【《基于RFID射频技术的智能消费充值系统的硬件和软件设计案例》8000字】

基于RFID射频技术的智能消费充值系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8462第一章基于RFID射频技术的智能消费充值系统的硬件设计 11001.1主控芯片及最小系统 2216911.1.1主控芯片 293741.1.2复位电路 388141.1.3晶振电路 492171.2液晶显示屏12864 592031.3RC522射频元件 6299631.4非接触IC卡（M1） 11128391.5LED电路 13164111.6蜂鸣器电路 147941.7按键电路 1532127第二章基于RFID射频技术的智能消费充值系统的软件设计 16261982.1RFID射频智能消费充值系统总流程图设计 16320442.2RFID射频智能消费充值软件的设计 18307982.2.1充值模块设计 18278832.2.2消费模块设计 20118352.2.3信息查询模块 21228512.2.4注册与注销模块 22第一章基于RFID射频技术的智能消费充值系统的硬件设计RFID以STC89C52单片机为核心器件，结合按键电路，RC522刷卡模块，LCD显示屏，声光报警电路，断电备份电路，采用单片机灵活编程设计和丰富的I/O口，实现了无线通信的功能。1.1主控芯片及最小系统1.1.1主控芯片AT89C52是一种低压高性能CMOS8位微处理器，它配备了4K字节的闪存(FPEROM-闪存可编程和可启用的只读存储器)，通常被称为MCU。AT89C2051是一个单片机可编程只读存储器K2字节闪存过程。单片机封装如图3-1·与MCS-51兼容·4K字节可编程FLASH存储器·寿命：1000写/擦循环·数据保留时间：10年·全静态工作：0Hz-24MHz·三级程序存储器锁定·128×8位内部RAM·32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路本系统采用的STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图3-1单片机封装1.1.2复位电路复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。为确保微机系统中电路稳未定可靠工作，复位可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为2.75〜5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC上电时，只有VCC超过2.75V，低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。为了确保本设计系统中的电路能够可靠、稳定的工作，复位电路是必不可少的一部分。复位电路是一种能够让电路恢复到起始状态的电路设备，原理类似于计算机的重启按键。如果主板上没有ISA总线，也就是8XX系列芯片组的主板，IDE的复位直接来自于南桥，在两者之间通常也会有一个非门或是反向电子开关，PCI总线的复位就直接来自于南桥，有些主板会在两者之间加一个跟随器，跟随器起缓冲延时作用。且PCI的常态为1.3V或5V，复位时为0V，AGP总线的复位信号和PCI总线的复位信号是同路产生的。也有的主板AGP总线的复位也是由南桥直接供给的，常态时为高电频，复位时为低电频，对于北桥的复位信号也是和PCI总线的复位信号同时产生，也就是说PCI总线的复位信号，AGP总线的复位信号和北桥的复位信号通常是串在一根线上的，复位信号都相同，对于CPU的复位信号，不同的主板都是由北桥供给，I/O的复位信号是由南桥直接供给，通常是1.3V或5V。一般来说51单片机复位电路电路图如下图3-2所示。图3-2复位电路电路本设计中复位电路与单片机的9引脚（RST）相连接，负责单片机的复位工作。本设计中复位电路的供电电压为5V。当给复位电路5V电压时，电容充电，在1K欧姆电阻R1上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒之后，电容充满电，1K欧姆电阻R1上的电流为0A，同时电压也为0V，使得单片机进入工作状态。在单片机工作期间，按下开关S1，电容放电，在1K欧姆电阻R1上出现电压，使单片机复位。松开开关S1，电容又开始充电，在几个毫秒之后，单片机进入工作状态。本系统采用上电复位，因此在电路设计过程中没有手动按键复位。1.1.3晶振电路振荡电路(时钟电路)的主要任务是为C51单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。晶振回路由电容和陶瓷谐振器并联组成，作为单片机的时钟源。C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2端口接上时钟电源即可构成时钟电路。本设计中采用内部时钟产生方式。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。电容应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。在本设计中的晶振电路由一个晶振片Y1和两个22pF的电容C1、C2组成，晶振电路与STC89C52单片机的18引脚和19引脚相连接，以便提供单片机工作所需的时钟频率，51单片机的晶振多采用12MHZ或者11.0592MHZ的频率。晶振电路电路图如下图3-3示。

图3-3晶振电路电路1.2液晶显示屏12864液晶显示模块面向用户界面，因此内容显示完整，操作简单，系统采用中文字体的QC12864B液晶显示模块，用户不需要设置位置显示，本发明具有32个汉字。LCD12864LCD显示模块有20个针脚和两个系列并行端口，可通过SID端口和8个数据端口进行通信。液晶屏驱动电路图3-4；LCDD0~D7表示数据引脚。如果使用液晶作为并行通信，单片机连接8个数据端口，液晶的PSB针脚为并联或串联针脚。低电平串联时，高电平并行时，单片机连接8个数据端口。如表3－１。表3-１液晶显示屏12864管脚图3-4液晶屏驱动电路1.3RC522射频元件MFRC522采用高级调制和解调概念,所有类型的被动非接触通信模型和协议都完全集成在MHz11.56中.支持ISO14443A多层应用程序.内部发射器驱动读卡器天线与ISO14443A/MIFARE卡和中继器通信,无需额外电路.该接收机为处理符合ISO14443A规范的应答器信号提供了坚固有效的解调和解码电路。数字剖分ISO14443A帧和错误检测（奇偶校验）。实物图3-5RC522模块，RFID卡，IC卡，非接触式（近距离，5CM以内），刷卡，11.56MHz8个引脚端口，只用到其他7个（供电1.3V，SPI接口;SPI接口（4个IO口，还有一个是RST复位引脚），SPI总线上可以有多个从机设备;SPI接口，硬件SPI、模拟SPI;S50卡、M1卡;Ffffffffffff(注销过的，或者是没注册的)112233445566（注册过的）；其原理图如图3-6；图3-5rc522实图图3-6ｒｃ５２２原理图设计了RC522非接触式信用卡模块。模块采用1.3V电源电压，与单片机作为SPI接口，采用5个单片机的I/O端口，模块IRQ中断引脚不采用SPI接口。MCU需要使用RC522模块执行一个步骤来操作卡，即卡搜索、反冲突、卡选择、读写操作。RC522读写模式如图3-7图3-7RC522读写模式随附系统货物的超高频电子标签符合IS018000-6C标准。电子标签具有四个存储区域，即保留区域、TID、EPC和用户存储区域PA。读数据示意图3-8.存储在EPC存储区域中的电子标签的识别信息和用户存储区域是为用户保留的存储区域。用户可以根据需要改变存储区域中的数据，并且可以设置要写入用户的存储区域中的数据。写数据示意图3-9。图3-8读数据示意图3-9写数据示意（2）在智能消费充电终端和报警门处，使用高速读卡器列出超高频产品的电子标签。RC522发送的模块利用调制和解调的原理并完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（11.56Mhz）；其中ＲＣ５２２功能框图如图3-10所示。其简易框图如图3-11所示。图3-10RFIDRC522功能框图图3-11RFIDＲＣ５２２简易框图1.4非接触IC卡（M1）容量为8K位EEPROM被划分为16个扇区，每个扇区为4个，每个扇区为16个字节，块为访问单元·数据保留期10年，可改写10万次，可无限次阅读工作温度:-20℃～50℃（90%湿度）频率:11.56MHZ传输速度:106KBPS读写距离:10cm以内（与阅读器有关）卡的电气部件仅由天线和ASIC组成。卡是一组封装在IS0卡中的线圈。ASIC:该卡的ASIC由高速（106KBB波特率）无线电接口、控制单元和8K位EEPROM组成。工作原理:读卡器向M1卡发送一组恒定频率的电磁波。读卡器中LC系列谐振电路的频率与读卡器的频率相同。IC磁卡分为三种:内存卡、带有加密逻辑的内存卡、CPU智能卡囚犯。存储卡方便信息存储，价格便宜，但不具备信息保密的功能，适合安全性较低的场合使用。当访问存储区域时，需要检查密码，以获得正确的密码读取数据。此类卡具有良好的保密性，常用的有MifareOne卡(简称M1卡)。CPU卡有自己的COS操作系统，安全性高，是真正意义上的智能卡。下面重点介绍用于支付的M１卡和单片机的功能性。M1卡是一种非接触式IC磁卡，广泛应用于校园、公交、地铁等支付系统。ML卡是分区块的内存，可以应用于不同的管理系统，并为每个应用设置不同的密码和面试条件。卡的电子部分只包括一个天线和一个专用集成电路。天线:卡的天线是一个线圈，只有几根电线。它是理想的包装作为一个IS0卡。专用集成电路:板卡专用集成电路由高速射频接口（波特率为106KB），控制单元和8位EEPROM组成。射频工作的原理:读卡器向M1卡发送一组恒频电磁波。卡内有与读卡器频率相同的LC串联谐振电路，所述LC谐振电路是由在电容器中产生电荷的电磁波的激励谐振产生的。所述电容的另一端为单导电电子泵。当累积电荷达到2V时，电容作为电压源可以为其他电路提供工作电压，发送卡片数据和接收读卡器数据。M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63，存贮结构如下图3-12图3-12存贮结构M1射频卡与读写器的通讯重置响应（Answertorequest）设置M1射频卡的通信协议和通信波特率，当卡进入读写器工作范围时，读写器通过特定协议进行通信，判断卡是否为M1射频卡，即验证卡类型。碰撞防止机制（AnticollisionLoop）当多张卡进入读卡器的工作范围时，反争用机制将选择一张卡工作，未选择的卡等待下一次空闲模式的卡选择，进程将返回选择的卡的序列号。选择卡（SelectTag）选择所选卡的序列号，并返回卡容量代码。三次交叉验证在选择要处理的卡之后，读取器确定要访问的扇区号，并验证扇区密码。经过三次相互认证后，它可以通过加密流进行通信。（如果选择了另一个扇区，则必须进行密码验证。）如图3-13图3-13射频卡与读写器的通讯1.5LED电路发光二极管与普通二极管一样，由PN结构成，也具有单向导电性。向发光二极管加正向电压时，从P区注入到N区的空穴和从N区注入到P区的电子分别在PN结附近的几微米范围内与N区电子和P区空穴结合。不同半导体材料中的电子和空穴具有不同的能态。当电子和空穴复合时，释放出的能量有些不同，释放出的能量越大，发出的光的波长就越短。通常使用发出红色，绿色或黄色光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5，其正向伏安特性曲线非常陡峭，使用时需要串联一个限流电阻来控制流过二极管的电流。所述发光二极管的中心部分。LED灯实物如图3-14；图3-14LED灯实物LED作为电子电路中最常用的指示作用，LED作为二极管的一个最典型元件，其两端也是有一个压降，一般1.3V左右，根据电子知识，只要在两端上有超过这个的压降，二极管就导通，为了保险起见，可以在单片机的IO口接上一个限流电阻，不至于上电时容易烧坏。例如当单片机的P35低电平的时候，LED灯就亮，反过来，当为高电平的时候，LED灯就灭。LED驱动电路如图3-15；LED灯的最基本的原理就是半导体二极管，将电转化为光。一般的LED都会采用注式电致原理制作，通常认为是发光二极管，也就是LED灯。图3-15LED驱动电路1.6蜂鸣器电路采用的是直流电压5V供电的有源蜂鸣器，但是一般的蜂鸣器在整个系统运行中需要比较大的电流，51单片机的IO口除了P0口外其他的都有一个弱上拉电阻，但IO的驱动电流也是非常低，不加外部的驱动电路是很难直接驱动的。而最常用的就是用普通的三极管来放大电流驱动，该三极管在电路中的作用是开关电路并且放大电流，本设计中采用三极管S8550作为驱动，当P37低电平时，三极管导通，蜂鸣器响；当P37高电平时，三极管截止，蜂鸣器不响。蜂鸣器驱动电路如图3-16；图3-16蜂鸣器驱动电路1.7按键电路设计中有注册卡片、注销卡片等功能，这些功能的切换都是通过按键来实现的，按键一般有独立按键，矩阵键盘等，由于本次涉及到的按键不需要很多个，因此采用独立按键的形式，简单方便易操作，而按键电路用的是直接练到单片机的IO上面，通过对该IO口电平读取不同的值来区别按下还是弹开。液晶显示屏也有自己的背光对比度调整电位计，可以调整字体和背光之间的对比度，现在许多液晶的电阻值设置无需手动调整。通常按键所用的开关都是机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上就稳定的接通，在断开时也不会一下子彻底断开，而是在闭合和断开的瞬间伴随了一连串的抖动.按键稳定闭合时间长短是由操作人员决定的，通常都会在100ms以上，刻意快速按的话能达到40-50ms左右，很难再低了。按键输入电路如图3-17；图3-17按键输入电路第二章基于RFID射频技术的智能消费充值系统的软件设计2.1RFID射频智能消费充值系统总流程图设计对IC卡进行授权设计，可以对卡片进行注册登记和注销删除，只有注册过的IC卡才可以进行一系列的消费操作；持卡人可以通过按键来输入充值的金额，当卡片靠近感应区时，按下确定按键可以实现充值；也可以通过按键输入该卡当前所要支付的金额，当卡片靠近感应区时，按下确定按键可以实现消费；当卡里的金额不足以支付当前的消费金额时，会有相应的提示信息。此外为确保表间关系的合理性，进而不会无意修改或删除有关数据,考虑参照完整性原则，以便有效合理的存储数据。模块总流程如图4-1智能消费收费终端和RFID射频报警门的实现是通过访问服务器端数据库来实现的，因此数据库的设计对整个系统的实现非常重要。在数据库设计过程中，根据系统应用需求进行概念结构设计。分析实体属性之间的相关性确定表的列名，数据类型，如果允许空值，如果在设置默认值，主键，CHECK约束等的同时，为了保证表间关系的合理性，避免无意中修改或删除关系的数量，考虑了效率高的原则。其程序如下：#include"config.h" //用户需要添加的头文件//对应的引脚定义，需要跟原理图一致sbitBEEP=P3^6;sbitLEDGREEN=P3^4;sbitLEDRED=P3^2;//宏定义，类似替换的功能#defineLEDON0 //led灯亮#defineLEDOFF1//led灯灭#defineBEEPON0//蜂鸣器响#defineBEEPOFF1//蜂鸣器不响constucharKeyABuf[]={0xAA,0x55,0xBB,0x66,0xCC,0x77};//注册时写入IC卡的A密钥constucharDefault_KeyABuf[]={0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF,0xFF};//注销时写入IC卡的密钥xdataucharCardRevBuf[16]={0};//读到IC卡时，缓存起来的卡号xdataucharconstCardKeyABlockBuf[16]={0,0,0,0,0,0,0xff,0x07,0x80,0x69,0,0,0,0,0,0};//操作IC卡A密钥时的指令数组ucharSYS_STATUS,pre_sysstatus=0XFF;//当前系统状态，上一次系统状态ucharcardstatuss=0;//卡片的状态INT32Ucongzhi_Money=0; //充值数据INT32Uxiaofei_Money=0; //消费数据图4-1模块总流程2.2RFID射频智能消费充值软件的设计2.2.1充值模块设计Rfid是一种自动识别技术。自动识别技术(Automaticeuqipmnetdinetifieldaction，简称aei)是国际上正在迅速发展的一项新技术。该技术背后的理念是通过采用一套先进的技术工具，使人们在不同条件下(移动、静止或敌对环境)对任何类型的物体或设备(人、物)进行自动识别和管理。基于rfid卡系统实现使用rfid识别技术，可分为以下五种方式:（1）根根据射卡的来电方式可分主动卡和被动卡放置的方案；（2）根根德国的工作方式，可将张分种为三种类型:（2）写纸(rw)，（worm）和（ro):（3）按照个系支配期的运营率可分为高、中、低系总统；（4）根根据调节方式可分同开放源系总统和同开放源系总统；（5）根据图表数据的技术手段，可分三种情况的电视，pif和反射器。充值模块流程如图4-2非接触IC卡工作过程为

（1）读写器向周围环境连续发射一系列固定频率的电磁波，非接触IC卡的典型工作频率为11.56MHz。（2）对于非接触式卡片，有连续的LC谐振电路进入读写终端的工作区域，以与读写终端相同的频率发送。（3）在本卡内部容量的另一端提供可负担得起的谐振，带有电子泵，另一种携带容量储存电荷的能力，当位置即将达到2V时，可作为集成电源电路使用。（4）CMOS使用集成电路中的各部分逻辑控制电路来解码接收到的传输信号。（5）射频读卡器命令请求根据解码信息从存储器中识别与逻辑控制电路相关数据信息；本发明涉及一种启动电压控制泵，它将工作电压从2V增加到15V，以便顺序重新编程存储器(EEPROM)的内容。（6）非接触卡中的传输电路在电容器放电期间向读写终端发送读写数据和相关信息。（7）读写终端进程接收到的消息。系统中使用的RFID频带分为低频和高频。主频越高，系统间的通信速度就越快，系统的持续时间就越短。图4-2充值模块流程非接触式IC卡中射频识别技术在的实现说明非接触IC卡也被称为射频IC卡，其关键对的技术是射频识别。在卡片中实现rfid的技术困难如下:安全机制：由于射频技术的特点，IC卡上的数据在通信过程中很可能被截获，因此需要防止敏感信息的泄露。RFID信号是一种安全解决方案，它对处理后的数据进行加密和传输，并且需要相同的解密算法来进行信息的解密。2)在冲突预防的机制:如何避免卡片之间的数据干扰，并确保在操作过程中同时发生多张卡片时正确完成读写操作。接触式支付卡,当出现更多的地图进入将地图上的读者范围,全面预防冲突通过一项议定书确定冲突的比特(A类),或通过字节、帧和命令(B类)地图之间的区别(A类和B类)开发。3)通信的调制传输方式:为了实现IC卡之间的良好沟通和相应的终端,有必要制定一项议定书他们数据的传递,使正确的沟通和终端之间的合资企业。而调制传输系统用于模拟信号转换成数字信号的传输是非常关键的非接触式卡片完成通信,我们受到两种传输的方式,这是A类和B类卡片的区别之一。下面主要从高频速读写器的操作流程、多线程实现以及附电子标签的商品的处理等方面介绍购物模块的实现。2.2.2消费模块设计用于智能消费终端的CPU卡完成了非接触费。下面将讨论CPU卡的初始化和CPU卡的支付过程。DCPU卡的定制是由卡片制造商提供的软件工具，用于向卡片发送命令。在这篇文章中，纸张的个性化使用TimecosToolsI和timeecos命令序列。卡片的个性化过程大致分为三个部分:卡片结构的开发、密钥的编写和个性化数据的存储。卡片定制过程的特点通常是创建独立的结构，使用侧写键和个性化数据。当纸张供应商提供纸张时，在MF下建立了主文件(MF)和主文件(Key)，主文本中输入了初始纸张的主键。在将纸张分类之前，它是外部认证的，而外部认证是通过对原始纸张的主键进行验证。完成外部身份验证后，可以在重建地图结构之前删除现有的纸质文档结构。CPU卡可以创建多个应用文件，其中一个可以创建ADF文