基于单片机的移动式RFID信息采集器的设计与实现

本科毕业论文（设计）论文

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开题期：2013年 10月 20日

摘要

本设计针对现有数据采集器大都需要跟电脑连接，受场地和仪器限制的现状，本文提出了基于AT89C51单片机和RFID技术的手持式数据采集器的设计思路，设计一种便携、实时、准确识别的信息采集仪器。该设计将会在物流、仓库管理等化方面有广阔的市场。无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），或称射频识别技术是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。

关键词：AT89C51单片机；RFID；数据采集器；实时时钟；

目录

第一章绪论 (6)

1.1研究背景 (6)

1.2本设计现状 (6)

第二章方案论证 (8)

2.1控制芯片选择 (8)

2.2显示模块的选择 (8)

2.2系统总体结构确立 (9)

第三章硬件电路设计 (10)

3.1系统硬件组成 (10)

3.2单片机系统介绍 (10)

3.3复位电路介绍 (11)

3.4晶振电路 (11)

3.3RFID识别电路 (12)

3.3.1A TS125K RFID 读卡模块简介 (12)

3.3.2ATS125K RFID 读卡模块参数 (12)

3.3.3在个人电脑通过串口调试助手软件读卡演示 (13)

3.3.4在个人电脑通过软件读ID卡及设置输出格式方法 (1)

3.3.4ATS125K 读卡模块通讯协议和编码格式介绍 (1)

3.4声音提示电路原理： (2)

第四章软件设计 (1)

4.1主程序流程图 (1)

4.2软件程序各模块函数介绍 (2)

4.2.1. 延时函数： (2)

4.2.2. 串口初始化函数： (2)

4.2.3 液晶屏初始化函数： (2)

4.2.4串口中断程序： (3)

4.2.4主程序 (3)

第五章调试与仿真 (4)

第五章设计总结 (5)

参考文献 (6)

附录1 (7)

系统主电路图 (7)

附录2 (8)

部分程序源代码 (8)

第一章绪论

1.1研究背景

当今世界信息技术的发展日新月异，一个以信息资源的采集、开发、利用为特征的信息技术革命正席卷全球，信息技术已广泛的渗透到社会各个领域，在世界经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用。

目前各个发达国家都在致力于信息化建设，以此来加速本国经济的发展。发展信息产业有许多关键的要素，如计算机、通信、集成电路、

软件和信息服务业的建设等。但是如何将人类的社会活动和生产活动与现代化的信息传输和处理手段联系在一起也是一个重要的课题，只有解决了这个实际要求，才能使人类享受到信息技术带来的高度的物质文明和精神文明。射频识别技术正是解决这一课题的重要研究方向之一。例如，电子车票在公交领域的应用取代了传统的纸制车票，方便了乘客的出行，使司机不必兼任售票工作减小了注意力的分散，降低了公交企业的运营成本，甚至对生态环境的保护也产生了积极的效果。又例如，可以自动检查每个人进出办公楼、管理区或某个房间的准入权限的门禁系统，提高了监控区域的安全性和进出人员的通过速度，并且可以很方便的通过中央计算机修改某个人的准入权限。

另外，由于人们生活水平的提高，顾客对酒店、银行、医院、娱乐场所等服务型行业的消费环境提出了新的要求―在这些场合中，顾客需要在任何位置任何时候都能得到服务人员及时、体贴和温馨的服务，因此，具有呼叫功能的无线呼叫系统应运而生。射频识别技术做到了科学技术与人类生活的完美结合，已经成为社会现代化过程中的一种新的基础设施建设。本文从我国信息建设和社会生活中的实际需要出发，分析了射频识别技术在我国的发展与应用情况，利用射频识别技术提出了一种先进的无线呼叫系统的 ASIC 设计与实现方案。

1.2本设计现状

单片机是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了。纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老

化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了，且容易升级改善。

射频识别[1]的名称来自英文名词“Radio Frequency Identification”,又可以称为无线电频率识别，简称 RFID 技术。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，来识别目标并交换数据。近年来，射频识别技术在交通、金融、商业、军事等许多领域得到了快速的普及和推广，其目的在于安全、准确、快捷地提供个人、车辆、资金、货物的标志信息及运行状态。一个典型的 RFID 系统由电子数据载体（称应答器）和阅读器组成。应答器与阅读器之间的能量、数据和时序信息的交换是通过无线电与雷达技术实现的。应答器：应答器放置在要识别的物体上，可以发送和接收信息，可根据收到的操作命令作读/写等处理。应答器中往往镶嵌有可电擦除的可编程只读存储器（即2E PROM），逻辑加密电路，以及中央处理器等。存储器中的信息根据需要可以有条件地供外部读取，或供内部信息处理或判别之用。

第二章方案论证

2.1控制芯片选择

方案一：采用飞思卡尔半导体公司的十六位单片机mc9s12xs128单片机，此款单片机共有80引脚绝大部分为I/O口，最高主频可达到96MHZ,运行速度快，但由于本系统的资源需求不是很大，而且此款单片机的照价较高，外围电路较复杂，故没有选择此款单片机。

方案二：采用传统的8位机AT89C51此款单片机应用方便外围电路简单，从设计任务看此款单片机足可胜任，最终从经济、性能等方面本系统选择了AT89C51作为主控芯片；

2.2显示模块的选择

方案一：采用液晶1602作为显示模块，1602液晶每行可显示16个字符一共可以显示两行，可以显示数字和字符但是不能显示汉字，由于系统中采集的信息有可能是汉字的所以没有选择1602液晶。

方案二：采用液晶12864，,12864液晶显示可以显示汉字，带有字库显示方便技术成熟，对于系统而言满足系统要求。可以显示较多的信息，清晰明了，所以本系统选择了12864作为显示单元的显示器。

最终从控制芯片和硬件电路的综合角度确立了系统结构框图其中包括控制模块，显示模块，RFID识别模块等部分，如图2.1所示：

图2.1系统总设计结构图

系统主要由CPU（时钟电路、复位电路）、显示电路、实时时钟电路、RFID输入识别电路、声音提示电路等。

第三章硬件电路设计

3.1系统硬件组成

本系统电路主控芯片AT89C51，晶振和两个电容组成的时钟电路，电阻和一个电解电容和一个按键组成的复位电路，ATS125K RFID 读卡模块构成ID识别电路，液晶12864作为显示器，一个声音提示电路，和一个实时时钟电路。

3.2单片机系统介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。以当前使用较多的AT89系列单片机来说，，在复位脚加高电平2个机器周期（即24个振荡周期）可使单片机复位。复位后，主要特征是各IO口呈现高电平，程序计数器从零开始执行程序。

单片机的外部引脚图如图3.1所示：

图3.1单片机系统图

3.3复位电路介绍

单片机的复位方式大体有两种。

1.手动复位：按钮按下，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。

2.上电复位：上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容（10μF电解）给单片机复位脚施加高电平5V，同时，通过1KΩ电阻向电容器反向充电，使复位脚电压逐渐降低。经一定时间后（约10毫秒）复位脚变为0V，单片机开始工作。

本系统中单片机采用手动按键复位电路，电路由按键、电阻、电容组成。原理图如图3.2所示：

图3.2复位电路

3.4晶振电路

单片机运行离不开晶振电路，晶振电路由两个30pf的电容和一个晶振组成的。给单片机的运行提供了时钟基准基本原理如图3.3所示：

3.3 RFID识别电路

3.3.1ATS125K RFID 读卡模块简介

ATS125K 非接触式射频 ID 卡专用模块，釆用先进的射频接收线路及嵌入式微控制器设计，结合高效译码算法，完成对 EM4100、TK4100 兼容式 ID 卡的数据接收。具有接收灵敏度高﹑工作电流小﹑稳定性高等特点,适用于门禁﹑考勤收费﹑防盗﹑巡更等各种射频识别应用领域。

操作方便，只要接好电源线(接任意的 VCC 和 GND 引脚，供电电压：3V~5V）就可以读卡，读卡成功 LED 会闪一下提示，蜂鸣器响一下。

支持各种输出格式：包括 10 进制（10 位编码、8 位编码、18 位编码）、16 进制编码格式输出,兼容 rdm6300 模块格式输出；使用授权好的 ID 卡嘀卡，可以让本模块输出高电平。

默认情况下是输出 10 进制 10 位编码，使用软件简单设置一下即可改为10 进制（8 位编码、18 位编码）、16 进制编码、rdm6300 模块格式任一种格式输出或设置成输出高电平模式。模块实物如图3.4所示：

图3.4 RFID 读卡模块

3.3.2ATS125K RFID 读卡模块参数

ATS125K RFID 读卡模块感应距离：钥匙扣卡距离约 4cm、 ID 薄白卡距离约 6cm。如图3.5为ID卡实物图。

图3.5ID卡实物

3.3.3在个人电脑通过串口调试助手软件读卡演示

本模块操作简单，只要接好电源线(接任意的 VCC 和 GND 引脚，供电电压：3V~5V）就可以读卡，读卡成功 LED 会闪一下提示，蜂鸣器响一下。若要在读卡时显示卡的 ID 号就需要接显示设备。现介绍在个人电脑通过 SSCOM3.2 串口调

试助手软件读卡演示：如图3.6为演示上位机：

图3.6调试上位机

3.3.4在个人电脑通过软件读ID卡及设置输出格式方法

1、通过软件读 ID 卡：把 ATS125K 读卡模块与 USB转 TTL 串口模块接好，

先插到电脑上，然后打开软件。点击“OPEN COM”，串口打开后把 ID 卡放到

线圈能感应的范围，即可读出。

2、本模块支持各种输出格式：包括 10 位编码、8 位编码、18 位编码、16

进制编码格式输出，同时兼容 rdm6300 模块格式输出。默认情况下是输出 10 位

编码，用户若需要其它格式输出，可使用我们提供的软件按以下方法简单设置一

下即可改为 8 位编码、18 位编码、16 进制编码、rdm6300 模块格式任一种格

式若要改为 18 位编码或 16 进制编码或 rdm6300 模块输出格式方法相同。

①ID 卡放到线圈感应范围内，读到卡，指示灯亮，并且通过 TXD 引脚输出高电平；成功输出高电平蜂鸣器响一下提示，一直读到卡会一直输出高电平。

②默认情况下当读不到已授权的 ID 卡，约 2 秒指示灯灭，输出低电平，蜂鸣

器长鸣一秒提示。

③只有已授权的 ID 卡，才能被该模块读卡输出高电平，最多授权 30 张。

④其他输出格式切换成高电平输出格式时，需要重新上电，高电平输出格式才生效。

⑤使用高级版授权软件通过电脑可以给本模块设置授权卡，可以设置读到授权卡是输出高电平或者低电平，可以设置读到卡后多少秒输出开关量及读不到卡后多少秒停止开关量输出。（高级版授权软件只对批量客户开放）。模块设置某一种输出格式后，只要不更改，会一直保持该输出格式。

4、查询 ATS125K 读卡模块输出格式：若用户想知道读卡模块当前的输出格式是何种，可以通过软件查询，点击“读取模块信息”按扭，然后看

到当前的输出格式项被选中，表示当前是该格式输出。

3.3.4ATS125K 读卡模块通讯协议和编码格式介绍

通讯接口：通用串行异步接口中（UART 串口）。

UART 串口参数：

波特率:9600

起始位：1 位

数据位：8 位

校验位：无

停止位：1 位通讯协议卡号(ASCII 编码)+回车（0x0D）+换行(0x0A)注意：ATS125K 模块默认支持 10 位 10 进制卡号，另外还支持 8 位 10 进制、18 位 10进制和 16 进制格式输出，详见卡号编码。可以通过专用 PC 软件进行设置。字符之间时间距为典型值为 104uS，最大值为 208uS，最小值为 0uS。以图以 16 进制输出格式为例，对 ATS125K 读卡时输出波型为例分析：

图中显示的 16 进制卡号为：080019040C。卡号编码：16 进制编码的卡数是最全的包括了 1 个字节的厂家信息，即节 5 个字节。如：0x08 0x0x00 0x19 0x04 0x0C；

10 位 10 进制只包含 4 字节的卡号，没有厂家号，如：0x00 0x19 0x04 0x0C，对应 10值:0001639436；8 位 10 进制只包含 16 进制编码的后三个字节，并且分为两部份，如：0x19 0x04 0x0C。对应的 10 进制用逗号分开如：025（0x19），1036(0x040C)。

18 位 10 进制只是 10 位 10 进制和 8 位 10 进制的组合，中间用空隔符号分开，如：0001639436 025,01036。

3.4声音提示电路原理

当有信息采集时会有提示音。声音提示电路由三极管和蜂鸣器组成的基本原理如图3.3所示：

图3.3声音提示电路

3.5实时时钟电路

系统采用DS1302作为实时时钟的芯片，实物图如图3.4所示

图3.4实时时钟模块

第四章软件设计

4.1主程序流程图

系统上电后显示欢迎使用RFID信息采集系统，过后显示请刷卡，当刷卡后信息将显示在12864显示屏上，系统的软件整体流程图如图4.1所示：

图4.1主程序流程图

4.2软件程序各模块函数介绍

4.2.1. 延时函数：

void DelayMs(unsigned char t)

含有输入参数 unsigned char t，无返回值unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是0~255 这里使用晶振12M。实现对程序的延时功能。

4.2.2. RFID信息采集函数：

刷卡后信息通过RFID模块发出后进入单片机进行识别判断。

void InitUART (void)

主要对RFID模块发送的数据进行接收，是程序信息采集的关键函数。下面给出了基本寄存器的初始化简介：

SCON = 0x50; SCON: 模式 1, 8-bit UART, 使能接收

TMOD |= 0x20; TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit 重装

TH1 = 0xFD; TH1: 重装值 9600 波特率晶振 11.0592MHz

TR1 = 1; TR1: timer 1 打开

EA = 1;打开总中断

ES = 1;打开串口中断

4.2.3 液晶屏初始化函数：

void Init_ST7920()

主要对12864液晶在显示前进行端口初始化，方便数据到来时的显示。

PSB=1; 设置为8BIT并口工作模式

RES=0;复位

RES=1;复位置高

Write_Cmd(0x30);选择基本指令集

DelayUs2x(50);延时大于100us

Write_Cmd(0x30);选择8bit数据流

DelayUs2x(20);延时大于37us

Write_Cmd(0x0c); 开显示(无游标、不反白)

DelayUs2x(50);延时大于100us

Write_Cmd(0x01);清除显示，并且设定地址指针为00H

DelayMs(15);延时大于10ms

Write_Cmd(0x06);指定在资料的读取及写入时，设定游标的移动方向及指定显示的移位，光标从右向左加1位移动

4.2.4串口中断程序：

void UART_SER (void) interrupt 4 //串行中断服务程序

{

unsigned char Temp; //定义临时变量

if(RI) //判断是接收中断产生

{

RI=0; //标志位清零

ID[a]=SBUF; //读入缓冲区的值

// SBUF=Temp; //把接收到的值再发回电脑端

a++;

}

4.2.4主程序

void main (void)

整个程序的核心，调控各个模块函数。所有函数将在主程序中被调用。

{

unsigned char i;

InitUART();

Init_ST7920(); //初始化

LCD_PutString(0,2," 欢迎使用RFID");

LCD_PutString(0,3," 信息采集系统");

for(i=0;i<15;i++)

DelayMs(200);

ClrScreen();

ES = 1; //打开串口中断

LCD_PutString(0,2," 请刷卡......");

第五章调试与仿真

经过较长时间的制作调试，搭接了一个简单的实验模型实现了设计的基本要求下图5.1给出了调试结果图。

图5.1调试结果图

第五章设计总结

本设计基于89C51单片机，实现了移动式RFID信息采集器的设计与实现。功能实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。

在做毕业设计期间，在老师的指导下，通过自身的不断努力，无论是思想上，学习上，都取得了长足的发展和巨大的收获，学会用科学的精神去解决问题。很多事情看起来是很简单的问题，但实际做起来就不简单了。运用科学的方法去解决问题，这是我这次实训给我带来的思想上的改变。学习上，使自已在大学所以的知识在这次得到实践，学到一些书本上无法学到的经验，对单片机有了进一步的认识。

移动式RFID信息采集器是信息化时代发展的产物，应时而生，我相信随着科技的不断发展，将来的移动式RFID信息采集器一定更加完美，更加人性化，更加便宜，更加安全。

参考文献

[1]李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版)［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1998

[2]李全利.单片机原理及接口技术［M］.高等教育出版社，2003

[3]]PROTEL99 SE电路设计与制板［M］.机械工业出版社，2007

[4]杨将新，李华军，刘到骏等.单片机程序设计及应用（从基础到实践）［J］．电子工业出版社，

2006

[5]Steven F.Barrett.Daneil J.Pack.Embedded System[M].北京：电子工业出版社，2006

[6]周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术［J］.北京航空航天大学出版社, 2004

[7]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］.北京：电子工业出版社, 2005

[8]杨欣.电子设计从零开始（第二版）.北京:清华大学出版社，2010

[9]梅丽凤.单片机原理及接口技术(第三版)［M］.北京: 清华大学出版社，2010