基于单片机的RFID消费管理系统设计毕业论文.docx
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基于单片机的RFID消费管理系统设计毕业论文
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摘要
为了解决小面值传统货币流通频繁对人体健康带来的隐患，又不能同时满足小额交易消费时间短而安全的要求，且需要办理业务充值的手机用户总体又趋于饱和状态的问题。
利用单片机STC89C52为核心控制器，本文设计了一款基于单片机的RFID消费管理系统。
采用无线射频识别方式对IC卡进行数据采集，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信。
其中，MFRC522射频识别模块对IC射频卡进行卡内数据信息识别，4×4矩阵键盘调控LCD12864液晶器显示IC卡的卡号、消费金额、卡内实时余额和管理系统界面，并将卡内数据信息实时存储到AT24C02存储芯片中。
其中0~9数字按键用于输入充值金额、消费金额及密码，功能按键分别为管理键、上下菜单切换键、确认键、返回上一级菜单键以及退格清除键。
结果表明，本设计制造成本低、结构简单且性能优良。
通过软件与硬件方面的调试，预期功能可以全部实现，在技术上完全可行。
它能够同时满足小额消费货币流动频繁，消费次数大的特色以及消费时间短且安全的特点。
本设计可以大量节省小面额的交易时间，并且能够杜绝传统货币流通对人体健康带来的隐患。
关键词：
RFID技术；单片机；IC卡；电子数据；液晶显示屏
Abstract
Inordertosolvethehiddendangerbroughtbythefrequentcirculationoftraditionalcurrencyofsmalldenominationtohumanhealth,traditionalcurrencycannotmeettherequirementsofshortandsafeconsumptionofsmallamountofmoneyatthesametime,andmobilephoneuserswhoneedtohandlebusinessrechargetendtobesaturatedonthewhole.
UsingSTC89C52asthecorecontroller,thispaperdesignsaRFIDconsumptionmanagementsystembasedonMCU.TheICcardiscollectedbymeansofradiofrequencyidentification,andthenon-contacttwo-waydatacommunicationiscarriedoutbymeansofradiofrequencyidentification.Amongthem,MFRC522modulecarriesoutdataidentificationonICcard.4×4matrixkeyboardregulatesthecardnumber,consumptionamount,real-timebalanceandmanagementsysteminterfaceofLCD12864ICcard,andstoresreal-timedatainthecardtoAT24C02memorychip.Amongthem,0~9digitalkeysareusedforenteringrechargeamount,consumptionamountandpasswordmodification.Thefunctionkeysaretoenterthemanagementsystem,switch,confirm,returntotheuppermenuandbackspacerespectively.
Theresultsshowthatthedesignhastheadvantagesoflowcost,simplestructureandexcellentperformance.Throughthedebuggingofsoftwareandhardwareandthesimulationexperiment,itisfeasibleintechnology.Theexpectedfunctionscanbefullyrealized,whichcansimultaneouslymeetthecharacteristicsoffrequentflowofsmallconsumptionmoney,largeconsumptiontimesandtherequirementofconsumptiontimeasshortaspossibleandsafe.Thisdesigncansavealotofsmalldenominationtradingtime,andcanputanendtothetraditionalcurrencycirculationtohumanhealth.
Keywords:
RFIDtechnology;singlechip;ICcard;electronicdata;LCD
引言
近几年随着国内手机用户的高速增长，国内三大电信运营商的竞争日渐激烈。
目前国内手机用户总体趋于饱和状态，联通公司需要办理业务充值的用户也越来越多。
小额消费有货币流动频繁、消费次数大的特色并要求消费时间短且安全，传统的货币在小额消费中明显难于很好满足这些要求。
为了解决这一问题，设计了一款基于单片机的RFID消费管理系统。
RFID技术相较于其他的感知技术具备无需接触、无需可视、可完全自动识别化等优势。
在工作环境、信息采集距离、读取速度，可读写性方面的限制相对较低[1]。
本设计以电子数据代替传统的货币进行快速的小额消费，可以节省大量的交易时间，杜绝小面值实体货币流通对人体健康带来的隐患。
它与现有的识别系统相比，RFID射频识别可以通过无线通信反复阅读和记录，保密性好、环境适应性高、寿命长。
无线射频卡进入读卡器射频范围内，天线的感应电流通过电压上升成为芯片的电源，感应电流和信息被数字信号逻辑控制，通过无线传送，覆盖了射频电路，信息处理电路和信息通过存储装置发送。
无源IC卡通过天线获得了足够的能量，才能在读卡器天线产生的磁场中启动。
国内RFID技术的领先地位在全球范围内得到了广泛的应用，推出了一系列的RFID产品，但这些产品差异微小、性能基本相同，结构都是读卡器芯片加单片机[2]。
我国已经推出了一批读写功能可以达到发达国家同等水平的RFID读写器，目前正在开发高性能的读写模块以及读写系统。
我国目前的RFID技术在各个领域上都有了广泛应用，在未来国内越来越多的RFID企业将在超高频领域上深入研究，并且会和世界领先的企业竞争市场占比率[3]。
虽然在超高频RFID领域，我国与世界领先的企业暂时有很大的距离，但随着许多领域持续地推广和不断地高速发展，我国未来RFID领域的关键突破口将取决于超高频RFID技术[4]。
国外RFID技术发展历史悠久，且发展速度也日渐提升。
目前RFID技术广泛应用于美国的交通、车辆管理、身份证、生产线自动化控制等领域。
美国有很多RFID企业将技术投入到不同的生活领域中，日本也一直在探索电子标签领域，2004年3月，日本发表了一份关于RFID的报告，无源和有源电子标签将继续得到支持。
电子标签的体积将更小，成本也将越来越低。
其次，识别距离会更长，无源的RFID标签也可达到数十米[5]。
目前RFID系统制造成本不断降低，高频技术不断完善，RFID高频系统的应用会越来越广泛，RFID高频系统将成为产业发展的重心[6]。
在我国，目前RFID系统在中国的各个领域广泛应用，随着金卡的建设深入，得到了初步的社会效果。
政府的管理和支持力度持续地加强，技术发展水平不断地提高，国内品牌将快速发展并限制国外品牌的市场占有率。
未来几年，RFID卡系统在我国的应用将进入深入发展的阶段，RFID技术将向世界领先的RFID企业靠近，实现快速赶超，且市场结构也将越来越成熟[7]。
但其识别功能技术和制造技术的落后大大限制了我国RFID无线射频卡产业的发展。
特别是在保密性和安全性方面，对金融业提出了更高的要求，对我国金卡项目的实施和发展有一定的局限性，特别是技术高端的CPU卡和非接触式RFID智能射频卡的普及应用推广，具有重要意义[8]。
本设计将重点解决系统的硬件设计，选择合适的单片机、液晶显示屏、读卡器、矩阵键盘等；系统能够通过MFRC522射频识别模块对IC射频卡进行卡内数据识别；4×4矩阵键盘能够调控LCD12864液晶显示IC卡的卡号、消费金额、卡内实时余额和管理系统界面，并将卡内数据实时存储到AT24C02存储芯片中。
其中0~9数字按键用于输入充值金额、消费金额及修改密码，功能按键分别为管理键、上下菜单切换键、确认键、返回上一级菜单键，退格清除键。
本篇文章共分为四个章节，主要内容如下。
第一章重点说明了系统的方案设计，主要阐述了系统的功能和设计要求，并根据设计目的选择合适的数据识别方式，做出了系统的总体方案设计框图。
第二章介绍了基于单片机的RFID消费管理系统设计的硬件设计，其中包含各个模块的设计原理，并根据系统的设计要求选择最适合本设计的主控模块和硬件模块，本章重点介绍了各个模块的电路设计。
第三章讲述了系统的软件设计，简要介绍了系统的开发环境和系统流程图。
第四章是基于单片机的RFID消费管理系统设计的调试部分，囊括了系统的硬件测试以及软件测试，并就本设计出现的问题，做了简单的论述以及解决办法。
1系统方案设计
1.1方案论证与选择
方案一：
选用条形码识别方式。
条形码技术的应用范围十分广泛，条形码可以印刷在物品表面，生产非常方便，成本极低。
但是条形码所包含的信息有一定的局限性，扫描仪要想准确阅读必须正对着条形码中心，并且不能有障碍，条形码阅读器在一段时间内只能读取一个标签，无法快速识别数据，并且当条形码被弄脏或弯曲后很难读取。
方案二：
选用RFID射频识别方式。
RFID可以在指定范围内读取标签，不需要接触标签。
通过射频信号自动识别目标并获取数据，在各种恶劣条件下都可以正常工作，且不需要人工参与。
RFID技术可以识别高速运行的目标和多个标签。
操作简单快捷、扫描、读写速度快。
RFID标签可以将信息储存在其中，转变为数字信号，从而避免了常规的非暴力的破坏，且RFID识别卡片可以重复利用、重复读写[9]。
首先确定RFID系统的工作频率，选择相应的电子标签和读写芯片，选择适合单片机的芯片，一般RFID应用系统由读卡器、天线和RFID卡组成。
其中，读卡器通常是用电脑终端进行RFID数据读取并保存卡片数据。
天线决定了RFID卡和读卡器之间的通信媒介及方式。
方案三：
选用磁卡识别方式。
磁卡外部有金属触点，该触点直接接触磁卡适配器插座，该插座与磁卡中的集成电路进行信息处理和交互。
磁卡通过本身的磁性载体记录信息，磁卡的材料分为高强度的耐高温塑料和纸质包装塑料两种。
此外，磁卡具有防潮和耐磨性、使用方便、价格低廉以及用途广泛。
磁卡在线圈中产生感应电动势，传输被记录的信号。
磁卡通过磁条进行数据存储，只有与读卡器接触时，才能读取卡内信息[10]。
与传统的接触IC卡、磁卡相比，射频卡具有非接触、操作方便、读写频率高、使用寿命长和安全防冲撞等优点。
因此，本设计选用方案二，选用RFID射频识别方式。
1.2设计要求
（1）采用一个不需要复杂运算的核心控制器为基础；
（2）采用能够准确快速检测IC射频卡、并进行卡内数据采集的读卡器；
（3）采用液晶显示屏显示卡号、充值和扣费金额及管理系统界面，刷卡能实时显示卡号和卡内余额；
（4）需要16个按键，其中包含0~9数字按键、管理、上下菜单切换、返回上一级菜单、确认和退格6个功能按键；
（5）需要简单操作的存储芯片，能够实时存储卡内数据信息。
1.3功能设计
（1）4×4矩阵键盘能够调控LCD12864液晶显示IC卡的卡号、扣费金额、卡内实时余额和管理系统界面；
（2）将卡靠近读卡器，液晶显示屏显示该卡卡号、卡内余额；
（3）刷卡输入相应的消费金额，实时显示消费后的余额，若是余额不足会提示并显示余额；
（4）进入注册界面，刷卡可以直接注册，会提示注册成功并显示该卡卡号；如果该卡已经注册过，则会提示该卡已是会员卡；
（5）进入注销界面，刷卡可以直接注销，会提示注销成功并显示该卡卡号；若该卡不是会员卡，则会提示不是会员卡；
（6）进入充值界面，刷卡并输入相应的充值金额，即可成功充值并实时显示充值后的余额；
（7）进入修改密码界面，修改密码之前需要输入旧密码，并且需要输入两次新密码，防止输入错误；
（8）卡内的数据信息实时存储在AT24C02芯片中。
实现以上功能，本设计要由电源、单片机、RFID射频卡、读卡器、液晶显示屏、按键、存储芯片七部分组成。
单片机主控模块驱动MFRC522读卡器，将IC卡初始化，并对卡号进行数据采集，当MFRC522读卡器检测到有卡靠近，读取IC卡数据信息送至单片机，等待单片机处理。
当扫描到有按键按下时，通过LCD显示模块显示卡内数据信息及管理系统界面，并通过AT24C02存储模块对卡内数据信息进行实时存储。
其中矩阵键盘包括0~9数字按键及管理键、上下切换菜单、确认、返回上一级菜单、退格6个功能键。
系统总体设计框图如图1.1所示。
图1.1系统总体设计框图
总电源通电后，单片机通过驱动MFRC522读卡器读取IC卡数据信息扫描按键，对数据进行处理，经转换后输出给液晶显示电路，并将IC卡数据信息存储在AT24C02芯片中，从而完成该系统的运行。
2硬件电路设计
2.1单片机电路设计
2.1.1单片机型号选择
方案一：
采用STC89C52单片机作为主控芯片。
STC89C52是一款高性能八位CMOS微处理器、低功耗、片内具有8k在线编程Flash存储器[11]。
采用的是MCS-51内核，指令完全兼容MCS-51，STC89C52比STC89C51多了一个定时器，在串行通信中可以设置更高的波特率，可以说STC89C52是STC89C51的增强型，STC89C52单片机具有的开发简单、可在线编程下载、成本低，是非常不错的选择。
方案二：
采用MSP430单片机作为主控芯片。
MSP430系列单片机具有16位能量消耗超低和精简指令集。
一般来说，需要使用电池供电的设备仪表使用该系列的单片机。
但是开发难度相对比较大、价格昂贵。
由于STC89C52具有8K内存，开发简单、可在线编程下载、成本低，可以充分满足设计要求，因此，选择方案一，采用STC89C52单片机作为主控芯片。
STC89C52单片机实物图如图2.1所示。
图2.1STC89C52单片机实物图
STC89C52单片机主要参数：
（1）工作电压：
3.3V～5.5V；
（2）工作频率范围：
0～40MHz；
（3）内部ROM存储器：
8K；集成512字节RAM。
2.1.2单片机电路
单片机电路原理图如图2.2所示。
图2.2单片机电路原理图
2.1.3单片机的引脚说明
在本设计中，采用的封装形式为直插式的PDIP40，STC89C52一共具有40只引脚，其中可以对32只引脚进行控制。
单片机P3口第二功能如表2.1所示。
表2.1单片机P3口第二功能表
I/O引脚名称
第二功能引脚名称
第二功能
P3.0
RXD
串行通信接收
P3.1
TXD
串行通信发送
P3.2
INT0
外部中断0
P3.3
INT1
外部中断1
P3.4
T0
定时/计数器0
P3.5
T1
定时/计数器1
P3.6
WR
外部写选通信号
P3.7
RD
外部读选通信号
2.1.4单片机的最小系统
最小系统一般包括：
电源电路、晶振电路、复位电路。
由于本设计中52单片机的工作电压为5V，所以电源部分采用了USB电源线，可以连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。
在晶振电路中有两个独立的反相放大器，可以作为单片机的内部振荡器，图2.3采用的是内部时钟模式。
与其连接的两个电容C1和C3会对振动频率起微小作用，进而起到调节频率的效果。
晶振电路原理图如图2.3所示。
图2.3晶振电路原理图
复位电路分为上电自动复位、手动按键复位。
电容C2两端的电压在上电时不会快速变化。
此时，电容的负端连接到RST，并且电压全部施加到电阻R1，RST输入高电平，芯片复位。
由于之后5V直流电源对电容供电，导致电阻两端电压不断降低，直到变为0的时候芯片开始照常工作[12]。
复位电路原理图如图2.4所示。
图2.4复位电路原理图
2.2显示模块电路设计
方案一：
采用LED数码管动态扫描显示。
LED数码管集中显示数字，使用动态扫描法与单片机连接时，使用的I/O线较少、电路简单、但适合数字或简单的文字显示，本设计需要显示的数据较多，采用数码管无法完全实现显示功能。
方案二：
采用LCD12864液晶显示屏。
LCD12864液晶显示屏中的汉字库是由16×16点阵组成，字符集是由16×8点阵组成。
与传统的LED数码管显示器相比，LCD显示模块具有电压低、功耗低、显示内容丰富等优点，而且无需外加驱动电。
需要5V的电压工作，通过单片机输出数字信号，设置的字符通过液晶显示屏显示，可以采用并行数据传输也可以采用串行数据传输[13]。
根据本设计显示内容较大，LCD12864分辨率为128×64，且低功耗低电压。
因此，选择方案二，采用LCD12864液晶作为本设计的显示屏。
另外在本电路中，设置了电位器，其功能为调节液晶显示器的对比度，即亮度。
LCD12864电路原理图如图2.5所示。
图2.5LCD12864电路原理图
2.3读卡器设计
MFRC522是非接触式、低电压、低成本以及体积小的13.56MHz读写卡芯片。
MFRC522读卡器能够很好的与STC89C52单片机融合。
MFRC522是一种高度集成的射频模块，它的识别过程包括识别、由防冲撞检测循环读取卡号、激活IC卡、对指定的区域进行认证（通常为3次）、能够对卡进行读写操作、对数据的加减值操作、将模块中的数据传至数据寄存器中储存、将数据寄存器中的数据转至模块中，让模块进入休眠状态或工作进入暂停状态等[14]。
MFRC522具有低电压、低成本、体积小以及非接触的优点，符合设计方案的实际需求，因此采用MFRC522读卡器作为射频识别系统的读写模块。
MFRC522读卡器电路原理图如图2.6所示。
图2.6MFRC522读卡器电路原理图
2.4RFID射频卡设计
接触式射频卡在七八年前使用较多，接触式射频卡的芯片通常都在表面，所以很容易损坏。
而非接触式射频卡，则是将芯片和线圈封装在卡内，不容易损坏，所以在当今颇受欢迎，且可靠性高。
方案一：
选用ID射频卡。
ID卡只可读不可修改，芯片内的数据是预先写入的唯一序列编号，且不可修改。
因此使用ID卡识别数据只是读取ID卡内的序列编号进行身份识别，其使用原理和磁条卡的差异不大。
方案二：
选用MIFARES50型IC射频卡。
IC卡可以搭载复杂的信息精准的传送识别。
可根据用户需求设置权限，卡内记录内容可反复修改擦写。
每张卡内都有唯一的32位序列号，能保证卡内数据信息的安全性，抗干扰能力强并可以防止多张卡片同时识别[15]。
考虑到安全问题，由于IC卡数据内容可以通过密码进行保护，使其内容不易被伪造和篡改。
因此，本设计选用方案二，选用可靠性高，成本低的非接触式S50型IC射频卡。
MIFARES50型IC卡主要参数：
（1）工作频率：
13.56MHZ；
（2）通信速度：
106KBPS；
（3）读写距离：
10CM以内。
2.5数据存储芯片设计
本设计的存储芯片采用的是型号为AT24C02的存储芯片。
AT24C02是一个2K位串行CMOSEEPROM，芯片内部总容量为256个8位字节，采用CMOS技术，从而减少了元件的功耗。
另外AT24C02具备16字节页缓冲器。
该器件通过总线接口进行操作，有一个专门的保护功能[16]。
单片机内部的EEPROM，在数据存储的过程中不易操作，AT24C02是专门的数据存储芯片，并且有专门的保护功能。
因此，采用AT24C02存储芯片。
AT24C02存储芯片主要参数：
（1）类型：
可擦除只读存储器；
（2）次数：
1000000次；数据保存：
100年。
2.6按键电路设计
在矩阵键盘每条行线和列线的交点加入一个按键，采用4条行线，4条列线，这样就有16个按键[17]。
按键部分实现了对电路的控制，K5键为管理键，按下K5键直接进入管理系统界面，此时液晶显示屏第一列显示RFID管理系统；第二行显示注册、修改密码；第三行显示注销、退出管理、第四行显示充值。
此时可以根据K9键和K13键切换菜单，分别为切换上一项、切换下一项；K16键为确定输入或确定菜单选项设置；K17键为退出键，按下后可以返回上一级菜单；K15、K2、K3、K4、K6、K7、K8、K11、K12分别为0~9数字按键，用于输入充值金额、扣费金额和修改密码；K14键为退格键，在输入数字过程中输错时，可以清除输入的最后一位。
本设计需要按键较多，矩阵键盘又能够减少I/O口的占用，因此采用矩阵键盘是非常合理的。
矩阵键盘电路原理图如图2.7所示。
图2.7矩阵键盘电路原理图
3系统软件设计
3.1软件程序设计
在单片机的控制系统中，数据处理包括数据收集、数字处理、数据转换和显示处理；过程控制程序主要通过根据特定方法计算然后输出信号来控制生产。
在设计软件以执行上述任务时，整个过程分为几个部分，并将每个部分称为模块。
所谓的“模块”本质上是一个执行特定功能的相对独立的程序段。
3.2Keil软件开发
KeiluVision4，它同时支持WINXP和WIN7等多种操作系统，内含强大开发工具，可以进行编译、连接、调试以及仿真等所有研发过程Keil提供的开发解决方案具有很强的完整性、实用性，其中包括编译器、宏汇编、链接器、库管理和仿真器调试器[18]。
KeiluVision4软件开发流程图如图3.1所示。
图3.1KeiluVision4软件开发流程图
3.3系统程序流程图
系统程序流程图如图3.2所示。
图3.2系统程序流程图
系统程序流程：
上电初始化，RC522读卡器复位，读卡器读取IC卡，如果进行卡内扣费，按下矩阵键盘中的数字按键输入扣费金额进行扣费，卡内实时余额通过LCD12864液晶显示屏显示；若不进行卡内扣费，进入管理系统选择功能界面，按下矩阵键盘中的功能键并刷卡，可以完成注册、注销、充值、修改密码功能，成功操作后提示语将会通过LCD12864液晶显示屏显示，并将数据信息实时存储在AT24C02中，完成操作后等待IC卡离开读卡器，操作结束。
LCD显示流程图如图3.3所示。
图3.3LCD显示流程图
LCD显示流程：
上电初始化，设置显示位置，显示字符，将实时采集的数据显示在LCD12864液晶显示屏上。
MFRC522读卡器流程图如图3.4所示。
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