基于STM32+RC522設(shè)計(jì)的門(mén)禁系統(tǒng)

第第頁(yè)基于STM32+RC522設(shè)計(jì)的門(mén)禁系統(tǒng)一、項(xiàng)目背景

門(mén)禁系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)中非常重要的安全（控制系統(tǒng)）之一，其功能是在保障建筑物安全的同時(shí)，為合法用戶(hù)提供便利。當(dāng)前設(shè)計(jì)一種基于（STM32）+RC522的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)（RFID）-RC522模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)卡的注冊(cè)、識(shí)別及身份驗(yàn)證，通過(guò)控制SG90舵機(jī)實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)，具有較高的安全性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該門(mén)禁系統(tǒng)可以有效地保障建筑物的安全性。

門(mén)禁系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種建筑物、企事業(yè)單位，用于管理人員的進(jìn)出、控制人員活動(dòng)范圍、實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控等功能。傳統(tǒng)的門(mén)禁系統(tǒng)采用密碼輸入或刷卡的方式進(jìn)行身份驗(yàn)證，但存在易被破解的風(fēng)險(xiǎn)?；冢≧F）ID的門(mén)禁系統(tǒng)已經(jīng)成為一種相對(duì)先進(jìn)的安全控制方案。

本次設(shè)計(jì)的STM32+RC522門(mén)禁系統(tǒng)，通過(guò)RFID-RC522模塊對(duì)用戶(hù)的卡進(jìn)行注冊(cè)、識(shí)別完成身份識(shí)別，對(duì)門(mén)鎖進(jìn)行開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)帶了（OLED）顯示屏，輸入用戶(hù)密碼登錄之后，可以對(duì)新卡片進(jìn)行注冊(cè)，添加新卡片，對(duì)不使用的卡片進(jìn)行注銷(xiāo)。在系統(tǒng)里，IC卡的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在卡的內(nèi)部扇區(qū)里，通過(guò)卡的內(nèi)部空間進(jìn)行管理。

采用5V-（步進(jìn)電機(jī)）的版本：

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

門(mén)禁系統(tǒng)由STM32F103C8T6（單片機(jī)）、RFID-RC522模塊、SG90舵機(jī)、LCD1602液晶顯示屏、鍵盤(pán)模塊等組成。其中，STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，控制程序的執(zhí)行；RFID-RC522模塊作為識(shí)別用戶(hù)卡片的設(shè)備；SG90舵機(jī)作為門(mén)鎖控制設(shè)備；OLED顯示屏提供用戶(hù)輸入信息和系統(tǒng)信息的顯示；鍵盤(pán)模塊方便用戶(hù)進(jìn)行密碼和卡片信息的輸入。

2.1軟件設(shè)計(jì)

【1】RFID卡信息管理

本系統(tǒng)采用卡的內(nèi)部空間進(jìn)行IC卡信息的管理。每個(gè)IC卡可以分為多個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)包含多個(gè)塊，每個(gè)塊包含16個(gè)字節(jié)。扇區(qū)0是廠家已經(jīng)預(yù)留好的，用于存儲(chǔ)卡片的序列號(hào)，扇區(qū)1-15可以由用戶(hù)自己配置，用于存儲(chǔ)一些私有數(shù)據(jù)，如用戶(hù)身份、車(chē)牌號(hào)、員工編號(hào)等。

在本系統(tǒng)中，IC卡信息的管理主要包括三個(gè)方面：新卡片注冊(cè)、卡片識(shí)別和注銷(xiāo)卡片。

對(duì)于新卡片的注冊(cè)，用戶(hù)需要按下鍵盤(pán)上的“#”鍵進(jìn)入注冊(cè)模式，接著輸入管理員密碼，然后將新卡放到RFID讀寫(xiě)器上，系統(tǒng)將讀取卡片序列號(hào)，并在卡片的扇區(qū)中存儲(chǔ)用戶(hù)名和密碼信息等。

對(duì)于卡片的識(shí)別，當(dāng)用戶(hù)按下門(mén)禁系統(tǒng)的確認(rèn)鍵時(shí)，系統(tǒng)將讀取RFID模塊中讀取的卡片序列號(hào)，并去卡片扇區(qū)中查詢(xún)用戶(hù)名和密碼信息，進(jìn)行身份驗(yàn)證。如果卡片識(shí)別成功，系統(tǒng)將控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能。

對(duì)于注銷(xiāo)卡片，管理員需要輸入密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證后，再將要注銷(xiāo)的卡片放到RFID讀寫(xiě)器上，系統(tǒng)將清空該卡片的扇區(qū)內(nèi)所有數(shù)據(jù)。

【2】門(mén)禁系統(tǒng)安全控制

本門(mén)禁系統(tǒng)采用密碼驗(yàn)證和卡片識(shí)別相結(jié)合的方式，提高了系統(tǒng)的安全性。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)要求用戶(hù)輸入密碼或刷卡進(jìn)行身份驗(yàn)證，只有在驗(yàn)證成功后才能控制門(mén)鎖進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。同時(shí)，系統(tǒng)還可以記錄每一次開(kāi)啟門(mén)鎖的時(shí)間和用戶(hù)信息，以便管理員進(jìn)行安全監(jiān)控。

【3】門(mén)鎖控制

本門(mén)禁系統(tǒng)采用SG90舵機(jī)控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便的優(yōu)點(diǎn)。在門(mén)鎖控制過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)舵機(jī)控制（信號(hào)）的頻率和占空比進(jìn)行精細(xì)控制，以實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖的準(zhǔn)確開(kāi)關(guān)。

2.2（硬件）設(shè)計(jì)

【1】STM32F103C8T6單片機(jī)

STM32F103C8T6單片機(jī)是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的可（編程）32位單片機(jī)，常常被廣泛應(yīng)用于（工業(yè)控制）、（智能家居）、（嵌入式）控制等領(lǐng)域。

它的主要特點(diǎn)包括：

1.Cortex-M3內(nèi)核：STM32F103C8T6使用Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能、低功耗、硬實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，可支持多個(gè)串口、（I2C）、S（PI）、（USB）等外設(shè)，為使用者帶來(lái)更大的靈活性。2.32位處理能力：STM32F103C8T6是一款32位單片機(jī)，具有比8位、16位單片機(jī)更高的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力、編程靈活度和計(jì)算精度。3.較強(qiáng)的系統(tǒng)時(shí)間管理能力：STM32F103C8T6內(nèi)部具備RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）模塊，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)間管理和時(shí)間標(biāo)記功能，在一些需要時(shí)間同步的應(yīng)用場(chǎng)景下具有較大的優(yōu)勢(shì)。4.大存儲(chǔ)容量：STM32F103C8T6內(nèi)置64K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的S（RAM），能夠滿(mǎn)足大型嵌入式應(yīng)用的存儲(chǔ)需求。5.豐富的外設(shè)接口：STM32F103C8T6支持多個(gè)外設(shè)接口，如SPI、I2C、（CAN）總線(xiàn)等，方便（開(kāi)發(fā)者）擴(kuò)展相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景。6.代碼可移植性強(qiáng)：由于該（芯片）應(yīng)用廣泛，可以使用多種開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)，例如（Keil）、STM32CubeMX等，而且支持多種編程語(yǔ)言，如（C語(yǔ)言）、（C++）等，因此優(yōu)點(diǎn)很容易在不同的平臺(tái)、不同開(kāi)發(fā)者之間實(shí)現(xiàn)代碼的移植。

【2】RFID-RC522模塊

RFID-RC522模塊是一種低成本、高性?xún)r(jià)比的RFID讀寫(xiě)模塊。它具有高精度、快速讀取等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、（智能）卡管理、物流追蹤等領(lǐng)域。

RFID-RC522模塊的特點(diǎn)如下：

1.高精度：RFID-RC522模塊采用（射頻）感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸和讀寫(xiě)，具有高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2.快速讀取：RFID-RC522模塊讀取速度快，一般只需0.1秒左右就可以完成讀取操作。3.支持多種協(xié)議：RFID-RC522模塊支持ISO14443A/B、FeliCa等多種RFID協(xié)議，可滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。4.低功耗：RFID-RC522模塊功耗低，工作（電流）為13-26mA，待機(jī)電流為10A。5.接口簡(jiǎn)單：RFID-RC522模塊采用SPI接口進(jìn)行（通信），模塊上的引腳有7個(gè)，具有很好的兼容性。6.支持多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：RFID-RC522模塊支持多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，如C++、（Python）等，方便開(kāi)發(fā)者進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

RFID-RC522模塊的使用需要配合相關(guān)的庫(kù)文件，在（Arduino）、RaspberryPi等開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行代碼編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)。常見(jiàn)的使用場(chǎng)景包括門(mén)禁系統(tǒng)、智能卡管理、出入庫(kù)管理、物流追蹤等領(lǐng)域。

【3】SG90舵機(jī)

該舵機(jī)小巧耐用，可以精確地控制門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)。

SG90舵機(jī)是一種小型舵機(jī)，體積小、重量輕、價(jià)格低廉，常常被用于模型飛機(jī)、小型（機(jī)械）臂、玩具模型等領(lǐng)域。它采用了直流（電機(jī)），利用PID控制技術(shù)，以及精密的小齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角的控制。

SG90舵機(jī)的特點(diǎn)如下：

1.小體積：SG90舵機(jī)體積為23mm*12.2mm*29mm，重量?jī)H為9g，非常適合小型（電子）設(shè)備。2.高精度：SG90舵機(jī)的控制精度比較高，可控制角度范圍為0~180度，分辨率為1度，可以實(shí)現(xiàn)精確到角度的控制。3.低噪音：SG90舵機(jī)采用了精密減速齒輪箱，轉(zhuǎn)動(dòng)非常平穩(wěn)，并且噪音非常低。4.低功耗：SG90舵機(jī)的電機(jī)非常省電，一般使用3V到6V的（電源），僅需20mA的電流，可大大節(jié)省電力消耗。5.價(jià)格適中：SG90舵機(jī)價(jià)格相對(duì)較低，非常適合初學(xué)者或需求量較大的用戶(hù)使用。

SG90舵機(jī)在使用時(shí)需要通過(guò)PWM信號(hào)進(jìn)行控制。

【4】0.96寸OLED顯示屏

0.96寸SPI接口OLED顯示屏是一種小型化的屏幕，屬于OLED顯示技術(shù)，采用SPI接口連接，外觀尺寸約為12mm*12mm，分辨率一般為128*64或者128*32。它可以用于各種小型電子設(shè)備，例如手持設(shè)備、小型儀器、智能家居控制面板等等。

OLED即有機(jī)發(fā)光（二極管），與傳統(tǒng)的液晶顯示屏相比，OLED具有響應(yīng)速度快、視角范圍廣、色彩鮮艷、亮度高等優(yōu)勢(shì)。SPI接口則是一種串行外設(shè)接口，具有簡(jiǎn)單、靈活、高速等特點(diǎn)。

0.96寸SPI接口OLED顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片一般為SSD1306，有128個(gè)列和64個(gè)行的像素，還有一些有128個(gè)列和32個(gè)行的像素。其中，128*64像素的屏幕顯示面積較大，在顯示圖像和文字時(shí)更加清晰和細(xì)膩。0.96寸SPI接口OLED顯示屏具有小巧、高清、高速等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在各種小型電子設(shè)備中。

【5】鍵盤(pán)模塊

該模塊可以方便地輸入密碼和卡片信息。

IIC接口的4x4（電容）矩陣鍵盤(pán)模塊是一種基于IIC總線(xiàn)通信的電容式按鍵模塊，常常被應(yīng)用在工控、家電、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

它的主要特點(diǎn)包括：

1.采用IIC總線(xiàn)通信：IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤(pán)模塊通過(guò)IIC總線(xiàn)通信連接到（MCU），簡(jiǎn)化了連接方式，方便使用。2.采用電容式按鍵設(shè)計(jì)：每個(gè)按鍵上放置一個(gè)（電容器），當(dāng)手指觸摸到按鍵時(shí)，電容器的電容值發(fā)生變化，通過(guò)（檢測(cè)）電容的變化實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)。3.4x4矩陣排列式設(shè)計(jì)：4x4電容矩陣鍵盤(pán)模塊采用矩陣排列式設(shè)計(jì)，一共有16個(gè)按鍵，可以滿(mǎn)足較為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景。4.接口簡(jiǎn)單：IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤(pán)模塊只需要SCL和SDA兩條線(xiàn)連接到MCU即可。5.高靈敏度：電容式按鍵設(shè)計(jì)使得按鍵檢測(cè)更加靈敏，而且不會(huì)產(chǎn)生按鍵輕微彈起的誤觸情況，使用更加舒適。6.代碼簡(jiǎn)潔：使用該模塊并不需要編寫(xiě)復(fù)雜的按鍵掃描程序，只需要通過(guò)讀取IIC總線(xiàn)上的按鍵值即可。

IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤(pán)模塊是一種方便易用、高靈敏度的按鍵模塊，通過(guò)電容式按鍵設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測(cè)和響應(yīng)，并且通過(guò)IIC總線(xiàn)通信簡(jiǎn)化了連接方式。它適合于應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如工控、家電和醫(yī)療器械等，能夠?yàn)槭褂谜叩漠a(chǎn)品帶來(lái)更為方便和高效的控制方式。

三、核心代碼

3.1SG90舵機(jī)控制代碼

下面是基于GPIO（模擬）時(shí)序控制STM32F103C8T6驅(qū)動(dòng)SG90舵機(jī)旋轉(zhuǎn)指定的角度的代碼，并封裝成子函數(shù)調(diào)用。

#include"stm32f10x.h"#include"stm32f10x_gpio.h"#include"stm32f10x_rcc.h"#include"delay.h"?#defineServo_pinGPIO_Pin_5#defineServo_portGPIOA?voidSG90_Init(void){RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);?GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Servo_pin;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(Servo_port,}?voidSG90_SetAngle(uint8_tangle){if(angle>180)angle=180;if(angle

其中，SG90_Init()函數(shù)用于初始化PA5口，并將其配置為輸出模式。SG90_SetAngle()函數(shù)用于驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度。在該函數(shù)中，首先根據(jù)所給的角度值計(jì)算出延時(shí)的時(shí)間（te）mp(單位為微秒)，然后使用GPIO口控制SG90舵機(jī)在temp延時(shí)時(shí)間內(nèi)輸出高電平，其余時(shí)間輸出低電平。通過(guò)調(diào)整延時(shí)時(shí)間和按角度分配脈沖寬度，達(dá)到驅(qū)動(dòng)SG90舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的目的。

main()函數(shù)中的for循環(huán)控制舵機(jī)從0度到180度的循環(huán)旋轉(zhuǎn)。代碼中用到了delay_init()函數(shù)和delay_ms()、delay_us()函數(shù)。它們是自行編寫(xiě)的延時(shí)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)毫秒和微秒級(jí)別的延時(shí)，具體代碼如下：

#include"stm32f10x.h"?voiddelay_init(void){if(SysTick_Config(SystemCoreClock/1000000)){while(1);}}?sta（ti）c__IOuint32_tdelay_us_tick;voiddelay_us(uint32_tnUs){delay_us_tick=nUs;while(delay_us_tick);}?static__IOuint32_tdelay_ms_tick;voiddelay_ms(uint32_tnMs){delay_ms_tick=nMs;while(delay_ms_tick);}?voidSysTick_Handler(void){if(delay_us_tick>0){delay_us_tick--;}?if(delay_ms_tick>0){delay_ms_tick--;}}

其中，delay_init()函數(shù)用于配置系統(tǒng)（時(shí)鐘）源和SysTick（定時(shí)器），實(shí)現(xiàn)每個(gè)SysTick時(shí)鐘產(chǎn)生一個(gè)中斷的功能。delay_us()函數(shù)和delay_ms()函數(shù)分別用于實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)別和毫秒級(jí)別的延時(shí)，通過(guò)限制delay_us_tick和delay_ms_tick的值實(shí)現(xiàn)延時(shí)的效果。SysTick_Handler()為中斷處理函數(shù)，每次SysTick定時(shí)器計(jì)數(shù)減1，當(dāng)減到0時(shí)，相應(yīng)的delay_us_tick或delay_ms_tick也減1，通過(guò)循環(huán)等待該值為0實(shí)現(xiàn)延時(shí)。

在代碼中的SG90_SetAngle()函數(shù)中，需要精確控制GPIO的電平時(shí)間，使其產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖寬度，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此，需要配置GPIO口的輸出模式和速度、設(shè)定delay_us()函數(shù)中根據(jù)角度計(jì)算的電平時(shí)間，使得舵機(jī)能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行旋轉(zhuǎn)。

3.2RC522讀寫(xiě)代碼

下面是基于SPI接口控制STM32F103C8T6驅(qū)動(dòng)RFID-RC522模塊完成卡片識(shí)別和扇區(qū)讀寫(xiě)的代碼示例。在該代碼中，使用的是SPI1的接口，RFID-RC522模塊通過(guò)SPI1接口連接到STM32F103C8T6。

代碼中通過(guò)封裝SPI相關(guān)操作和MFRC522庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了讀取卡片信息和完成扇區(qū)讀寫(xiě)的功能。

#include"stm32f10x.h"#include"stm32f10x_spi.h"#include"stm32f10x_gpio.h"#include"stm32f10x_rcc.h"#include"delay.h"#include"mfrc522.h"#include"stdio.h"?#defineSPI_CE_LOW()GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4)#defineSPI_CE_HIGH()GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4)?voidSPI1_Init(void){RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1,ENABLE);?GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,?GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,?SPI_InitTypeDefSPI_InitStructure;SPI_InitStructure.SPI_Direction=SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;SPI_InitStructure.SPI_Mode=SPI_Mode_Master;SPI_InitStructure.SPI_DataSize=SPI_DataSize_8b;SPI_InitStructure.SPI_CPOL=SPI_CPOL_High;SPI_InitStructure.SPI_CPHA=SPI_CPHA_2Edge;SPI_InitStructure.SPI_NSS=SPI_NSS_Soft;SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler=SPI_BaudRatePrescaler_2;SPI_InitStructure.SPI_Fi（rs）tBit=SPI_FirstBit_MSB;SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial=7;SPI_Init(SPI1,?SPI