鄭文豪，錢文龍，黃河，蔡兵（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053 ）

0 引言

當(dāng)代大學(xué)生因自控能力差而逃課，或者在課堂上時(shí)把玩手機(jī)，導(dǎo)致其上課效果欠佳。因此，在課堂上禁止學(xué)生玩手機(jī)并對(duì)全班學(xué)生上課率進(jìn)行考勤，是十分必要的。現(xiàn)教室雖有手機(jī)存放袋等考勤系統(tǒng)，但由于學(xué)生人數(shù)較多，總會(huì)有極個(gè)別學(xué)生投機(jī)取巧不上交手機(jī)或提前早退，或頻繁出現(xiàn)上交模型機(jī)的情況，所以不能將全班每位學(xué)生的手機(jī)存放情況和上課率及時(shí)的反應(yīng)出來(lái)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于工型永久磁鐵的存放手機(jī)考勤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)由工型永久磁鐵、霍爾傳感器模塊、上位機(jī)、STM32、語(yǔ)音模塊、顯示模塊、讀卡模塊組成；工型永久磁鐵、霍爾傳感器模塊數(shù)量相等；MCU模塊分別與霍爾傳感器模塊、顯示模塊、語(yǔ)音模塊、讀卡模塊、上位機(jī)通過(guò)有線方式依次連接。系統(tǒng)主控為STM32核心板，通過(guò)讀卡模塊對(duì)學(xué)生卡進(jìn)行信息采集，通過(guò)由工型永久磁鐵構(gòu)成的霍爾傳感器模塊對(duì)模型手機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，這些信息由MCU模塊上傳至上位機(jī)，同時(shí)由顯示模塊顯示[1]。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在存放手機(jī)考勤系統(tǒng)中，MCU模塊采用STM32作為主控芯片將語(yǔ)音模塊、讀卡模塊、顯示模塊、霍爾傳感器模塊共同組成一個(gè)完備的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存放手機(jī)的情況信息進(jìn)行采集。其中，霍爾傳感器模塊是本硬件系統(tǒng)的核心所在。以下將詳細(xì)的對(duì)這幾個(gè)模塊進(jìn)行介紹。

2.1 霍爾傳感器模塊的構(gòu)成與原理

霍爾傳感器模塊中的集成電路IC1采用線性型霍爾集成電路UGN3501T[2]，電阻R1為10k，電阻R2為5k，可調(diào)電阻RP1和可調(diào)電阻RP2都為100k，電阻R3為5k，電阻R4為5k，集成電路IC2和集成電路IC3采用LM339比較器, 集成電路IC2的同相端選用LM339的7腳，集成電路IC2的反相端選用LM339的6腳，集成電路IC2的輸出端為L(zhǎng)M339的1腳，集成電路IC3的同相端選用LM339的5腳，集成電路IC3的反相端選用LM339的4腳，集成電路IC3的輸出端為L(zhǎng)M339的2腳，集成電路IC4采用CD4066開關(guān)電路，集成電路IC4的輸入端選用CD4066的1端，集成電路IC4的輸出端選用CD4066的2端，集成電路IC4的控制端選 用CD4066的13端，CD4066的輸入端1端接地。其硬件連接圖如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器模塊具體集成電路連接圖

由于模型手機(jī)的含鐵量比真機(jī)的含鐵量高，導(dǎo)致施加于霍爾集成電路UGN3501T的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同[3]，從而通過(guò)IC2、IC3比較器識(shí)別出來(lái)。

2.2 讀卡與語(yǔ)音模塊

讀卡模塊的芯片采用RC522芯片，三極管T1為9012，R5為1kΩ，語(yǔ)音模塊由三極管T1、電阻R5和揚(yáng)聲器BY組成。其硬件連接圖如圖3所示。

圖3 STM32F103V8T6與RC522電路具體連接圖

圖3中的STM32F103V8T6的PB12、PB13、PB14、PB15、PC7端分別與RC522的SDE、D5、D7、D6、/RST端相連。讀卡模塊中的RC522與STM32F103V8T6之間的通信采用SPI模式，RC522的EA端硬件接高電平，RC522的I2C端硬件接低電平，讀卡模塊采用市售的讀卡模塊。STM32F103V8T6的PE1端與語(yǔ)音模塊連接。在學(xué)生刷卡后，RC522讀取學(xué)生卡中的學(xué)生信息（如學(xué)生姓名、學(xué)號(hào)和班級(jí)等信息），并送到STM32F103V8T6中保存。不管是先存放手機(jī)后刷卡，還是先刷卡后存放手機(jī)，只要在2分鐘的軟件定時(shí)器定時(shí)過(guò)程中完成刷卡并存放手機(jī)，經(jīng)程序運(yùn)算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個(gè)低電平，三極管T1導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出“滴滴”聲，表明刷卡考勤成功。只要在2分鐘的軟件定時(shí)器定時(shí)過(guò)程中沒有完成刷卡并存放手機(jī)，經(jīng)程序運(yùn)算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個(gè)高電平時(shí)，三極管T1不導(dǎo)通，揚(yáng)聲器不發(fā)出“滴滴”聲，表明刷卡考勤不成功[4]。

2.3 顯示模塊

顯示模塊的芯片采用LCD12864芯片，可調(diào)電位器RP3為100kΩ。其硬件連接圖如圖4所示。

圖4 STM32F103V8T6與LCD12864電路具體連接圖

圖2給出了MCU模塊中的STM32F103V8T6的PB5、PB6、PB7、PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE14和PE15端 分 別 與LCD12864的 第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14引腳的具體電路連接。通過(guò)電位器RP3調(diào)節(jié)LCD12864第3管腳電位來(lái)改變屏幕亮度，LCD12864的第15引腳直接硬件接+VCC，選擇并行方式[5]。在STM32F103V8T6接收排盒的手機(jī)存放總數(shù)后，通過(guò)STM32F103V8T6的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE14和PE15端 送 到LCD12864顯 示。STM32F103V8T6會(huì)將每堂課的全班每位學(xué)生手機(jī)存放情況和刷卡考勤信息數(shù)據(jù)打包，及時(shí)通過(guò)PA9、PA10端上傳到上位機(jī)中的教學(xué)管理系統(tǒng)平臺(tái)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所使用的STM32F1系列常用的開發(fā)工具主流為主要為IAR EWARM和Keil MDK，這兩者都為基于ARM7、ARM9、Cortex-R4、Cortex-M處理器的設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。但考慮到學(xué)習(xí)的簡(jiǎn)易程度以及使用的方便性，本設(shè)計(jì)采用專為微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)的Keil MDK作為軟件的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

本系統(tǒng)除使用STM32F103V8T6外，還使用了較多外設(shè)，因此軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，能使程序更加簡(jiǎn)潔明了，主要包含主程序、顯示子程序、中斷子程序、射頻控制子程序等。以下簡(jiǎn)要說(shuō)明系統(tǒng)主程序以及顯示子程序[6]。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序流程圖主要分為三部分，分別為“存”、“取”、“復(fù)位”，對(duì)應(yīng)手機(jī)存放柜的三個(gè)按鍵。系統(tǒng)上電之后各模塊進(jìn)入初始化，通過(guò)按鍵即可進(jìn)入“存”、“取”、“復(fù)位”三個(gè)操作之一。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

3.2 顯示子程序

顯示子程序的作用主要是根據(jù)單片機(jī)的指令按照需求將要顯示的內(nèi)容呈現(xiàn)在液晶顯示屏上。為避免LCD12864顯示出現(xiàn)亂碼，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先就是初始化以及清屏，其次再接收單片機(jī)的命令，顯示出所需畫面。顯示子程序流程圖如圖6所示。

結(jié)合圖5、圖6流程圖，系統(tǒng)上電后，初始化LCD12864顯示程序，外部中斷等應(yīng)用程序后，等待判斷按鍵狀態(tài)。

圖5 主程序流程圖

圖6 子程序流程圖

在教室上課前10分鐘，學(xué)生通過(guò)按下“存”手機(jī)按鍵的同時(shí)，將自己的學(xué)生卡放在刷卡區(qū)，讀卡模塊讀取學(xué)生卡中的學(xué)生信息后，將學(xué)生信息送到MCU模塊并保存，對(duì)應(yīng)柜門開啟，即可存放手機(jī)，接著學(xué)生將自己的手機(jī)放進(jìn)手機(jī)存放盒里并關(guān)閉柜門，手機(jī)存放盒上的霍爾傳感器模塊檢測(cè)到真機(jī)存放后，輸出一個(gè)高電平給MCU模塊進(jìn)行處理，MCU模塊控制語(yǔ)音模塊使其發(fā)出“滴滴”二聲，表明學(xué)生刷卡考勤成功，同時(shí)將學(xué)生信息上傳到上位機(jī)中的教學(xué)管理系統(tǒng)平臺(tái)，這時(shí)顯示模塊顯示出柜體中的手機(jī)存放總數(shù)。在此過(guò)程中，每存放一只手機(jī)，顯示模塊顯示的手機(jī)存放總數(shù)增加一個(gè)1。

在上述存放手機(jī)過(guò)程中，如果學(xué)生只存放手機(jī)而不刷學(xué)生卡（即沒有讀取學(xué)生信息），或者只刷學(xué)生卡而不存放手機(jī)或存放為模型機(jī)（即沒有檢測(cè)到一個(gè)上升沿），則經(jīng)MCU模塊不會(huì)把學(xué)生信息上傳到上位機(jī)中的教學(xué)管理系統(tǒng)平臺(tái)。此時(shí)語(yǔ)音模塊也不發(fā)出“滴滴”二聲，表明學(xué)生刷卡考勤不成功。若用NFC手機(jī)讀取學(xué)生卡中的學(xué)生信息（如姓名、學(xué)號(hào)等），且NFC手機(jī)被設(shè)置成卡模擬模式。這時(shí)，NFC手機(jī)能替代學(xué)生卡在刷卡區(qū)刷卡考勤[7]。

學(xué)生在將手機(jī)存放在手機(jī)存放盒完畢后，如果在其后，比如在第一節(jié)和第二節(jié)課之間的10分鐘休息期間需要取出手機(jī)，學(xué)生需按下“取”按鍵并再次刷卡進(jìn)行信息對(duì)比，成功后可將手機(jī)從手機(jī)存放盒中取出。每取出一只手機(jī)，顯示模塊顯示的手機(jī)存放總數(shù)減少一個(gè)1。與此同時(shí)，MCU模塊中的程序會(huì)進(jìn)行8分鐘的軟件定時(shí)。若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)學(xué)生還沒有將手機(jī)放回手機(jī)存放盒，所述MCU模塊控制所述語(yǔ)音模塊不斷發(fā)出報(bào)警提示音，迫使這位學(xué)生將手機(jī)再次存放于手機(jī)存放盒里。

下課后，任課老師按下“復(fù)位”鍵，系統(tǒng)會(huì)將本次課程考勤的所有數(shù)據(jù)清除同時(shí)打開所有柜門，顯示屏上手機(jī)存放數(shù)清零。等待學(xué)生全部取出手機(jī)后，利用鎖具關(guān)閉柜體的有機(jī)玻璃門，等待對(duì)下一個(gè)班級(jí)學(xué)生的考勤。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要利用性能較為強(qiáng)大的STM32單片機(jī)對(duì)讀卡信息和霍爾傳感器的電平信息進(jìn)行處理，采用工型永久磁鐵識(shí)別模型手機(jī)，通過(guò)控制蜂鳴器提醒學(xué)生上交手機(jī)，最后利用顯示屏把主要信息進(jìn)行智能化顯示。因此擁有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)擁有完備的功能，具有實(shí)用性和高可靠性，特別是在對(duì)模型機(jī)的監(jiān)控上，擁有獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)方法，在信息化教育領(lǐng)域中，具備一定的市場(chǎng)前景。在當(dāng)今的社會(huì)形勢(shì)下，此系統(tǒng)將會(huì)極大提高學(xué)生們的課程學(xué)習(xí)效率，最終使學(xué)生們都能為今后的社會(huì)開拓屬于自己的一番領(lǐng)域。