关于智能饮水机的射频识别系统

射频识别技术

课程设计报告

编制教师：兰强 审定：韩云

题目：基于RFID的智能饮水系统 专业:物联网工程 班级:2014级 4 班 学号:20141044010 姓名:周正涛 2016至2017学年第1学期

计算机科学学院

实验报告说明

本课程实验共16学时。除统一安排的时间外，学生还可根据自己的实际适当安排课余时间上机。实验课注意事项如下：

（1）每次实验前学生必须充分准备每次的实验内容，以保证每次上机实验的效果。．．实验过程中必须独立完成。 ．．

（2）每次实验课将考勤，并作为实验成绩的重要依据。 ．．（每次实验完成后，及时撰写实验报告并交实验指导老师批阅。

（3）实验报告中学生必须填写【实验地点】、【实验时间】、【实验过程】以及【实．．．．．．．．．．．．．验总结】，注意：必须独立撰写实验总结，严禁抄袭。 ．．．

（4）学期结束时，每位同学应将自己的《实验报告册》交各班级班长或学习委员，由班长或学习委员以班级为单位、按学号从小到大排列好统一交给实验指导老师，．．．．．．．．否则无实验成绩。

附实验成绩登记表

课程设计题目 成绩

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基于RFID的智能饮水机技术

实验目的：

通过对射频识别技术的理论学习，为进一步加深和巩固学生对射频识别技术的理解和应用能力，理论联系实际，运用相应的设计工具，根据实际需要，能初步完成一个完整的RFID应用系统的概要设计，并撰写相应的概要设计说明书。

实验内容及基本要求：

根据实际需要，选择一个大小适合的RFID应用项目，题目自拟，完成一个完整的RFID应用系统的概要设计说明书。

要求如下：

1）熟悉基本的软件设计工具；

2）根据所设计的系统特点，运用已经学习过的射频识别技术知识，设计该系统，要求体现细节。

3）按照设计文档的要求撰写设计文档，主要包括以下部分内容，亦可根据实际需要增加系统所相关的内容。

（1）项目设计的背景 （2）系统概述 （3）总体设计 （4）模块功能描述

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基于RFID的智能饮水机技术

目录

1.前言或选题背景 ............................................................................. 4 1.1系统背景 ...................................................................................... 4 1.2IC卡出现的背景 .......................................................................... 4 1.3题的意义 ...................................................................................... 4 1.4课题设计的主要工作和任务 ...................................................... 4 2.系统方案的设计与实现 ................................................................. 5 2.1 Ic卡选型 ...................................................................................... 5 2.2读卡模块介绍 .............................................................................. 5 2.3总体方案论证 .............................................................................. 6

2.3.1各模块方案选择与论证 ................................................................................... 6 2.3.2总体方案硝定 ................................................................................................... 7

3系统硬件设计与实现 ..................................................................... 8 3.1电源模块 ...................................................................................... 8 3.2数码管显示电路 .......................................................................... 8 3.3单片机最小系统电路 .................................................................. 9 3.4 MF-RG522读写模块 .................................................................. 9

3. 4. 2 MF-RC522模块工作原理 ............................................................................ 11 3.4.3读写模块的天线设计 ..................................................................................... 12 3.4.4读写模块电路 ................................................................................................. 12

3. 5 MF-RG522模块与单片机接口电路 ....................................... 13 4系统软件设计与实现 ................................................................... 14 4.1软件设计环境 ............................................................................ 14 4.3读/写卡程序设计 ....................................................................... 15

4. 3.1 S50卡数据存储结构介绍 ............................................................................. 15 4. 3.1 S50卡数据存储结构介绍 ............................................................................. 17 4. 3. 2 MF-RC522命令寄存器及指令说明 ............................................................ 17

4.4系统外围基本电路程序的设计 ................................................ 21

4. 4. 1显示程序设计 ............................................................................................... 21

5系统调试 ....................................................................................... 22

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基于RFID的智能饮水机系统

摘要：随着社会的进步和现代化程度的不断提高，人类所拥有的信息种类和数量都在成 倍增加，人们每天都要处理许多与个人有关的信息，如购物、打电话、交水费、电费、 到银行存款取款等，这样就需要携带多种票证、现金、单据，给人们带来极大的不便 和不安全感。于是，人们开始寻求一种具有支付、查询、密码查验等多功能及携带方 便、安全可靠的“卡”。1C卡就是随着计算机技术、微电子技术和信息化技术的发展 应运而生的一种现代社会重要的信息载体和交易工具。1972年，法国人罗兰?莫雷诺 (Roland Moreno)第一次将可进行编程设置的1C芯片放在卡片使卡片具有了存储、更新、加密及数据处理能力等功能，这就是早期的1C卡。1976年法3布尔(Bull)公司研制，早期的1C卡系统是接触式的，它有其本身不可克服的缺点，如接触磨损、交易 速率慢、难以维护、基础设施投入大等。随着信息业和服务业的全球化，在一些场合， 对信息载体的便携性、安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接触式1C卡 以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为1C卡中潜力最大的新军而备受 国内外业界的瞩目。

关键词：IC卡，非接触是Ic卡

Abstract: with the progress of society and the constant improvement of the

modernized degree, the amount and types of information in human have increased exponentially, every day people have to deal with many personal information, such as shopping, telephone, water and electricity, to the bank deposit withdrawals, so you need to carry a variety of tickets, cash, documents to bring great inconvenience and insecurity. As a result, people began to seek a kind of payment, inquiry, password checking and other functions, and easy to carry, safe and reliable \the important information carriers and trading tools of modern society with the

development of computer technology, micro electronics technology and information technology. In 1972, the Frenchman Roland Moreno (Roland Moreno) will set the 1C chip programming on the card to make the card with the storage, update, encryption and data processing capabilities and other functions can be the first time, this is the early 1C card. In 1976, the company developed the 3 1C (Bull), the early card system is a contact, it has its own shortcomings, such as contact wear, slow transaction rate, difficult to maintain, infrastructure investment and so on. With the development of information industry and service industry globalization, in some situations, put

forward higher requirements for information carrier portability, safety and ease of use and other aspects, so the non-contact 1C card with no mechanical wear, easy

maintenance, convenient use and other advantages, has become the most potential in the 1C card and the new army much industry attention at home and abroad. Key words: IC card, contactless Ic card

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1.前言或选题背景

1.1系统背景

非接触式1C卡系统是当今世界先进的射频技术和1C卡技术相结合的产物，是世 界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和1C技术结合起来， 解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，使卡片在靠近读写器表

面时即可完成卡中数据的读写操作。非接触式1C卡一经问世，立即引起广泛的关 注。非接触式1C卡操作方便、抗干扰性高、可靠性高、安全丨的特点一些接触式IC卡不适用或者无法使用的场所，具有无可比拟的优势，被广泛应用于 公交、收费、门禁系统、考勤系统等领域。 1.2IC卡出现的背景

随着人们生活质量的提高，饮水机早已不再是摆设品或奢侈品，而成为家庭的必 需品。据不完全统计，全国大中城市约有15%以上的家庭拥有饮水机。中国医促会健 康饮用水专业委员会主任李复兴教授说，购买符合国家标准的合格饮水机，其卫生是有保障的，但劣质饮水机的涉水材料安全性没有保障，可能危害健康。一些假冒伪 劣饮水机产品使用的是不符合卫生安全要求的材料，这些材料经水浸泡后，有害物质 可能被溶出来，例如材料中的铅、铜、镍、铝、铁等，如果进入人体，就会危害健康。

由于国内外饮水习惯不同，对饮水机的功能要求也不同。国外消费者饮水以冰水 为主，因此对饮水机主要强调制冷功能；而国内消费者习惯喝开水、茶水，因此对饮 水机加热的功能较为注重。正因为需求的差异，目前国内绝大多数的家庭饮水机均有 加热胆及配套设施。加热胆的加热功能方便了人们的生活，但同时也存在一些问题， 例如容易出现结垢，特别是在水质硬度比较高的地区。出现的白色沉淀物大部分是碳 酸盐类，这些盐类是一种很稳定的化合物形态，还没有证据表明这些物质对人有害。 但这些物质的存在影响了热交换的效率，结垢严重时，会带来安全的隐患。

在饮用不达标水而威胁到人们身体健康的环境下，一个水的新时代已经到 来，1C卡饮水机为人们提供了直饮水必须符合三个标准：没右污染的水，充满生命水，符合人体生理需要，含有对人体有益矿质元素，Ph值呈弱碱性的水，从 而让人类机体更易吸收并能够达到调理身体酸碱平衡的作用，使人们在创造财富的同 时，也为自己创造了一个健康舒适的美好生活。 1.3题的意义

1C卡饮水机主要是针对像学校这些公共场所饮水收费难的问题，跟以往的饮水 机相比，优点更为突出。采取智能卡管理可达到有序合理使用水资源，让学生放心使 用，家长省心，学校开心，政府放心，社会满意；有偿用水，改变学生随意饮水习惯， 自小培养节约用水意识；使用方便，24小时供给冷热饮用水，方便师生自主选择使 用，尤其是在冬季也能随时喝上热水；费用低廉，适宜推广，其价格远远低于瓶装水， 价格合理，学生家长易于接受，为人们提供了饮用水的安全。

1.4课题设计的主要工作和任务

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1C卡饮水机是通过对1C卡进行初始化操作，将使用权限，用水金额、1C卡编号 等信息，写入1C卡里。持卡人饮水时，将1C卡放在饮水机的刷卡区，饮水机则出 水，并根据出水的时间，从卡中扣除相应的金额。所以本课题的关键技术在于对1C卡 的读写操作。根据课题设计要求，本课题将开发一种基于飞利浦公司MF-RC522读卡 芯片的非接触式1C卡智能饮水机的收费系统，其具有以下特点：能识别TYPEA型 卡片，读取卡号，并有防冲突功能；能对TYPEA的卡片进行高层操作，从而实现计费售水的功能。本设计芫成后所要达到的主要指标有： 第一，显示系统：LED数码管显示，能显示操作模式和卡片中余下的时间； 第二， 第二，按键操作：能迭择冷，热水和操作模式；

第三，机器读卡速度：0.5秒可芫成一次读卡过程，读卡距离为5至10厘米； 第四，保密性和昉伪性：能辨认卡的密码，非授权范固内的卡在系统内无法使用

2.系统方案的设计与实现

2.1 Ic卡选型

目前经常接触到的1C卡有两种：接触式和非接触式的1C卡。接触式的1C卡通过机械触点从读写器获取能星和交换数据；非接触式1C卡通过线圈射频感应从读写 器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。日前在社会上常见的是接触式1C卡，它具有存储量大，可实现一卡多用等功能。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也 不方便，每次读写时必须把卡插入到读写器中对能芫成数据交换，这样在读写卡片频繁的场合魷很不方便，而且读写器的触点和卡片上K卡的触脚外，容易损坏 和搞脏而造成接触不良。非接触式智能卡又称射频卡，是近几年发展起来的新技术。 它是根据射频电磁感应原理产生的，它的操作只雷将卡放在读写器一走距离内勃;能实 现数掮交换。它成功地将射频识别技术和K卡技术结合起来，将具有微处理器的集 成电路芯片和天线封装于塑料基片之中。读写器采用兆频段及磁感应技术，通过无线 方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协设。其优点是应用范固 广、操作方便。因此，在公交、门禁、娱乐场所等方面有广泛的应用前杲。目前我国 引进的射频卡主要以PHILIPS公司的MIFARE卡为主。本系统中使用的是HHIPS公司的MF1 ICS50,其属于TYPEA型卡，下面对 其做一些简述：Mifarel 1C卡的核心是PHILIPS公司MF1 ICS50系列微模块，它确 走了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。Mifarel 1C智能卡内建有高速的MCU， 卡片上除7 1C徽晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件；卡片上无源，工作时 的电源能望甶读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能;它与读 写器通信使用握手式半双工通信协议 2.2读卡模块介绍

非接触式1C卡读写模块以射频识别技术为核心，读写模块主要使用专用的读写 处理芯片，它是读写操作的核心器件，其功能包括调釗、解调、产生射频信号、安 全管理和昉碰樘机釗。其内部结构分为射频区和接口区：射频区内含调釗解调器和电 源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连 的收发器、数据缓冲器、昉碰樘模块和控釗单元。这是与智能1C卡实现无线通信的 核心模块，也是读写器读写智能1C卡的关键接口芯片。其工作时，不断地向外发出 一组固宝频率的电磁波，当有卡靠近时，卡片内有

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一个LG串联溜振电路，其频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG谣振电路产生共振，从而使电 容充电有7电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷 送到另一个电容内存储。当电容器充电达到一宝电压值时，此电容勃;作为电源为卡片 上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的数据并保存，其工作过程如下： 第一，读卡模块将载波信号经天线向外发送；

第二，卡进入工作区域后，卡内天线和电容组成的谣振回路接收读卡模块发射的 载波信号，射频接口模块将其转换成电源电压、1位信号，使卡片激活；

第三，存取控釗模块将存储器中信息调釗到载波上，经卡上天线送给读卡模块； 第四，读卡模块对接收到的信号进行解调、解码后送给单片机处理； 第五，单片机根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控釗。 2.3总体方案论证

2.3.1各模块方案选择与论证 (1)控釗器的迭择

方案一：采用.ATMEL公司的ATS9S52作为系统的控釗器。ATS9S52单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自甶度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控釗， 并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低，但是其主要专用的编程器或仿真器，相对来说开发成本较高，另外代码执行速度较慢。

方案二：采用宏晶科技的STC12C5A32S2单片机，该单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期(II)的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代S051单片机，指令代码芫全兼容S051，但速度快S-12倍，并且该型号单片机还提供ISP(在系统可编程）IAP (在应用可编程），无雷专用的编程器和专用的仿真器，可通过串口直接下载用户程序，此外该单片机还具有32K的用户程序空间和2SKEEPROM，片上还集成了12S0字节的RAM^=，足够用户使用，并且具备了 ATS9S52的所有优点，且 开发成本低，能更好的实现系统功能，故迭用方案二。 (2)RFID读卡芯片的迭择

隨著RFID市场的迅猛增长，各大传统1C芯片釗造商都加入到RFID读卡芯片的 开发当中，可供迭择的芯片很多，下面介绍两款主流的RFID读写芯片：

方案一 ：II公司的TRF7960芯片。TRF7960是一个整合的13.56MHzRFID读卡 器系统的模似前端和数据帕系统，可以用于较宽范固的近耦台RFID系统。它的特点 是芫全整合协设处理，内部抽立的模似与数宇电源，AM和PM双信号输入接收解调，读卡器与读卡器之间后冲突茸法，输出功率可调，内建带通璩波器并且用户可迭择边是芫全整合协设处理，内部抽立的模M与数宇电源，AM和PM双信号输入接收解调，读卡器与读卡器之间反冲突算法，输出功率可调，内建带通璩波器并且用户可迭择边 界频率，低功耗设计，掉电模式下电流小于屮A，激活状态10mA;与徽处理器接口 为S位并行接口或者4线SPI接口

方案二：N*XP公司(原飞利浦半导体公司)是较早进入RFID芯片行业的国际半导 体公司，在射频读写芯片上产品较全。MF-RC522芯片勃:是XXP公司生产的一款低 电压、低成本、体税小的非接触式读写卡芯片。MF-RC522利用7失逬的调釗和解调 槪念，芫全集成7在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协设。支持 IS014443A的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO 14443AXIIFARE?卡和应咅机的通信，无雷其它的电路。接收器部分提供一个坚固而 有效的解调和解码电路，用于处理IS014443A兼容的应咅器信号。数宇部分处理 IS014443A帕和错误检lj(苛偶&CRC)。此外，它

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还支持快速CRYPT01加密算法，

用于验证MIFARE系列产品。MFRC522支持MIFARE1更高速的非接触式通信，双 向数据传输速率高达424khts。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根掮不同的用户雷求，迭取SPI、I2C或串行UART(类似RS232)模式之一有利于减 少连线，缩小PCB板体税，降低成本。 甶于MF-RC522能够满足设计雷求，而且应用范固比其他的芯片更广，资料齐备， 于是迭择MF-RC522作为本设计的射频接口芯片。 (3)显示模块的迭择

方案一：使用LED显示。数码管显示，对外界环境要求低，操作简单，成本低， 高度高，显示薄晰可见，无热望，耐冲击，寿命长，并且容易编程实现，能显示数宇 和部分字符。

方案二：使用液晶显示屏显示各种信息。虽然液晶显示屏具有轻漭短小、低耗电 望、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，但是考虑到其高度低，实际成本高， 并且数码管已经可以很好的芫成系统的显示任务，故采用方案一。 (4)键盘模块的迭择

方案一：采用抽立式按键。抽立式按键接口设计优点是电路的配罡灵活，软件实 现简单。但缺点也很明显，每个按键雷要占用一眼口线，若按键较多，资源浪黄将比 较严重。因此本方法主要用于按健较少或对操作速度要求较高的场合。 方案二：采用矩阵式按键。矩阵式按键接口适用于按键数星较多，又不想使用专 用键盘芯片的场合。这种方式的按键接口甶行线和列线组成，按键位于行、列的交叉 点上。这种方的优点是可以节省很多1〇资源，相对于专用键盘可以节省成本，且更 为灵活5:。缺点是雷要用软件处理消抖、重键等。甶于该系统要求的按键很少，故采 用方案一。 2.3.2总体方案硝定 根据上述分析，系统设计方案如下：本系统M以宏晶科技公司的STC12C5A32S2 单片机作为控釗器，采用MF-RC522芯片作为射频卡读写模块，采用LED数码管显 示和抽立按键，并以SPI总线接口和MF-RC522模块通信，组成一套1C卡饮水机收 黄控釗系统。当1C卡在天线区域经过时，单片机自动对1C卡进行读写识别并开始扣 费，同时饮水机出水，并根据出水的时间，从卡中扣除相应的时间。系统框图如图 2-1所示。

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图1

3系统硬件设计与实现

3.1电源模块

该电源按常规设计，为系统工作提供所雷电源，其输入为220Y、50Hz交流电， 输出电压等级为_5Y，电路原理图如图3-1所示。该部分主要采用7S系列稳压器， 结构简单，调整方便，输出电压纹波小。市电交流220Y经変压器降压为交流12Y， 经过全桥整流输出直流电流，再经过1000.UF的电解电容璩波，除去整流后的交流成 分，送至各三端稳压器，输出雷要的电压。经过各三端稳压器稳压后，在LXI7S05 输出端输出-5Y直流电压

图2

3.2数码管显示电路

本系统的显示部分采用数码管显示，用来显示饮水机实际消费时的余额情況。为 了节省单片机10口资源，本设计采用动态显示的方法，所谓动态显示方式是指所要 显示的数据在LED上一个一个逐个显示，它是通过位迭端控釗在哪个LED上显示数 宇，甶于这些LED数宇显示之间切换的时间非常的短，使的人眼看起

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来它们是一起 显示数字的，所以其能很好的实现设计所雷的要求，同时动态显示方式所用的接口 较少，节省7单片机的管脚資源。本电路中采用两片74HC5 73并口锁存器来实现显 示电路，电路图如下图 3-2所示。

图3

3.3单片机最小系统电路

本设计中采用的单片机是宏晶科技的STC12C5A32S2,该单片机具有1T的机器 周期，且指令代码芫全兼容S051系列单片机，但速度却快SM2倍，并且可通过串口 直接下载用户程序，不雷要专用的编程器和仿真器，片上集成有高容屋的程序存储空 间和数掮RAM，无雷拓展存储器件勃:可满足设计雷要，下图3-3是其最小系统电路， 集合7系统时钟电路、1位电路和按键电路以及程序下载接口。 3.4 MF-RG522读写模块

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图4 1

.MF-RC522 芯片介绍

PHILIPS公司的MF-RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡1C 系列中的一员。其利用先逬的调釗和解调槪念，芫全集成7在13.56MHz下所有类型 的被动非接触式通信方式和协设。MF-RC522支持IS014443A的多层应用，其功能框 图如图3-U

图5

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MF-RC522支持可直接相连的各种微控釗器接口类型，如SPIJ2C和串行UART。 MF-RC522可1位其接口，并可对汍行了上电或硬1位的当前微控釗器接口的类型进 行自动检_。它通过1位阶段后控釗管脚上的逻辑电平来i只别微控釗器接口。数掮处 理部分汍行数据的并行-串行转换。它支持的帕包括CRC和苛偶校验。它以芫全逸 明的模式进行操作，因而支持IS014443A的所有层。状态和控釗部分允许对器件进 行配苦以适应环境的影响并使性能调节到最佳状态。当与MIFAREStandard和 MIFARE产品通信时，使用高速CRYPT01流密码单元和一个可靠的非易失性密匙 存储器。模M电路包含7—个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大 操作距离可达100mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应咅信号。甶于采用了非 常失进的技术，接收器已不再是眼釗操作距离的因棄了

该器件为32脚HVQFN封装，器件使用7 3个抽立的电源以实现在EMC特性和 信号解耦方面达到最佳性能。MF-RC522具有出色的RF性能并且模M和数宇部分可 适应不同的操作电压，其驱动、模似、数宇部分分别使用单抽电源供电

为了驱动天线，MF-RC522通过TX1和TX2提供13.56MHz的能星载波。根据寄 存器的设定对发送数据进行调釗得到发送的信号。智能卡采用RF场的负载调釗进行 响应。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX啡，RC522内部接收器对信号进行 检_和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后将数掮发送到串行接口甶微控釗器进 行 名称 D1...D7 SDA I2C EA mm 功能 夸笼密垮祛发吞的10 不司SC的致挎线 夸笼密垮祛发吞的1串行致挎线 〇 绐入 I2C使能 绐入 外却运址：选择 I2C的达垃 在每次上电或硬件1位后，MF-RC522也1位其接口模式当前微处理器的 接口类型。MF-RC522在1位阶段后根据控釗脚的逻辑电平i只别微处理器接口。这是 甶固宝管脚连接的组合和一个专门的初始化程序实现的。 引劣名称 UART方式 SH方式 I2C方式 SDA RX NSS SDA I2C L L H EA L H EA D7 TX MIS0 SCL D6 MX M0SI ADR0 D5 DIRQ SCK ADR1 D4 - - ADR2 D3 - - ADR3 D2 - - ADR4 D1 - - ADR5 3. 4. 2 MF-RC522模块工作原理 首失:MF-RC522射频卡读写模块(下面简称读写模块)通过天线向射频卡(非接触

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卡)发送无线载波信号，这些信号经过射频卡的天线耦合接收后：失进行波形转换：然 后对其整流璩波:甶电压调节模块对电压进行进一步的处理：包括稳压等，最终输出 到射频卡上的各级电路上。此时，非接触卡接收到载波信号后勃;通过本卡片上的调 釗解调电路对载波信号进行调釗解调，信号的频率与MF-RC522发出的载波信号的频率是一致的。通过这样一个通讯回路：

MF-RC522勃:可以对非接触卡的内容进行读写操作。这里雷要说明的是:非接触型1C 卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时:读写模块发出的信号甶两部分叠加 组成:一部分是电源信号，该信号甶卡接收后，与其本身的LC产生溜振，产生一个 瞭间能星来供给芯片工作。另一部分则是结合数掮信号，指择芯片芫成数楣、修改、 存储等：并遐回给读写模块

如上所述可以看出，读写模块的性能与天线的参数有著直掊的关系。天线的性能 高低决宝著读卡的距离远近。因此下面将勃:影响天线性能的参数做一些探讨。 3.4.3读写模块的天线设计

电感耦合射频识别系统的读写模块中的天线用于产生交変fi钱通望：而交変fi望用于向1C卡提供电源并在读写模块与1C卡之间传送信息。因此：天线的构造有以 下几个基本要求：

第一，使天线线圈的电流最大：用于产生最大的磁通望_值；

第二，功率匹配：最大程度地利用产生交変fi钱通望的可用能星； 第三，足够的芾宽：无失真地传送用数据调釗的载波信号。

在天线设计中：品质因教Q是一个非常重要的参数。对于电感耦合式射频识别 系统的天线：其特征值勃;是它的溜振频率和品质因数的值。较高的品质因数的值会使 天线线圈中的电流强度大些：甶此改善对1C的功率传送。与之相反：天线的传输带宽 刚好与品质因数值成反比例変化，迭择的品质因数过高会导致带宽缩小从而明显 地减弱1C卡接收到的调釗边带。计算品质因数的公式如下： Q=(2rfLcoil)Rcoil (3-1)

式(3-1)中的f是工作频率,Lcoil是天线的尺寸:Rcoil是天线的半径。通过品质 因数可以很容易计算出天线的芾宽B: 因数可以很容易计算出天线的芾宽B: B=fQ (3-2)

从式(3-2)中可以看出，天线的传输芾宽与品质因数成反比关系。因此：过高的品 质因数会导致芾宽缩小。从而减弱阅读器的调釗边带：会导致读写模块无法与卡通 信。一般系统的最佳品质因数为10?30:最大值不能超过60如果太高：卡将无法 准确地识别1位响应。 3.4.4读写模块电路

MF-RC522模块电路如图3-6所示，其中包括系统电路、天线电路和SPI接口电 路。本模块的接口采用SPI总线，当然也可以迭择I:C或UART方式，可以根据不同 情況进行迭择。

MF-RC522模块电路如图3-6所示，其中包括系统电路、天线电路和SPI接口电 路。本模块的接口采用SPI总线，当然也可以迭择I:C或UART方式，可以根据不同 情況进行迭择。

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3. 5 MF-RG522模块与单片机接口电路

甶于单片机系统电路使用的是5Y电源，而MF-RC522射频模块使用的是3.3Y 电源，为7使MF-RC522射频模块与单片机系统之间能正常的通信，我在他们直接加 了一个390欧的电阻，经测试可以正常使用，工作非常稳宝。同时还用了 LM1117-3.3 稳压芯片给XIF-RC522射频模块提供3.3Y的电源。其电路连接如下图3.S所示：

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4系统软件设计与实现

非接触1C卡饮水机系统的软件设计可分为三部分，分别为主程序设计、RC522 的读写程序的设计和读卡器外固基本电路的应用程序设计。主程序主要包括：系统 初始化程序，1C卡读写密码验证擦除操作程序，键盘扫描处理程序，宝时扫描显示 程序等，对MF-RC522的应用程序的设计也即是对MF-RC522操作指令的程序设计， 对读卡器外固基本电路程序的设计包括数码管显示程序设计、键盘扫描程序设计、出 水控釗程序。 4.1软件设计环境

一个好的程序设计思想，加上适当的编译软件、仿真器和编程器，是单片机软件 开发的基本要求。本系统程序的设计以模块化和结构化的设计思想为指导。单片机开 发所使用的语言一般为汇编语言和C语言。汇编语言的优点是代码生成效率高，程 序运行速度快，但是程序的可读性和可移植性都较差，而且用汇编语言编写单片机应 用系统程序的周期长，调试和排错比较困难。C语言是一种通用的计算机程序设计语 言，在国际上+分流行，它既可用来编写计算机的系统程序，也可用来编写一般的应 用程序。用它编写的程序，具有较好的可读性和可移植性。有经验表明，用C语言 编写的程序生成代码的效率仅比用汇编语言编写的程序低10?20%。德国Keil软件 公司的C51编译器可以直接对S051单片机的内部特殊功能寄存器和10 口进行操作， 直接访问片内或片外存储器，还可以进行各种位操作，能产生简洁、高效率的程序代 码，在代码质望上可以与汇编语言相媲美。因此系统在设计中使用了C语言进行设 计。开发环境Keil软件如图4-1所示。

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4.2主程序的设计

1C卡饮水机工作的过程是一个1杂的程序汍行过程，要汍行一系列的操作指令 调用多个函数。其主要包括键盘扫描、数码管显示、读写卡及外固电路控釗等。这 一系列的操作必须按固宝的_序进行。在没1C卡进入射频天线有效范固内时，在数 码管上显示工作模式标志，此时可以通过按键进行工作模式迭择，当有1C卡进入到 射频天线的有效范固内时，读卡程序验证卡及密码成功后，将根据具体的模式显示1C 卡中的数据，当1C卡拿走后，将恢1当前模式显示，汍行键盘扫描。主程序流程图 如图4-2所示： 4.3读/写卡程序设计

4. 3.1 S50卡数据存储结构介绍

Ml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，存储结构如表二1所示：

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4. 3.1 S50卡数据存储结构介绍

Ml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，存储结构如表二1所示：表4-1 IC+存铑结构 块0 数挎块 0 菹区0 块1 数挎块 1 块2 数挎块 2

块3 密；iA 存取控钊密玛B 控钊块 3 块〇 数挎块 4 菹区1 块1 数挎块 5 块2 数挎块 6

块3 密;iA 存取控钊密;iB 控钊块 7

第〇扇区的块〇 (即绝对地址〇块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更 改。每个扇区的块〇、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。数据块可作两种应用: 第一，用作一般的数据保存，可以进行读、写操作；

:h<:

第二，用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。 每个扇区的块3为控釗块，包括7密码A、存取控釗、密码B。具体结构如下：

A0A1A2A3A4A5 FF 07 80 69 BCB1B2B3B4B5

密码A(6字节）存取控釗（4字节）密码B (6字节） 码A(6字节）存取控釗（4字节）密码B (6字节）

每个扇区的密码和存取控釗都是抽立的，可以根掮实际雷要设走各自的密码及存 取控釗。存取控釗为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控釗块） 的存取条件是甶密码和存取控釗共同决走的，在存取控釗中每个块都有相应的三个控 釗位:定义如下： 块〇: C10 C20 C30 块1: C11 C21 C31

块2: C12 C22 C32 块3: C13 C23 C33

三个控釗位以正、反两种形式存在于存取控釗宇节中，决走了该块的访问权眼 (如进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEYB，等等）。三个控 釗位在存取控釗字节中的位罡，

例如：当块3的存取控釗位C13C23C33=10 0时，表示：密码A:不可读，验 证KEYA或KEYB正确后，可写（更改）；存取控釗：验证KEYA或KEYB正确后， 可读、可写；密码B:验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。

4. 3. 2 MF-RC522命令寄存器及指令说明MF-RC522内部有64个寄存器 PAGEO:CO\\IMAND.ANDSTATUS; PAGE1: COMMAND; PAGE2:CFG;

PAGES: TESTREGISTERo PAGEOCOMMANDANDSTATUS; PAGE1: COMMAND; PAGE2:CFG;

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PAGES: TESTREGISTERo

MF-RC522通过内部寄存器的读写控釗与：vSfarelIC卡数据通信CommandReg命令控制字如表4-6所示。 表4-S

Resetvalue:20h 4

〇jnmandReg(address 0 lh): 7 6 5 0 0 RcvOFF Command

Command命令类别如表所示。 表4-7 Command Idle CalcCRC Transmit NoCmdChanp Receive MFAuthent SofiR^et

\\KU对MIFARE非接触式智能卡的控釗是通过MF-RC522来实现的，MF-RC522 是MCU和MIFARE非接触式智能卡之间的通信载体。XKU对MF-RC522的控釗是 以MCU发出MF-RC522的指令来达到的，MF-RC522收到指令之后汍行这些指令。 MF-RC522 的指令主要有：RequestStd，RequestAll，AnticolUdon，SelectTag， Audierttication，Read，Write，Increment，Decrement，Restore，Transfer等，它们可 以芫成\\KU对MIFARE非接触式智能卡的很多应用场合的控釗。 以芫成\\KU对MIFARE非接触式智能卡的很多应用场合的控釗。

XKU对MF-RC522的某一指令操作不是简单的一条指令所能芫成的，必须有一 个程序的序列来芫成，其中有对MF-RC522硬件内核寄存器的读/写以及根掮读出的 以芫成\\KU对MIFARE非接触式智能卡的很多应用场合的控釗。

XKU对MF-RC522的某一指令操作不是简单的一条指令所能芫成的，必须有一 个程序的序列来芫成，其中有对MF-RC522硬件内核寄存器的读/写以及根掮读出的 硬件内核寄存器的内容进行语言软件上的判断和设罡。不同的指令将设g不同的 MF-RC522内部寄存器以及应有不同的编程语言程序序列。MF-RC522主要指令说明 如下：

“AnswertoRequest’’

指令 指令代玛（tex)与关的出错标志S收卡片上数挎 Reqi^ststd 26 TE.BE Tast>pe Reqi^stall 52

Request指令将通知MF-RC522在天线有效的工作范固内-找WARE卡片。如果 有MIFARE卡片存在，这一指令将分别与MIFARE卡片进行通信，读取WARE卡片 上的卡片类型号TAGTYPE，甶MF-RC522传递给\\KU，进行识别处理。Request指 令分为Requeststd和Requestall两个指令。

Requestall指令是非连续性的读卡指令，只读一次，它可以昉止MF-RC522迭择 同一卡片好几次。当某一张卡片在MF-RC522天线的有效工作范固内，Requestall

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指 令在成功地读取这一张卡片之后，将一直等待卡片的使用者拿走这张卡片，直到有新 一张的卡片进入:vtRC522天线的有效工作范固内。

Requeststd指令的使用和Requestall指令相反，Requeststd指令是连续性的读卡 指令。当卡片在MF-RC522天线的有效工作范固内，Requeststd指令在成功地读取这 一张卡片之后，对卡进行其他操作。如果其他操作芫成之后，程序员又将MF-RC522 进入Requeststd指令操作，则Requeststd指令将连续性地再次进行读卡操作，而不 管这张卡片是S被拿走。只要有一张卡片进入MF-RC522之天线的有效的工作范固 内，Requeststd指令将始终连续性地苒次进行读卡操作。 SelectTag”（迭择卡片操作）

指令指令代玛（hex)与关的出错标志笺收卡片上致挎 Selecting(选择片） 93 IE.BE. ?E.CE Size

在一个成功的AntiCdlision指令之后，或在任何时傾当程序员想与已知序列号的 卡片进行通信时，必须使用Select指令，以建立与所迭卡的通信。Select指令成功地在一个成功的AntiCdUsion指令之后，或在任何时傾当程序员想与已知序列号的 卡片进行通信时，必须使用Select指令，以建立与所迭卡的通信。Select指令成功地 芫成后，：VKU将得到MF-RC522的DATA寄存器传送来的一个宇节长的卡片容星信息_Size。 (3) Aud

表4-10认S指令 指令 指令代玛与关的出错标妄收卡.片上致（hex) 志 挎 Authentication Auth_la Authjb 6C 61 IE. BE. ?E. CE 在\\KU希望读取MIFARE卡上的数据之前，此操作必须是被允许的。这可以通 过迭择存储在MF-RC522之RAM中的密码集中的一组密码来进行认证而实现。如果 这一组密码与MIFARE卡片上的密码匹配，这一次操作被允许逬行。卡片上的存储 器的每一个块都分别地指走7该块的存取条件。这些存取条件是根据密码而宝。用户 必须在KEYSTACOX寄存器中指定一套密码，即设SKSO, KS1。KEYADDR寄存 器中的AB位用于迭择KEYA和KEYB。KEYADDR寄存器中的AB设罡必须匹配 “Authentication。命令。 (4) “Read” (读指令 指令代玛与关的出错标妄收卡片上致（hex) 志 挎 Read(读） 30 IE. BE. ?E. CE Data Read(读） 指令代玛（hex) 30 与关的出错标妄收卡片上致志 挎 IE. BE. ?E. CE Data Read (读)指令允许:VKU通过MF-RC522来读取MIFARE卡片上芫整的16个

Read(读)指令允许XKU通过MF-RC522来读取MIFARE卡片上芫整的16个 B>tes的数掮块(Datablocks)。 (5)“Write”写指令 表4-12写指令

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指令指令代玛（hex)与关的出错标志戔收卡片上数挎 Write(写） AO TE. BE

“\Write”写指令允许用户写数据到MIFARE卡片上(芫整的16 fB>te的数据块)。 4.3.3读/写卡程序流程图

读写卡过程主要由以下几步组成：

1位应咅：当一张MIFARE卡片处在读写器的天线的工作范固之内时，程序 员控釗读写器向卡片发出REQUESTall命令。卡片的ATR将启动，将卡片BlockO 中的卡片类型共2个宇节传送给读写器：建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果 不进行位迭择操作，读卡器对卡片的其他操作将不会进行；昉重1操作：有多张卡处在天线的工作范固之内时，RC522将取得每一张卡 片的系列号，甶于每一张MIFARE卡片都具有其唯一的序列号，决不会相同，因此 MF-RC522根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作。该操作MF-RC522得到 MIFARE卡片的遐回值和卡片的系列号；

迭择卡片操作：迭择被迭中卡的系列号，并同时遐回卡的容屋代码；

认证操作:经过上述3个步骤：在确认已经迭择7—张卡片时，MF-RC522在 对卡进行读写操作之前，必须对卡片上已经设S的密码进行认证，如果匹配，对允许 进一步的读写操作；

读写操作：在经过上述几个步骤之后勃;可以具体地对卡片进行相应的读、写、） (5)读写操作：在经过上述几个步骤之后;可以具体地对卡片进行相应的读、写 堦值、减值、存储和传送等操作。读写卡程序流程图如下图4-2所示。

开始

初始化子程序 调用防冲突子程序 选择卡片 认证操作 否 错误处理 认证通过？ 是 读块 写块 加值 减值 终止 20 基于RFID的智能饮水机技术

4.4系统外围基本电路程序的设计 4. 4. 1显示程序设计 结束 本设计中的显示模块为LED数码管显示，采用动态显示的方式，为7稳宝，雷 采用位扫描方式，即在某一时刻只迭通显示器的某一位，并送出相应的段码，在另一隔我们要确走好，为7不牺牲单片机的速度和精确显示间隔，我采用宝时器来实现它 们之间的延时，初始化定时器为2ms产生一个中断，是标志位a的值加1，这样各个 位之间的显示时间间隔勃;为2ms，经试验数码能稳宝显示，并且效果较好，。

本设计中只用到

两个按键，故迭用了独立键盘，程序设计也相应的比较简单，键 盘程序主要包括按键识别及识别按键后系统的相应动作。按键识别过程中主要遇到的 问题在于按键抖动的消除，我采用的是软件消抖，具体操作为：当检_到有按键按下 时，汍行一段延时l〇ms的子程序，然后再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有按键按下，

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逬行相应的处理工作。当按键时， 一直检则按键是S仍保持闭合状态电平，若还保持，则继续检_，直到変为断开状态 电平后遐回?键盘

扫描子程序流程图如图4-5。

5系统调试

本饮水机系统的设计经过方案论证、硬件电路设计、电路板釗作、软件设计和系 统调试，实现7要求的功能。在设计过程中不可避免的遇到7各种各样的问题，但是 经过老师的指导和自己的不断努力，最终实现7系统功能。在对系统调试的过程中遇 到了很多问题，以下面三个问题为例简要说明一下： 第一，蟑鸣器不能正常的发声；

第二，读卡模块不工作，不能正常的读取卡片；

第三，显示模块在有卡消黄时，显示会出现跳动，不能正常显示。 对于第一个问题，蟑鸣器报鍪电路比较简单，_试程序也很简单，并且程序在 Keil

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下进行了调试，没有问题，但是蟑鸣器却不能正常工作，起初我_坏疑是蟑鸣器有 问题，但是经_试是没有问题，于是我勃;拿板子和原理图比对，原理图上我连接的是 个PXP的三极管但是我在板子上焊接的确是9013 (NTX型三极管）所以无法正常工 作，最终把三极管换掉后，

第二个问题，出现在程序里面，具体情況说明：在调试程序过程中，我雷要屏蔽 几行代码，但是甶于自己耝心，把调用迭卡函数PcdSelectO那行程序也屏蔽掉了，虽 然编译器可以通过，可是程序下载到单片机里面后勃:是不能正常的读写卡了，于是我 还以为自己的模块出7问题，一直在检查，最后确定硬件没有问题，试著把蟑鸣器报 鍪加入到读卡的一系列函数里面，一个一个的_到底问题出在哪里，最终杷目标确定 在了迭卡函数那里，解决了问题。

第三问题是自己调试时间最长的，但是最终自己也未能解决，最后通过向老师请 教后问题得到7解决。问题描述：我的最初程序在K卡在消费后，显示部分一直显 示此卡消黄后的余额，但是系统要求的是卡拿走后显示部分1位显示，于是我利用- 卡函数判定有无卡在模块区域内，若没有，则汍行1位显示。在实际验证时，1C卡 拿走后的确实现71位显示的功能，可是K卡正常消费时，数码管却会闪动显示， 不能稳定显示。我想7各种方法来解决这个问题，但是都未能从根本上解决问题，最 终不得不想导师请教，导师给我讲解问题可能出现的地方，以及解决的办法，经过导 师的指点，问题得到7解决，最终实现7具体功能。

ic卡智能饮水机系统的设计进行了说明。首失介绍了 ic卡饮水机的背杲 和适用范固，然后经过各方面的论证最终得到7适合本系统的硬件方案，然后分模块 的详细的介绍7系统的硬件电路设计，系统软件设计，最终通过调试终于芫成7本系 统的设计。

作为一个系统在设计时可能要考虑到诸多因索，每一个细节上，都可能出现意想 不到的事情，有时一个小小的问题，要花好多的时间和精力，雷要耐心和恒心，经过 努力，该系统设计已经芫成，实际_试证明系统已能达到设计要求。

然而本论文论述的1C卡饮水机系统还有很多方面1要进一步提高，针对论文中 所述，主要有以下几个方面：

本次设计中没有给出饮水机系统的冷热水系统的具体方案设计及其检测部 分，控釗部分的相应设计。在实际的应用系统中，这也是非常重要的一部分，是不 或缺的。另外甶于时间等各方面原因，本次设计中没有实际设计其充值系统，只是在 收费终端上虚M7—下充值操作。甶于初次进行1C的读写设计，对1C卡的操作只是初步了解，本次设计没有 进行1C卡加密系统的设计，而实际的应用中这也是不可或缺的。本论文中给出的程序，还雷进一步的优化，减少其大小，提高程序汍行效军。 但是通过对系统的软硬件设计和调试过程，自己的思维，为今后从事单片机系统的开发工作打下了较为坚实的基础。本文还有很多不足 之处，恳请各位专家和老师批评指正。

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