王亓劍，謝文娣，史道玲，章 華，舒敬榮，彭 霞

(安徽新華學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，安徽 合肥 230088)

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展背景下無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)越來(lái)越成熟，其主要應(yīng)用在自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域。無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)是通過(guò)讀卡器發(fā)射無(wú)線射頻信號(hào)與特定目標(biāo)建立非接觸聯(lián)系以此來(lái)獲取物體的信息。在促進(jìn)電子技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也給人們生活提供許多的便利。在日常生活中能夠隨處看見這一技術(shù)的廣泛使用，如校園一卡通就是運(yùn)用其進(jìn)行讀卡來(lái)獲取信息。在校園生活中實(shí)行一卡通，不僅可以用卡在校園進(jìn)行刷卡消費(fèi)，還能使管理人員在管理圖書館時(shí)通過(guò)一卡通判別進(jìn)入圖書館是否為本校學(xué)生[1]。此外，校園一卡通系統(tǒng)在搭建過(guò)程中，考慮到后期的靈活擴(kuò)展需求，在設(shè)備配置上留有一定的空間，以后更加智能化地管理校園生活[2]。

近年來(lái)國(guó)家大力發(fā)展教育行業(yè)，如今各大校園無(wú)論是學(xué)生還是教職工數(shù)量都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。為了更好地管理校園生活，提出基于數(shù)字化校園建設(shè)，校園一卡通在各高校得到了廣泛使用[3]。在校園生活中人們每天都要進(jìn)行飲食消費(fèi)，而在消費(fèi)時(shí)有許多支付方式，如現(xiàn)金支付、飯票支付等。在校園實(shí)行一卡通能夠給學(xué)生和教職工校園生活提供極大便利。

本設(shè)計(jì)主要用到無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)。單片機(jī)技術(shù)指的是在芯片外設(shè)接口連接所需要控制的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功能。刷卡消費(fèi)系統(tǒng)是以無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)為核心進(jìn)行刷卡操作完成消費(fèi)者的支付，在無(wú)線射頻技術(shù)上再結(jié)合單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)非接觸式IC卡能進(jìn)行模擬刷卡消費(fèi)[4]。刷卡消費(fèi)系統(tǒng)在運(yùn)行中當(dāng)有射頻卡靠近射頻模塊感應(yīng)區(qū)范圍時(shí),射頻模塊讀取射頻卡卡內(nèi)標(biāo)簽信息，并在LCD顯示屏上顯示射頻卡卡內(nèi)的相關(guān)信息[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方案

本設(shè)計(jì)主要涉及有單片機(jī)技術(shù)和無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)。在芯片外圍接口連接液晶顯示器、讀卡器和矩陣鍵盤等主要元器件來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)工作，讀卡器讀取射頻卡卡內(nèi)信息并將信息傳送給系統(tǒng)處理。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 System principle block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)指的是在外圍接口連接最少的元器件后再給予單片機(jī)芯片通電能讓單片機(jī)工作。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是晶振電路和復(fù)位電路組成。晶振電路是由兩個(gè)電容和一個(gè)晶振組成，其功能是給單片機(jī)工作提供脈沖信號(hào)。復(fù)位電路是由微動(dòng)開關(guān)、電阻和極性電容組成，其功能是當(dāng)復(fù)位鍵按下后單片機(jī)重新啟動(dòng)程序從而恢復(fù)到最初始狀態(tài)。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig.2 Single-chip minimum system

電路中XTAL1和XTAL2為反向放大器的輸入與輸出，其可以配置成片內(nèi)振蕩器。若采取外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器，XTAL2應(yīng)不接。一個(gè)機(jī)器共有12個(gè)振蕩周期，外接石英晶體振蕩器工作效率為12 MHz。

2.2 RC522讀卡器設(shè)計(jì)

采用的射頻模塊是RC522讀卡器，該讀卡器應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成度讀卡器系列芯片中的一員。RC522支持多種通信工作接口，具有奇偶校驗(yàn)功能，片內(nèi)集成溫度傳感器能夠感應(yīng)周圍溫度環(huán)境從而判斷是否發(fā)射射頻信號(hào)進(jìn)行工作。

采用RC522模塊用來(lái)讀取數(shù)據(jù)，RC522模塊在本設(shè)計(jì)中采用串行外設(shè)接口方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，主要工作原理是通過(guò)讀卡器發(fā)射射頻信號(hào)在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)尋找射頻卡，當(dāng)在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)感應(yīng)到卡時(shí)讀取卡內(nèi)信息并且將獲取的信息傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。RC522模塊與單片機(jī)連接電路圖如圖3所示。

圖3 連接電路圖Fig.3 Connect circuit diagram

2.3 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)原理

在單片機(jī)需要用到多個(gè)鍵盤時(shí)，采用矩陣結(jié)構(gòu)鍵盤是合理的方法。既能實(shí)現(xiàn)多功能按鍵，又能減少單片機(jī)的接口占用。其連接原理是依次將每一行的所有微動(dòng)開關(guān)中側(cè)面雙通的引腳一端全接在一根線上，其次再將每一列中所有的按鍵側(cè)面一端引腳接入一根線中，最后將行和列依次接入單片機(jī)引腳口，這種連接方式與獨(dú)立按鍵連接方式相比極大減少了單片機(jī)的接口使用。如16個(gè)按鍵所組成的4×4矩陣鍵盤只需用到8個(gè)單片機(jī)，引腳口比獨(dú)立式鍵盤所占用單片機(jī)引腳減少一半。本設(shè)計(jì)所涉及的刷卡消費(fèi)功能需要有多個(gè)數(shù)字按鍵，并且還需要有功能按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理。故采用4×4矩陣鍵盤能夠滿足本設(shè)計(jì)需求，并與P3口連接剛好占用一個(gè)I/O口。矩陣鍵盤電路如圖4所示。

圖4 矩陣鍵盤電路圖Fig.4 Matrix keyboard circuit diagram

2.4 水位檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)用到的AT24C02存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)卡內(nèi)信息，并采用串行總線的連接方式。存儲(chǔ)器連接電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)及流程圖

當(dāng)有按鍵按下時(shí)進(jìn)行判斷按鍵是功能按鍵還是數(shù)字按鍵，當(dāng)按下功能按鍵系統(tǒng)進(jìn)入管理員模式，在管理界面可以選擇所需要的功能，注銷功能是對(duì)射頻卡卡內(nèi)信息進(jìn)行注銷。注冊(cè)功能是對(duì)新的射頻卡卡內(nèi)寫入信息，只有射頻卡在注冊(cè)后才能進(jìn)行消費(fèi)使用，充值功能是對(duì)注冊(cè)過(guò)的射頻卡卡內(nèi)進(jìn)行余額充值。當(dāng)按下數(shù)字按鍵是對(duì)消費(fèi)者本次消費(fèi)進(jìn)行扣費(fèi)。當(dāng)沒有任何按鍵按下時(shí)顯示器會(huì)一直顯示在初始界面。主程序流程如圖6所示。

報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行中，煙霧濃度數(shù)據(jù)通過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)變處置之后，借助單片機(jī)剖析處置，對(duì)報(bào)警裝置啟動(dòng)情況做出判定。主程序還具有數(shù)碼管字符顯示作用、手動(dòng)報(bào)警作用、報(bào)警濃度設(shè)置作用，中斷子程序等，這樣報(bào)警器功能非常健全，用戶在使用時(shí)也更為方便。

一旦煙霧傳感器偵測(cè)到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧之后，會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)紸DC8032芯片中，在其中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模數(shù)的轉(zhuǎn)變，然后借助單片機(jī)來(lái)做出對(duì)應(yīng)的處理，如果煙霧濃度大于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，周圍的環(huán)境往往會(huì)隨著火勢(shì)的蔓延，溫度不斷地上升，當(dāng)檢測(cè)到的溫度到達(dá)所設(shè)定的溫度值時(shí)，蜂鳴器的響聲會(huì)變得頻繁起來(lái)，這樣的響聲持續(xù)3～5 min之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)噴水裝置來(lái)進(jìn)行滅火。

3.2 液晶顯示器流程圖

本設(shè)計(jì)所采用的顯示器硬件是帶有文字庫(kù)的LCD/2684液晶顯示器。首先對(duì)該顯示器進(jìn)行函數(shù)初始化使其能保證正常工作。然后再根據(jù)LCD12864液晶顯示器顯示地址從第一行開始依次顯示內(nèi)容。直到顯示函數(shù)掃描到末尾結(jié)束。最后依次重復(fù)對(duì)下一行進(jìn)行上述操作。液晶顯示函數(shù)流程如圖7所示。

圖7 液晶顯示函數(shù)流程圖Fig.7 Liquid crystal display function flow chart

3.3 匹配射頻卡流程圖

在本設(shè)計(jì)中最為重要的就是對(duì)射頻卡卡內(nèi)進(jìn)行信息匹配，如果這一步不能實(shí)現(xiàn)，那么就無(wú)法實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所涉及的功能，并且操作不當(dāng)可能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部信息造成混亂，會(huì)影響系統(tǒng)的安全使用。匹配卡內(nèi)信息具體有三步驟。第一，在程序中先通過(guò)讀卡器在感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)對(duì)射頻卡進(jìn)行尋找，檢測(cè)感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)是否有射頻卡，當(dāng)沒有尋找到卡將一直停留在本階段進(jìn)行尋卡，尋找到射頻卡再進(jìn)行下一步操作。第二，進(jìn)行防碰撞檢測(cè)也就是防止兩張卡一起檢測(cè)，然后選定一張射頻卡。第三，進(jìn)行密碼的匹配，對(duì)選定的卡進(jìn)行信息匹配。如果匹配成功能進(jìn)行讀卡操作，如果匹配失敗則返回。匹配射頻卡流程如圖8所示。

圖8 匹配射頻卡流程圖Fig.8 Matching RF card flow chart

4 測(cè)試

在系統(tǒng)管理界面選擇充值功能后，顯示器界面跳轉(zhuǎn)至充值界面，管理員根據(jù)持卡人所要充值金額，在輸入相應(yīng)的數(shù)字后將所需要充值的卡放在讀卡器感應(yīng)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行模擬數(shù)字充值，當(dāng)在顯示器看到充值成功信息后則此消費(fèi)卡已經(jīng)充值相應(yīng)的金額。射頻卡充值成功界面如圖9所示。

圖9 成功界面Fig.9 Successfulinterface

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在食堂進(jìn)行刷卡消費(fèi)操作基礎(chǔ)上增加了充值余額、注冊(cè)新卡、注銷等功能。此外，考慮到硬件可擴(kuò)展性，在本設(shè)計(jì)中還可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改或者添加相應(yīng)的功能操作，并可以用作其他領(lǐng)域，如公交刷卡、門禁系統(tǒng)等。