基于单片机及MFRC522的餐卡充值消费系统

1、射频识别技术课程设计报告题 目：基于单片机及MFRC522的餐卡 充值消费系统 院 （系）：信息与电子工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 目录1.题目32.目的与要求32.1目的32.2要求32.2.1系统功能32.2.2系统原则33.内容与步骤（设计思想）43.1硬件设计43.1.1系统框架43.1.2最小系统模块设计53.1.3键盘模块设计63.1.4 LCD驱动模块设计63.1.5 蜂鸣器模块设计73.1.6 电源模块设计73.1.7 RFID读卡器模块设计83.1.8 S50卡简介93.2软件设计103.2.1 总体设计103.2.2 读卡程序设计113.2.3 MCU与读卡模

2、块通信程序设计124.部分代码（详细的注释）144.1键盘程序144.2 LCD1602程序144.3 读写卡程序165.课程设计实践总结21 1.题目基于单片机及MFRC522的餐卡充值消费系统2.目的与要求2.1目的科技高速发展，人们的需求也在日益增长，智能化与便携化成为人们孜孜不倦的追求。电子计算机的出现丰富了这个世界，也简化了这个世界。当然微型处理系统也悄悄产生了，并大量应用在实际中，利用MCU控制，处理一些事务，降低了劳动时间，提高了劳动效率，也提高了精度。MCU的出现使生活与生产发生很大的改变。人们的生活与智能越来越密不可分。RFID的普及，丰富了人们的生活，使得人们的物理数量转化

3、为虚拟数量，比如现金数字化。RFID的发展，是信息现代化的主流和趋势，RFID的广泛应用将会掀起一场住宅革命，促进物联网的快速发展。传统的现金消费方式并不适合学校、企业等人口集中且密集的地域。此方式不仅不方便单位对消费记录的获取，而且对于买卖双方也是非常不方便的。餐卡充值消费系统会使人们生活更加方便，不用随时随地的带好现金，也不用担心现金丢失，更不用担心收到假币。人们只要一张IC卡，便能够对自己的现金进行数字化，不管是交易还是携带都是方便至极。 2.2要求2.2.1系统功能(1) 读卡器对IC初始化，设置IC卡的密码，设置卡号及充值相应的初始金额。(2) 充值IC卡功能，学生等人可以通过带上自

4、己的现金去充值点让管理员进行充值。(3) 刷卡功能，工作人员按下键盘设置相应金额后，消费者可以近距离刷卡从而达到消费效果。(4) 读卡提示，lcd液晶屏上显示出本次消费或者充值的金额，如果没有操作，则是显示余额。蜂鸣器做出相应的声音提示。(5) 容错功能，当工作人员不小心刷多了金额，工作人员可以设置读卡器为充值模式对卡进行加款功能。2.2.2系统原则(1)实用性，餐卡消费系统的内容应符合实际需要，不能华而不实。因此，系统的实用性是首先应遵循的第一原则。(2)准确性，能够对IC卡上的数据准确的进行读取、充值以及扣款，避免出现更种漏洞而不实用。(3)实时性，即读卡器能快速地对IC卡上的金额进行读取

5、或者其他操作，减少等待时间，提高工作效率。(4)完整性，一个完整的餐卡充值消费系统是建筑整体形象的重要标志。功能完善，设备齐全，管理方便是设计应考虑的一个因素。(5)容错性，读卡器必须具备有了解消费者的所有操作，避免消费者或营业员的错误操作而出现bug。(6)健壮性，实现多卡防冲突、防碰撞灯功能，避免系统误操作，避免发生崩溃。(7)安全性，系统必须在物理安全与技术安全方面做好可靠的保障，防止不法分子的盗取与恶意破坏而带来损失。(8)易维护性，餐卡充值消费系统在运行过程中的维护应该尽量做到简单易行。(9)稳定性，餐卡充值消费系统的职能是保护人身和财产的安全，一旦系统开始工作就要求连续不间断的运行

6、，所以稳定性对于餐卡系统来说就显得非常重要。3.内容与步骤（设计思想）本系统设计分为硬件设计以及软件设计总共两个部分。硬件设计包括：单片机最小系统、MFRC522读卡器模块、LCD1602及驱动模块、蜂鸣器模块、键盘模块、电源管理模块等。软件设计包括：单片机与MFRC522读卡器模块通信，读卡程序设计，防碰撞算法设计，加密算法设计，LCD1602模块驱动程序，键盘搜索程序，蜂鸣器驱动程序等。3.1硬件设计3.1.1系统框架本系统通过MCU中央控制器对RFID读卡器模块进行控制，RFID读卡器进而对IC卡进行读写数据等通信，最后把数据返回给MCU，再通过液晶屏显示出来。过程可以通过键盘的输入来手

7、动控制。IC卡键盘模块RFID读卡器mcuLCD液晶屏蜂鸣器电源模块图3-1 系统框架图3.1.2最小系统模块设计本系统MCU采用STC89C52RC芯片，STC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，基于Intel 标准的8052，指令代码完全兼容传统的8051 系列单片机，12 时钟/机器周期和6 时钟/机器周期可任意选择，最新的D 版本内集成MAX810 专用复位电路。图3-2 STC80C52RC最小系统原理图3.1.3键盘模块设计系统需用到数字键及其逻辑功能键，所需要哦的按键比较多，为了节省单片机的I/O口。采用了矩阵键盘进行系统计算器键盘的设计。

8、图3-3 矩阵键盘原理图3.1.4 LCD驱动模块设计为了能有友好的交互面，系统采用LCD1602液晶显示屏模块。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。它是由若干个5x7或者5x11的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以用显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以它不能很好的显示图片。但是用它来设计可以方便软件设计，减少开发的成本。图3-4 LCD1602模块连接图图3-5 LCD1602实物图3.1.5 蜂鸣器模块设计为了能让刷卡时有提示，系统采用了蜂鸣器作为提示源。图3-6 蜂

9、鸣器电路图3.1.6 电源模块设计要给各个模块提供不同电压，就必须进行电源模块的设计，电源模块要能提供5V以及3.3V的电压，且电流要能驱动各个模块，使其正常工作。采用以下电路，能设计出稳定的电压值。图3-7 电源模块电路图3.1.7 RFID读卡器模块设计系统采用了MFRC522读卡模块。MFRC522是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（13.56MHz）。MFRC522发送模块工作模式：MFRC522的内部发送部分可驱动读写器天线与ISO 1443A/MIFARE卡和答应机的通信，无需其他的电路

10、。接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路，用来处理ISO 1443A/MIFARE的卡和应答机的信号。数字电路部分处理完整的ISO 1443A帧和错误检测（奇偶&CRC）。MRFC522支持MIFARE Classic（如，MIFARE标准）器件。MFRC支持MIFARE更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s.可实现各种不同主机接口功能：SPI接口、串行Uart以及I2C接口。模块具有以下特性：1) 高度集成的模拟电路，解调和译码相应。2) 缓冲的输出驱动器与天线的连接使用最少的外部元件。3) 支持ISO 1443A/MIFATE。4) 读写模式中与ISO 14

11、43A/MIFARE的通信距离高达50mm，取决天线的长度和调谐。5) 读写器模式下支持MIFARE Classic加密。6) 支持ISO 1443 212kbit/s和424bit/s的更高传输速率的通信。7) 64字节的发送和接收FIFO缓冲区。8) 灵活的中断模式。9) 低功耗的硬件复位功能。10) 软件掉电模式。11) 可编程定时器。12) 内部振荡器，连接27.12MHz的晶体。13) 3.3V的电源电压。14) CRC协议处理器。15) 自由编程的I/O管脚。16) 内部只测试图3-8 简化的MFRC522框图3.1.8 S50卡简介系统采用MIFARE S50卡作为餐卡设计。S5

12、0卡主要指标：（1） 容量为8K位EEPROM；（2） 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；（3） 每个扇区有独立的一组密码及访问控制；（4） 每张卡有唯一序列号，为32位；（5） 具有防冲突机制，支持多卡操作；（6） 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路；（7） 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次；（8） 工作温度：-2050(湿度为90%)；（9） 工作频率：13.56MHZ；（10） 通信速率：106 KBPS；（11） 读写距离：10 cm以内（与读写器有关）；存储结构：M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成

13、，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063。第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。 块0 数据块0扇区0 块1数据块1块2数据块2块3密码A 存取控制 密码B控制块3 块0数据块4扇区1块1数据块5块2数据块6块3密码A 存取控制 密码B控制块7 0数据块60扇区15 1数据块61 2数据块62 3密码A 存取控制 密码B控制块63图3-9 S50卡存储结构图卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成。天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。ASIC：卡片的ASIC由一个高

14、速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。工作原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。3.2软件设计3.2.1 总体设计系统开机进入欢迎界面，5秒后进入首次注册模式（为IC卡充值100元钱）。通过按键选择充值模式或者是消费模式。如果LCD显示金额且是充卡

15、模式，即可为卡进行相关金额的充值。如果是消费模式，则扣除相关金额，如果卡中金额不够扣款，则扣款不成功，蜂鸣器发出相应的声响。如果LCD上没有显示金额，当卡靠近时可查看卡的余额。欢迎界面注册M=0余额小于金额M=1充卡模式消费模式余额大小于金额充值成功扣款成功图3-10 系统程序流程图3.2.2 读卡程序设计S50卡要与MFRC522读卡器通讯，读卡器必须先执行寻卡操作，进而记性防碰撞机制，接着对进入范围的卡取一张进行选择，再接着验证IC卡中的密码，如果密码核对正确即可进行下一步操作，否则不可操作。验证成功之后，最后可以读取S50卡中的金额、卡号等数据信息，也可以往IC卡中写入金额信息，也可以对

16、密码进行修改。图3-11 读卡器读S50卡程序流程图3.2.3 MCU与读卡模块通信程序设计为了使编程方便，本系统使用简单的SPI通信协议来使单片机控制读卡器模块。SPI是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口，是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。SPI的通信原理很简单，它

17、以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要4根线，事实上3根也可以。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI(数据输入)，SDO(数据输出)，SCLK(时钟)，CS(片选)。MOSI(SDO)：主器件数据输出，从器件数据输入。MISO(SDI)：主器件数据输入，从器件数据输出。SCLK ：时钟信号，由主器件产生。CS：从器件使能信号，由主器件控制。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效，这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。需要注意的是，在具体的应用中，当一条SPI总线上连接有多个设

18、备时，SPI本身的CS有可能被其他的GPIO脚代替，即每个设备的CS脚被连接到处理器端不同的GPIO，通过操作不同的GPIO口来控制具体的需要操作的SPI设备，减少各个SPI设备间的干扰。SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位从MSB或者LSB开始传输的，这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，MISO、MOSI则基于此脉冲完成数据传输。 SPI支持4-32bits的串行数据传输，支持MSB和LSB，每次数据传输时当从设备的大小端发生变化时需要重新设置SPI Master的大小端。图3-12 SPI协议时序图4.部分代码（详细的注释）4.1键盘程序/扫描按键又没有按下void

19、 KeyScan(void)char a = 0;GPIO_KEY=0x0f;if(GPIO_KEY!=0x0f)/读取按键是否按下Delay10ms(1);/延时10ms进行消抖if(GPIO_KEY!=0x0f)/再次检测键盘是否按下/测试列GPIO_KEY=0X0F;switch(GPIO_KEY)case(0X07):KeyValue=0;break;case(0X0b):KeyValue=4;break;case(0X0d): KeyValue=8;break;case(0X0e):KeyValue=12;break;/测试行GPIO_KEY=0XF0;switch(GPIO_KEY

20、)case(0X70):KeyValue=KeyValue+3;break;case(0Xb0):KeyValue=KeyValue+2;break;case(0Xd0):KeyValue=KeyValue+1;break;case(0Xe0):KeyValue=KeyValue;break;while(a0; c-) for (b=199;b0;b-) for(a=1;a0;a-); /写命令函数void LcdWriteCom(uchar com) /写入命令LCD1602_E = 0; /使能LCD1602_RS = 0; /选择发送命令LCD1602_RW = 0; /选择写入LCD1

21、602_DATAPINS = com; /放入命令Lcd1602_Delay1ms(1);/等待数据稳定LCD1602_E = 1; /写入时序Lcd1602_Delay1ms(5); /保持时间LCD1602_E = 0;/写数据函数 void LcdWriteData(uchar dat)/写入数据LCD1602_E = 0;/使能清零LCD1602_RS = 1;/选择输入数据LCD1602_RW = 0;/选择写入LCD1602_DATAPINS = dat; /写入数据Lcd1602_Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /写入时序Lcd1602_Delay1ms(5

22、); /保持时间LCD1602_E = 0;/LCD初始化子程序void LcdInit() LcdWriteCom(0x38); /开显示LcdWriteCom(0x0c); /开显示不显示光标LcdWriteCom(0x06); /写一个指针加1LcdWriteCom(0x01); /清屏LcdWriteCom(0x80); /设置数据指针起点4.3 读写卡程序/功 能：寻卡/参数说明: req_codeIN:寻卡方式/ 0x52 = 寻感应区内所有符合14443A标准的卡/ 0x26 = 寻未进入休眠状态的卡/ pTagTypeOUT：卡片类型代码/ 0x4400 = Mifare_Ul

23、traLight/ 0x0400 = Mifare_One(S50)/ 0x0200 = Mifare_One(S70)/ 0x0800 = Mifare_Pro(X)/ 0x4403 = Mifare_DESFire/返 回: 成功返回MI_OK/char PcdRequest(unsigned char req_code,unsigned char *pTagType) char status; unsigned int unLen; unsigned char ucComMF522BufMAXRLEN; ClearBitMask(Status2Reg,0x08); WriteRawRC(

24、BitFramingReg,0x07); SetBitMask(TxControlReg,0x03); ucComMF522Buf0 = req_code;status=PcdComMF522(PCD_TRANSCEIVE,ucComMF522Buf,1,ucComMF522Buf,&unLen); if (status = MI_OK) & (unLen = 0x10) *pTagType = ucComMF522Buf0; *(pTagType+1) = ucComMF522Buf1; else status = MI_ERR; return status;/功 能：防冲撞/参数说明: p

25、SnrOUT:卡片序列号，4字节/返 回: 成功返回MI_OK/ char PcdAnticoll(unsigned char *pSnr) char status; unsigned char i,snr_check=0; unsigned int unLen; unsigned char ucComMF522BufMAXRLEN; ClearBitMask(Status2Reg,0x08); WriteRawRC(BitFramingReg,0x00); ClearBitMask(CollReg,0x80); ucComMF522Buf0 = PICC_ANTICOLL1; ucComMF

26、522Buf1=0x20; status=PcdComMF522(PCD_TRANSCEIVE,ucComMF522Buf,2,ucComMF522Buf,&unLen); if (status = MI_OK) for (i=0; i4; i+) *(pSnr+i) = ucComMF522Bufi; snr_check = ucComMF522Bufi; if (snr_check != ucComMF522Bufi) status = MI_ERR; SetBitMask(CollReg,0x80); return status;/功 能：选定卡片/参数说明: pSnrIN:卡片序列号，

27、4字节/返 回: 成功返回MI_OK/char PcdSelect(unsigned char *pSnr) char status; unsigned char i; unsigned int unLen; unsigned char ucComMF522BufMAXRLEN; ucComMF522Buf0 = PICC_ANTICOLL1; ucComMF522Buf1 = 0x70; ucComMF522Buf6 = 0; for (i=0; i4; i+) ucComMF522Bufi+2 = *(pSnr+i); ucComMF522Buf6 = *(pSnr+i); Calulat

28、eCRC(ucComMF522Buf,7,&ucComMF522Buf7); ClearBitMask(Status2Reg,0x08); status = PcdComMF522(PCD_TRANSCEIVE,ucComMF522Buf,9,ucComMF522Buf,&unLen); if (status = MI_OK) & (unLen = 0x18) status = MI_OK; else status = MI_ERR; return status;/功 能：验证卡片密码/参数说明: auth_modeIN: 密码验证模式/ 0x60 = 验证A密钥/ 0x61 = 验证B密钥

29、/ addrIN：块地址/ pKeyIN：密码/ pSnrIN：卡片序列号，4字节/返 回: 成功返回MI_OK/ char PcdAuthState(unsigned char auth_mode,unsigned char addr,unsigned char *pKey,unsigned char *pSnr) char status; unsigned int unLen; unsigned char i,ucComMF522BufMAXRLEN; ucComMF522Buf0 = auth_mode; ucComMF522Buf1 = addr; for (i=0; i6; i+)

30、ucComMF522Bufi+2 = *(pKey+i); for (i=0; i6; i+) ucComMF522Bufi+8 = *(pSnr+i); / memcpy(&ucComMF522Buf2, pKey, 6); / memcpy(&ucComMF522Buf8, pSnr, 4); status = PcdComMF522(PCD_AUTHENT,ucComMF522Buf,12,ucComMF522Buf,&unLen); if (status != MI_OK) | (!(ReadRawRC(Status2Reg) & 0x08) status = MI_ERR; retu

31、rn status;/功 能：读取M1卡一块数据/参数说明: addrIN：块地址/ pDataOUT：读出的数据，16字节/返 回: 成功返回MI_OK/ char PcdRead(unsigned char addr,unsigned char *pData) char status; unsigned int unLen; unsigned char i,ucComMF522BufMAXRLEN; ucComMF522Buf0 = PICC_READ; ucComMF522Buf1 = addr; CalulateCRC(ucComMF522Buf,2,&ucComMF522Buf2);

32、 status = PcdComMF522(PCD_TRANSCEIVE,ucComMF522Buf,4,ucComMF522Buf,&unLen); if (status = MI_OK) & (unLen = 0x90) / memcpy(pData, ucComMF522Buf, 16); for (i=0; i16; i+) *(pData+i) = ucComMF522Bufi; else status = MI_ERR; return status;/功 能：写数据到M1卡一块/参数说明: addrIN：块地址/ pDataIN：写入的数据，16字节/返 回: 成功返回MI_OK/ char PcdWrite(unsigned char addr,unsigned char *pData) char status; unsigned int unLen; unsigned char i,ucComMF522BufMAXRLEN; ucComMF522Buf0 = PICC_WRITE; ucComMF522Buf1 = addr; CalulateCRC(ucComMF522Buf,2,&