一、項(xiàng)目背景

門禁系統(tǒng)是現(xiàn)代社會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，為合法用戶提供便利。當(dāng)前設(shè)計一種基于STM32+RC522的門禁系統(tǒng)設(shè)計方案，通過RFID-RC522模塊實(shí)現(xiàn)了對用戶卡的注冊、識別及身份驗(yàn)證，通過控制SG90舵機(jī)實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)，具有較高的安全性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該門禁系統(tǒng)可以有效地保障建筑物的安全性。

門禁系統(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、控制人員活動范圍、實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控等功能。傳統(tǒng)的門禁系統(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?；?a href="http://hljzzgx.com/tongxin/rf/" target="_blank">RFID的門禁系統(tǒng)已經(jīng)成為一種相對先進(jìn)的安全控制方案。

本次設(shè)計的STM32+RC522門禁系統(tǒng)，通過RFID-RC522模塊對用戶的卡進(jìn)行注冊、識別完成身份識別，對門鎖進(jìn)行開關(guān)。系統(tǒng)帶了OLED顯示屏，輸入用戶密碼登錄之后，可以對新卡片進(jìn)行注冊，添加新卡片，對不使用的卡片進(jìn)行注銷。在系統(tǒng)里，IC卡的數(shù)據(jù)都存儲在卡的內(nèi)部扇區(qū)里，通過卡的內(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

門禁系統(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模塊作為識別用戶卡片的設(shè)備；SG90舵機(jī)作為門鎖控制設(shè)備；OLED顯示屏提供用戶輸入信息和系統(tǒng)信息的顯示；鍵盤模塊方便用戶進(jìn)行密碼和卡片信息的輸入。

2.1 軟件設(shè)計

【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IC卡可以分為多個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含多個塊，每個塊包含16個字節(jié)。扇區(qū)0是廠家已經(jīng)預(yù)留好的，用于存儲卡片的序列號，扇區(qū)1-15可以由用戶自己配置，用于存儲一些私有數(shù)據(jù)，如用戶身份、車牌號、員工編號等。

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

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

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

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

【2】門禁系統(tǒng)安全控制

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

【3】門鎖控制

本門禁系統(tǒng)采用SG90舵機(jī)控制門鎖的開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的優(yōu)點(diǎn)。在門鎖控制過程中，系統(tǒng)對舵機(jī)控制信號的頻率和占空比進(jìn)行精細(xì)控制，以實(shí)現(xiàn)門鎖的準(zhǔn)確開關(guān)。

2.2 硬件設(shè)計

【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)時等特點(diǎn)，可支持多個串口、I2C、SPI、USB等外設(shè)，為使用者帶來更大的靈活性。
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、編程靈活度和計算精度。
3. 較強(qiáng)的系統(tǒng)時間管理能力：STM32F103C8T6內(nèi)部具備RTC實(shí)時時鐘模塊，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時間管理和時間標(biāo)記功能，在一些需要時間同步的應(yīng)用場景下具有較大的優(yōu)勢。
4. 大存儲容量：STM32F103C8T6內(nèi)置64K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM，能夠滿足大型嵌入式應(yīng)用的存儲需求。
5. 豐富的外設(shè)接口：STM32F103C8T6支持多個外設(shè)接口，如SPI、I2C、CAN總線等，方便開發(fā)者擴(kuò)展相關(guān)應(yīng)用場景。
6. 代碼可移植性強(qiáng)：由于該芯片應(yīng)用廣泛，可以使用多種開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，例如Keil、STM32CubeMX等，而且支持多種編程語言，如C語言、C++等，因此優(yōu)點(diǎn)很容易在不同的平臺、不同開發(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、高性價比的RFID讀寫模塊。它具有高精度、快速讀取等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于門禁系統(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)行信號傳輸和讀寫，具有高精度、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
2. 快速讀?。篟FID-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，可滿足不同應(yīng)用場合的需求。
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. 接口簡單：RFID-RC522模塊采用SPI接口進(jìn)行通信，模塊上的引腳有7個，具有很好的兼容性。
6. 支持多種開發(fā)語言：RFID-RC522模塊支持多種開發(fā)語言，如C++、Python等，方便開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)。

RFID-RC522模塊的使用需要配合相關(guān)的庫文件，在Arduino、Raspberry Pi等開發(fā)板上進(jìn)行代碼編寫和開發(fā)。常見的使用場景包括門禁系統(tǒng)、智能卡管理、出入庫管理、物流追蹤等領(lǐng)域。

【3】SG90舵機(jī)

該舵機(jī)小巧耐用，可以精確地控制門鎖的開關(guān)。

SG90舵機(jī)是一種小型舵機(jī)，體積小、重量輕、價格低廉，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，重量僅為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20 mA的電流，可大大節(jié)省電力消耗。
5. 價格適中：SG90舵機(jī)價格相對較低，非常適合初學(xué)者或需求量較大的用戶使用。

SG90舵機(jī)在使用時需要通過PWM信號進(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。SPI接口則是一種串行外設(shè)接口，具有簡單、靈活、高速等特點(diǎn)。

0.96寸SPI接口OLED顯示屏的驅(qū)動芯片一般為SSD1306，有128個列和64個行的像素，還有一些有128個列和32個行的像素。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電容矩陣鍵盤模塊是一種基于IIC總線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總線通信：IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤模塊通過IIC總線通信連接到MCU，簡化了連接方式，方便使用。
2. 采用電容式按鍵設(shè)計：每個按鍵上放置一個電容器，當(dāng)手指觸摸到按鍵時，電容器的電容值發(fā)生變化，通過檢測電容的變化實(shí)現(xiàn)按鍵檢測。
3. 4x4矩陣排列式設(shè)計：4x4電容矩陣鍵盤模塊采用矩陣排列式設(shè)計，一共有16個按鍵，可以滿足較為復(fù)雜的應(yīng)用場景。
4. 接口簡單：IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤模塊只需要SCL和SDA兩條線連接到MCU即可。
5. 高靈敏度：電容式按鍵設(shè)計使得按鍵檢測更加靈敏，而且不會產(chǎn)生按鍵輕微彈起的誤觸情況，使用更加舒適。
6. 代碼簡潔：使用該模塊并不需要編寫復(fù)雜的按鍵掃描程序，只需要通過讀取IIC總線上的按鍵值即可。

IIC接口的4x4電容矩陣鍵盤模塊是一種方便易用、高靈敏度的按鍵模塊，通過電容式按鍵設(shè)計實(shí)現(xiàn)按鍵的檢測和響應(yīng)，并且通過IIC總線通信簡化了連接方式。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?a target="_blank">產(chǎn)品帶來更為方便和高效的控制方式。

三、核心代碼

3.1 SG90舵機(jī)控制代碼

下面是基于GPIO模擬時序控制STM32F103C8T6驅(qū)動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"
?
#define Servo_pin  GPIO_Pin_5
#define Servo_port GPIOA
?
void SG90_Init(void)
{
 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
?
 GPIO_InitTypeDef GPIO_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, &GPIO_InitStructure);
}
?
void SG90_SetAngle(uint8_t angle)
{
 if(angle>180) angle=180;
 if(angle<0) angle = 0;
??
? ?uint8_t temp = angle/2 + 15;
??
? ?for(int i=0;i<5;i++)
?  {
? ? ?GPIO_SetBits(Servo_port, Servo_pin);
? ? ?delay_us(temp);
? ? ?GPIO_ResetBits(Servo_port, Servo_pin);
? ? ?delay_us(20000-temp);
?  }
?}
??
?int main(void)
?{
? ?SystemInit();
??
? ?delay_init();
??
? ?SG90_Init();
??
? ?while(1)
?  {
? ? ?for(int i=0;i<=180;i+=10)
? ?  {
? ? ? ?SG90_SetAngle(i);
? ? ? ?delay_ms(500);
? ?  }
?  }
?}

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)所給的角度值計算出延時的時間temp(單位為微秒)，然后使用GPIO口控制SG90舵機(jī)在temp延時時間內(nèi)輸出高電平，其余時間輸出低電平。通過調(diào)整延時時間和按角度分配脈沖寬度，達(dá)到驅(qū)動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)。它們是自行編寫的延時函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)毫秒和微秒級別的延時，具體代碼如下：

#include "stm32f10x.h"
?
void delay_init(void)
{
  if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000000)){
    while(1);
   }
}
?
static __IO uint32_t delay_us_tick;
void delay_us(uint32_t nUs)
{
  delay_us_tick = nUs;
  while (delay_us_tick);
}
?
static __IO uint32_t delay_ms_tick;
void delay_ms(uint32_t nMs)
{
  delay_ms_tick = nMs;
  while (delay_ms_tick);
}
?
void SysTick_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)時鐘源和SysTick定時器，實(shí)現(xiàn)每個SysTick時鐘產(chǎn)生一個中斷的功能。delay_us()函數(shù)和delay_ms()函數(shù)分別用于實(shí)現(xiàn)微秒級別和毫秒級別的延時，通過限制delay_us_tick和delay_ms_tick的值實(shí)現(xiàn)延時的效果。SysTick_Handler()為中斷處理函數(shù)，每次SysTick定時器計數(shù)減1，當(dāng)減到0時，相應(yīng)的delay_us_tick或delay_ms_tick也減1，通過循環(huán)等待該值為0實(shí)現(xiàn)延時。

在代碼中的SG90_SetAngle()函數(shù)中，需要精確控制GPIO的電平時間，使其產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖寬度，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度。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)角度計算的電平時間，使得舵機(jī)能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行旋轉(zhuǎn)。

3.2 RC522讀寫代碼

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

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

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_spi.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "delay.h"
#include "mfrc522.h"
#include "stdio.h"
?
#define   SPI_CE_LOW()    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4)
#define   SPI_CE_HIGH()   GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4)
?
void SPI1_Init(void)
{
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE);
?
   GPIO_InitTypeDef GPIO_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_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
?
   SPI_InitTypeDef SPI_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_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
   SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;
   SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
?
   SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);
}
?
uint8_t SPI1_SendByte(uint8_t byte)
{
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET);
   SPI_I2S_SendData(SPI1, byte);
?
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1, SPI_I2S_FLAG_RXNE) ==
RESET); return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1); }
?
void MFRC522_Reset(void) { SPI_CE_LOW(); SPI1_SendByte(0x1B); SPI_CE_HIGH(); }
?
uint8_t MFRC522_ReadRegister(uint8_t addr) { SPI_CE_LOW(); uint8_t data; SPI1_SendByte(0x80 | addr); data = SPI1_SendByte(0x00); SPI_CE_HIGH(); return data; }
?
void MFRC522_WriteRegister(uint8_t addr, uint8_t val) { SPI_CE_LOW(); SPI1_SendByte(0x7F & addr); SPI1_SendByte(val); SPI_CE_HIGH(); }
?
void MFRC522_ReadRegisters(uint8_t addr, uint8_t count, uint8_t *values) { SPI_CE_LOW(); SPI1_SendByte(0x80 | addr); for(uint8_t i=0;i;i++)>