鄭文豪，錢文龍，黃河，蔡兵（通訊作者）

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053 ）

0 引言

當代大學生因自控能力差而逃課，或者在課堂上時把玩手機，導致其上課效果欠佳。因此，在課堂上禁止學生玩手機并對全班學生上課率進行考勤，是十分必要的?，F(xiàn)教室雖有手機存放袋等考勤系統(tǒng)，但由于學生人數(shù)較多，總會有極個別學生投機取巧不上交手機或提前早退，或頻繁出現(xiàn)上交模型機的情況，所以不能將全班每位學生的手機存放情況和上課率及時的反應出來。為此，本文設計了一種基于工型永久磁鐵的存放手機考勤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計如圖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、STM32、語音模塊、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、語音模塊、讀卡模塊、上位機通過有線方式依次連接。系統(tǒng)主控為STM32核心板，通過讀卡模塊對學生卡進行信息采集，通過由工型永久磁鐵構(gòu)成的霍爾傳感器模塊對模型手機進行檢測，這些信息由MCU模塊上傳至上位機，同時由顯示模塊顯示[1]。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設計圖

2 系統(tǒng)硬件設計

在存放手機考勤系統(tǒng)中，MCU模塊采用STM32作為主控芯片將語音模塊、讀卡模塊、顯示模塊、霍爾傳感器模塊共同組成一個完備的硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)對存放手機的情況信息進行采集。其中，霍爾傳感器模塊是本硬件系統(tǒng)的核心所在。以下將詳細的對這幾個模塊進行介紹。

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LM339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LM339的2腳，集成電路IC4采用CD4066開關電路，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

由于模型手機的含鐵量比真機的含鐵量高，導致施加于霍爾集成電路UGN3501T的磁場強度不同[3]，從而通過IC2、IC3比較器識別出來。

2.2 讀卡與語音模塊

讀卡模塊的芯片采用RC522芯片，三極管T1為9012，R5為1kΩ，語音模塊由三極管T1、電阻R5和揚聲器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端與語音模塊連接。在學生刷卡后，RC522讀取學生卡中的學生信息（如學生姓名、學號和班級等信息），并送到STM32F103V8T6中保存。不管是先存放手機后刷卡，還是先刷卡后存放手機，只要在2分鐘的軟件定時器定時過程中完成刷卡并存放手機，經(jīng)程序運算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個低電平，三極管T1導通，揚聲器發(fā)出“滴滴”聲，表明刷卡考勤成功。只要在2分鐘的軟件定時器定時過程中沒有完成刷卡并存放手機，經(jīng)程序運算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個高電平時，三極管T1不導通，揚聲器不發(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。通過電位器RP3調(diào)節(jié)LCD12864第3管腳電位來改變屏幕亮度，LCD12864的第15引腳直接硬件接+VCC，選擇并行方式[5]。在STM32F103V8T6接收排盒的手機存放總數(shù)后，通過STM32F103V8T6的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE14和PE15端 送 到LCD12864顯 示。STM32F103V8T6會將每堂課的全班每位學生手機存放情況和刷卡考勤信息數(shù)據(jù)打包，及時通過PA9、PA10端上傳到上位機中的教學管理系統(tǒng)平臺。

3 系統(tǒng)軟件設計

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處理器的設備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。但考慮到學習的簡易程度以及使用的方便性，本設計采用專為微控制器應用而設計的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，因此軟件設計采用模塊化設計，能使程序更加簡潔明了，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。以下簡要說明系統(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”、“復位”，對應手機存放柜的三個按鍵。系統(tǒng)上電之后各模塊進入初始化，通過按鍵即可進入“存”、“取”、“復位”三個操作之一。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，在程序設計時，首先就是初始化以及清屏，其次再接收單片機的命令，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，學生通過按下“存”手機按鍵的同時，將自己的學生卡放在刷卡區(qū)，讀卡模塊讀取學生卡中的學生信息后，將學生信息送到MCU模塊并保存，對應柜門開啟，即可存放手機，接著學生將自己的手機放進手機存放盒里并關閉柜門，手機存放盒上的霍爾傳感器模塊檢測到真機存放后，輸出一個高電平給MCU模塊進行處理，MCU模塊控制語音模塊使其發(fā)出“滴滴”二聲，表明學生刷卡考勤成功，同時將學生信息上傳到上位機中的教學管理系統(tǒng)平臺，這時顯示模塊顯示出柜體中的手機存放總數(shù)。在此過程中，每存放一只手機，顯示模塊顯示的手機存放總數(shù)增加一個1。

在上述存放手機過程中，如果學生只存放手機而不刷學生卡（即沒有讀取學生信息），或者只刷學生卡而不存放手機或存放為模型機（即沒有檢測到一個上升沿），則經(jīng)MCU模塊不會把學生信息上傳到上位機中的教學管理系統(tǒng)平臺。此時語音模塊也不發(fā)出“滴滴”二聲，表明學生刷卡考勤不成功。若用NFC手機讀取學生卡中的學生信息（如姓名、學號等），且NFC手機被設置成卡模擬模式。這時，NFC手機能替代學生卡在刷卡區(qū)刷卡考勤[7]。

學生在將手機存放在手機存放盒完畢后，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，學生需按下“取”按鍵并再次刷卡進行信息對比，成功后可將手機從手機存放盒中取出。每取出一只手機，顯示模塊顯示的手機存放總數(shù)減少一個1。與此同時，MCU模塊中的程序會進行8分鐘的軟件定時。若在定時時間內(nèi)學生還沒有將手機放回手機存放盒，所述MCU模塊控制所述語音模塊不斷發(fā)出報警提示音，迫使這位學生將手機再次存放于手機存放盒里。

下課后，任課老師按下“復位”鍵，系統(tǒng)會將本次課程考勤的所有數(shù)據(jù)清除同時打開所有柜門，顯示屏上手機存放數(shù)清零。等待學生全部取出手機后，利用鎖具關閉柜體的有機玻璃門，等待對下一個班級學生的考勤。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)設計主要利用性能較為強大的STM32單片機對讀卡信息和霍爾傳感器的電平信息進行處理，采用工型永久磁鐵識別模型手機，通過控制蜂鳴器提醒學生上交手機，最后利用顯示屏把主要信息進行智能化顯示。因此擁有較強的實用價值。該系統(tǒng)擁有完備的功能，具有實用性和高可靠性，特別是在對模型機的監(jiān)控上，擁有獨創(chuàng)的技術方法，在信息化教育領域中，具備一定的市場前景。在當今的社會形勢下，此系統(tǒng)將會極大提高學生們的課程學習效率，最終使學生們都能為今后的社會開拓屬于自己的一番領域。