费机里，或连接在银行柜台服务员的电脑里。有接触类和非接触类之分，用于读取不同的接触类卡片和非接触类卡片。IC卡读写器主要应用于为智能卡进行余额查询和充值的读写数据工作。1.3 设计的主要目标任务智能门禁系统设计主要分为两个部分：硬件系统和软件系统。硬件系统包括射频卡读写器电路的设计和相关芯片的选择；软件系统包括非接
19、触式IC卡读写程序的设计、防冲突程序等的设计和串口通信程序的编写，以及门禁系统管理界面的设计。以射频识别技术为基础，依照国际标准ISO14443，设计出一种完整的非接触式IC卡读写模块并提出网络化门禁系统的设计方案。本系统以89C51系列单片机STC89C52为控制核心，利用非接触式高频Mifare IC卡模块读取用户手中的IC卡信息，识别成功后与系统存储的IC卡库数据进行比对校验，如果IC卡数据库中有IC卡则证明IC卡合法，单片机通过控制继电器控制电子锁门禁开启和关闭。同时系统采用4*4矩阵键盘作为输入，LCD1602液晶作为人机交互显示，让系统具备更大的实用价值。本课题设计功能有：（1）5
20、1单片机最小系统设计。（2）射频IC卡模块电路及驱动程序设计。（3）LCD1602液晶显示模块及驱动程序设计。（4）电子锁继电器驱动模块及驱动程序设计。（5）4*4键盘模块及驱动程序设计。（6） 蜂鸣器/LED报警提示模块电路及驱动程序设计。1.4 本章小结本章通过调研此课题研究背景及国内外射频技术应用的现状，分析了门禁系统的重要意义，确定了本课题研究的主要意义及目标任务。第2章 门禁系统总体方案设计2.1 系统设计原理 本系统是基于STC89C52单片机设计的IC卡门禁系统。系统由两个部分构成：硬件电路部分和软件部分。硬件部分主要是电路板的设计与制作，软件部分主要是各个模块的驱动及总程序调试
21、与实现。硬件电路主要由：51单片机最小系统、射频IC卡模块、LCD1602液晶显示模块、报警提示模块、4*4键盘模块、电子锁继电器模块、电源模块等构成。设计硬件系统总体框图如图2-1所示。图2-1 门禁系统总体框图2.2 硬件方案的选择 2.2.1主控制芯片的选择方案一：采用ARM9微处理器作为控制器。ARM9引系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器 ARM9内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯诺伊曼结构； ARM9内核是5级流水线，提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。ARM7没有MMU,ARM720T是MMU的 ,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列AR
22、M9是有MMU的，ARM940T只有Memory protection unit.不是一个完整的MMU。ARM7是典型的微处理器，体积小、处理能力强、功耗低，但价格昂贵，会造成产品成本增加。方案二：采用STC89C52单片机作为控制器STC89C52单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长
23、的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。51成本低廉，使用方便，适合与本门禁系统的识别与控制。综上分析，我们采用了第二个方案，即采用STC89C52单片机作为主控制芯片。2.2.2 显示模块的选择方案一：采用数码管显示。数码管显示具有亮度高、显示简单简洁、成本低廉，可靠性高、响应速度快等有点。但如果采用数码管显示要想让能见度较远并且醒目的同时又要显示汉字、图片等丰富的信息，则需要的屏就要足够大，理所当然成本也就很高。电路复杂需器件也多。 方案二：采用LCD1602液晶显示。LCD1602液晶器件与数码
24、管显示模块相比，在硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该器件的价格适中，批量价格更低。而且显示平稳、省电、美观，更容易实现题目要求，对后续的功能兼容性高。软件操作简单，可操作性强。综上分析，采用第二个方案。2.2.3电源电路的比较与选择方案一：采用干电池供电。因为单片机系统工作电压为5V直流，采用三节干电池串联的方式能够提供4.5V直流电压，能满足本课题演示过程需要，而且也比较稳定、方便。 方案二：自制直流稳压电源模块。将插线板电源经过变压、整流、滤波、稳压后输出。为系统提供稳定可靠的电源。自制电源会增加硬件成本，同时高压转抵押也带来不稳定等因素，因此不采用此方法。由于串联干电池方式能达到很
25、好的要求，同时自由度很大，能满足系统的要求，且成本低廉，因此我们选择了方案一。2.2.4 键盘输入模块的选择方案一：采用独立按键电路输入独立按键结构简单使用它方便，只需要单片机I/O口和地跨接即可，当按下按键时候单片机I/O口电压被拉低，单片机就可以检测到此电压的变化，一次来判断是否有按键按下。但缺点是占用较多的I/O口资源。本系统需要按键数目较多，单片机I/O口相对紧张，不能占用太多I/O，因此此方法不可行。方案二：采用4*4矩阵键盘模块。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图3-5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一
26、个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是比较合理的。 综上，本系统需要实现数字输入、IC卡添加、删除等复杂的功能，因此需要按键数据较多，所以我们选择占用较少I/O口的方案二。2.2.5电子锁门禁驱动器件的选择方案一：采用S8550三极管、继电器驱动。S8550是一种常用的普通三极管。 它是一种低电压，大电流，小信号的PNP型硅三极管。三极管驱动具有电路结构简单，成本低廉等特点
27、，比较适合此类设计。继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在使用时增大S8850三极管驱动电流来驱动继电器开关，进而来控制电子锁部件。方案二：采用L298N驱动芯片。L298N 是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5v-48v，逻辑部分5v供电，接受5vTTL
28、电平。LN298内部继承大功率H桥路。具有稳定性高、使用简单，驱动力大等特点。由于L298N芯片器件成本较高，会大大加大开发成本，同时光耦元件适用于高速低电压的开关场合，因此本方案不可取。综上分析，我们采用了第一个方案。2.2.6 数据存储芯片的选择方案一：采用单片机自带的EEPROM存储数据。STC89C52单片机片内自带了2K的EEPROM闪存。改闪存可以反复擦除和读写很多次，不需要采用另外的存储器，使用起来方便快捷、而且不增加成本。方案二：采用AT24C02存储芯片。AT24C02是TI公司退出的典型的基于IIC总线协议的DIP8封装的偏外存储芯片。其内部是一个2K位串行CMOS EEP
29、ROM，内部含有256个8位字节。AT24C02支持I2C，总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。此芯片性能较好，完全能够满足次设计的要求，但此芯片价格昂贵，需要增加外部电路和硬件成本，因此用于本课题大材小用。综上分析，我们采用了第一个方案。2.3 系统的软件设计2.3.1 RFID通讯协议读卡器与电子标签之间的通信方式是非接触式的无线通信,系统要与RFID通信并获取相关的信息,电子标
30、签要给系统返回命令执行的结果,读写器与门禁控制器之间的通信和数据交换是通过双向的智能无线通讯来完成的。（1）编码方式在该门禁控制系统中电子标签与读卡器之间采用的是半双工的通信方式,编码方式采用的是脉宽调制编码方式,即PWM编码方式,该系统中PWM信号不是由硬件产生的,由单片机通过软件方式产生和调制PWM信号。设Te为PWM信号的码元周期,一般情况下Te取100娜到400娜之间,由码元周期Te可知该通信过程中的波特率为1/Te。在编码的过程中如果用3位码元来表示1位要发送的数据,第一和第三位码元为起始和终止码元,用中间的码元作为信息码元,即要发送的数据,采用3位码元来表示一位数据的PWM的编码方
31、式。（2） 数据格式门禁控制器与电子标签之间的通信是通过约定好的协议来完成。射频标签向读写器发送数据是通过RF发射模块来完成的,RF数据帧的数据是由滚动码和固定码组成的,该系统中约定采用32位滚动码和34位固定码的数据帧格式,固定码是由28位的序列号、4位功能码和2位状态码组成的。控制器向ID卡发送数据帧是通过门禁控制器的LF发射模块来实现的。2.3.2 RFID读写器RFID系统的工作方式为:MCU(微控制器，即STC89C52)通过串行口接收PC机的控制指令，与MFRC500进行数据通信；读写器的核心部分MF RC500负责数据信号的编码、解码，信号的调制、解调并通过天线建立读写器同射频M
32、ifare卡之间的联系，实现对射频 Mifare1卡进行读写等一系列操作。为实现读写器的功能，并根据系统硬件电路可知，硬件电路确定之后，射频读卡系统的主要功能将依赖于软件来实现，读写器软件部分设计包括三部分：系统硬件配置初始化、对 Mifare1卡的读写操作、利用液晶显示屏显示数据。 1系统硬件配置初始化：包括对LCD液晶显示的初始化，射频模块接口的初始化。初始化成功后系统才可以正常工作。 2对Mifare1卡的读写操作：这个过程包括装载密码，寻卡，防冲突，选卡，验证密码，读写卡，停卡等一系列过程。3液晶显示屏显示相关数据：液晶显示模块可以显示Mifare1卡的序列号等相关数据，也可以显示初始
33、化、读写卡等相关程序的执行情况。2.3.3 软件开发环境单片机开发所使用的语言一般为汇编语言和C语言。本读写器中使用C语言进行程序设计。 KEIL C51是德国 KEIL公司推出的 WINDOWS 版的 MCS-51系列单片机开发套件, 可以直接对 8051 单片机的内部特殊功能寄存器I/O口进行操作，直接访问片内或者片外存储器，还可以进行各种位操作，能够产生简洁、高效率的程序代码，在代码质量上可以与汇编语言的特点相媲美，可用于编译汇编源程序、C源程序,链接和定位目标文件和库,创建HEX文件以及调试目标程序,并内嵌有RTX51实时操作系统,可简化复杂的多任务实时应用系统的设计。因此选用 KEI
34、L C51 软件进行设计。2.4 本章小结通过对主控芯片、显示模块和电源电路等模块不同方案的比较，择优选取了适合本设计要求的既能满足要求又实惠的器件，来完成硬件部分模块的设计。并介绍了RFID通信协议、RFID读写器的和软件开发环境。第3章 门禁系统的硬件设计整个系统硬件电路由：单片机最小系统、4*4键盘模块、LCD1602液晶显示模块、IC卡读卡模块、电子锁门禁继电器驱动模块、数据存储模块等组成。：3.1 单片机最小系统设计51单片机最小系统一般有：51单片机、电源模块、复位电路、时钟电路。3.1.1 STC89C52单片机介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8
35、位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作
36、，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。3.1.2 51最小系统电路设计a.复位电路单片机的复位分为上电自动复位和按钮手动复位两种。上电复位电路：由22uf电解电容和10K电阻构成。原理是上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。按键手动复位电路：电路由按键、10K
37、电阻、1K电阻、22uf构成。原理是首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。这里我们采用按键复位来实现，电路图如3-1所示：图3-1 单片机复位电路b.时钟电路设计时钟电路用于产生单片机所需要的时钟信号，单片机在时钟信号的控制下各部件之间同步协调工作。根据产生的方式不同，分为内部和外部两种时钟电路。在MCS-51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚X
38、TAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，在引脚XTAL1和XTAL2上输出3V左右的正弦波，这就是单片机的振荡电路，如图3-2所示。图3-2 单片机振荡电路通常，电容C2和C3这取30pf左右，主要作用是帮助振荡器起振，晶体的振荡频率范围是1.212MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。在通常应用情况下，MCS-51使用振荡频率为6MHz或12MHz。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这是，外部的脉冲信号时经过XTAL
39、2引脚注入，其连接如图3-2所示，由于XTAL2端逻辑电平不是TTL的，故需要外接一个上拉电阻，外接信号应为时钟频率低于12MHz的方波信号。3.1.3 电源模块主控部分的STC89C52芯片正常工作需5V电压，射频模块的MFRC522芯片正常工作需3. 3V电压，这就要求电源模块将输入的5V电压转化为3. 3V电压，从而能提供稳定的5V和3. 3V电压。5V电压转化为3. 3V电压采用的是AMS1117芯片，它是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路，固定输出电压为3. 3V的电压精度为1%，在1A电流下的压降仅为1.2V，内部集成过热保护和限流电路，温度范围在-40C 25C之间,适用于各
40、类电子产品。3.2 IC卡原理及驱动电路设计3.2.1 Mifare射频卡技术参数（1）容量为8K位（bits）=1K字节（bytes）EEPROM（2）分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位（3）每个扇区有独立的一组密码及访问控制（4）每张卡有唯一序列号，为32位（5）具有防冲突机制，支持多卡操作（6）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路（7）数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次（8）工作温度：-2050(湿度为90%)（9）工作频率：13.56MHZ（10）通信速率：106 KBPS（11）读写距离：10 cm以内（与读写器有关）3.2.2 IC
41、卡内部结构介绍（1）M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成， 16个扇区的64个块按绝对地址编号为063，存贮结构如图3-3所示：扇区0 块0 数据块0块1数据块1块2数据块2块3密码A 存取控制 密码B控制块3 扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块3密码A 存取控制 密码B控制块7 扇区15 块0 数据块60块1数据块61块2数据块62块3密码A 存取控制 密码B控制块63图3-3 M1卡存储结构示意图（2）第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。（3）每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。 数据块可作两种应
42、用：a) 用作一般的数据保存，可以进行读、写操作；b) 用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。（4）每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码A（6字节） 存取控制（4字节） 密码B（6字节） （5）每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下： 块0： C10 C20
43、 C30 块1： C11 C21 C31 块2： C12 C22 C32 块3： C13 C23 C33三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例：表3-1 对块0的控制表bit76543210字节6C20_bC10_b字节7C10C30_b字节8C30C20字节9注： C10_b表示C10取反 。 存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示：表3-2 存取控制表bit76543210字节6C23_bC22_bC21_bC20_bC13_b
44、C12_bC11_bC10_b字节7C13C12C11C10C33_bC32_bC31_bC30_b字节8C33C32C31C30C23C22C21C20字节9注： _b表示取反 。3.2.3 IC卡读写过程非接触式IC卡的读写过程：通常由非接触式IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。非接触型IC卡本身是无源体， 当读写器对卡进行读写操作时，在电磁波的激励下，卡片的LC串联谐振电路，由于其频率与读写器发射的频率相同，使得卡片中的LC谐振电路产生共振，从而是卡片的内置电容有了电荷，并通过在此电容另一端接有的一个单项导通的电子泵将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到一定值时
45、，此电容作为电源为电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。 本设计采用的是无源非接触式IC卡，其卡片距离读卡器的有效范围是115cm，属于近耦合卡。 整个读写卡过程包括装载密码、询卡、防冲突、选卡、验证密码、读写卡和停卡。这一系列操作必须按固定的顺序进行。在非接触通讯中，为了保证读写器和卡片之间数据传递完整、可靠，采取以下措施：一是防冲突算法，二是通过16位CRC纠错，三是检查每字节的奇偶校验位，四是检查位数，五是用编码方式来区分“1”、“0”或无信息，而Mifare1卡片采用的是防冲突算法，在进行硬件复位后就进入防冲突机制。并且Mifare1卡是针对用户便捷操作的需要来进行优
46、化的，高速的数据传输使得用户不必在读卡器天线处停留，能够形成高通过率，这也是本设计中所要实现的一个目标。 命令由读卡器发出，根据读写条件受数字控制单元的控制。当卡上电复位后，通过发送request应答码(ATQA,符合ISO/IEC14443A),能够回应读写器向天线范围内所有卡发出的request命令。并且只有通过了防冲突机制以后才能选定卡片和通过认证，此后才能进行数据存储的一系列功能。 3.2.4单片机与IC卡读卡模块接口电路设计 本系统单片机和IC卡读卡器模块通过5个I/O口相连，驱动程序通过SPI总线模式实现IC卡的读写操作。IC卡读卡器与单片机接口电路如图3-4所示： 图3-4 接口电路3.3 键盘电路设计3.3.1 键盘识别原理在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通
