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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MF RC522读卡器，将IC卡初始化，并对卡号进行数据采集，当MF RC522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MF RC522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2.1 STC89C52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

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。
3.2 Keil软件开发
Keil uVision4，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]。
Keil uVision4软件开发流程图如图3.1所示。

图3.1 Keil uVision4软件开发流程图

4 系统调试

在整个系统通电之前，观察焊接是否存在问题。如有明显断裂，正负极连接、器件连接、焊接不实等，用万用表检测电源正负电压，是否出现严重的电源问题，如短路等。最后确认并保证系统没有问题。
在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，如果检查程序没有语句错误，则要检测是否能够达到本设计的要求，如果有功能不能正常运行，需要继续对软件程序进行调试，反复进行测试验证，直到所有功能都能正常运行。
4.1 软件调试
（1）使用Keil 4软件创建项目：单击菜单栏上的“工程”，输入并保存新项目名称“基于单片机的RFID消费管理系统设计”，然后在“Atmel”目录下选择单片机的型号“STC89C52”。
（2）新建用户源文件：新建一个空白的文本，在空白文本上编写本设计相关的程序源代码，代码编写完成后，文件拓展名“main.c”，新文件创建完成。
（3）程序编译和调试：单击代码运行按钮，在下方有输出文本框，可以看到代码的编译信息，如果在最后一行error（）内有数字，则需要按照提示找出错误的代码，并重新编写，直到没有错误为止[19]。
4.2 软件调试中遇到的问题
问题一：首次对程序进行编译时，有窗口弹出，显示有错误。
解决方法：检查程序中的标点书写格式，检查是否切换中英文角标；检查程序句末尾是否有遗漏的分号。
问题二：程序汇编时出现字母数字的混杂。
解决方法：输入字母“O”和数字“0”时，注意细节。
问题三：提示无asm文件。编译时候提示：F:…\XX.asm File has been changed outside the editor,reload？
解决方法：重新生成项目，产生examl1.asm即可。
4.3 焊接中遇到的问题
由于本设计布线较密，在焊接时需要根据电路图仔细对照，防止焊接位置出现错误。
问题一：在焊接过程中，焊锡不够、焊接点不圆润。
解决方法：这时需要给焊接处补焊锡，此时一定要注意焊锡量，不能补多，否则会容易连接到其它的引脚[20]。
问题二：在焊接过程中，遇到焊锡过多的问题。
解决方法：在焊接处用电烙铁来回滑动，用电烙铁将多余的焊锡带走，也可以使用吸锡器除焊锡。
实物焊接图如图4.1所示。

图4.1 实物焊接图
4.4 实物调试
在系统中，对于硬件电路的检测主要是看焊接时是否有毛刺、无光泽，电路是否有短路、开路、一些具有方向的元件是否方向弄错、电路设计错误等情况。
对于漏焊、元件方向弄错的检测方法是将手中的电路板对照着原理图，将导线一条一条的对照。如果发现没有导线连接错误或者对不上的情况下，需及时的检查有无漏焊的部位，确定漏焊的部位并进行及时的补焊。
检测短路、断路以及虚焊的时候，分别用两支红黑表笔在需要检测的元件或导线的两端连通，如果听到蜂鸣器发出响声，则代表线路正常，如果没有听到蜂鸣器发出响声，则代表着电路有问题[21]。
经过测试，实物电路板与原理图一致，所有元器件的插接、方向均正确，本系统最终实现了所有硬件功能。
本设计制作过程图如图4.2所示。

图4.2 制作过程图
本设计实物图如图4.3所示。

图4.3 实物图

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