《 电子信息工程》课程期末设计。
题目：实验室ic卡门禁系统。
title: laboratory ic card access control system
院系名称：物理与通信电子学院。
学生姓名：学生学号：
专业： 电子信息工程
完成时间： 2023年12月
本文介绍了一种基于stm32（cortex-m3内核）单片机的实验室ic卡门禁系统。整个系统的硬件电路采用多个功能模块来组织搭建，主要包括：ic卡识别模块，蓝牙/wifi远程通信模块，智能电控锁模块，温湿度传感器模块。
文中提供了详细的软、硬件设计流程和设计方案，可实现考勤、权限管理、集中管理、异常报警等功能。
关键词：stm32单片机，mfrc-522 rfid射频ic卡感应模块，蓝牙/wifi，温湿度传感器
目录。摘要 i
1 绪论 1
1.1 课题设计的意义 1
1.2 实验室ic卡门禁系统的现状和发展 1
2 系统方案设计 1
2.1 系统的主要功能 1
2.2 硬件总体设计框图 2
2.3 ic卡识别模块框图 2
2.4 报警系统模块框图 3
2.5 远程数据传输模块框图 3
2.6 硬件的选型 3
2.6.1 单片机选型 3
2.6.2 ic卡识别模块的选择 4
2.6.3 温度传感器模块的选择 4
2.6.4 远程数据传输模块的选择 4
3硬件电路设计 5
3.1 stm32单片机最小系统设计 5
3.1.1 stm32性能简介 5
3.1.2 stm32主要性能参数 5
3.2 mfrc-522（rfid）ic卡感应模块接口设计及性能分析 5
3.2.1 mfrc-522ic性能简介 5
3.2.2 rfid读写器介绍 6
3.2.3 rfid模块内部原理图 6
3.2.4 m1卡介绍 7
3.2.5 m1卡数据块、控制块的介绍 8
3.2.6 m1卡与rfid读写器的通讯过程 9
3.3 蓝牙模块接口电路设计 10
3.3.1 hc-05蓝牙性能简介 10
3.3.2 hc-05蓝牙常用指令介绍 11
3.3.3 hc-05蓝牙外围硬件电路 12
4 系统程序设计 13
4.1 uc/osiii操作系统设计 13
4.1.1 uc/osiii简介 13
4.1.2 uc/osiii结构分析 13
4.1.3 uc/osiii资源详解 14
4.1.4 uc/osiii系统移植到stm32的过程 15
4.2 fatfs文件系统设计 15
4.2.1 fatfs文件系统简介 15
4.2.2 fatfs文件系统源码组成 16
4.2.3 fatfs文件系统移植到stm32的过程 16
4.3 rfid读写器模块底层驱动程序设计 16
4.4 蓝牙底层驱动程序设计 17
4.5 sd卡底层驱动程序设计 17
4.6 门禁系统功能设计 18
4.6.1 门禁系统之权限管理的实现 18
4.6.2 门禁系统之考勤系统的实现 18
4.6.3 门禁系统之异常报警的实现 19
4.6.4 门禁系统之集中管理的实现 19
4.6.5 门禁系统的设计流程图 19
5 结论 21
参考文献 24
附录： 电路原理图 25
校园实验室是每个理工科老师和学生必备的学习研究基地。对与学生来说，在校园实验室里我们能够更好的自主学习，更好的去进行科学研究。而且，每个校园实验室里都可能存放着许多学生和老师的科研成果和昂贵的设备仪器，如果不对校园实验室进行进一步的管理，随意的允许外来人员的进入，可能会导致某些科研成果的丢失或者某些设备仪器的丢失，这将会导致严重的后果。
门禁系统最重要的用途就是管理和防盗。对于门禁系统来说，可靠性是非常的重要[1]。随着人们对安全的重视程度越来越高，门禁系统的应用达到了前所未有的高度，其目的在于能够进行有效的身份识别，排除外来人员带来的不安全因素的隐患[2]。
因此，在实验室里实行门禁系统是非常有益的，它可以使实验室管理真正做到变被动为主动，预防潜在突发事件的可能性。能够让更好的管理学生进出实验室，并且减少实验室里数据的泄露和仪器的丢失。本文介绍了实验室门禁系统的工作原理和软件设计，该系统采用射频别技术识别学生的身份和权限，依此来控制门的开启或关闭等众多功能，实现管理中心对各实验室门的实时监控。
实验室ic卡门禁系统是学校学生实验室信息化管理的重要体现。针对校园实验室管理存在的众多不足，设计一款基于嵌入式的实验室ic卡门禁管理系统，能够帮助实验室后勤人员解决实验室管理的众多不便，极大的减少了能力物力资源。并且减轻了实验后勤管理员的众多工作量。
随着物联网时代的逐步发展，将会有越来越多的物联网设备出现在生活当中。传统的安防门禁系统急需互联网智能化改革，实现**化、数据化[3]。因此，实验室ic卡门禁系统发展趋势将会朝着一**的方向发展。
将实验室门禁系统与一**系统的结合，将能够提高校园实验室管理的便捷度和舒适度，在提升校园信息化管理发挥着重要的地位。
在未来，校园实验室的管理系统将会随着科技的发展变得更加安全，更加的便捷，更加智能。
1）在实验室的出入口上，安装基于rfid ic卡感应（如：ic卡感应器等）控制的电控门；
2）实验室里的学生可以持有有效ic卡，通过刷卡的方式开启电控门；
3）通过ic卡的识别记入不同出入者的信息资料，可以修改实验室里学生的进出权限；
4）该系统能够识别非授权者的入侵，并且启动报警系统装置；
5）该系统能够对实验室进行异常情况检测，并且启动紧急报警系统装置；
6）该系统能够识别非授权者的入侵，将非法闯入者信息发送给后台管理中心；
7）该系统能够对实验室进行异常情况检测，将危险情况的信息发送给后台管理中心；
8）该系统还可以加入实验室考勤系统的功能；
实验室ic卡门禁系统设计框图如图1所示详情如下：
图1 实验室ic卡门禁系统设计框图。
ic卡识别模块框图如图2所示：
图2 ic卡识别模块。
报警系统模块框图如图3所示：
图3 报警系统模块框图。
远程数据传输模块框图如图4所示：
图4 远程数据传输模块框图。
方案一：采用at89c51，ram大小128b，程序存储器大小只有4kb，内部外设拥有2个定时/计数器，i/o 引脚拥有40个。编程语言可采用c语言或者汇编语言进行功能开发，并且使用方便，**便宜，但内部资源非常有限，时钟频率只有1mhz，不能够嵌入uc/osiii这类rots。
方案二：采用stm32系列芯片，stm32系列芯片采用的是arm公司的（cortex-m3/4）的内核，性能非常的强劲，并且在m3内核中包含了nvic和systick等内部资源。stm32时钟源多，有外部的也有内部的时钟源，且最高频率可达有72m的，有的可达120m（stm32f205系列），有的甚至更高的！
并且stm32通过内部预分频器倍频器实现强大的时钟功能。stm32支持多种rtos，比如uc/os ,freertos，mdk内部有一个rtx操作系统，在中低端嵌入式产品众占据极大的市场。
因考虑到本设计中功能稍有复杂，并且mcu要能够承载一个实时操作系统，故选择方案二。
方案一：采用pn532 nfc rfid v3模块，nfc是最近几年提出的一个热门技术。采用nfc模块来设计实验室ic卡门禁系统是一个比较好的选择。
首先：nfc技术是建立在非接触式射频识别（rfid）基础之上的。nfc能够通过非接触式的方式与设备进行数据交换。
nfc芯片之间拥有着相互通信功能，更为强大的是nfc具有计算功能。因此，nfc的功能十分强大，目前nfc这项技术已经在市场上被广泛的使用。
方案二：采用mfrc-522ic卡感应模块，本模块是基于射频技术的rfid模块，优点是成本低廉，使用方便，适用于ic卡读卡器开发。除此之外，在工作中mfrc-522 ic卡感应模块拥有着良好的稳定性能。
通过比较，可以看出方案一采用的pn532 nfc rfid v3模块功能更为强大，不过考虑道**，使用便捷度等方面，方案二采用的mfrc-522ic卡感应模块，更为实用。对于开发一款实验室ic卡门禁系统来说使用方案二的模块完全可以达到本设计的要求，故选择方案二。
方案一：采用ad590jh温度传感器，温度测量范围：-55℃～+150℃，温度测量精度：±5℃，模块的工作电压：4v-30v/dc，但是**高。
方案二：采用dht11温湿度传感器模块，此模块不仅能够测量温度，同时也能够测量相应的湿度。而且**不贵。
综合制作成本以及模块功能的考虑，故采用方案二。
方案一：采用蓝牙模块，蓝牙模块能够支持短距离的无线通信，并且蓝牙模块数据传输过程中保密性好，传输速度快，功耗方面：蓝牙模块的功耗大小与其工作状态有关，不过总体来说蓝牙模块的功耗算很低的了。
成本方面：相对于别的无线通信模块，蓝牙模块的**适中。
方案二：采用wifi模块，wifi模块使用的协议是802.11标准。
并且大部分802.11采用2.4ghz的ism频段。
传输距离方面：wifi模块802.11n理论速率最高可达600mbps，且目前业界主流为300mbps。
功耗方面：wifi模块可以支持wmm省电模式，可以一定程度的降低模块的功耗。
综合功耗和成本考虑，采用蓝牙模块更占优势。
stm32是一个32位基于arm内核的微控制器。内核采用的是：arm32位的cortex-m3 cpu，stm32有很多系列。
不同系列的stm32其内部外设和功能都有所不同。对与stm32f1xx系列的单片机。其最高的工作频率可达72mhz，存储器的0等待周期访问时可达到1.
25dmpis/mhz。对于stm32f2xx系列的工作频率更高，例如stm32f205系列单片机的工作频率可达120m。内部外设相当丰富，特别是dma的资源比较f1系列多了很多。
在功耗方面：可以拥有睡眠，停机和待机模式，供电电压是3.3v。
在定时器方面：可多达11个定时器等。并且stm32的硬件平台上能支持很多的嵌入式实时系统。
比如：uc/osiii、freertos、rt-thread rtos等等。在工业控制领域stm32的用途相当广泛，在市场上也极其的受到开发者的欢迎。
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