门禁系统设计方案 基于STM32F103C8T6单片机+RFID-RC522模块+SG90舵机

一、项目背景

门禁系统是现代社会中非常重要的安全控制系统之一，其功能是在保障建筑物安全的同时，为合法用户提供便利。当前设计一种基于STM32+RC522的门禁系统设计方案，通过RFID-RC522模块实现了对用户卡的注册、识别及身份验证，通过控制SG90舵机实现门锁的开关，具有较高的安全性和可靠性。实验结果表明，该门禁系统可以有效地保障建筑物的安全性。

门禁系统广泛应用于各种建筑物、企事业单位，用于管理人员的进出、控制人员活动范围、实现安全监控等功能。传统的门禁系统采用密码输入或刷卡的方式进行身份验证，但存在易被破解的风险。基于RFID的门禁系统已经成为一种相对先进的安全控制方案。

本次设计的STM32+RC522门禁系统，通过RFID-RC522模块对用户的卡进行注册、识别完成身份识别，对门锁进行开关。系统带了OLED显示屏，输入用户密码登录之后，可以对新卡片进行注册，添加新卡片，对不使用的卡片进行注销。在系统里，IC卡的数据都存储在卡的内部扇区里，通过卡的内部空间进行管理。

采用5V-步进电机的版本：

二、系统设计

门禁系统由STM32F103C8T6单片机、RFID-RC522模块、SG90舵机、LCD1602液晶显示屏、键盘模块等组成。其中，STM32F103C8T6单片机作为系统的核心控制器，控制程序的执行；RFID-RC522模块作为识别用户卡片的设备；SG90舵机作为门锁控制设备；OLED显示屏提供用户输入信息和系统信息的显示；键盘模块方便用户进行密码和卡片信息的输入。

2.1 软件设计

【1】RFID卡信息管理

本系统采用卡的内部空间进行IC卡信息的管理。每个IC卡可以分为多个扇区，每个扇区包含多个块，每个块包含16个字节。扇区0是厂家已经预留好的，用于存储卡片的序列号，扇区1-15可以由用户自己配置，用于存储一些私有数据，如用户身份、车牌号、员工编号等。

在本系统中，IC卡信息的管理主要包括三个方面：新卡片注册、卡片识别和注销卡片。

对于新卡片的注册，用户需要按下键盘上的“#”键进入注册模式，接着输入管理员密码，然后将新卡放到RFID读写器上，系统将读取卡片序列号，并在卡片的扇区中存储用户名和密码信息等。

对于卡片的识别，当用户按下门禁系统的确认键时，系统将读取RFID模块中读取的卡片序列号，并去卡片扇区中查询用户名和密码信息，进行身份验证。如果卡片识别成功，系统将控制舵机旋转一圈实现开锁功能。

对于注销卡片，管理员需要输入密码进行身份验证后，再将要注销的卡片放到RFID读写器上，系统将清空该卡片的扇区内所有数据。

【2】门禁系统安全控制

本门禁系统采用密码验证和卡片识别相结合的方式，提高了系统的安全性。具体来说，系统要求用户输入密码或刷卡进行身份验证，只有在验证成功后才能控制门锁进行开关操作。同时，系统还可以记录每一次开启门锁的时间和用户信息，以便管理员进行安全监控。

【3】门锁控制

本门禁系统采用SG90舵机控制门锁的开关，具有结构简单，控制方便的优点。在门锁控制过程中，系统对舵机控制信号的频率和占空比进行精细控制，以实现门锁的准确开关。

2.2 硬件设计

【1】STM32F103C8T6单片机

STM32F103C8T6单片机是ST公司推出的一款基于Cortex-M3内核的可编程32位单片机，常常被广泛应用于工业控制、智能家居、嵌入式控制等领域。

它的主要特点包括：

1. Cortex-M3内核：STM32F103C8T6使用Cortex-M3内核，具有高性能、低功耗、硬实时等特点，可支持多个串口、I2C、SPI、USB等外设，为使用者带来更大的灵活性。
2. 32位处理能力：STM32F103C8T6是一款32位单片机，具有比8位、16位单片机更高的数据运算能力、编程灵活度和计算精度。
3. 较强的系统时间管理能力：STM32F103C8T6内部具备RTC实时时钟模块，可实现精准的时间管理和时间标记功能，在一些需要时间同步的应用场景下具有较大的优势。
4. 大存储容量：STM32F103C8T6内置64K字节的闪存和20K字节的SRAM，能够满足大型嵌入式应用的存储需求。
5. 丰富的外设接口：STM32F103C8T6支持多个外设接口，如SPI、I2C、CAN总线等，方便开发者扩展相关应用场景。
6. 代码可移植性强：由于该芯片应用广泛，可以使用多种开发工具进行开发，例如Keil、STM32CubeMX等，而且支持多种编程语言，如C语言、C++等，因此优点很容易在不同的平台、不同开发者之间实现代码的移植。

【2】RFID-RC522模块

RFID-RC522模块是一种低成本、高性价比的RFID读写模块。它具有高精度、快速读取等特点，广泛应用于门禁系统、智能卡管理、物流追踪等领域。

RFID-RC522模块的特点如下：

1. 高精度：RFID-RC522模块采用射频感应技术进行信号传输和读写，具有高精度、稳定性强等优点。
2. 快速读取：RFID-RC522模块读取速度快，一般只需0.1秒左右就可以完成读取操作。
3. 支持多种协议：RFID-RC522模块支持ISO14443A/B、FeliCa等多种RFID协议，可满足不同应用场合的需求。
4. 低功耗：RFID-RC522模块功耗低，工作电流为13-26mA，待机电流为10A。
5. 接口简单：RFID-RC522模块采用SPI接口进行通信，模块上的引脚有7个，具有很好的兼容性。
6. 支持多种开发语言：RFID-RC522模块支持多种开发语言，如C++、Python等，方便开发者进行二次开发。

RFID-RC522模块的使用需要配合相关的库文件，在Arduino、Raspberry Pi等开发板上进行代码编写和开发。常见的使用场景包括门禁系统、智能卡管理、出入库管理、物流追踪等领域。

【3】SG90舵机

该舵机小巧耐用，可以精确地控制门锁的开关。

SG90舵机是一种小型舵机，体积小、重量轻、价格低廉，常常被用于模型飞机、小型机械臂、玩具模型等领域。它采用了直流电机，利用PID控制技术，以及精密的小齿轮减速箱实现转向角的控制。

SG90舵机的特点如下：

1. 小体积：SG90舵机体积为23mm * 12.2mm * 29mm，重量仅为9g，非常适合小型电子设备。
2. 高精度：SG90舵机的控制精度比较高，可控制角度范围为0 ~ 180度，分辨率为1度，可以实现精确到角度的控制。
3. 低噪音：SG90舵机采用了精密减速齿轮箱，转动非常平稳，并且噪音非常低。
4. 低功耗：SG90舵机的电机非常省电，一般使用3V到6V的电源，仅需20 mA的电流，可大大节省电力消耗。
5. 价格适中：SG90舵机价格相对较低，非常适合初学者或需求量较大的用户使用。

SG90舵机在使用时需要通过PWM信号进行控制。

【4】0.96寸OLED显示屏

0.96寸SPI接口OLED显示屏是一种小型化的屏幕，属于OLED显示技术，采用SPI接口连接，外观尺寸约为12mm * 12mm，分辨率一般为128 * 64或者128 * 32。它可以用于各种小型电子设备，例如手持设备、小型仪器、智能家居控制面板等等。

OLED即有机发光二极管，与传统的液晶显示屏相比，OLED具有响应速度快、视角范围广、色彩鲜艳、亮度高等优势。SPI接口则是一种串行外设接口，具有简单、灵活、高速等特点。

0.96寸SPI接口OLED显示屏的驱动芯片一般为SSD1306，有128个列和64个行的像素，还有一些有128个列和32个行的像素。其中，128 * 64像素的屏幕显示面积较大，在显示图像和文字时更加清晰和细腻。0.96寸SPI接口OLED显示屏具有小巧、高清、高速等优点，被广泛使用在各种小型电子设备中。

【5】键盘模块

该模块可以方便地输入密码和卡片信息。

IIC接口的4x4电容矩阵键盘模块是一种基于IIC总线通信的电容式按键模块，常常被应用在工控、家电、医疗器械等领域。

它的主要特点包括：

1. 采用IIC总线通信：IIC接口的4x4电容矩阵键盘模块通过IIC总线通信连接到MCU，简化了连接方式，方便使用。
2. 采用电容式按键设计：每个按键上放置一个电容器，当手指触摸到按键时，电容器的电容值发生变化，通过检测电容的变化实现按键检测。
3. 4x4矩阵排列式设计：4x4电容矩阵键盘模块采用矩阵排列式设计，一共有16个按键，可以满足较为复杂的应用场景。
4. 接口简单：IIC接口的4x4电容矩阵键盘模块只需要SCL和SDA两条线连接到MCU即可。
5. 高灵敏度：电容式按键设计使得按键检测更加灵敏，而且不会产生按键轻微弹起的误触情况，使用更加舒适。
6. 代码简洁：使用该模块并不需要编写复杂的按键扫描程序，只需要通过读取IIC总线上的按键值即可。

IIC接口的4x4电容矩阵键盘模块是一种方便易用、高灵敏度的按键模块，通过电容式按键设计实现按键的检测和响应，并且通过IIC总线通信简化了连接方式。它适合于应用于许多领域，如工控、家电和医疗器械等，能够为使用者的产品带来更为方便和高效的控制方式。

三、核心代码

3.1 SG90舵机控制代码

下面是基于GPIO模拟时序控制STM32F103C8T6驱动SG90舵机旋转指定的角度的代码，并封装成子函数调用。
#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，SG90Init()函数用于初始化PA5口，并将其配置为输出模式。SG90SetAngle()函数用于驱动舵机旋转到指定角度。在该函数中，首先根据所给的角度值计算出延时的时间temp(单位为微秒)，然后使用GPIO口控制SG90舵机在temp延时时间内输出高电平，其余时间输出低电平。通过调整延时时间和按角度分配脉冲宽度，达到驱动SG90舵机旋转的目的。

main()函数中的for循环控制舵机从0度到180度的循环旋转。代码中用到了delayinit()函数和delayms()、delay_us()函数。它们是自行编写的延时函数，可以实现毫秒和微秒级别的延时，具体代码如下：

#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，delayinit()函数用于配置系统时钟源和SysTick定时器，实现每个SysTick时钟产生一个中断的功能。delayus()函数和delayms()函数分别用于实现微秒级别和毫秒级别的延时，通过限制delayustick和delaymstick的值实现延时的效果。SysTickHandler()为中断处理函数，每次SysTick定时器计数减1，当减到0时，相应的delayustick或delaymstick也减1，通过循环等待该值为0实现延时。

在代码中的SG90SetAngle()函数中，需要精确控制GPIO的电平时间，使其产生相应的脉冲宽度，从而控制舵机转动角度。因此，需要配置GPIO口的输出模式和速度、设定delayus()函数中根据角度计算的电平时间，使得舵机能够准确地执行旋转。

3.2 RC522读写代码

下面是基于SPI接口控制STM32F103C8T6驱动RFID-RC522模块完成卡片识别和扇区读写的代码示例。在该代码中，使用的是SPI1的接口，RFID-RC522模块通过SPI1接口连接到STM32F103C8T6。

代码中通过封装SPI相关操作和MFRC522库函数，实现了读取卡片信息和完成扇区读写的功能。

#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_I
2
S_GetFlagStatus(SPI
1
, SPI_I
2
S_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

解释代码的思路：

该代码实现了读取 RFID 标签（卡片）的数据功能，主要利用 MFRC522 RFID 模块与单片机的通信，对标签发送指令并读取标签数据。整个过程主要分为以下几步：

1. 初始化 MFRC522 模块。
2. 检测是否存在标签，并获取标签类型和 ID 信息。
3. 在多张同种类型的标签中，使用防冲撞机制选取一张进行操作。
4. 鉴权，使用指定的密钥验证对应的扇区，并获取读写操作的权限。
5. 读取数据，将指定的块的内容读取到缓冲区。
6. 解析标签数据并进行相应操作，例如打印块数据。
7. 暂停 RFID 模块，等待下一次操作。

代码中的注释也详细说明了每个函数和变量的作用和用法。

3.3 0.96寸OLED-SPI接口代码

以下是使用STM32F103C8T6驱动SPI接口的0.96寸OLED显示字符串的示例代码，该代码使用了HAL库：

cCopy Code#include "main.h"
#include "spi.h"
#include "gpio.h"
#define OLED_CS_GPIO_Port GPIOB
#define OLED_CS_Pin GPIO_PIN_12
#define OLED_DC_GPIO_Port GPIOB
#define OLED_DC_Pin GPIO_PIN_13
void oled_init(void);
void oled_write_char(uint8_t c, uint8_t size);
void oled_write_string(char *str, uint8_t size);
int main(void)
{
HAL_Init();
MX_GPIO_Init();
MX_SPI1_Init();
oled_init();
while (1)
{
oled_write_string("Hello World!", 16);
HAL_Delay(1000);
}
}
void oled_init(void)
{
HAL_GPIO_WritePin(OLED_CS_GPIO_Port, OLED_CS_Pin, GPIO_PIN_SET); // Chip select high
HAL_GPIO_WritePin(OLED_DC_GPIO_Port, OLED_DC_Pin, GPIO_PIN_RESET); // Data command low
HAL_Delay(100); // Wait for OLED to power up
// Initialization sequence
oled_send_command(0xAE); // Display off
oled_send_command(0xD5); // Set display clock divide ratio/oscillator frequency
oled_send_command(0x80); // Default frequency
oled_send_command(0xA8); // Set multiplex ratio
oled_send_command(0x3F); // Default ratio
oled_send_command(0xD3); // Set display offset
oled_send_command(0x00); // Default offset
oled_send_command(0x40); // Set start line
oled_send_command(0x8D); // Charge pump
oled_send_command(0x14); // Enable charge pump
oled_send_command(0x20); // Set memory mode
oled_send_command(0x00); // Horizontal addressing mode
oled_send_command(0xA1); // Set segment remap
oled_send_command(0xC8); // Set com output scan direction
oled_send_command(0xDA); // Set com pins hardware configuration
oled_send_command(0x12); // Alternative com pins, disable left/right remap
oled_send_command(0x81); // Contrast control
oled_send_command(0xCF); // Default contrast
oled_send_command(0xD9); // Set pre-charge period
oled_send_command(0xF1); // Default period
oled_send_command(0xDB); // Set VCOMH deselect level
oled_send_command(0x40); // Default level
oled_send_command(0xA4); // Output ram to display
oled_send_command(0xA6); // Normal display
oled_send_command(0xAF); // Display on
}
void oled_write_char(uint8_t c, uint8_t size)
{
uint8_t font_size = (size == 16) ? 16 : 12;
const uint8_t *font = (size == 16) ? Font16x16 : Font12x16;
if (c == 'n') // New line
{
oled_current_row += font_size;
oled_current_col = 0;
return;
}
if (c < ' ' || c > '~') // Unsupported character
{
c = '?';
}
uint8_t b = c - ' ';
const uint8_t *glyph = font + (b * font_size);
for (uint8_t i = 0; i < font_size; i++)
{
oled_send_data(*glyph++);
}
oled_current_col += size;
}
void oled_write_string(char *str, uint8_t size)
{
while (*str)
{
oled_write_char(*str++, size);
}
}
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