刷卡考勤系统的设计.docx

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1、扬州大学本科生毕业设计（论文） 本 科 生 毕 业 论 文 毕业论文题目基于单片机的刷卡考勤系统的设计 学 生 姓 名 胡 友 友 所 在 学 院 物理科学与技术学院 专 业 及 班 级 光信息科学与技术专业光科 09 指 导 教 师 朱 金 荣 完 成 日 期 2013 年 5 月 22 日 扬州大学本科生毕业设计（论文） 0 摘要摘要 射频识别（Radio Frequency Identification，以下简称 RFID）技术是智能刷卡系统的关键。本文通过研究射频卡系统及相关理论，应用射频识别技术、MCU 及接口技术、SPI 通信等技术，设计一款刷卡考勤系统。 本课题研究的刷卡考勤系统

2、的主控制器采用 STC89C52RC，读写芯片采用的是Philips 公司的 MFRC522，通过单片机控制读卡模块读取集成电路卡（Integrated Circuit Card ， 简称 IC 卡） 的卡号， 跟数据库中数据进行比对， 把考勤信息通过 128*64点阵的中文液晶显示模块显示。 本设计将射频识别技术与日常考勤等结合起来，具有很大的应用前景和一定的经济价值，对 RFID 的推广有积极的作用。 关键字关键字：RFID IC 卡 RC522 单片机 扬州大学本科生毕业设计（论文） 1 Abstract Radio frequency identification (Radio Fre

3、quency Identification, hereinafter referred to as RFID) technology is the key of the smart card system.In this paper, it is based on RF card system and related theories, with the application of radio frequency identification technology, MCU and interface technology, and SPI communication technology,

4、 to design a card system. The main controller of this research about Card system project is STC89C52RC and the reader chip is the MFRC522 of the Philips company.Controlled by the micro-controller ,IC card reader module reads (Integrated Circuit Card, referred to as ,IC card) card number ,which is in

5、 comparison with the database data . Then ,the attendance information is shown by 128 * 64 dot matrix Chinese liquid crystal display module. With the integration of radio frequency identification technology and daily attendance , the design not only has great application prospects and some economic

6、value, but also has a positive effect on the promotion of RFID. Keywords: Keywords: RFID , IC card , MFRC522 , STC89C52RC 扬州大学本科生毕业设计（论文） 2 目录 摘要1 Abstract2 第一章 绪论4 1.1 课题背景4 1.2 课题研究的目的与意义4 1.3 国内外研究现状5 1.4 本课题主要研究的内容5 第二章 射频识别技术的介绍6 2.1 IC 卡的介绍 6 2.2 非接触式 IC 卡的标准8 第三章 考勤系统的总体方案设计9 3.1 系统的功能要求9 3.2

7、 系统的技术要求9 3.3 系统的组成及总体方案设计10 第四章 系统的硬件设计10 4.1 天线的设计10 4.2 读卡芯片电路的设计15 4.3 液晶显示模块电路的设计18 4.4 单片机控制模块电路20 4.5 其他模块电路的设计 21 第五章 软件部分的设计 22 5.1 主程序的设计22 5.2 读卡模块软件设计23 5.3 显示模块软件设计25 第六章 系统测试结果及结论26 6.1 调试26 6.2 结论26 谢辞 27 参考文献 27 附录（一）27 附录（二）29 扬州大学本科生毕业设计（论文） 3 基于单片机的刷卡考勤系统的设计基于单片机的刷卡考勤系统的设计 第一章 绪论

8、1.11.1 课题背景课题背景 20 世纪 90 年代射频识别技术开始兴起，它是一项利用射频信号通过空间耦合，实现信息传递的无接触性并通过所传递的信息达到识别目的的技术1。 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据， 识别的过程无需人工干预。 射频识别技术被认为是条形码的无线模式，具有条形码所不具备的特点：防水、防磁、工作距离远、可加密保护、存储数据容量大、存储信息更改等。 二十多年来，射频识别技术迅速发展并在全球范围内得到广泛的应用，涵盖的范围广，包括门禁控制系统、航班行李识别、汽车防盗、文件跟踪、电子付费等方面。进入21 世纪以来， 标准化问题

9、越来越重要， 迫切需要一个被全球认可的标准， ISO/IEC 14443 等国际标准相应形成。近年来，RFID 产品的应用范围越来越广，RFID 产品逐渐进入生产、生活的各个领域，成为人们生活不可或缺的一部分。人们的生产、生活方式得到改变，使其变得更加方便快捷。 目前国内大多数企业在考勤时，依然使用的是传统的考勤方法，例如手工记录、签卡、机械打卡等。这样的考勤方法，不仅考勤速度慢，在考勤时需要专门人员在旁记录，统计，制成报表，当报表最后交到主管人员手上时，也许时间已经过了几天，这样根本不能发挥考勤真正的监督作用。而且，考勤数据不准确，考勤人员在考勤过程中可能记录出错，甚至弄虚作假的现象出现。同

10、样的，高校传统教学考勤制度也存在许多不完善的地方，容易使部分同学养成一些与我们大学生极不相称的学习生活状态，如迟到、早退、旷课、外宿、晚归、不按时就寝、无序上网问题等。 本课题的刷卡考勤系统将射频识别技术和现代管理结合起来。 1.2 课题研究的目的与意义 随着经济的飞速发展，愈来愈多的管理者认识到管理与效益是息息相关的，实现数据规范化、自动化的管理，是一个管理规范、运作高效的企事业单位的必然要求。现在的市场竞争是知识的竞争，管理手段的竞争。谁有先进的技术设备和管理手段，谁就有成功的先机。企业或单位对于方便、快捷的考勤系统有迫切的需求。而一些当前的刷卡考勤系统主要是基于计算机控制的联网型系统，不

11、仅价格昂贵，体积庞大、笨重，而且需要网络的连接，不利于广泛的用于小范围的考勤管理。为了可以满足日常的方便快捷扬州大学本科生毕业设计（论文） 4 的考勤，本文设计了基于单片机的刷卡考勤系统。 刷卡考勤系统将射频识别技术和现代管理结合起来。在企业中，刷卡考勤系统可以以节省大量的人力物力，简化日常管理的繁琐程序，提高企业的管理效率。在高校中，刷卡考勤系统对加强学生的教学管理，促进教学改革也有着非常重要的意义。 本系统的可能创新点是通过进一步完善软件环境使本系统与 “一卡通” 系统的兼容，实现了“校园一卡通”作为考勤卡的作用，拓展了本校“一卡通”的适用范围。通过读取 IC 卡号，根据各个部门的数据库内

12、存储内容调出相应信息。例如学校的图书馆学生借阅管理、学校微机机房的记时考勤记录、学校操场或学生宿舍的门禁管理、学校食堂的收费等。 1.3 国内外研究现状 目前，非接触式 IC 卡中的主流为 PHILIPS 公司的 Mifare 技术，并且已经被制定为国际标准： ISO/IEC 14443 TYPE A 标准。 欧洲一些较大的 IC 射频卡制造商和 IC 射频卡读写设备制造商以及 IC 射频卡软件设计公司等大都把 Mifare 技术作为技术标准，而发展和推进 IC 卡行业快速的向标准化发展。 而对于非接触式 IC 智能射频卡方面的研究则代表了整个大行业的发展方向。 非接触式 IC 卡和接触式 I

13、C 卡相比， 它继承了接触式 IC卡的容量大、安全性高的特点，同时也克服了以接触方式工作的 IC 卡所无法避免的缺点，如触点磨损、污染、静电以及插卡不便的读写过程，使非接触式 IC 卡的使用更加自由，应用更加广泛。 当前，国内 IC 卡及相关产品的生产和研究的企业主要有上海复旦微电子股份有限公司，深圳市明华澳汉科技有限公司等。中国 IC 卡产业虽然起步虽晚，但发展迅猛，通过引进先进的技术和自主研发，在几年间，整体生产能力突破了 2 亿张。全国 IC 卡应用装置的开发和系统集成厂商也达到上千家。由于智能卡的潜在应用范围非常广，国内外学术界和科技工作者对非接触式智能卡的开发， 给予了广泛关注和研究

14、。 近几年来，射频识别系统的发展极其迅猛。尤其自 1993 年金卡工程启动实施以来，IC 卡的应用领域得到不断的扩展，一条完整的 IC 卡产业链已经初步建立起来了，并逐步成为国民经济新的持续增长点。 1.4 本课题主要研究的内容 本文主要是通过对射频设别技术的研究来设计一款基于单片机的刷卡考勤系统的硬件设备及其软件。在设计 IC 卡读卡器的基础上，完成考勤系统的设计。 本课题主要完成的任务包括： (1)文献部分：无线识别技术的研究。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 5 (2)硬件部分：包括单片机控制的射频读卡器的设、12864 液晶显示电路的设计、报警电路的设计等。 (3)软件部分：单片机控制

15、程序。 (4)系统的综合调试与分析：在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。 第二章 射频识别技术的介绍 2.1 IC 卡的介绍 IC 卡是集成电路卡（Integrated Circuit Card ）的简称，也叫做智能卡（Intelligent Card ）或灵巧卡（Smart Card ） 。通常集成电路被镶在塑料卡片上，如图 1 所示。IC 卡打消和一张名片差不多，在其左上方嵌入了一片或几片集成电路芯片。芯片一般是不易挥发的存储器（ROM、EPROM、EEPROM） 、逻辑保护电路，或者是 CPU(中央处理单元)。 目前， 可以用于信息处

16、理的卡片多种多样， 而且基本上都是采用了新技术的， IC 卡突出的原因在于它对于 PET （聚乙烯）卡、磁卡、光卡和凸字卡等其它种类的卡具有以下重要的特点： （1）存储容量很大，其内部有 RAM、ROM、EEPROM 、EPROM 等存储器，存储容量可以达到几兆至十几兆字节； （2）体积很小、重量轻，抗干扰能力强，便携性好； （3）安全性高，保密性好。 图（1）非接触式 IC 卡内部结构 扬州大学本科生毕业设计（论文） 6 图（2）非接触 IC 卡的功能框图 在 IC 卡诞生以来的三十多年里，随着大规模和超大规模集成电路技术、信息安全技术以及计算机技术等的发展，IC 卡种类变得更加丰富多样，技

17、术也更趋于成熟，在国内外都得到了广泛的应用。下面将从不同的角度对 IC 卡进行详细分类和简单分析。 （1）根据卡中的集成电路模块的不同可划分存储器卡、CPU 卡、逻辑加密卡、超级智能卡。 （2）根据卡与外界数据交换的界面不同划分接触式 IC 卡、非接触式 IC 卡、双界面卡。 本设计中采用的 IC 卡是非接触式的存储器卡。 非接触 IC 卡，又名感应卡，是由 IC 芯片和感应天线组成，且被完全密封在一个标准 PVC（聚氯乙烯）卡片中，无外露部分2。其读写的过程，通常由读写器与非接触型 IC 卡之间通过加载了信息的无线电波来完成。 非接触型 IC 卡本身是一个无源体，内部没有电源，在读写器通过天

18、线对 IC 卡进行读写操作的过程中，读写器发出的信号包括两部分的信号： 一部分是电源的信号， 该信号被 IC 卡接收后， 与其本身的 L/C 电路产生谐振，短时间内产生一个能量来给芯片供电工作。另一部分则是加载数据的信号，控制芯片完成数据的读、写等，并把数据信号返回给读写器。由非接触式 IC 卡所组成的读写系统，无论是在硬件结构上，还是在操作过程上都被极大的简化，同时通过先进的软件管理，可以脱机操作，使数据读写过程变得更为简单。 非接触式 IC 卡的特点： （1）操作十分快捷，卡与读写器之间为电磁波通信通讯，在使用中无需插拔卡及无固定方向。 （2）高抗干扰性，非接触式 IC 卡具有防冲突机制，

19、当多张卡片同时进入读写器的寻卡范围时能够避免不同卡片间的数据干扰，允许几张不同卡片同时操作，相对扬州大学本科生毕业设计（论文） 7 接触式 IC 卡增加了“并行”处理能力。 （3）可以适配多种工作距离，非接触式 IC 卡的作用距离可以从毫米到数米不等，使得系统的配置变得灵活多样。 （4）高可靠性，非接触式 IC 卡与读卡器之间没有接触，避免了由于触点接触不良而产生故障，提高了使用过程中的可靠性及设备和卡的寿命。并无线电波不会受潮气、尘土和震动的干扰，使得非接触式 IC 卡可在恶劣的环境正常工作。 （5）可适配于多种应用。 （6）高安全性，非接触式 IC 卡具有唯一的序列号，在产品出厂前，序列号

20、被制造商固化于卡内芯片中， 不可更改。 非接触式 IC 卡与读卡器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都被加密，卡内各个扇区也都有自己的单独的操作密码和访问条件。 非接触 IC 卡的分类： （1）按照 IC 卡工作频率划分： 低频卡通信使用低频段，如 125KHz； 高频卡通信使用高频段，如 13.56MHz、915MHz、2.45GHz 等。 （2）按照 IC 卡工作距离划分： 密耦合卡（1mm 以内） ； 近耦合卡（近距离卡，15cm 以内） ； 疏耦合卡（远距离卡，1m 以内） ； 远耦合卡（1m 以上） 。 （3）按照供电方式划分： 有源卡卡内自带电池； 无源卡卡内无电池，读写

21、设备通过感应线圈供电。 本设计采用的是近耦合型的无源卡，IC 卡需要天线来提供能量。 2.2 非接触式 IC 卡的标准 非接触式 IC 卡表面没有触点，因此读卡器与它的通信方式不同于与接触式卡通信方式，电源的供给方式也不同，为此 ISO/IEC 以 IC 卡与读卡器作用距离的为界限定义了不同的国际标准，如表（1）所示： 标准 卡类型 作用距离（约） ISO/IEC 10536 密耦型 010mm ISO/IEC 14443 近耦型 0100mm ISO/IEC 15693 疏耦型 01000mm 表（1）IC 卡的国际标准 其中 ISO/IEC 14443 国际标准又分为 Type A 和 T

22、ype B 两个标准。 本课题中的非扬州大学本科生毕业设计（论文） 8 接触式 IC 卡读卡器模块部分是采用 Type A 标准设计的。 第三章 考勤系统的总体方案设计 本课题设计的刷卡考勤系统主要由 IC 卡、读卡模块、控制模块、显示模块和报警模块组成。下面分别对系统功能要求、系统技术要求及系统实现方案总体阐述。 3.1 系统的功能要求 本系统的研制主要包括以下几项功能： （1）读卡功能： 本系统的读卡模块可以识别基于国际标准 ISO/IEC 14443 的 IC 卡，可以读取 IC 的卡号。 （2）考勤功能：本系统通过对 IC 卡的识别来统计出勤信息，统计出应到人数。实到人数，实现考勤功能

23、。 （3）显示功能：对于考勤的相关信息，可以通过液晶显示屏来进行显示。对于数据库中存在的持卡人信息进行显示，并响铃提示通过；对于数据库中不存在的持卡人信息进行报警警告。 3.2 系统的技术要求 在了解本系统的工作原理和功能之后，我们就可以确定系统的技术要求。本系统采用了标准的 ISO/IEC 14443 “Type A”国际标准实现 IC 卡信息的读写，并通过天线的屏蔽干扰信号设计，大大提高了系统读卡的可靠性和通用性。系统采用的单片机处理器成本均比较低，适合批量生产和各类工程的需要。对于完整的系统而言，为了提高市场竞争力，要求该系统应符合便于携带、防干扰、易于使用和成本低廉等技术要求。具体参数

24、和指标如下: (1)便于携带：电路的设计和布局较为紧凑，减少占用的空间，减小硬件的体积，便于携带； (2)防干扰：系统的天线的合理设计，实现电子屏蔽； (3)易用性：系统采用模块化的设计，在使用过程中安装简单，同时考勤信息直观的显示在液晶屏上，人机交换界面良好，易于使用。 3.3 系统的组成及总体方案设计 基于单片机的刷卡考勤系统主要由天线、读卡芯片、单片机、控制电路、报警电路、显示电路组成。设计的关键在于读卡模块和显示模块电路的设计以及单片机与读卡芯片和液晶显示通信的程序设计。系统的组成结构如图（3）所示： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 9 图（3）考勤系统的结构框图 第四章 系统的硬件设

25、计 系统的电路图设计： 如图（4）所示，图中的 U2 为 STC89C52RC 单片机，J3 为 12864 液晶显示屏。单片机作为主控制器，S1、C1、R2、D1、R3 组成复位电路连接到 9 脚 RST 上，当按下S1，便会给单片机一个低电平，使单片机复位；通过单片机的 P1 口作为液晶显示屏的数据 I/O 口和 P0.0-P0.5 控制液晶的状态和显示； P2.0 口来控制蜂鸣器的响铃， 当给 P2.0一个高电平时，蜂鸣器响铃；P3.0/P3.1 作为下载电路的并行接口。 左下面的是 MFRC522 读卡芯片， 右下端为读卡器部分的天线， 当单片机通过 P0.6、P0.7 和 P2.5、

26、P2.6、P2.7 串口的 SPI 通信方式给 MFRC522“读”的信号时，MFRC522通过 VMID 和 RX 端口， 给天线信号， 通过射频感应， 天线读取 IC 卡中信息， 通过 TX1和 TX2 把信息存在 MFRC522 相应的寄存器中，当单片机发出控制“写”的信号后，相应的信息会被写到卡中。 4.1 天线的设计 4.1.1 基本设计的选择 非接触式 IC 卡天线利用电感耦合产生磁通，磁通用于向 IC 卡器件提供电源，并且可在两者之间传输数据。MFRC522 是一个单独的读卡器集成电路它要求在没有外部放大器的情况下工作距离达到 100mm。 蜂鸣器， 指示灯 读卡模块 单片机控制

27、器 天线 扬州大学本科生毕业设计（论文） 10 图（4）系统的电路图 天线的设计概念分类： （1）直接匹配的天线：用读卡器和天线的最小距离可以建立一个小型的完整终端。可行的应用是手持的读卡器或小型建筑物内的小范围的访问控制读卡器。 （2）500 匹配的天线：可以被用作读卡器和天线之间的长距离同轴电缆连接的应用的一个简单的解决方案。 考虑本系统的工作区域为小范围内的、近距离的读卡，所以采用直接匹配的天线设计，天线由 EMC（电磁兼容 ）电路、接收电路、匹配电路和天线组成。 4.1.2 天线大小 MIFARE 系统的工作距离由下面几个因素决定： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 11 （1）读卡器的

28、天线大小 ； （2）给定天线的匹配电路品质 ； （3）环境的影响 。 图（5）天线的大小与工作距离的关系 如图（5）所示，给出了天线的大小与工作距离之间的关系，根据本设计的近距离耦合的要求来选择天线的尺寸。 4.1.3 EMC 电路 RFID系统的频率工作在 13.56MHz ，这个频率要用一个晶振产生但它同时也产生了高次谐波。 为了符合国际中对 EMC 规定 ， 需要很好的抑制 13.56MHz 中的三次五次和高次谐波 。所以使用如图（6）中所示由元件 L4、L5 和 C12、C15 组成的低通滤波器，多高次谐波具有很好的抑制作用。 4.1.4 接收电路 MFRC522 的内部接收部分使用了

29、一个新的接收概念，它使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带，如图（6）所示，我们使用内部产生的 VMID 电势作为 RX管脚的输入电势，读卡器的接收部分需要在 RX 和 VMID 引脚之间连接一个 R12 做分压器，接收电路它由 R12、 R13 和 C10 组成。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 12 图（6）天线匹配电路和信号接收电路。 4.1.5 直接匹配天线的匹配电路 等效电路的等效电阻电感的计算 1.电感的估算： 8 . 111111)(ln(2NKDIcmInHL 公式（1） 其中 1I 定义为导线环的长度 ； 1D 定义为线圈的直径或 PCB 铜导线的宽度 ； K =1.0

30、7 环形天线； =1.47 方形天线 ； 1N线圈的匝数 ； ln自然对数函数 ； 天线的电感一般由下面的参数决定 ： （1） 天线的结构和 PCB 类型 （2）导线的厚度和宽度 （3）线圈之间的间距 （4）屏蔽层的设计 （5）附近的金属环境 2.线圈电阻的估算： MIFARE的工作频率是13.56MHz ， 但在这个频率范围内不足以用DC的电阻值DCR来描述天线线圈集肤效应（skin effect） ， 相应的深度不能被忽略，可以用 13.56MHz 和18m 的铜物质计算。天线线圈完整的 AC 电阻ANTR不能被计算。因为天线的电阻由几个因素决定：材料、线路的尺寸、形状、匝数和屏蔽概念。

31、首次天线调谐可以采用下面的估算公式： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 13 DCANTRR 5 公式（2） 4.1.6 品质因子 天线的品质因子是纠正天线调谐和所获得的性能的一个重要特性天线的品质因子由下面的公式定义： ANTANTRRLQ 公式（3） 其中RRf2，根据天线的几何形状 Q 的值通常在 50- 100 之间，要进行正确的数据传输这个值还要减少 。 用带宽 B 的定义 ： QfBR 公式（4） 以及时间与带宽的乘积的规定： 1TB 公式（5） 可以算出要求的 Q 因子是： TfQR 公式（6） 4.1.7 天线的设计 图（7）天线的设计图 如图（7）所示，电子屏蔽用于减少天线线圈

32、本身产生的电场，要在 PCB 上获得屏蔽的天线，PCB 要有 4 层，而且在顶层和低层都有屏蔽环（shielding loop） ， 这些环必须不能重合闭合 ，它不仅提供电子屏蔽还能改良 EMC 性能。屏蔽层要连接到一点再连接系统地。线圈在内部的第一层，线圈的中心抽头标记成 GND 并连接到 GND ，连接到匹配电路的线圈末端应排列得尽量接近，避免产生额外的电感 。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 14 4.2 读卡芯片电路的设计 图（8）读卡芯片 MFRC522 的电路连接 工作原理：如图（8）所示，21、22 脚作为晶振的接口，D5、D6、D7、SDA 作为MFRC522 与单片机以 SP

33、I 方式通信的串口， 单片机对 MFRC522 读卡芯片进行操作的时候，通过其进行通信并传输数据。TX1、TX2、VMID 和 RX 作为与天线连接端口。 MFRC522 简介： MFRC522 是由 Philips 公司推出的一款非接触式读卡芯片, 它被应用于 13.56MHz 非接触式 IC 卡的读卡通信。 MFRC522 兼容 ISO14443 A 所有的层, 最高的传输速度达 424kbps,在不需要增加有源电路的情况下，内部的发送器部分就能够直接驱动近距离天线, 在接收部分提供了一个高效的解调和解码电路, 用于接 ISO14443 A 兼容的应答信号。支持的主机接口 SPI 接口、I

34、2C 接口、串行 UART 接口。如图（9）所示：模拟接口用来处理模拟信号的调制与解调。非接触式 UART 用来处理与主机通信时的协议要求。FIFO 缓冲区快速而方便地实现了主机与非接触式 UART 之间的数据传输。不同的主机接口功能可以满足不同的用户要求。 扬州大学本科生毕业设计（论文） 15 图（9）MFRC522 的内部框图 MFRC522 的管脚的介绍表（2） ： 符号 管脚 类型 描述 OSCIN 21 I 晶振输入 IRQ 23 O 中断请求，用来输出一个中断事件 SIGIN 7 I 信号输入 SIGOUT 8 O 信号输出 TX1 11 O 发送器 1，传递调制的 13.56MH

35、Z 的载波信号 TVDD 12 PWR 发送器电源，给输出级 TX1 和 TX2 供电 TX2 13 O 发送器 2，传递调制的 13.56MHZ 的载波信号 TVSS 10,14 PWR 发送器地，TX1，TX2 输出级地 DVSS 4 PWR 数字地 D1D7 2531 I/O 不同接口数据管脚，可以做 SPI、I2C、UART SDA 24 I 串行数据线 EA 32 I 外部地址，用来编码 I2C I2C 1 I I2C 使能 DVDD 3 PWR 数字电源 AUX1 19 O 辅助输出，用于测试 AUX2 20 O AVSS 18 PWR 模拟地 RX 17 I 接收器输入，接收 R

36、F 信号 VMID 16 PWR 内部参考电压 NRSTPD 6 I 不复位和掉电，低电平有效 OSCOUT 22 O 晶振输出：振荡器的反相放大输出 TRSTPIN 9 不连接，三态管脚 PVDD 2 PWR 管脚电源 扬州大学本科生毕业设计（论文） 16 PVSS 5 PWR 管脚电源地 表（2）MFRC522 的管脚 MFRC522 支持的三种接口定义如表（3）所示： 表（3）三种通信接口方式 MFRC522 采用 SPI 通信时序图，如图（10）所示 图（10）MFRC522 SPI 通信时序图 兼容 SPI 接口读数据操作： MOSI 和 MISO 的字节顺序见表（4） 扬州大学本科

37、生毕业设计（论文） 17 表（4）字节顺序表 顺序表兼容 SPI 接口写数据操作： MOSI 和 MISO 的字节顺序见表（5） 表（5）字节顺序表 MFRC522 内部寄存器见附录（一） 。 4.3 液晶显示模块电路的设计 图（11）液晶电路图 工作原理： 如图（11）所示，单片机通过 R/W、D/I、EN 端口控制 LCD 的状态，CS1 和 CS2确定显示的位置，把要显示的数据送到 DB0-DB7，使其显示结果。当 14 脚为低电平时，R4 会有一个较大的导通电流，是 LCD 初始化。R14 是一个 10K 的电位器，调节背光。 12864 液晶的介绍： 其显示分辨率为 128 64，利

38、用该模块灵活的接口方式和操作指令，可构成人机友好交互图形界面。可以显示点阵的汉字，也可显示图形。 基本特性: （1）低电源电压（VDD:+3.0+5.5V） （2）2MHZ 时钟频率 （3）通讯方式：串行或并口 （4）内置 DC-DC 转换电路，无需外加负压 扬州大学本科生毕业设计（论文） 18 引脚的说明见表（6） ： 名称 型态 电平 功能描述 并口 串口 VCC I - 模拟电源输入 GND I - 电源地 V0 I - 对比度调节 VEE I - 液晶驱动电压输出 D/I I H/L 并串口选择，H 并 L 串 RST I H/L 复位信号，低电平有效 CS I H/L H 数据 L

39、指令 片选，低电平有效 R/W I H/L H 读 L 写 串行数据线 E I H/L 使能信号 串行时钟输入 DB0-DB7 I/O H/L 数据总线 LEDA I - 背光正 LEDK I - 背光负 表（6）液晶引脚的说明 内部方框图如图（12）所示： 图（12）液晶内部框图 控制器接口信号说明： RS，R/W 的配合选择决定控制界面的 4 种模式见表（7） ： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 19 RS R/W 功能说明 L L MCU 写指令到指令暂存器（IR） L H 读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态 H L MCU 写入数据到数据暂存器（DR） H H MCU 从数据

40、暂存器（DR）中读出数据 表（7）界面的模式 E 信号的逻辑操作见表（8） E 状态 执行动作 结果 高低 I/O 缓冲DR 配合/W 进行写数据或指令 高 DRI/O 缓冲 配合 R 进行读数据或指令 低/低高 无动作 表（8）E 信号的逻辑操作 数据传输过程图（13）所示： 图（13）串口数据线模式数据传输过程 MCU 写资料到 LCD（8 位数据线模式）如图（14）所示 图（14）MCU 写资料到 LCD 时序图 4.4 单片机控制模块电路 扬州大学本科生毕业设计（论文） 20 图（15）单片机的控制电路 工作原理： 如图（15）所示，S1 是复位开关，当其为低电平时，单片机复位；19、

41、20 脚接11.0592MHZ 的晶振，P3.0、P3.1 作为单片机下载接口。P0 口作为液晶数据端口，P0/P2口作为 I/O 口，通过电平状态来控制液晶显示器和 MFRC522 的读写。 STC89C52RC 单片机介绍： STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，主要特性如下： 1. 工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）。 2. 工作频率范围：040MHz。 3. 用户应用程序空间达到 8K 字节。 4. 片上集成了 512 字节 RAM 区。 5. 通用 I/O 口（32 个），复位后为：P1/P

42、2/P3 是准双向口/弱上拉，P0 口是漏极开路输出，当作为总线扩展使用，不用加上拉电阻，但作为 I/O 口用时，需加 10K 上拉电阻。 6. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），可通过串口 P3.0、P3.1，利用下载软甲直接下载用户程序，仅需数秒。 . 其他模块电路的设计 （1）USB 电源： 利用 USB 转接口，作为电源。为了减少信号的干扰，通过带通滤波电路来实现。 电路如图（16）所示： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 21 图（16）USB 电源电路 （2）下载电路 图（18）3.3V 电压源电路 图（17）下载电路图 利用 MAX232 搭建下载电路，如图（17）所

43、示。 （3）3.3V 电源 利用 LM1117 给 MFRC522 产生一个 3.3V 的恒压电源，如图（18）所示。 第五章 软件部分的设计 5.1 主程序的设计 本系统的程序设计采用模块化的设计方案，主要由初始化模块、读卡模块、考勤统计模块和显示模块组成。主程序的流程图如图（19）所示： 扬州大学本科生毕业设计（论文） 22 图（19）主程序流程图 系统初始化后，开始读卡，判断是否读取到卡的信息，然后进行考勤方面的统计并显示。 5.2 读卡模块软件设计 首先用程序对读卡器芯片（以下简称 PCD）进行寄存器初始化，完成后进入寻卡状态，通过天线发出寻卡信号。当有 IC 卡（以下简称 PICC，

44、实验程序所使用的卡为 MF1 S50 卡）进入天线有效操作区，并且得到能量后，返回给 PCD 卡类型值。下一步 PCD对卡进行防冲突操作，PICC 得到防冲突操作信号后，返回给 PCD 卡序列号。PCD 接收到序列号后，程序对序列号有效性判定。当确认 PICC 序列号有效后，PCD 发送选卡命令，选卡命中包含送出所选卡序列号，这样保证进行下一步操作的卡唯一。PCD 装载密匙，所装载密匙与所要操作的 PICC 扇区密匙一致，同一个扇有两组密匙，密匙 A、B。如进行 A 密匙认证则，装载的密匙为 A 密匙，进行 B 密匙认证，则需装载 B 密匙。装载密匙成功后，开始三遍认证操作。 如图（20）所示

45、为三遍认证的令牌模式原理框图： N Y N Y 开始 系统初始化 读卡 是否存在此卡数 显示 “您的信息不存在” 此卡刷了奇数次？ 人数自减 1 人数自增 1 显示刷卡信息和考勤信息 人数不变 扬州大学本科生毕业设计（论文） 23 图（20）遍认证的令牌模式原理框图 认证过程如下： （A）环：由卡片向读写器传递一个随机的数据 RB； （B）环：在读写器收到 RB 后，便向卡片发送一个令牌数据 TOKENAB，其中包括读写器发出的一个随机数据 RA； （C）环：在卡片收到令牌数据 TOKEN AB 后，便对令牌数据的加密部分保护进行解密，并验证在（A）环中卡片发出去的随机数 RB 与在（B）环中

46、接收到的令牌数据中的 RB 是否一致； （D） 环： 如果 （C） 环校验也是正确的， 则卡片会向读写器发送倒序后的令牌 TOKEN BA； （E）环：当读写器收到令牌 TOKEN BA 后，读写器便对令牌 TOKEN BA 中的 RB（随机数）进行解密；并校验在（B）环中读写器发出去的随机数 RA 与在（D）环中接收到的 TOKEN BA 中的 RA 是否相一致； 只有上述的每一个过程都为“真”， 及都能正确的通过验证， 整个认证过程才会成功。读写器才能对认证通过取得操作权限的卡片上的扇区进行进一步的操作。而卡片中的其他扇区都有其各自独立的密码，因此不能对其进行任何的操作。如果想对其他扇区进

47、行操作，必须完成再次上述的认证过程。 不管认证过程中的任何一环出现差错，整个认证都将失败，必须重新开始验证。在事先不知卡片上的密码，而靠猜测密码来打开卡片上的一个扇区的可能性几乎为零。因此，卡片中的每个扇区的密码都必须牢牢记住。如果，某一扇区的密码被遗忘，该扇区中的数据将不能再进行读写。但是，这不影响卡片上的其他扇区的使用。 通过认证后， 就可以对扇区中的块进行操作了， S50 卡的操作共有 7 种： 读块 （Read）读一个块；写块（Write）写一个块；减值（Decrement）对数据块进行减值操作；加值（Increment）对数据块进行加值操作；存储（Restore）将块中的内容存入数据

48、寄存器中；传输（Transfer）将数据寄存器中的内容写入块中；中止（Halt）将卡置于暂停工作状态。 刷卡程序的流程图如图（21）所示： 非 接 触 式卡片读写器 PCD Mifare 1 卡片 PICC (E) (C) (A) RB (B) TOKEN AB (D) TOKEN 扬州大学本科生毕业设计（论文） 24 图（21）刷卡程序流程图 5.3 显示模块软件设计 首先给液晶初始化，然后向液晶 RAM 区写入地址指令，设置要显示的 X、Y 坐标，N 存卡号 置卡为停止状态 三 次 验 证 成功？ 是否读卡？ 读卡成功？ 写卡成功？ N N N 开始 初始化 STC89C52RC 的控制端

49、口， 读卡芯片的寄存器 寻卡成功？ 防冲突成功？ 选卡成功？ N N N Y Y Y Y Y Y Y 扬州大学本科生毕业设计（论文） 25 然后向液晶 RAM 区写入数据指令，显示要显示的信息。流程图如图（22）所示： 图（22）显示程序的流程图 第六章系统测试结果及结论 6.1 调试 首先检测硬件电路的设计原理是否正确，能否达到预期效果以及实现方法是否简便；其次在焊接电路之后，认真检查电路焊接情况。这里采用分块调试的方法，分为显示模块电路，报警模块电路，读卡模块电路以及单片机控制电路。在每个模块的调试过程中又采用了由局部到整体，由简单到复杂的调试方法。先测试单片机控制模块及其下载电路是否正常

50、工作，然后测试显示模块能否正常工作，接着测试报警模块的电路、读卡模块的电路，最后再把各个模块连成整体。 我在调试过程中出现的问题有： 1、在调试显示模块部分时，电位器的接法错误，导致液晶显示屏背光调节失效，导致显示屏在调试初期看不到显示的信息； 2、蜂鸣器驱动电路采用了集电极驱动，但是对于 STC89C52 系列，单片机引脚总是被拉低到低电平，导致蜂鸣器响度不够； 3、另外在程序部分也随着调试的进行作了相应修改。 6.26.2 结论结论 本文在参考国内外大量资料的基础上，针对传统考勤方式存在的问题，结合 IC 智能卡的流行趋势，合理地提出了基于单片机的刷卡考勤系统的设计方法。本设计采用简单的设