基于单片机控制的射频ID卡考勤机的设计毕业论文Word格式.docx
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附录1 系统原理图 32
附录2 硬件实物图 33
附录3 系统软件总程序 34
绪 论
单片机正以低廉的成本、强大的功能、较高的可靠性广泛应用于家电设备、仪器仪表、工业控制及城市建设各个领域中。
纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机[1,3]。
随着技术进步,无线通讯和无线网络也迅速在我们日常生活中的各个方面扩展。
而近年来,RFID无线射频识别技术的研究与应用也正飞速发展。
射频识别技术具有很多优势:
通过射频信号自动识别目标对象,无需可见光源;
具有穿透性,可以透过外部材料直接读取数据,保护外部包装,节省开箱时间;
射频产品可以在恶劣环境下工作,对环境要求低;
读取距离远,无需与目标接触就可以得到数据;
支持写入数据,无需重新制作新的标签;
使用防冲突技术,能够同时处理多个射频标签,适用于批量识别场合;
可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位,提供位置信息。
由于RFID芯片的小型化和高性能芯片的实用化,射频识别标签不仅帮助不同领域的管理者追踪物品的位置和搬运情况,还可以实时报告标签上附带的其他信息,比如温度和压力等。
射频标签是通过连接到数据网络上的读写器来提供此类信息的,迄今为止射频识别标签主要作为条码的延伸而应用于工厂自动化或者库存管理等领域。
但最终说来,尺寸更小的射频识别标签将应用于更先进的领域内[17,18]。
本课题的核心在于射频识别,同时也包括数据存储和显示,通过对射频信号的编码和识别记录相关信息并进行数据存储和输出显示,这使我们能够进一步掌握射频识别的原理和设计方法,对其有深入的了解和认识。
并且通过实践,我们对所学过的理论知识有了更深刻的理解。
另外,设计该课题使我掌握了51单片机的软硬件开发工具的使用方法,为今后从事相关行业的工作积累了经验。
目前我国的信息行业发展迅速,无线通信更是在发展的前沿,但同时应该清楚的认识到我国的信息技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此本课题不论是对自己的就业还是对我国射频识别技术的发展都有非常现实与积极的意义。
41
1 整体方案设计
1.1系统总体基本构成
本系统以单片机AT89C52为控制核心,由电源模块、射频识别模块、预警模块、数据存储模块、开关控制模块和LCD液晶显示模块组成,它们共同完成射频信号识别,信息读取、记录、查询,报警以及显示输出的任务。
其中电源模块用于稳压;
射频识别模块由RF01D与单片机相连接,射频信号通过触发外部中断与单片机进行通信;
预警模块由蜂鸣器和LED灯构成,用于区分本地卡与对外来卡,并对外来卡进行报警;
数据存储模块是由AT24C16芯片构成,进行刷卡信息的记录和存储;
开关控制模块由4个按键组成,控制刷卡和时间调整;
显示模块由TS12864液晶构成,用来进行刷卡信息的显示[5,7]。
1.1.1系统实现方法
电源模块以稳压芯片为核心,稳定电压的输出;
射频识别模块由天线接收和射频信号解码电路集成用以采集拾取ID卡信息并编码输出;
预警模块是在单片机控制下进行本地卡和外来卡的区分和报警;
数据存储模块可实现对刷卡信息的记录和存储;
开关控制模块主要是用来控制卡片信息的显示、查询和时间的调整;
LCD液晶显示模块可根据单片机的控制显示刷卡的不同信息。
射频识别
模块
MCU
液晶显示
开关控制
小系统
电源
数据存储
1.1.2系统结构
图1-1 系统框图
我所设计的电路基本思想是这样的,天线将刷卡的信息传送到射频识别模块,在单片机控制下经过密码对比区分该卡是本地卡还是外来卡,若为外来卡则预警模
块启动报警;
若为本地卡则预警模块报安全并记录刷卡时间存储在数据存储模块中,同时将结果显示输出在LCD液晶屏上。
通过开关控制模块来查询刷卡记录并进行翻页查询以及时间的校准[8]。
本系统的总体结构如图1-1所示。
1.2 系统工作原理
天线将刷卡信息传送给射频识别模块后输出解码信息给单片机,单片机经密码对比区分卡的类别并将刷卡信息进行存储记录最后送至LCD液晶屏显示。
另外,开关控制模块控制考勤信息的查询和时间的校准。
由于刷卡时需要记录相关信息,而单片机不支持程序操作片内ROM区,因此需要对数据进行片外存储,鉴于89C52单片机的外部接口资源有限,可以采用AT24C16芯片进行串行数据传输[12]。
用开关控制系统进入查询模式或时间校准模式[13]。
在查询模式下,通过按键进行上下翻屏,并从外部数据存储其中调用数据,查询不同卡的多次刷卡信息。
在时间校准模式下,通过按键的组合来调整当时的年份、月份、日期、小时以及分钟以完成时间的调整与校正。
2硬件电路设计
2.1系统硬件主要构成
整个系统硬件主要由MCU小系统、电源模块、射频识别模块、预警模块、开关控制模块、数据存储模块及显示模块组成。
主要的芯片和集成模块有单片机AT89C52,稳压芯片L7805,射频感应读卡机RF01D,数据存储芯片AT24C16,ST12864点阵液晶屏。
2.1.1单片机AT89C52
(1)概述
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8Kbytes
的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器,器件采用
ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系列及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。
单片机89C52引脚图如图2-1所示。
(2)硬件结构
图2-1 单片机AT89C52引脚图
AT89C52提供以下标准功能:
8K字节Flash闪速存储器,256字节内部RAM,32个
I/O口线,3个16位定时/计数器,一个6向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
AT89C52的内部结构如图2-2所示。
图2-2 AT98C51内部结构图
端口引脚第二功能
P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INT0\(外中断0)P3.3 INT1\(外中断1)P3.4 T0(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)
P3.6 WR\(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD\(外部数据存储器读选通)
(3)引脚功能:
表2-1 P3口第二功能
·
Vcc:
电源线接入。
GND:
电源地线接入。
P0口:
8位双向I/O口,即地址/数据总线复用口。
P1口:
8位双向I/O口,内置上拉电阻。
P2口:
P3口:
P3口除了作为一般的I/O口外,还有第二功能,如表2-1所示。
RST:
复位输入。
ALE/PROG\:
地址锁存允许端,用于锁存地址的低8位字节。
PSEN\:
程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号。
EA\/VPP:
外部访问允许。
EA\=0访问外部程序存储器;
EA\=1访问内部程序存储器中的指令。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
2.1.2稳压芯片L7805
L7805(其封装如图2-3所示)为L7800系列产品。
在L7800系列三端阳性调节器可以采用TO-220和TO-220FP,TO-220FM,TO-3
和D2PAK的封装,几个固定的输出电压,使其具有了广泛的应用。
这些调节器可以提
供本地片上调节,消除单点调节相关的分 图2-3 L7805引脚图
配问题。
每种类型采用内部电流限流,热停机和安全区保护,使基本上坚不可摧。
如果提供足够的散热,就可以提供超过1A输出电流。
虽然设计主要是作为稳定电压的稳压器,这些器件可用于外部元件取得可调电压和电流。
2.1.3射频识别集成模块RF01D
RF01D感应式读卡机模块是针对125KHz非接触式RFID晶片而设计的读卡机模块,它能针对目前市面上125KHz非接触式RFID晶片如瑞士μEM公司H4001、4102;
台科TK4001、4102以及凌航科技GK4001晶片或其它规格相近产品进行资料读取与资料判断,使用者可以发展此感应式读卡机建立相关应用系统,产品主要应用范围为人员考勤管理、门禁管制系统、玩具、动物或物品辩识及产品管理,此读卡机模块主要优点有:
独立性高,后段控制规划容易,安装简单;
资料读取稳定性高;
系统安全性高,RFID资料不重复且难以复制可以安全使用;
可规划输出控制标准介面格式(跳线设置)。
感应式读卡机模块硬件结构如图2-4所示。
RF变换处理电路为125KHz解码电路,即用来解码的比较器电路。
当由H4001系列芯片制作的非接触式卡片进入天线(感应线圈)电磁场工作范围内,引起电场振幅变化时,RF变换处理
电路将这种振幅变化处理成脉冲 图2-4 感应式读卡机模块硬件结构
波型变化,并送至存储器等候CPU单片机的调用[15]。
由4.000MHz晶体振荡器产生的基频信号,经32分频、放大后,送至天线(感应线圈),用以产生具有一定功率的、频率稳定的125KHz射频信号,处在该射频信号的场强范围内的非接触式卡片,便可以在该场强中获得能量,再利用非接触式卡片内IC电路自带的电源转换处理模块,将电磁场能量转换为直流电源,以提供整个非接触式卡片电路用电。
(3)读卡机模块电器特性
读卡机模块引出脚功能说明(表2-2所示):
引脚号
名称
功能描述
表2-2 读卡机模块引出脚功能
1
5VDC
5V直流输入
2
CLK
Wiegand26=D1;
ABA=Clock;
Rs232=NC
3
DAT
Wiegand26=D0;
ABA=DATA;
Rs232=TXD
4
CP
ABA
5
SW1
模式选择1
6
SW2
输出模式选择2
7
SW3
输出模式选择3
8
SW4
模式选择4
9
LED
LED信号输出
10
GND
地线输入
A1
ANT
天线线圈连接
A2
编码脉冲由SW2-SW3的输入决定输出格式如下表所示:
表2-3 SW2-SW3控制的脉冲输出格式
输出格式
0
RS232
Wiegand26
2.1.4片外数据存储器AT24C16
AT24C16是电可擦除可编程ROM,采用2048x8bit的组织结构以及两线串行接口。
电压可允许低至1.8V,待机电流和工作电流分别为1uA和1mA。
AT24C16具有页写能力,每页为16字节。
AT24C16具有8-pinPDIP和8-pinSOP两种封装形式。
AT24C16的硬件结构如图2-5所示。
(3)AT24C16电气特性
图2-5 AT24C16硬件结构
AT24C16的引脚功能如表2-4所示。
表2-4 AT24C16引脚功能
A0
A2、A1、A0是器件地址输入引脚。
24C16未使用
器件地址引脚,总线上最多可以连接一个16K器件,A2、A1、A0为空脚,可接地。
3 A2
SDA
SCL
WP
串行地址和数据输入/输出。
SDA是双向串行数据
传输引脚,漏极开路,需外接上拉电阻到VCC。
串行时钟输入。
SCL同步数据传输,上升沿数据写入,下降沿数据读出。
写保护。
该引脚提供硬件数据保护。
接地时允许数据正常读写操作;
接VCC时写保护,只读。
地线接入
VCC
正电源线接入
2.1.5点阵液晶屏TS12864
液晶显示模块是128×
64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(16×
16点阵)、128个字符(8×
16点阵)及64×
256点阵显示RAM(GDRAM)。
可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机:
8-位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
TS12864硬件结构如图2-6所示。
图2-6 TS12864硬件结构图
(3)点阵液晶屏TS12864电气特性
TS12864引脚功能如表2-5所示。
表2-5
TS12864引脚功能
VSS
接电源地线
VDD
接电源正极
VO
提供LCD驱动电压
RS
H:
显示数据;
L:
显示指令
R/W
读信号;
写信号
E
使能信号端
7-14
DB0-DB7
数据总线
15
PSB
模式选择。
并行数据;
串行数据
16
NC
悬空
17
/RES
复位信号端
18
19
LED(+)
LED背光灯正极
20
LED(-)
LDE背光灯负极
2.2系统硬件电路模块
整个系统硬件主要由MCU小系统、电源模块、射频识别模块、预警模块、开关控制模块、数据存储模块及显示模块组成[2,4]。
其中MCU小系统以AT89C52为核心配以复位电路和振荡电路构成;
电源模块以L7805为核心构成整个系统的稳压电源部分;
射频识别模块包含天线部分和射频识别集成电路部分;
预警模块由LED灯和蜂鸣器组成;
开关控制模块由4个独立按键组成;
数据存储模块以AT24C16芯片为核心,对数据进行片外存储;
显示模块为ST12864点阵液晶屏。
2.2.1MCU小系统
(1)单片机AT89C52
AT89C52作为主芯片对整个系统进行控制。
(2)复位电路
在上电或复位过程中,控制CPU的复位状态:
这段时间内让CPU保持复位状态,
而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。
单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有:
手动按钮复位和上电复位。
○1手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平(图2-7所示)。
一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。
当人为按下按钮时,则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数
十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。
图2-7 手动复位电路
○2上电复位
上电复位电路(如图2-8所示),只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端,下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机,由于在RST端内部有一个下拉电阻,故可将外部电阻去掉,而将外接电容减至1µ
F。
上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着
VCC对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平 图2-8 上电复位电路
持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位,RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时,VCC的上升时间约为10ms,而振荡器的起振时间取决于振荡频率,如晶
振频率为10MHz,起振时间为1ms;
晶振频率为1MHz,起振时间则为10ms。
在图2的复位电路中,当Vcc掉电时,必然会使RST端电压迅速下降到0V以下,但是,由于内部电路的限制作用,这个负电压将不会对器件产生损害。
另外,在复位期间,端口引脚处于随机状态,复位后,系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位,则程序计数器PC将得不到一个合适的初值,因此,CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序[1,4,7]。
(3)振荡电路
每个单片机系统里都有晶振,在单片机系统里晶振的作用非常大,他结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,
单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。
振荡电路(如图2-9所示)的作用是为系
统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用 图2-9 振荡电路
一个晶振,便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而
通过电子调整频率的方法保持同步。
2.2.2电源模块
电源模块以L7805芯片为核心,辅以相关电路构成,其主要作用就是对外部电压进行转换,输出稳定的+5V电压对系统进行供电[16](其电路如图2-10所示)。
J1CON3
123
+9V
C4
U4
NI
1
10uF
7805
D T
N U
G O
2
35VC5
J2CON3
+5V
3.2.1射频识别模块 图2-10 电源模块电路图
R
射频识别模块是将从天线部分拾取的刷卡信息进行编码变换,即非接触式卡片进入天线(O感L1
U2
VCC 1
CLK 2
DAT 3
P3.2P3.3
+5V
T A1
C
ANT
CP 4RF01
5
U
N
应线圈)电磁场工作围内,引起电场振幅变D化
I
时,RF变换处理电路将这种振幅变化处理成脉冲
A2 ANT
SW1
SW2SW3SW4
LED
6D
7
85K
Z
9HP3.4
GND 10
波型变化,并送至存储器等候单片机微控制器的
调用。
其编码方式选用的是韦根编码。
其硬件连 图2-11 射频识别电路连接图
接如图2-11所示。
将SW2设为高电平,SW3设为低电平,在这种模式下,射频识别模块编码输出方式为Wiegand26;
将CLK和DAT分别接单片机的外部中断引脚P3.2和P3.3采用中断触发单片机记录信息,可避免查询方式造成的信息丢失。
3.2.2预警模块
P3.0
D1
red
P3.1
D2
green R10
470
P3.5
R8
U6
R9
1K
R7
30K 91K
BUZZER
Q1
9013
预警模块是由2个LED灯(1个红色的,1个绿色的)和1个蜂鸣器以及相关的电路组成的。
其作用是对刷卡的卡片进行卡类识别后
的报警[9]。
其具体响应是:
当识别为本地卡时,绿色
LED灯闪亮提示安全通过;
当识别为外来卡时,红色
LED灯闪亮,同时蜂鸣器发出声音提示报警。
整个模块的电路如图2-12所示。
对于LED灯的电路设计我原先的设计是用单片
机的高电平驱动点亮,但实际上电运行时发现灯的亮 图2-12 预警电路
度较暗,经研究发现是由于电路设计不够合理,导致电流较大,如此设计很有可能会对单片机的内部电路造成损伤,改正设计方案后问题就得到了解决。
3.2.3数据存储模块
该模块的核心部分是AT24C16芯片,完成对数据的片外存储。
因为单片机要对刷卡信息进行实时记录,因此数据不能存储于单片机内部,只能进行片外存储,考虑到51系列单片机的资源不是足够丰富,因此不能进行并行数据存储,选择串行数
据传输更为合理。
串行数据存储只占用单片机的2个引脚,其缺点在于时序有些复
杂,对软件编写要求比较高。
3.2.4开关控制模块
开关模块由4个独立的按键组成,分别分配给单片机的P2.5-P2.7以及P1.0端口。
开关模块的作用是控制屏幕的内容显示和时间的校准,其电路图如图2-13所示。
当按键按下时,对应的单片机引脚高电平
R3 R4 R5 R61K 1K 1K 1K
S2
P2.5
S3
P2.6
S4
P2.7
S5
P1.0
会被拉低,当检测到某引脚为低电平时就执行 图2-13 开关控制模块电路图
相应的功能。
开关控制模块的具体功能是:
当S5偶数次按下时进入查询模式,即对
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