門禁系統設計方案 基于STM32F103C8T6單片機+RFID-RC522模塊+SG90舵機

一、項目背景

門禁系統是現代社會中非常重要的安全控制系統之一，其功能是在保障建筑物安全的同時，為合法用戶提供便利。當前設計一種基于STM32+RC522的門禁系統設計方案，通過RFID-RC522模塊實現了對用戶卡的注冊、識別及身份驗證，通過控制SG90舵機實現門鎖的開關，具有較高的安全性和可靠性。實驗結果表明，該門禁系統可以有效地保障建筑物的安全性。

門禁系統廣泛應用于各種建筑物、企事業單位，用于管理人員的進出、控制人員活動范圍、實現安全監控等功能。傳統的門禁系統采用密碼輸入或刷卡的方式進行身份驗證，但存在易被破解的風險?；?a target="_blank">RFID的門禁系統已經成為一種相對先進的安全控制方案。

本次設計的STM32+RC522門禁系統，通過RFID-RC522模塊對用戶的卡進行注冊、識別完成身份識別，對門鎖進行開關。系統帶了OLED顯示屏，輸入用戶密碼登錄之后，可以對新卡片進行注冊，添加新卡片，對不使用的卡片進行注銷。在系統里，IC卡的數據都存儲在卡的內部扇區里，通過卡的內部空間進行管理。

采用5V-步進電機的版本：

二、系統設計

門禁系統由STM32F103C8T6單片機、RFID-RC522模塊、SG90舵機、LCD1602液晶顯示屏、鍵盤模塊等組成。其中，STM32F103C8T6單片機作為系統的核心控制器，控制程序的執行；RFID-RC522模塊作為識別用戶卡片的設備；SG90舵機作為門鎖控制設備；OLED顯示屏提供用戶輸入信息和系統信息的顯示；鍵盤模塊方便用戶進行密碼和卡片信息的輸入。

2.1 軟件設計

【1】RFID卡信息管理

本系統采用卡的內部空間進行IC卡信息的管理。每個IC卡可以分為多個扇區，每個扇區包含多個塊，每個塊包含16個字節。扇區0是廠家已經預留好的，用于存儲卡片的序列號，扇區1-15可以由用戶自己配置，用于存儲一些私有數據，如用戶身份、車牌號、員工編號等。

在本系統中，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，系統將讀取卡片序列號，并在卡片的扇區中存儲用戶名和密碼信息等。

對于卡片的識別，當用戶按下門禁系統的確認鍵時，系統將讀取RFID模塊中讀取的卡片序列號，并去卡片扇區中查詢用戶名和密碼信息，進行身份驗證。如果卡片識別成功，系統將控制舵機旋轉一圈實現開鎖功能。

對于注銷卡片，管理員需要輸入密碼進行身份驗證后，再將要注銷的卡片放到RFID讀寫器上，系統將清空該卡片的扇區內所有數據。

【2】門禁系統安全控制

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

【3】門鎖控制

本門禁系統采用SG90舵機控制門鎖的開關，具有結構簡單，控制方便的優點。在門鎖控制過程中，系統對舵機控制信號的頻率和占空比進行精細控制，以實現門鎖的準確開關。

2.2 硬件設計

【1】STM32F103C8T6單片機

STM32F103C8T6單片機是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內核的可編程32位單片機，常常被廣泛應用于工業控制、智能家居、嵌入式控制等領域。

它的主要特點包括：

1. Cortex-M3內核：STM32F103C8T6使用Cortex-M3內核，具有高性能、低功耗、硬實時等特點，可支持多個串口、I2C、SPI、USB等外設，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，具有比8位、16位單片機更高的數據運算能力、編程靈活度和計算精度。
3. 較強的系統時間管理能力：STM32F103C8T6內部具備RTC實時時鐘模塊，可實現精準的時間管理和時間標記功能，在一些需要時間同步的應用場景下具有較大的優勢。
4. 大存儲容量：STM32F103C8T6內置64K字節的閃存和20K字節的SRAM，能夠滿足大型嵌入式應用的存儲需求。
5. 豐富的外設接口：STM32F103C8T6支持多個外設接口，如SPI、I2C、CAN總線等，方便開發者擴展相關應用場景。
6. 代碼可移植性強：由于該芯片應用廣泛，可以使用多種開發工具進行開發，例如Keil、STM32CubeMX等，而且支持多種編程語言，如C語言、C++等，因此優點很容易在不同的平臺、不同開發者之間實現代碼的移植。

【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，廣泛應用于門禁系統、智能卡管理、物流追蹤等領域。

RFID-RC522模塊的特點如下：

1. 高精度：RFID-RC522模塊采用射頻感應技術進行信號傳輸和讀寫，具有高精度、穩定性強等優點。
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. 支持多種協議：RFID-RC522模塊支持ISO14443A/B、FeliCa等多種RFID協議，可滿足不同應用場合的需求。
4. 低功耗：RFID-RC522模塊功耗低，工作電流為13-26mA，待機電流為10A。
5. 接口簡單：RFID-RC522模塊采用SPI接口進行通信，模塊上的引腳有7個，具有很好的兼容性。
6. 支持多種開發語言：RFID-RC522模塊支持多種開發語言，如C++、Python等，方便開發者進行二次開發。

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

【3】SG90舵機

該舵機小巧耐用，可以精確地控制門鎖的開關。

SG90舵機是一種小型舵機，體積小、重量輕、價格低廉，常常被用于模型飛機、小型機械臂、玩具模型等領域。它采用了直流電機，利用PID控制技術，以及精密的小齒輪減速箱實現轉向角的控制。

SG90舵機的特點如下：

1. 小體積：SG90舵機體積為23mm * 12.2mm * 29mm，重量僅為9g，非常適合小型電子設備。
2. 高精度：SG90舵機的控制精度比較高，可控制角度范圍為0 ~ 180度，分辨率為1度，可以實現精確到角度的控制。
3. 低噪音：SG90舵機采用了精密減速齒輪箱，轉動非常平穩，并且噪音非常低。
4. 低功耗：SG90舵機的電機非常省電，一般使用3V到6V的電源，僅需20 mA的電流，可大大節省電力消耗。
5. 價格適中：SG90舵機價格相對較低，非常適合初學者或需求量較大的用戶使用。

SG90舵機在使用時需要通過PWM信號進行控制。

【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，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備，例如手持設備、小型儀器、智能家居控制面板等等。

OLED即有機發光二極管，與傳統的液晶顯示屏相比，OLED具有響應速度快、視角范圍廣、色彩鮮艷、亮度高等優勢。SPI接口則是一種串行外設接口，具有簡單、靈活、高速等特點。

0.96寸SPI接口OLED顯示屏的驅動芯片一般為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膩。0.96寸SPI接口OLED顯示屏具有小巧、高清、高速等優點，被廣泛使用在各種小型電子設備中。

【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，常常被應用在工控、家電、醫療器械等領域。

它的主要特點包括：

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. 采用電容式按鍵設計：每個按鍵上放置一個電容器，當手指觸摸到按鍵時，電容器的電容值發生變化，通過檢測電容的變化實現按鍵檢測。
3. 4x4矩陣排列式設計：4x4電容矩陣鍵盤模塊采用矩陣排列式設計，一共有16個按鍵，可以滿足較為復雜的應用場景。
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：電容式按鍵設計使得按鍵檢測更加靈敏，而且不會產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，通過電容式按鍵設計實現按鍵的檢測和響應，并且通過IIC總線通信簡化了連接方式。它適合于應用于許多領域，如工控、家電和醫療器械等，能夠為使用者的產品帶來更為方便和高效的控制方式。

三、核心代碼

3.1 SG90舵機控制代碼

下面是基于GPIO模擬時序控制STM32F103C8T6驅動SG90舵機旋轉指定的角度的代碼，并封裝成子函數調用。
#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()函數用于初始化PA5口，并將其配置為輸出模式。SG90SetAngle()函數用于驅動舵機旋轉到指定角度。在該函數中，首先根據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舵機在temp延時時間內輸出高電平，其余時間輸出低電平。通過調整延時時間和按角度分配脈沖寬度，達到驅動SG90舵機旋轉的目的。

main()函數中的for循環控制舵機從0度到180度的循環旋轉。代碼中用到了delayinit()函數和delayms()、delay_us()函數。它們是自行編寫的延時函數，可以實現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，delayinit()函數用于配置系統時鐘源和SysTick定時器，實現每個SysTick時鐘產生一個中斷的功能。delayus()函數和delayms()函數分別用于實現微秒級別和毫秒級別的延時，通過限制delayustick和delaymstick的值實現延時的效果。SysTickHandler()為中斷處理函數，每次SysTick定時器計數減1，當減到0時，相應的delayustick或delaymstick也減1，通過循環等待該值為0實現延時。

在代碼中的SG90SetAngle()函數中，需要精確控制GPIO的電平時間，使其產生相應的脈沖寬度，從而控制舵機轉動角度。因此，需要配置GPIO口的輸出模式和速度、設定delayus()函數中根據角度計算的電平時間，使得舵機能夠準確地執行旋轉。

3.2 RC522讀寫代碼

下面是基于SPI接口控制STM32F103C8T6驅動RFID-RC522模塊完成卡片識別和扇區讀寫的代碼示例。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相關操作和MFRC522庫函數，實現了讀取卡片信息和完成扇區讀寫的功能。

#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_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

解釋代碼的思路：

該代碼實現了讀取 RFID 標簽（卡片）的數據功能，主要利用 MFRC522 RFID 模塊與單片機的通信，對標簽發送指令并讀取標簽數據。整個過程主要分為以下幾步：

1. 初始化 MFRC522 模塊。
2. 檢測是否存在標簽，并獲取標簽類型和 ID 信息。
3. 在多張同種類型的標簽中，使用防沖撞機制選取一張進行操作。
4. 鑒權，使用指定的密鑰驗證對應的扇區，并獲取讀寫操作的權限。
5. 讀取數據，將指定的塊的內容讀取到緩沖區。
6. 解析標簽數據并進行相應操作，例如打印塊數據。
7. 暫停 RFID 模塊，等待下一次操作。

代碼中的注釋也詳細說明了每個函數和變量的作用和用法。

3.3 0.96寸OLED-SPI接口代碼

以下是使用STM32F103C8T6驅動SPI接口的0.96寸OLED顯示字符串的示例代碼，該代碼使用了HAL庫：

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);
}
}
11111111111111111111111