基于单片机的射频卡收费控制器设计Word文档格式.docx

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院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题　目

承担指导任务单位

四方学院

导师

姓名

职称

一、项目简介

单片机与射频卡通信，读取射频卡里信息，并能对卡里内容进行更改。

刷卡时，单片机读取卡数值信息并在模块上显示，对其内容加减操作后，显示操作后的数值。

正确刷卡后，单片机控制消毒发生器和气泵开始消毒工作，十分钟后，全部停止。

从而实现刷卡计费控制。

此模块应用于生活中许多消费控制系统中，如公交刷卡，售饭收费系统，门禁，电梯刷卡系统，交通收费，停车收费等。

二、技术参数和要求

◆使用无线读卡模块M101且用I2C通讯

◆扇区1块0前四个字节放放置AA5580FE四个字节作为卡片识别代码第5，6，7字节放置MNNNTT

MN代表可消费值（MN<

=99）

NN每次扣除钱数

TT代表一次刷卡运行时间（TT<

=10（分））

◆两位数码管，四个指示灯（电源灯，运行灯，继电器动作灯，报警灯）

◆操作要求

1未刷卡时，数码管显示横线。

2刷无效卡时，报警灯闪烁，蜂鸣器响。

3刷有效卡但是可消费值MN=0时，报警灯常亮2秒，蜂鸣器响2秒。

4刷卡失败，蜂鸣器响且数码管显示Er。

5运行操作要求：

1）刷可消费有效卡时，数码管显示可消费值，1秒后，数码管显示扣除消费金额NN后的余额，继电器动作，运行灯闪烁。

2）期间如果卡中余额已经为0，则在本次TT分钟计时结束后，继电器停止动作，数码管显示卡中余额00，运行灯常亮，两秒后恢复到未刷卡状态。

三、结构框图

◆电路分为三部分，单片机部分，读卡模块，继电器。

◆单片机部分，读取写射频卡，并在数码管上显示，控制指示灯，继电器。

◆读卡模块，刷卡时，卡与读卡模块进行通信，模块有几根通讯线与单片机通讯，由此完成单片机对卡的读写操作。

◆继电器，由单片机控制何时工作。

四、参考及查阅资料

◆单片机按键检测，数码驱动。

相关资料下载网站WWW.STCMCU.COM

◆M101读卡模块PDF，非接触式射频卡PDF。

◆I2C总线

◆继电器资料

五、进度计划

第一周~第二周开题报告

第三~第四周资料收集，方案设计

第五周~第七周系统设计

第八周中期检查

第九周~第十二周系统调试和论文撰写

第十三~第十四周论文审核

第十五周~第十六周答辩

教研室主任签字

时　间

毕业设计开题报告

一﹑课题的研究背景

射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触的自动识别技术，利用无线射频方式进行非接触式的通信，实现对被识别物体的自动识别。

信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实现工业化、现代化的关键环节。

射频卡属于智能卡，智能卡系统应用是社会信息化的一个重要方面。

射频卡又叫非接触式IC卡，诞生于90年代初，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

由于存在着磁卡和接触式IC卡不可比拟的优点，使之一经问世，便立即引起广泛的关注，并以惊人的速度得到推广应用。

射频卡与接触式IC卡相比较，非接触式卡具有以下优点：

可靠性高，操作方便，快速，防冲突〔非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰〕，可以适合于多种应用加密性能好。

随着科学技术的发展，制造水平的提高，集成电路的普及，人们将不同功能的装置模块化，并将它们设计在一个屏体中，提高了空间利用率，方便了设备的维护，合理的线路设计能减少元器件工作时产生的信号干扰，节约屏体空间，提高供电水平，使工作人员更方便的使用。

二、课题的国内外研究现状

在国外，美国加州技术创新博物馆正使用射频卡识别技术来拓展和增强参观者的参观体验。

他们给前来参观的访问者每人一个RFID（射频识别技术）标签，使其能够在今后其个人网页上浏览此项展会的相关信息；

这种标签还可用来确定博物馆的参观者所访问的目录列表中的语言类别。

该博物馆成立于1990年。

自成立以来，就成为了硅谷有名又受欢迎的参观地，并吸引了很多家庭和科技爱好者前来参观访问。

每年大约能接待40万参观者。

从参观者所做出的积极良好的反应看来，使用RFID标签是成功的。

在未来的某一天，美国的技术创新博物馆可能会开发出一种展示品，用来探测RFID技术对于整个世界的影响，他们正在努力地研究着。

在国内，上海举行的会展数量以每年20%的速度递增。

上海市政府一直在积极探索如何应用新技术提升组会能力，更好地展示上海城市形象。

射频卡识别技术（RFID）在大型会展中应用已经得到验证，2005年爱知世博会的门票系统就采用了RFID技术，做到了大批参观者的快速入场。

2006年世界杯主办方也采用了嵌入RFID芯片的门票，起到了防伪的作用。

这引起了大型会展的主办方的关注。

在2008年的北京奥运会上，RFID技术已得到了广泛应用。

三、研究方案

1、课题的主要工作

本课题主要设计一套非接触式射频卡收费管理系统并实现。

（1）设计单片机的程序

编写单片机程序的功能要求为：

能实时读卡；

对射频模块的输出数据信号进行正确的解码；

对卡内数据操作正确无误，收费计算准确；

一次刷卡只能收一次费，即卡放到感应范围内不论多长时间只能有一次收费操作；

能响应上位机短消息命令，并将数据上传；

能响应键盘输入；

能利用数码管显示数据，能控制指示灯及运行继电器操作。

（2）设计读卡模块

主要是读写器的操作，完成对读写器的结构组成，还有射频卡与射频卡读写器之间的通信，了解射频卡与读写器是怎么样通过无线来接受和发出数据信号的，了解卡与读写器的通信原理〔读写器向射频卡发送射频调频信号，同时通过天线接收从射频卡返回载有射频卡所存信息的射频调制信号，经处理后传给射频控制设备〕，以便完成卡与读写器种类的选择。

（3）通讯

将读卡模块用几根通讯线（I2C总线）与单片机进行通讯，由此完成单片机对射频卡的读写操作。

（4）设计硬件

选取单片机芯片型号，根据芯片型号设计硬件原理图；

非接触式射频卡型号；

读卡模块种类；

通讯线的选取；

继电器的型号

2、所采取的方法手段

程序调试成功后，先进行仿真模拟，再完成硬件连接，最后在将软硬件连接起来。

使用非接触技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变，从而导致传输错误，通常采用数据检错和纠错算法来解决。

最常用的方法有奇偶校验、纵向冗余校验、循环冗余校验等，这些方法用于识别传输错误，并启动校验措施，或舍弃错误传输的数据，或要求重新传输有错误的数据块。

4、预期所达到的结果

单片机程序能够调试成功，仿真模拟成功，硬件的衔接成功，最后实现的功能要显现出来，即：

未刷卡时，数码管显示横线；

刷无效卡时，报警灯闪烁，蜂鸣器响；

刷有效卡但是可消费值MN=0时，报警灯常亮2秒，蜂鸣器响2秒；

刷卡失败，蜂鸣器响且数码管显示Er。

指导教师签字

摘　要

随着电子信息技术的发展，智能卡已经在我们的生活中随处可见。

射频识别卡正逐渐取代传统的接触式IC卡，成为智能卡领域的新潮流。

射频识别系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，对收费控制系统的发展起着极其重要的意义。

本文介绍了射频卡的内部结构及其工作原理，通过射频卡在中国的应用与发展历程，对射频卡与无线读卡模块之间的通信即I

C总线通信，读卡模块与单片机的通信进行了深入的分析，经过奇偶校验来识别传输错误，利用模块化处理重点阐述了射频卡读写器软、硬件设计。

根据自己所学的知识，提出自己对问题的解决对策，进一步推动收费控制系统的发展。

整个设计完成后，经过自制电路板进行测试，实现了PCB板，结合软件进行调试，基本能满足设计要求，实现了对射频卡的注销，注册，充值，消费的功能。

关键词：

　单片机　射频卡　读写器

Abstract

Withthedevelopmentofelectronicinformationtechnology,intelligentcardisineverywhereinourlife.RadiofrequencyidentificationcardisgraduallyreplacingthetraditionalcontacttypeICcard,asmartcardtrend.RadiofrequencyidentificationsystemofRFcardandreadercanbecompletedwithoutcontactbetweentherecognition,thechargingcontrolsystemdevelopmentplaysaveryimportantrole.

Thispaperintroducestheradiofrequencycardinnerstructureanditsworkingprinciple,throughtheradiofrequencycardapplicationinChinaanddevelopmentcourse,theradiofrequencycardreadermoduleandwirelesscommunicationbetweenI

Cbuscommunication,cardreadermoduleandMCUcommunicationundertookthoroughanalysis,theuseofmodulartreatmentfocusesonRFcardreaderthesoft,hardwaredesign.Accordingtomyknowledge,andputforwardmyproblemsolutions,tofurtherpromotethedevelopmentofchargingcontrolsystem.

Thewholedesigniscompleted,afteratestcircuitboard,realizethePCBplate,thecombinationofsoftwaredebugging,thebasiccanmeetthedesignrequirements,realizationofRFcardregistration,registration,recharge,consumptionfunction.

Keywords:

　Single-chipmicrocomputer　RFIDcard　Reader

目　录

第１章　绪　论

1.1　研究的背景及意义

射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）技术是20世纪90年代开始兴起的一种天线的，非接触方式的自动识别技术，是近几年来发展的前沿科技项目。

该技术主要是利用无线射频方式进行非接触式的通信，实现对被识别物体的自动识别。

射频识别技术的显著优点在于非接触性，因此完成识别工作时无需人工干预，能够实现识别自动化且不易损坏；

可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便；

射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，且可以穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。

RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

研究RFID产业对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义。

射频卡又叫非接触式IC卡，诞生于90年代初，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。

随着社会的不断向前推移，人们生活水平的不断提高，也就意味着人们的消费水平也有了很大的提高，商家的收费系统也有很大的改进，应用于生活中许多消费控制系统中，如汽车消毒收费系统，公交刷卡，售饭收费系统，门禁，电梯刷卡系统，交通收费，停车收费等。

汽车已经成为人类生活中必不可少的一部分，私家车的应用已经相当普遍，然而，汽车就像一个流动的“房子”，在汽车这个流动的“房子”内，必不可免的存在着有毒物质的威胁，而且车厢内的密闭性以及内饰原料的不明确性，往往使得这些有毒物质对人体的影响更大，2007年11月，由多家知名媒体支持，国家地质实验测试中心负责检测的“健康汽车”大型车内空气质量检测活动，经过近两个月的分批次检测后正式结束。

发现了很多有毒物质超标，尤其是新车，所以汽车消毒也是人们生活中必不可少的一部分，其中汽车消毒机就是利用了此射频识别技术，收费控制模块来实现的对汽车消毒。

1.2　国外研究现状

射频识别技术在国外发展的速度很快，RFID产品种类很多，象德州仪表、Motoro1a、Phllips等等世界著名厂家都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。

射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：

汽车、火车等交通监控；

高速公路自动收费系统；

停车场管理系统；

物品管理；

流水线生产自动化；

安全出入检查；

仓储管理；

动物管理；

车辆防盗等等。

RFID的应用仍在层出不穷。

如澳大利亚将它的RFTD产品用于澳机场旅客行李管理中并发挥了出色的作用，欧共体宣布1997年开始生产的新车型必须具有基于RFID技术的防盗系统，瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装RFID自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故可能性，1996年1月韩国在汉城的600辆公共汽车上安装RFID系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路和其它城市，德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场人关的手续，德国BMW公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中，Motoro1a公司在超净车间里利用RFID系统来控制流水线的零件流向等等。

1.3　国内研究现状

我国在政府在1993年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的10年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。

由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。

现在，射频识别技术做为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及，可以说我国射频识别产品的市场是十分巨大的，举一个例子来说明，利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向，人工收费包括IC卡的停车收费方式也终将被淘汰。

随着经济交流、旅游的发展、我国的高速公路发展势头十分强劲、对自动收费系统的需求会日益增长、我国的国土面积大、公路多、车辆多，预计在未来十年内将有数十亿元的需求。

国内已有几家公司在引进国外的先进技术，开发自己的射频识别系统。

现在，在锦山的一条高速公路上已应用了非接触射频卡自动收费，上海的公共汽车使用了电子月票，北京的机场高速公路上、深圳的皇岗口岸也使用了射频识别系统收费等等。

高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。

目前中国的高速公路发展非常快，地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件，而高速公路收费却存在一些问题，一是交通堵塞，收费站口，许多车辆要停车排队，成为交通瓶颈问题；

二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了相当的财政收入。

RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势。

让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。

同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。

射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大的，它的前景非常诱人。

在信息社会，对于各种信息的获取及处理要求快速、准确、在不久的将来RFID技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活、改善我们的生活。

对于这样一个新技术，我们应当加强宣传力度，希望能够尽早普及它，利用它，提高我们的工作效率和经济效益。

1.4　本文主要研究工作

射频识别技术是一个涉及范围相当广的课题，它包含了数字编码理论、密码学、校验与纠错理论、单片机接口技术、MCU编程等领域。

该课题的研究方案主要是基于对射频识别相关理论和技术的深入研究的基础上，设计了一套射频卡收费管理系统并实现，采用硬件和软件的协同设计，完成其初步的验证工作及其系统优化和调试等。

既不局限于单个用户的汽车消毒，又不超出当前国内城市居民的经济水平。

本设计包括射频卡收费控制器的硬件电路设计和软件程序设计，本文所研究的主要工作如下：

（1）文中提供了M101射频模块作为实现射频卡收费系统的物理基础。

（2）文中提供了射频卡收费控制模块的硬件框图设计，设计了STC89C52单片系统电路、继电器动作电路、报警灯动作电路、MAX232串口工作电路、USB工作电路、数码管显示电路、射频卡模块电路、电源电路等硬件电路原理图。

（3）文中提供了射频卡汽车消毒机收费主程序，并详细论述了该软件流程策划方案。

第2章　射频卡的识别系统

2.1　射频识别系统的分类

RFID系统的分类方法主要有以下几种：

按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统。

主动式系统中射频系统使用自身的能量主动地发送数据给读写器，被动式系统中射频卡是在收到读写器发出的射频信号后才被唤醒。

这样可以避免互相之间的干扰。

按射频卡有无电池可分为无源系统和有源系统。

无源系统一般识别距离短，使用寿命较长。

有源系统一般识别距离长，使用寿命取决于电池容量里。

按读写方式将射频卡分为三种：

可读写（RW）、一次写入多次读出（WORM）和只读（R0）。

RW卡成本LLWORM卡和R0卡高，WORM卡是用户可以一次写入数据，写入后数据不能改变。

RO卡存入数据后不能更改。

按工作距离分为远程、近程和超近程系统。

识别距离在100cm以上的系统称远程系统：

识别距离10cm至100cm的系统称近程系统：

识别距离0.2cm至10cm的系统统称超近程系统。

2.2射频识别系统的工作原理

射频识别（RFID）系统为无源系统，即射频卡内不含电池，射频卡的能量是由读写器发出的射频脉冲提供。

非接触式射频卡系统是基于射频法的系统。

射频法是运用L-C振荡回路工作的RFID系统工作过程如下：

（1）读写器在一个区域内发射能量形成电磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。

（2）射频卡进入这个区域时，接收到读写器的射频脉冲，经过桥式整流后给电容充电。

电容电压经过稳压后作为工作电压。

（3）数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到控制逻辑，控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其他操作。

（4）如需要发送数据，则将数据调制后从收发模块发送出去。

（5）读写器接收到返回的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时可通过RS232，RS485或无线接口将数据传送到计算机。

读写器发送的射频信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据保持同步。

2.3射频M1卡（MIFARE卡）

MIFARE技术是Philips公司推出的一种射频／双界面卡技术，目前已被ISO/IEC制定为国际标准：

ISO/IEC14443A标准。

MIFARE射频卡目前占据世界射频卡市场80％的份额。

MIFARE射频卡的核心是Philips公司的MIFARE1ICS50系列微晶片，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。

MIFARE射频卡采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的CMOSEEPROM、MCU等。

卡片上除了IC微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。

射频卡工作频率为13.56MHz，标准操作距离为100mm，与卡片读写器的通信速率高达106Kbit/s。

MIFARE射频卡具有先进的数据通信加密技术，需要双向验证密码系统，且具有防重叠功能，即能在同一时间处理读写器天线的有效工作距离内的多张卡片。

MIFARE射频卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议，卡片上有高速的CRC协处理器，符合CCITT标准。

MIFARE1S50射频卡卡片上内建8K（bit）存储容量EEPROM并被划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块。

卡片上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路，非常适合公交/地铁等行业的检票/收费系统。

卡片上的数据读写可超过10万次以上，数据保存期可达10年以上，且卡片抗静电保护能力达2000V以上。

2.3.1　M1卡的电气特性

●　容量为8K位EEPROM

●　分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位

●　每个扇区有独立的一组密码及访问控制

●　每张卡有唯一序列号，为32位

●　具有防冲突机制，支持多卡操作

●　无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路

●　数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次

●　工作温度：

-20℃-50℃（湿度为90％）

●　工作频率：

13.56MHZ

●　通信速率：

106KBPS

●　读写距离：

10cm以内（与读写器有关）

●　制作标准：

ISO14443，ISO10536

●　芯片：

PhilipsMIFARE1S50

2.3.2　射频M1卡的存储结构

M1卡片的存储容量为8192bitX1位字长（即1KX8位字长），采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区0—15。

每个扇区有4个块（Block），分别为块0，块1，块2和块3。

每个块有16个字节。

一个扇区共有16ByteX4=64Byte。

每个扇区的块3（即第四块）包含了该扇区的密码A（6个字节）、存取控制（4个字节）、密码B（6个字节），是一个特殊的块，具体结构如表2-1所示。

其余三个块是一般的数据块。

数据块有两种应用方法，一种是用作一般的数据保存用，直接读写。

另一种用法是