基于RFID開(kāi)放式智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要iABSTRACTii第一章緒論11.1課題設(shè)計(jì)背景與意義1課題背景1課題研究意義11.2智能家居與RFID技術(shù)研究現(xiàn)狀2亞太地區(qū)智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀2歐洲地區(qū)智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀2我國(guó)目前智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀31.3課題研究主要問(wèn)題3課題的研究的主要問(wèn)題3創(chuàng)新與實(shí)踐3缺乏與展望31.4課題相關(guān)技術(shù)與解決方案4射頻識(shí)別技術(shù)原理4射頻天線原理5射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)5設(shè)計(jì)解決方案61.5論文結(jié)構(gòu)6第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述82.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案82.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)92.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)92.4本章小結(jié)10第三章系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)113.1硬件設(shè)計(jì)總體方案11溫度檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)總體方案11射頻模塊硬件設(shè)計(jì)總體方案113.2各模塊電路設(shè)計(jì)分析12元器件選擇12讀卡器電路設(shè)計(jì)123.2.3MFRC522匹配電路和天線設(shè)計(jì)16溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)18串口通信模塊設(shè)計(jì)22其他輔助模塊設(shè)計(jì)233.3本章小結(jié)25第四章系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)264.1軟件設(shè)計(jì)總體方案264.1.1軟件設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇264.1.2射頻模塊軟件設(shè)計(jì)總體方案274.1.3溫度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)總體方案284.2射頻模塊主要軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)分析29讀卡器初始化與卡操作程序分析29讀卡器通信與數(shù)據(jù)處理程序分析30射頻LCD顯示模塊程序詳細(xì)設(shè)計(jì)及分析324.3溫度檢測(cè)模塊主要軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)分析334.3.1I2C總線程序分析33溫度傳感器初始化程序分析34溫度檢測(cè)程序分析354.4系統(tǒng)運(yùn)行與仿真結(jié)果36溫度檢測(cè)模塊整體運(yùn)行示意36射頻模塊整體運(yùn)行示意374.5本章小結(jié)38第五章總結(jié)與展望395.1設(shè)計(jì)主要研究成果395.2設(shè)計(jì)研究工作展望40結(jié)束語(yǔ)41參考文獻(xiàn)42附錄1主電路圖43附錄2主程序代碼46摘要智能家居〔SmartHome〕，這一概念起源微軟的智能家居體系，其根本要求是以個(gè)人住宅為信息化設(shè)計(jì)的平臺(tái)，將通常意義上的建筑設(shè)計(jì)成具備網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)化控制、智能管理的完整系統(tǒng)，同時(shí)要保證滿足環(huán)境友好的要求，突出能源優(yōu)化方案以及整個(gè)系統(tǒng)體系的平安性。射頻識(shí)別系統(tǒng)RFID〔RadioFrequencyIDentification，射頻識(shí)別〕是近幾年新型的一種識(shí)別技術(shù)，其具有非接觸性、讀寫(xiě)速度快、反響靈敏、識(shí)別率高等多重優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用與門(mén)禁、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是完成基于RFID的智能家居模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、預(yù)設(shè)溫度的設(shè)定以及室溫的檢測(cè)調(diào)整功能。設(shè)計(jì)整體上分成射頻識(shí)別和溫度檢測(cè)兩大模塊?！?〕設(shè)計(jì)目標(biāo)是是完成基于RFID的智能家居系統(tǒng)模型的總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中MFRC522為識(shí)別核心，結(jié)合增強(qiáng)型STC單片機(jī)，液晶顯示器的射頻讀卡模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中給出了具體實(shí)現(xiàn)的電路圖、PCB電路板以及與射頻相關(guān)的程序代碼。實(shí)現(xiàn)讀取卡片信息、住戶身份識(shí)別、住戶預(yù)設(shè)溫度與卡信息綁定等功能〔2〕設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)與控制模塊，設(shè)計(jì)采用MCP9801作為溫度傳感器，結(jié)合AT89C52、液晶顯示器、DS1302芯片、RS232串口設(shè)計(jì)等局部，做了電路的仿真。由溫度傳感器和單片微控制器電路結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)房間溫度的檢測(cè)與調(diào)控的功能。完成整體電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根本功能并做出相應(yīng)電路原理圖，同時(shí)給出與硬件設(shè)計(jì)相關(guān)的主要代碼?！?〕完成整體設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺乏，為今后繼續(xù)研究提供有效數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)需要分析目前存在的諸多問(wèn)題，同時(shí)找出與之相關(guān)的解決方案。對(duì)于目前尚無(wú)法解決的問(wèn)題，認(rèn)真做了記錄，以便未來(lái)可以繼續(xù)研究。關(guān)鍵詞：智能家居；射頻識(shí)別；溫度傳感器；MFRC522；MCP9801ABSTRACTTheconceptofsmarthomeoriginsfromMicrosoftFurnishingSystem,whichconsidersindividualhomesastheinformationplatformofdesign,combiningtraditionalarchitecturalwithanetworkcommunications,automationcontrol,intelligentmanagementofthecompletesystem.Atthesametime,thesystemhastomeettheenvironment-friendlyrequirement,outstandingenergyoptimizationschemeandensurethewholesystem'ssecurity.RFIDisanewtechnologyinrecentyears.Becauseofitsadvantagessuchasnon-contact,fastreadandwrite-speed,sensitivereaction,highrecognitionrateandsoon,RFIDarewidelyusedinaccesscontrolareas.ThemaingoalofthedesignistocompletethesmarthomebasedonRFIDsimulationsystem,whichcanbeusedonrealizationofidentity,thepresettemperaturedetectionandadjustmentfunction.Thedesignisdividedintotwomodules,includingradiofrequencyidentificationandthetemperaturedetection.(1)ThedesigngoalofradiofrequencyidentificationistodesignasystemwhichmadeupofMFRC522foridentifyingthecore,combinedwithenhancedSTCMCU,LCD.Atlast,thedesigncanshowtheconcreterealizationofthecircuit,PCBcircuitboardaswellasrelatedtoRFcode.(2)DesignoftemperaturemeasureandcontrolmoduleadoptsMCP9801asthetemperaturesensor,combinedwithAT89C52,LCD1602,DS1302chip,RS232chip.ThetemperaturesensorandMCUcooperatetorealizetemperaturedetectionandtemperaturecontrolfunction.Thecompletionoftheoverallcircuitdesign,therealizationofthebasicfunctionsandmakethecorrespondingcircuitdiagram,andgivesthehardwaredesignrelatedwiththemaincode.(3)Thefinalgoalistocompletetheoveralldesign,founddeficienciesindesign,Analysistheexistingproblems.Atthesametime,findouttherelatedsolutions,doarecord,sothatinthefuturewecancontinuetostudy.KEYWORDSsmarthome,RFID,temperaturesensor,MFRC522,MCP9801第一章緒論1.1課題設(shè)計(jì)背景與意義1.1.1課題背景早在21世紀(jì)初中國(guó)就提出了物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)概念。當(dāng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行的定義是：通過(guò)RFID〔RadioFrequencyIDentification，射頻識(shí)別〕系統(tǒng)、GPS〔GlobalPositioningSystem，全球定位〕、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息傳感設(shè)備，按照安其各自的通信協(xié)議，把與生活息息相關(guān)的物品數(shù)字化，并且將其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)與，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。隨著“十二五〞的到來(lái)，在中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)展也將進(jìn)入了關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)中國(guó)在未來(lái)面對(duì)跟多的全球化競(jìng)爭(zhēng)合作，在信息產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)“初步形成產(chǎn)業(yè)體系完整、創(chuàng)新能力增強(qiáng)、應(yīng)用水平提升、網(wǎng)絡(luò)信息平安的良性開(kāi)展格局〞。作為物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域之一的智能家居系統(tǒng)是與群眾生活最密切相關(guān)也是最容易部署實(shí)施的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系。智能家居有很多局部組成，它包括門(mén)禁、對(duì)講、安防、視頻監(jiān)視、通風(fēng)系統(tǒng)、空氣透析系統(tǒng)、智能窗、煤氣泄漏感應(yīng)器、煙霧探測(cè)感應(yīng)器、插座、燈光控制開(kāi)關(guān)、空調(diào)、風(fēng)雨感應(yīng)器、SOS緊急求助按鍵、電視等等。與智能家居相關(guān)性最大的行業(yè)莫過(guò)于是樓宇建筑行業(yè)，因?yàn)橐邆涓镜耐ㄓ?、門(mén)禁對(duì)講等功能，并考慮到物業(yè)公司為小區(qū)業(yè)主或?qū)懽謽强蛻籼峁┫嚓P(guān)的效勞以及自身的收費(fèi)需要，在樓宇建設(shè)的前期，即需要規(guī)劃考慮與智能家居相關(guān)的綜合布線、通信接入、物業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)、安防報(bào)警網(wǎng)絡(luò)等等。而與智能家居直接相關(guān)的最根本技術(shù)便是RFID射頻識(shí)別技術(shù)，其作為智能家居的最根底的核心【1】，現(xiàn)在越來(lái)越多的進(jìn)入科技人員的視野，也越來(lái)越受到從芯片制作、算法設(shè)計(jì)到相關(guān)配套電路設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員的追捧。1.1.2課題研究意義智能家居研究意義深遠(yuǎn)，其中不僅涉及到常規(guī)意義上的滿足舒適生活的要求，智能家居更擔(dān)負(fù)著新經(jīng)濟(jì)的復(fù)興、推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)崛起以及節(jié)能減排等事關(guān)國(guó)計(jì)民生的大擔(dān)子。智能家居的開(kāi)展涉及到算法控制、軟硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)支持等多個(gè)行業(yè)，幾乎涉及到IT〔InformationTechnology，信息技術(shù)〕行業(yè)的方方面面，其中作為網(wǎng)絡(luò)支持的運(yùn)營(yíng)商，更是有了拓展其業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的新領(lǐng)域。在運(yùn)營(yíng)商看來(lái)，基于RFID的智能家居系統(tǒng)，無(wú)疑是給從電信運(yùn)營(yíng)效勞商轉(zhuǎn)型成為全方位的效勞商提供了非常好的契機(jī)。通過(guò)這一戰(zhàn)略的實(shí)施，目前的電信運(yùn)營(yíng)商至少將在將在如下幾個(gè)方面獲益：〔1〕從傳統(tǒng)意義上的逐門(mén)逐戶開(kāi)展，轉(zhuǎn)向以整棟樓宇甚至整個(gè)小區(qū)為根本單位的開(kāi)展模式〔2〕除現(xiàn)有的根底電信增值營(yíng)商將有時(shí)機(jī)把語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻的多項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行綁定，提供Tripleplay〔三網(wǎng)合一〕業(yè)務(wù)?！?〕一次性的根底建設(shè)投入，將有更為長(zhǎng)久的收益，未來(lái)可以繼續(xù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)，后臺(tái)部署的云效勞器，持續(xù)提供增值效勞〔4〕智能家居可以將固定、移動(dòng)終端與家庭安防對(duì)講等多項(xiàng)同時(shí)綁定在一起，實(shí)現(xiàn)“保固話、爭(zhēng)移動(dòng)、提高ARPU〔AverageRevenuePerUser，平均每戶收入〕值〞的經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。1.2智能家居與RFID技術(shù)研究現(xiàn)狀1.2.1亞太地區(qū)智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀韓國(guó)是亞洲智能家居起步較早的國(guó)家，韓國(guó)的智能家居開(kāi)展非常好，這種開(kāi)展得益于韓國(guó)領(lǐng)先全球的微電子設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)韓國(guó)政府對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的支持也是其開(kāi)展巨大的推動(dòng)力量。日本是一個(gè)智能化家居比擬興旺的國(guó)家，在日本除了室內(nèi)的家用電器聯(lián)網(wǎng)之外，還通過(guò)模式識(shí)別等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)門(mén)禁系統(tǒng)，已經(jīng)超出了RFID的概念。世界上最先將射頻識(shí)別在生活生產(chǎn)用應(yīng)用的國(guó)家是新加坡。早在1998年，新加坡政府早期就已花費(fèi)數(shù)十億美元用以構(gòu)建最新的RFID根底設(shè)施，以支持智能家居等產(chǎn)業(yè)的開(kāi)展。臺(tái)灣的智能家居起步較早，但由政府參與推動(dòng)始于2002年的e-Taiwan方案和2004年的m-Taiwan方案。2005年由行政院內(nèi)政部主導(dǎo)，推動(dòng)智能家居的開(kāi)展，并由國(guó)科會(huì)啟動(dòng)“智慧生活與健康照顧創(chuàng)新前瞻研究方案〞，由內(nèi)政部建筑研究院推動(dòng)“智慧化居住空間產(chǎn)業(yè)中網(wǎng)方案〞，由經(jīng)濟(jì)部推動(dòng)“智慧化居住空間科技應(yīng)用整合方案〞，如今已經(jīng)走在智能家居的前沿見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。1.2.2歐洲地區(qū)智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀歐洲各國(guó)特別是北歐四國(guó)在智能家居領(lǐng)域的開(kāi)始較早，比RFID更為先進(jìn)也非常著名的應(yīng)用于家庭無(wú)線的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議z-wave就是由丹麥的ZenSys公司所提出的，這一協(xié)議已經(jīng)提出便很快成為家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒衢T(mén)方案。目前，芬蘭、挪威、瑞典、丹麥四國(guó)的智能家居規(guī)劃已經(jīng)到了2050年，屆時(shí)，北歐將根本全面進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代。1.2.3我國(guó)目前智能家居應(yīng)用研究現(xiàn)狀我國(guó)人口基數(shù)巨大，相對(duì)于其他國(guó)家，我國(guó)的住宅環(huán)境更具中國(guó)特色，在國(guó)外，民居的大多是以小型別墅、獨(dú)立房屋為主，所以智能家居開(kāi)展就更側(cè)重信息網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通，家庭娛樂(lè)的控制等方面；而我國(guó)的居住環(huán)境多以住宅小區(qū)式為主，所以開(kāi)展的重點(diǎn)主要集中在以門(mén)禁、對(duì)講、安防、監(jiān)控為根底，融合家居控制和娛樂(lè)。智能家居系統(tǒng)可以有多種分類(lèi)形式，依據(jù)其體系結(jié)構(gòu)為特征進(jìn)行劃分，比擬常見(jiàn)。我國(guó)目前市場(chǎng)上智能家居主要有拼湊型〔功能間無(wú)關(guān)聯(lián)的孤立〕控制系統(tǒng)，主機(jī)式集中控制系統(tǒng)兩種主要模式見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。1.3課題研究主要問(wèn)題1.3.1課題的研究的主要問(wèn)題本次設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容是射頻技術(shù)與智能家居相結(jié)合，模擬射頻技術(shù)在智能家居的根本應(yīng)用，設(shè)計(jì)將為RFID在智能家居中的實(shí)際應(yīng)用奠定一定根底，同時(shí)將發(fā)現(xiàn)局部尚需解決的問(wèn)題，為整個(gè)系統(tǒng)提供合理解決方案。設(shè)計(jì)通過(guò)電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的程序編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別、預(yù)設(shè)溫度與用戶身份綁定、溫度監(jiān)測(cè)等功能。根本實(shí)現(xiàn)用戶刷卡后，系統(tǒng)識(shí)別用戶身份同時(shí)給出用戶最適溫度，溫度傳感器檢測(cè)當(dāng)前室溫并且與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比對(duì)。1.3.2創(chuàng)新與實(shí)踐設(shè)計(jì)中涉及到RFID讀卡芯片、兩塊單片機(jī)的應(yīng)用，以及總線接口的溫度傳感器、時(shí)鐘電路、串口等局部的設(shè)計(jì)，整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)與仿真、PCB幅員設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟件編寫(xiě)等內(nèi)容。本次設(shè)計(jì)采用兩塊不同型號(hào)的STC單片機(jī)的使用，STC單片機(jī)本錢(qián)很低，采用的13.56MHz的讀卡芯片單片價(jià)格低于5元，同時(shí)兼容多種射頻卡，射頻卡千片價(jià)格不到100美元，因此可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)采用極低的本錢(qián)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)功能。采用射頻芯片作為智能家居的識(shí)別系統(tǒng)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，其通信距離范圍可從幾厘米到幾十米遠(yuǎn)，甚至更遠(yuǎn)；具有極高的保密性，從而適應(yīng)了當(dāng)代數(shù)字化移動(dòng)商務(wù)中對(duì)即時(shí)通信的新要求；RFID不受雨雪、冰雹、灰塵與光線等的影響，可全天候、無(wú)接觸地完成自動(dòng)識(shí)別、跟蹤與管理。畢業(yè)設(shè)計(jì)是動(dòng)手實(shí)踐的極佳時(shí)間，整個(gè)設(shè)計(jì)階段綜合大學(xué)四年多門(mén)根底課程、包括軟硬件的動(dòng)手設(shè)計(jì)，給自己帶來(lái)很多提升。同時(shí)本次設(shè)計(jì)完成也為以后工作和學(xué)習(xí)奠定了良好根底。1.3.3缺乏與展望智能家居開(kāi)展多年，而這個(gè)行業(yè)卻存在諸多問(wèn)題。首先，其目標(biāo)定位偏高，目前智能家居的主要用戶還是高收入人群，而這一局部人畢竟不占多數(shù)，因此急需降低整個(gè)系統(tǒng)的定位定價(jià)，以便讓智能家居可以更加平易近人，以中國(guó)人口基數(shù)，智能家居將有更加廣闊的市場(chǎng)；其次，切實(shí)分析用戶需求，否那么就只是房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商售樓時(shí)一個(gè)宣傳賣(mài)點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在局部問(wèn)題，首先從設(shè)計(jì)本錢(qián)考慮，沒(méi)能將全部系統(tǒng)做成硬件，僅實(shí)現(xiàn)了局部硬件化，沒(méi)有聯(lián)合調(diào)試各個(gè)模塊，以確保各個(gè)局部的硬件穩(wěn)定性。其次，因?yàn)镾TC單片機(jī)ROM大小有限，限制了可編寫(xiě)程序的大小，限制了系統(tǒng)的擴(kuò)展。系統(tǒng)采用串口通信，限制了距離，實(shí)際應(yīng)用可采用無(wú)線傳輸。1.4課題相關(guān)技術(shù)與解決方案射頻識(shí)別技術(shù)原理射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由讀卡器和射頻卡組成的。其中，讀卡器通常作為終端的,讀卡器主要功能是用來(lái)對(duì)射頻卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，其主要分為主控模塊、高頻射頻通訊模塊和射頻天線等局部。而射頻卡通常是一種無(wú)源應(yīng)答器，一般由集成電路(IC)芯片及外接天線兩局部組成，射頻卡電路通常集成有射頻前端、邏輯與控制單元、存儲(chǔ)器等功能電路，甚至可以同時(shí)在射頻芯片上集成天線[3]。圖1.1常規(guī)射頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖常見(jiàn)無(wú)源式別動(dòng)射頻識(shí)別系統(tǒng)的根本工作原理是當(dāng)射頻卡進(jìn)入讀寫(xiě)器磁場(chǎng)之后，如果卡片接收到來(lái)自讀卡器發(fā)出的射頻信號(hào)，天線便產(chǎn)生的感應(yīng)電流，電流經(jīng)過(guò)變換電路后產(chǎn)生芯片的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過(guò)射頻，前端電路校驗(yàn)得到的數(shù)字脈沖信號(hào)然后送入邏輯與控制但愿，將電平信號(hào)進(jìn)行處理。射頻識(shí)別的另一個(gè)類(lèi)別是主動(dòng)式響應(yīng)，即射頻卡主動(dòng)發(fā)出某一頻段的脈沖信號(hào)，讀卡器檢測(cè)到信號(hào)后經(jīng)過(guò)特定解碼后，送至邏輯與控制單元進(jìn)行信號(hào)與數(shù)據(jù)處理，但由于主動(dòng)射頻的本錢(qián)偏高，所以應(yīng)用不是特別廣泛。當(dāng)前被動(dòng)式射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越多，目前有多重國(guó)際上通行的射頻識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，如ISO10536、ISO14443、ISO15693、ISO18000等等。在這些國(guó)際中通常會(huì)規(guī)定射頻通訊的幀協(xié)議，除此之外還有針對(duì)其正常運(yùn)行的耦合距離、工作頻段、耦合方式等數(shù)學(xué)物理性能做了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定。射頻另一個(gè)重要參數(shù)便是天線性能的設(shè)計(jì)，在相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)天線性能也做了相關(guān)規(guī)定。1.4.2射頻天線原理常用的射頻天線設(shè)計(jì)方法有線圈天線、倒帶貼貼片天線、偶極子天線等方法，本次設(shè)計(jì)中主要采用了線圈天線的設(shè)計(jì)。線圈天線的主要原理是當(dāng)有射頻卡進(jìn)入讀卡器線圈的交變電磁場(chǎng)時(shí)，耦合天線與射頻讀卡器天線產(chǎn)生類(lèi)似于變壓器的耦合效應(yīng)，兩個(gè)局部的線圈相當(dāng)于常規(guī)變壓器的初級(jí)和次級(jí)兩局部線圈。射頻天線由諧振回路〔圖1.2〕構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)包括射頻天線的耦合線圈的電感L、電路寄生電容Cp和以及整個(gè)電路的C2，其諧振頻率【4】按公式1.1計(jì)算：f=1/2πL*C其中?！采漕l識(shí)別系統(tǒng)就是通過(guò)即該頻段的載波進(jìn)行半雙工通信的。設(shè)計(jì)中采用的ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的MFRC522芯片，其耦合頻率也就是其工作頻段，通常大小為13.56MHz，屬于射頻系統(tǒng)中的中低頻段。目前隨著技術(shù)的進(jìn)步，耦合線圈的界面向著逐步減小的方向邁進(jìn)，現(xiàn)在通常的設(shè)計(jì)是在射頻耦合線圈嵌入具備極高導(dǎo)磁率的μ極鐵氧體材料，使系統(tǒng)的互感量M增大，一次來(lái)彌補(bǔ)由于耦合線圈面積減小導(dǎo)致的互感量減小，使其參數(shù)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。圖1.2耦合天線的諧振回路1.4.3射頻識(shí)別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖1.3射頻識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功能框圖圖1.3為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RFID系統(tǒng)的工作流程圖[5]，此系統(tǒng)為無(wú)源式被動(dòng)射頻識(shí)別系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)自于讀卡器的電源?！?〕RFID讀卡器在某一空間區(qū)域內(nèi)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)空間電磁場(chǎng)區(qū)，電磁場(chǎng)大小由芯片的功率密度、頻段和耦合天線的面積決定?！?〕當(dāng)有符合標(biāo)準(zhǔn)的射頻卡進(jìn)入這個(gè)電磁場(chǎng)區(qū)，射頻卡接受脈沖信號(hào)產(chǎn)生耦合電流，經(jīng)過(guò)整流橋穩(wěn)壓后產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的能量?！?〕系統(tǒng)數(shù)據(jù)解調(diào)器將來(lái)自線圈的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，并將的道德數(shù)據(jù)發(fā)送給邏輯與控制單元，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)在E2PROM中進(jìn)行存儲(chǔ)。〔4〕需要數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，控制邏輯模塊從E2PROM中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解調(diào)模塊解碼，進(jìn)行發(fā)送?！?〕讀卡器接到來(lái)自數(shù)據(jù)解碼模塊的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行相應(yīng)處理，同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)和協(xié)議匹配，得到最終有效數(shù)據(jù)。1.4.4設(shè)計(jì)解決方案畢業(yè)設(shè)計(jì)主要從整體結(jié)構(gòu)上分為軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩局部，其中便涉及了軟硬件相關(guān)多項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題以及相關(guān)應(yīng)用軟件的使用。硬件設(shè)計(jì)中涉及電路設(shè)計(jì)、仿真以及PCB〔PrintedCircuitBoard，印刷電路圖〕制作，因?yàn)殡娐分袥](méi)用高壓高頻的局部，所以沒(méi)有在這方面做太多考慮。硬件設(shè)計(jì)難點(diǎn)是天線的匹配，設(shè)計(jì)中前人工作的根底上采用專(zhuān)門(mén)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。硬件設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要問(wèn)題是元器件的選擇，要考慮設(shè)計(jì)精度和本錢(qián)問(wèn)題，本錢(qián)優(yōu)化也是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)中選擇了最適器件的最低價(jià)位選擇，代碼量較大、外圍電路較多的射頻局部采用了大ROM〔Read-OnlyMemory，只讀存儲(chǔ)器〕的STC單片機(jī)，13.56MHz的射頻讀卡芯片也是性價(jià)比擬高的型號(hào)，溫度檢測(cè)局部采用最低價(jià)的原生51單片機(jī)以及價(jià)格較低精度可以滿足要求的MCP9801溫度傳感器。軟件設(shè)計(jì)主要是軟硬結(jié)合以實(shí)現(xiàn)其功能的，與硬件相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)涉及到元件的管腳電平初始化、芯片時(shí)序的操作，設(shè)計(jì)中涉及了多種總線時(shí)序，包括I2C總線、SPI總線等等，此外，設(shè)計(jì)最主要局部的MFRC522芯片的初始化、讀寫(xiě)函數(shù)、復(fù)位、校驗(yàn)函數(shù)的編寫(xiě)，涉及多處算法的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)中涉及與數(shù)學(xué)物理相關(guān)的理論設(shè)計(jì)局部，以及設(shè)計(jì)的核心應(yīng)用工程設(shè)計(jì)。理論局部有天線匹配、參數(shù)計(jì)算、算法設(shè)計(jì)等內(nèi)容，工程設(shè)計(jì)那么包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB幅員設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，編譯調(diào)試等相關(guān)局部1.5論文結(jié)構(gòu)依據(jù)半年來(lái)的設(shè)計(jì)以及整體思路，撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，論文將按照總分總的形式進(jìn)行編寫(xiě)，論文大致結(jié)構(gòu)如下：：緒論：分析課題背景意義，闡述與課題相關(guān)的技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究問(wèn)題以及解決總體方案，并分析存在的問(wèn)題以及為今后改良提供思路。：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：全面系統(tǒng)分析畢業(yè)設(shè)計(jì)所需技術(shù)解決方案以及整個(gè)設(shè)計(jì)的整體思路，為整個(gè)設(shè)計(jì)的總體框架。：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：主要論述射頻讀寫(xiě)模塊、天線模塊、通訊模塊、液晶、溫度傳感器、時(shí)鐘電路等硬件模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：給出整個(gè)設(shè)計(jì)的總體程序流程圖和模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)具體分析各個(gè)模塊代碼，在附錄給出具體的程序。第五章：總結(jié)與展望。客觀的評(píng)價(jià)了本論文所作的工作和設(shè)計(jì)方案，以及有待改良的地方。結(jié)束語(yǔ)：總結(jié)設(shè)計(jì)并表示致謝。附錄：電路圖、PCB幅員、主要程序代碼第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述本章主要系統(tǒng)介紹整個(gè)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，其中包括軟硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案及模塊的功能分析。整個(gè)設(shè)計(jì)的需求分析以及解決方案也會(huì)在這一局部完成。在整體分析的根底上，本章將涉及設(shè)計(jì)所需的技術(shù)、相關(guān)的元器件選擇原那么以及如何安排設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。為了更加適合相關(guān)內(nèi)容的編寫(xiě)，論文將采用總體的到局部、從上至下的設(shè)計(jì)。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)分析與需求分析，整個(gè)系統(tǒng)分為如下幾個(gè)模塊，分別是：由RFID射頻卡和RFID讀卡器共同構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，溫度檢測(cè)模塊，顯示模塊，串口發(fā)送/接收模塊，按鍵模塊。各個(gè)模塊的具體作用如下：〔1〕數(shù)據(jù)采集模塊：當(dāng)有符合14443標(biāo)準(zhǔn)的近距離射頻卡進(jìn)入到讀卡器卡范圍時(shí)，RFID讀卡器啟動(dòng)掃描卡號(hào)?！?〕數(shù)據(jù)處理模塊：基于增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)的控制局部，負(fù)責(zé)處理射頻讀卡器傳送的數(shù)據(jù)以及其他信號(hào)處理〔3〕溫度檢測(cè)模塊：用于檢測(cè)當(dāng)前溫度，并對(duì)對(duì)應(yīng)相關(guān)卡號(hào)進(jìn)行操作〔4〕顯示模塊：用來(lái)接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理后予以在LCD上顯示，包括一塊1602和一塊12864〔5〕串口發(fā)送/接收模塊：主要用來(lái)通過(guò)串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)〔6〕按鍵模塊：用于輸入操作以及復(fù)位操作串口串口STC11F32XEAT89C52STC11F32XEAT89C52LCD顯示RFID讀卡器按鍵最小系統(tǒng)LCD顯示LCD顯示RFID讀卡器按鍵最小系統(tǒng)LCD顯示時(shí)鐘控制溫度檢測(cè)最小系統(tǒng)圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)模塊2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)局部，分別是射頻模塊和溫度檢測(cè)模塊。溫度檢測(cè)主要由AT89C52主控芯片、基于IIC總線的MCP9801、DS1302始終芯片組成。硬件電路由五局部構(gòu)成：微控制器AT89C52、LCD1602顯示、串口通信MAX232、按鍵電路、DS1302時(shí)鐘電路等局部。微控制器AT89C52負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制操作。中控芯片負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊以及協(xié)調(diào)控制。按鍵按下時(shí)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)當(dāng)前溫度，通過(guò)單片機(jī)輸出到1602液晶顯示器上。1302通過(guò)單片機(jī)在液晶屏上顯示當(dāng)前時(shí)間，同時(shí)當(dāng)串口有數(shù)據(jù)微控器負(fù)責(zé)匹配當(dāng)前溫度。射頻模塊主要由STC11F32XE單片機(jī)、LCD12864顯示、RC522射頻讀卡器組成。硬件電路包括微控制器、LCD顯示器、射頻讀卡器、串口、按鍵等局部。當(dāng)讀卡器檢測(cè)到有M1卡進(jìn)入讀卡范圍時(shí)，便讀取卡號(hào)傳送給單片機(jī)，有單片機(jī)驅(qū)動(dòng)在LCD12864上進(jìn)行顯示，同時(shí)將溫度信息傳輸給溫度檢測(cè)模塊，增強(qiáng)型的STC單片機(jī)通過(guò)與讀卡器的SPI總線連接，通過(guò)模擬SPI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信。2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的分析，模塊之間的通信，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)軟件局部通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯工具采用Keil和STC-ISP下載。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為射頻模塊和溫度檢測(cè)模塊兩局部。溫度模塊：〔1〕數(shù)據(jù)采集：MCP9801檢測(cè)當(dāng)前溫度，通過(guò)IIC控制器傳送給單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)處理相應(yīng)數(shù)據(jù)，包括溫度時(shí)間等?！?〕數(shù)據(jù)分析：AT89C52接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理傳送個(gè)液晶屏。〔3〕模塊之間的通信：微控器與MCP9801/DS1302之間的通信都是通過(guò)模擬I2C總線進(jìn)行的，I2C總線的高效性、高實(shí)用性、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性?！?〕數(shù)據(jù)處理：針對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析的結(jié)果做出相應(yīng)的處理，例如顯示等。射頻模塊：〔5〕數(shù)據(jù)采集：讀卡器RC522通過(guò)耦合天線讀取符合14443協(xié)議的RFID卡的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線時(shí)序傳送出去?！?〕數(shù)據(jù)分析：STC11F32XE接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理傳送個(gè)液晶屏和溫度主控模塊〔7〕模塊之間的通信：微控器與射頻讀卡器之間的通信都是通過(guò)模擬SPI總線進(jìn)行的，SPI總線傳輸增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性?！?〕數(shù)據(jù)處理：針對(duì)數(shù)據(jù)的采集和分析的結(jié)果做出相應(yīng)的處理，例如顯示等。2.4本章小結(jié)總體設(shè)計(jì)階段，大致給出了系統(tǒng)的硬件功能模塊和軟件功能模塊，并且在此分析根底上做出了整個(gè)設(shè)計(jì)出的具體的、可以滿足本系統(tǒng)全部需求和要求的子模塊，以實(shí)現(xiàn)以后的設(shè)計(jì)中的模塊化進(jìn)行，為整體設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，簡(jiǎn)化工作程序。第三章系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的根底，硬件的可靠性與穩(wěn)定性也直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。此外，硬件設(shè)計(jì)相對(duì)與軟件本錢(qián)顯得格外重要，因此，如何綜合性價(jià)比選出適宜硬件設(shè)備來(lái)組建平臺(tái)就成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。最終目標(biāo)是硬件選擇要為軟件運(yùn)行搭建適宜合理的系統(tǒng)構(gòu)架。本章主要講述硬件的具體設(shè)計(jì)方案，其中涉及硬件平臺(tái)構(gòu)架、元器件選擇、以及詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。3.1硬件設(shè)計(jì)總體方案整個(gè)設(shè)計(jì)中的電路通過(guò)仿真和局部實(shí)物的形式構(gòu)成，其中溫度檢測(cè)控制局部采用仿真形式，電路的仿真設(shè)計(jì)軟件使用Protues7.7，RFID讀卡器以及其相應(yīng)的電路局部因無(wú)法仿真，采用實(shí)際電路，電路設(shè)計(jì)以及PCB幅員設(shè)計(jì)使用AltiumDesigner10設(shè)計(jì)。溫度檢測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)總體方案溫度檢測(cè)主要由AT89C52主控芯片、基于IIC總線的MCP9801、DS1302始終芯片組成。硬件電路由五局部構(gòu)成：微控制器AT89C52、LCD1602顯示、串口通信MAX232、按鍵電路、DS1302時(shí)鐘電路等局部。溫度檢測(cè)模塊總體設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示：AT89C52AT89C52LCD1602LCD1602MCP9801MCP9801最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)串口串口DS1302DS1302圖3.1溫度檢測(cè)模塊總體設(shè)計(jì)框圖3.1.2射頻模塊硬件設(shè)計(jì)總體方案射頻模塊主要由STC11F32XE單片機(jī)、LCD12864顯示、RC522射頻讀卡器組成。硬件電路包括微控制器、LCD顯示器、射頻讀卡器、串口、按鍵等。射頻識(shí)別模塊總體設(shè)計(jì)框圖如圖3.2所示：STC11F32XELCD12864STC11F32XELCD12864RC522RC522天線最小系統(tǒng)天線最小系統(tǒng)串口串口2*2按鍵2*2按鍵圖3.2射頻識(shí)別模塊總體設(shè)計(jì)框圖3.2各模塊電路設(shè)計(jì)分析針對(duì)于本系統(tǒng)的要求，現(xiàn)將電路的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并說(shuō)明設(shè)計(jì)的利弊?？傮w設(shè)計(jì)方案參見(jiàn)附錄圖紙。3.2.1元器件選擇通過(guò)多方調(diào)研考證，充分考慮性價(jià)比的前提下，在本次設(shè)計(jì)中我選擇最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品指標(biāo)的元件?！?〕主控芯片：AT89C52、STC11F32XE〔2〕射頻讀卡器：MFRC522〔3〕溫度檢測(cè)：MCP9801〔4〕始終芯片：DS1302〔5〕LCD液晶：ZL1602C2、ZYMG12864〔6〕串口通訊芯片：MAX232〔7〕其他：蜂鳴器、晶振、電阻、電容、按鍵、LED假設(shè)干3.2.2讀卡器電路設(shè)計(jì)本局部設(shè)計(jì)應(yīng)用宏晶公司的STC11F32XE單片機(jī)。STC11F32XE是STC公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含32KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器〔EPROM〕，器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集，片內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU〕和Flash存儲(chǔ)單元，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)的51單片機(jī)擴(kuò)展了P4口，使功能比常規(guī)51系列單片機(jī)更加強(qiáng)大。STC11F32XE提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：32K字節(jié)Flash交速存儲(chǔ)器，集成1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電，單片機(jī)內(nèi)部EPROM可以保證在2萬(wàn)伏靜電電壓情況下穩(wěn)定運(yùn)行，其擦寫(xiě)可以超過(guò)10萬(wàn)次，運(yùn)行速度快，具備32個(gè)I/O口，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，采用了增強(qiáng)型的51內(nèi)核，其運(yùn)行速度超過(guò)常規(guī)80C51速度的8～12倍，STC11F32XE的復(fù)位腳燒錄程序時(shí)如設(shè)置為I/O口，可以當(dāng)作為I/O口使用或者使其懸空。機(jī)內(nèi)具備2個(gè)16位定時(shí)器。STC11F32XE單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于兼容普通80C51的定時(shí)器T0/T1，I/O口多，最多有40個(gè)I/O，復(fù)位腳如當(dāng)I/O口使用，可省去外部復(fù)位電路。具有外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置加密性強(qiáng)，無(wú)法解密，采用了宏晶科技的第六代最新加密技術(shù)。STC11F32XE單片機(jī)一個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期內(nèi)，可用低頻晶振，大幅降低EMI〔電磁干擾〕是芯片更具穩(wěn)定性。機(jī)內(nèi)有1個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器〔因此便無(wú)需使用定時(shí)器T2做波特率發(fā)生器〕，缺省是T1做波特率發(fā)生器，保證其超低功耗，芯片內(nèi)置硬件看門(mén)狗〔WDT〕，此外整個(gè)STC11xx系列單片機(jī)還額外添加了用于掉電喚醒的專(zhuān)用定時(shí)器。STC11F32XE采用44管腳的PLCC封裝，如圖3.3所示圖3.3PLCC44封裝的STC11F32XE本設(shè)計(jì)通過(guò)STC11F32XE控制讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3.4所示：(a)(b)圖3.4STC11F32XE與射頻芯片連接原理圖單片機(jī)局部〔b〕MFRC522射頻芯片局部設(shè)計(jì)中單片機(jī)與讀卡芯片之間通過(guò)排針相連，單片機(jī)P0.5\P0.6\P0.7\P4.1\P2.6分別用于與射頻芯片的SDA\SCK\MOSI\MISO\RST相連，分別為數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線、主數(shù)據(jù)輸入、主數(shù)據(jù)輸出、復(fù)位功能。設(shè)計(jì)中采用的MFRC522是采用的被動(dòng)式非接觸半雙工通信模式，工作頻段為13.56MHz，具備高集成度、低本錢(qián)的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)公司為NXP公司，其主要針對(duì)嵌入式三表設(shè)計(jì)而成，適合各種中小型設(shè)備、便攜式設(shè)備，也是未來(lái)小體積智能儀表的的理想選擇之一。MFRC522的采用最新的設(shè)計(jì)手段，其利用較新型的調(diào)制解調(diào)模式，無(wú)源設(shè)計(jì)，13.56MHz中低頻段，在電路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮高頻信號(hào)影響，優(yōu)勢(shì)較為明顯。芯片采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ISO14443的A型通信協(xié)議，支持該標(biāo)準(zhǔn)的多層協(xié)議應(yīng)用，同時(shí)兼容B型卡協(xié)議。MFRC522內(nèi)置數(shù)據(jù)發(fā)送器，數(shù)據(jù)發(fā)送電路主要由耦合天線驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)器以及支持ISO14443A/MIFARE?協(xié)議射頻卡讀卡應(yīng)答處理機(jī)組成，在設(shè)計(jì)中無(wú)需添加其他外圍輔助電路即可實(shí)現(xiàn)讀卡功能。而在射頻讀卡與接收電路局部，讀卡芯片內(nèi)部提供穩(wěn)定高效的編解碼電路，其編解碼能力較為突出，速度較快，編解碼器可以用基于ISO14443的A/B兩種型號(hào)射頻的的脈沖信號(hào)編譯。芯片內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理單元，其主要用于兼容性卡片的幀處理和容錯(cuò)檢測(cè)，其中容錯(cuò)檢測(cè)基于奇偶校驗(yàn)和CRC循環(huán)校驗(yàn)。除此之外，射頻芯片支持加密功能，加密方法為它CRYPTO1算法，具有加密解密速度快的有點(diǎn)，加密算法主要用于兼容MIFARE?的產(chǎn)品協(xié)議校驗(yàn)。設(shè)計(jì)中采用的讀卡芯片支持基于MIFARE?協(xié)議的更高速半雙工通信模式，其雙向通信最高可以到達(dá)424kbit/s。MFRC522是之前RC500系列的延續(xù)，字作為工作頻段在13.56MHz的最新新型讀卡芯片，在設(shè)計(jì)上做了諸多改良，其中通信方式多樣化那么是其比RC500系列其他芯片的巨大優(yōu)勢(shì)，RC522采用兼容包括串口、SPI總線、I2C總線的多種通信模式，通過(guò)接線方式以及功能管腳的鎖定可以實(shí)現(xiàn)用于不同地方的靈活選擇。多種通信協(xié)議的搭配可以實(shí)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方案，例如減少與主控芯片的連線數(shù)，控制PCB幅員的大小等。MFRC522支持多種主機(jī)接口，分別是：〔1〕10Mbit/s的SPI接口〔2〕I2C接口，快速模式的速率為400kbit/s，高速模式的速率為3400kbit/s〔3〕串行UART，傳輸速率高達(dá)1228.8kbit/s，幀取決于RS232接口，電壓電平取決于提供的管腳電壓MFRC522功能框圖如圖3.5所示。圖3.5MFRCC522內(nèi)部框圖由上述框圖可以得知，MFRC522可以用多種方式與MCU相連，在每次上電或硬件復(fù)位后，MFRC522也復(fù)位其接口模式并檢測(cè)當(dāng)前微處理器的接口類(lèi)型。MFRC522在復(fù)位階段后根據(jù)控制腳的邏輯電平識(shí)別微處理器接口。這是由固定管腳連接的組合和一個(gè)專(zhuān)門(mén)的初始化程序?qū)崿F(xiàn)的。MFRC522管腳配置方式如表3.1所示：表3.1MFRC522通信方式配置引腳名稱UART方式SPI方式IIC方式SDARXNSSSDAIICLLHEALHEAD7TXMISOSCLD6MXMOSIADR_0D5DYRQSCKADR_1D4--ADR_2D3--ADR_3D2--ADR_4D1--ADR_5從時(shí)序圖上可以看出主器件的輸出口〔MOSI〕輸出的數(shù)據(jù)bit1，在時(shí)鐘的前沿被從器件采樣，那主器件對(duì)出bit1進(jìn)行采樣，輸出時(shí)刻實(shí)際上在SCK信號(hào)有效以前，比SCK的上升沿還要早半個(gè)時(shí)鐘周期。bit1的輸出時(shí)刻與SSEL信號(hào)沒(méi)有關(guān)系。再來(lái)看從器件，主器件的輸入口MISO同樣是在時(shí)鐘的前沿采樣從器件輸出的bit1的。從器件是在SSEL信號(hào)有效后，立即輸出bit1，盡管此時(shí)SCK信號(hào)還沒(méi)有起效。其中MFRC522讀卡器實(shí)物PCB如圖3.6。圖3.6讀卡器實(shí)物PCB實(shí)物圖3.2.3MFRC522匹配電路和天線設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中采用的MFRC522是MFRC500系列的產(chǎn)品之一，芯片最為一個(gè)高集成度電路具有獨(dú)立的讀卡、校驗(yàn)、加密功能。MFRC500系列外圍電路設(shè)計(jì)具有較多相似之處，其設(shè)計(jì)根本要求是不在芯片外部使用獨(dú)立放大電路是可以實(shí)現(xiàn)10cm以上的通信，這樣就為外圍無(wú)源射頻電路設(shè)計(jì)提供條件。在耦合天線的設(shè)計(jì)[6]上，MFRC522為滿足不同的設(shè)計(jì)應(yīng)用，通常給設(shè)計(jì)者提供兩種解決方案：〔1〕直接匹配的天線：在不使用外置放大電路的情況下，采用射頻讀卡芯片外加耦合天線來(lái)組成最小系統(tǒng)，其系統(tǒng)的有效訪問(wèn)距離便是芯片的最小有效距離，小于10cm，這樣組成的終端可以用來(lái)給小型建筑物搭建門(mén)禁、訪問(wèn)控制平臺(tái)。對(duì)于小型的智能家居系統(tǒng)也較為適宜。〔2〕500歐姆匹配天線：可以作為讀卡器和天線之間用長(zhǎng)距離同軸電纜連接的應(yīng)用的一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，主要是應(yīng)用于長(zhǎng)距離傳輸，連接讀卡器匹配電路和天線的同軸電纜最長(zhǎng)距離可達(dá)10m。表3.2天線概念比擬概念500Ω匹配天線直接匹配天線長(zhǎng)距離短距離讀卡器MFRC522EMC電路電路和阻值相同接受電路電路和阻值相同阻抗變換TX1\TX2TX1天線電纜500Ω同軸電纜短線或直接連接天線匹配電路電路相同，但天線的大小不同值也不同電路相同，但天線的大小不同值也不同天線線圈工作距離由天線的大小和環(huán)境的影響決定工作距離由天線的大小和環(huán)境的影響決定天線屏蔽由應(yīng)用決定，例如外殼和環(huán)境的影響因?yàn)樵O(shè)計(jì)中所使用的射頻全部為近距離通信，所以采用了直接天線匹配，同時(shí)滿足射頻局部工作頻率13.56MHz。天線整體等效為一個(gè)阻容耦合電路，MIFARE?的工作頻率是13.56MHz在這個(gè)頻率下，電阻的集膚效應(yīng)所導(dǎo)致的損耗不能忽略，所以線圈不能只使用DC阻抗的原因。圖3.7天線電路設(shè)計(jì)其等效電路如圖3.8所示。圖3.8天線電路的等效電路圖天線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù)Q，假設(shè)天線電感LANT和電阻RANT的值，可以用阻抗分析儀測(cè)量LANT和RANT，如果是用公式估算出的值，要記住它們只是起始值，在確認(rèn)Q因子后可能需要改變。天線的品質(zhì)因子是糾正天線調(diào)諧和所獲得的性能的一個(gè)重要特性，天線的品質(zhì)因子由下面的公式定義：Q=(ωR*LANT)/RANT其中根據(jù)天線的幾何形狀，Q的值通常在50~100之間，要進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)值還要減少。MIFARE?的波特率是105.9kHz/sec。數(shù)據(jù)從RWD傳輸?shù)娇ㄊ褂妹}寬T=3μs的Miller編碼。用時(shí)間與帶寬的乘積的定義：其中〔3.2〕這樣可以計(jì)算出Q的因子是：〔3.3〕根據(jù)計(jì)算值，設(shè)計(jì)中的電路天線數(shù)值取35，為了穩(wěn)定電阻，可以在電路外面添加一個(gè)穩(wěn)定電阻REXT，REXT的計(jì)算如下面公式：REXT=ω3.2.4溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的溫度檢測(cè)以及相關(guān)的顯示采用了protues的仿真，因?yàn)橄到y(tǒng)為模擬，從本錢(qián)考慮并未做出相應(yīng)的實(shí)物，同時(shí)因?yàn)樗婕暗哪K均已十分成熟，所以無(wú)需實(shí)物驗(yàn)證其可行性。設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)為AT89C52，此單片機(jī)為美國(guó)著名半導(dǎo)體公司Atmel的經(jīng)典微控制器。AT89C52具有多重優(yōu)點(diǎn)，其低壓高性能的優(yōu)勢(shì)使其成為該公司應(yīng)用極為廣泛的產(chǎn)品。機(jī)內(nèi)具有8KB的EPROM〔ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，可擦除編程只讀存儲(chǔ)器〕，同時(shí)單片機(jī)具有256字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。AT89C52采用標(biāo)準(zhǔn)的51指令系統(tǒng)，與常規(guī)51芯片相互兼容，片內(nèi)的為8位處理器結(jié)合閃存電路可以使其適用于多重控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過(guò)AT89C52控制溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖3.9所示。溫度傳感器采用美國(guó)微芯科技公司的MCP9801芯片，MicrochipTechnologyInc.〔美國(guó)微芯科技公司〕的MCP9800/1/2/3系列數(shù)字溫度傳感器可將在-55°C和+125°C范圍之間的溫度轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)值。在-10°C至+85°C時(shí)，精度為±1°C〔最大誤差〕。圖3.9溫度傳感器電路MCP9800/1/2/3系列溫度傳感器內(nèi)置存放器可用于用戶的編程處理，這樣的可編程器件的應(yīng)用使得傳感器的應(yīng)用范圍更加廣泛。存放器的編程設(shè)置為分辨率設(shè)置，其分辨率可調(diào)精度最大可到達(dá)12位，最低可實(shí)現(xiàn)9位分辨率，傳感器具有省電關(guān)斷模式和單次測(cè)量模式，單次測(cè)量模式是指在傳感器的關(guān)斷指令下達(dá)時(shí)根據(jù)來(lái)自微控器的指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，省電關(guān)斷和單次測(cè)量均可以進(jìn)行變成配置。當(dāng)傳感器檢測(cè)溫度的變化范圍超過(guò)規(guī)定上限時(shí)，傳感器可以通過(guò)特定電平變化輸入報(bào)警信號(hào)，其中報(bào)警信號(hào)的設(shè)置也是可以通過(guò)用戶編程對(duì)極性進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定用于內(nèi)部參考恒溫器的操作，有效電平經(jīng)過(guò)比擬器輸出或者也可以通過(guò)MCU(MicroControlUnit,為控制單元)的外部中斷輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCP9800系列溫度傳感器采用I2C?/SMBus的總線接口，標(biāo)準(zhǔn)的I1C總線接口可以在一條總線上對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這中設(shè)計(jì)允許在僅有一個(gè)微控制器的狀況下對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采樣，適合需要多處測(cè)量需求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于AT89C52沒(méi)有I2C接口，實(shí)際需要在程序中模擬I2C時(shí)序，仿真中采用protues中內(nèi)部的I2C連接器，在程序中做相應(yīng)的時(shí)序模擬。I2C接口是飛利浦公司制定的串行總線接口，標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口具有SDA\SCL兩條信號(hào)線，其中SDA為一條雙向的信號(hào)總線，SCL為時(shí)鐘線。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時(shí)鐘線SCL接到總線的SCL上。采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，需要遵循一定的通信協(xié)議，如圖3.10中I2C數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序所示，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)SCL為高電平，數(shù)據(jù)線SDA的電平需要保持穩(wěn)定，當(dāng)在時(shí)鐘線SCL為低電平，數(shù)據(jù)線SDA電平值才可以產(chǎn)生跳變。下列圖顯示了I2C總線數(shù)據(jù)總線的根本原那么見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。圖3.10I2C總線的數(shù)據(jù)讀取I2C總線起始與終止時(shí)序原那么：當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)SCL電平為1時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)SDA由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)設(shè)為數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)钠鹗紶顟B(tài)；當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)SCL為電平值為1時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)SDA由低電平跳變?yōu)楦唠娖教儠r(shí)設(shè)置為數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)慕K止標(biāo)志狀態(tài)。圖3.11I2C總線起始與終止信號(hào)通常一個(gè)I2C總線上會(huì)連有多個(gè)器件，每個(gè)器件按其唯一的地址進(jìn)行劃分。當(dāng)主機(jī)與其通過(guò)I2C總線相連的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，主機(jī)可以作為發(fā)送機(jī)向相連的I2C器件發(fā)送數(shù)據(jù)，也可作為接收器接受來(lái)自器件的反響數(shù)據(jù)。因此I2C可以級(jí)聯(lián)多個(gè)芯片，相比設(shè)計(jì)最初考慮采用18B20作為溫度傳感器具備很多優(yōu)勢(shì)，MCP9801按照地址線連接便可以同時(shí)采集收集多個(gè)房間的溫度，更適合智能家居應(yīng)用，并且不會(huì)占用MCU過(guò)多I/O口。見(jiàn)文獻(xiàn)[8]MCP9801共八個(gè)引腳，各引腳功能如表3.3所示。表3.3MCP9801引腳對(duì)應(yīng)MCP9801符號(hào)功能1SDA雙向串行數(shù)據(jù)2SLCK串行時(shí)鐘輸入3ALERT溫度報(bào)警輸出4GND接地5A2地址選擇引腳〔bit2〕6A1地址選擇引腳〔bit1〕7A0地址選擇引腳〔bit0〕8VCC電源輸入MCP9801溫度傳感器由一個(gè)帶隙型溫度傳感器，一個(gè)Σ-?模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，假設(shè)干個(gè)用戶可編程存放器和一個(gè)兼容雙線I2C/SMBus總線協(xié)議的接口組成。圖3.12溫度傳感器功能框圖MCP9801利用晶體管集電極電流從IC1變化到IC2時(shí)基極-發(fā)射極的電壓差()。通過(guò)此方式，只取決于兩個(gè)電流的比值和環(huán)境溫度，如公式3.5所示。?VBE=其中：T=溫度，以開(kāi)氏溫標(biāo)表示=二極管基極-發(fā)射極的電壓差k=波耳茲曼常數(shù)(Boltzmann'sconstant)q=電量IC1和IC根據(jù)功能框圖可知Σ??模數(shù)轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換為與晶體管溫度相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。轉(zhuǎn)換器的分辨率可調(diào)，可調(diào)范圍從9位(轉(zhuǎn)換時(shí)間為30ms)到12位(轉(zhuǎn)換時(shí)間為240ms)。這樣就使用戶可在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡。3.2.5串口通信模塊設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中兩塊單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)串行口進(jìn)行的，電路采用RS-232電平設(shè)計(jì)。RS-232是采用異步串行通信方式，也是推行最早，使用最廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)之一。其最初是基于公用網(wǎng)的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。它的邏輯電平與公共地址對(duì)稱，其邏輯0電平規(guī)定在+3~+25V之間，邏輯1電平那么在-3~-25V之間，因而它需要使用正負(fù)極性的雙電源。一條信息的各位數(shù)據(jù)被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊，串行通信接口簡(jiǎn)稱串口(SerialInterface)，其特點(diǎn)是通信線路簡(jiǎn)單，串口設(shè)計(jì)電路可以加大限度的減少連線，一堆數(shù)據(jù)線便可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，其具備通信距離長(zhǎng)、本錢(qián)低、連線簡(jiǎn)單等多重優(yōu)勢(shì)。串口通信的協(xié)議特點(diǎn)是：所有數(shù)據(jù)按位傳輸，諸位發(fā)送，理論上最簡(jiǎn)傳輸設(shè)計(jì)只需要一個(gè)數(shù)據(jù)線；串口的通信的數(shù)據(jù)傳輸本錢(qián)極低，但傳輸速度比擬慢。串口通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)及長(zhǎng)距離傳輸，最長(zhǎng)可到達(dá)幾千米；根據(jù)設(shè)計(jì)需求可以設(shè)計(jì)成單工通信、半雙工通信、雙工通信三種方式。串口通信的兩種最根本的方式：同步串行通信方式和異步串行通信方式。串行接口按電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議可以分為RS-232-C、RS-422、RS485等。RS-232-C、RS-422與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。本次設(shè)計(jì)中用到的是RS232接口，通信原理較為簡(jiǎn)單。芯片的引腳分為三個(gè)局部：第一局部：由1-6引腳和4只電容組成的電荷泵電路。這一局部可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的能量。這一局部電路產(chǎn)生的+12v和-12v兩個(gè)電平電路可以給RS-232供電。第二局部是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳〔R1IN〕、12腳〔R1OUT〕、11腳〔T1IN〕、14腳〔T1OUT〕為第一數(shù)據(jù)通道。8腳〔R2IN〕、9腳〔R2OUT〕、10腳〔T2IN〕、7腳〔T2OUT〕為第二數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到串口9針串口接口；來(lái)自9針串口插頭的數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成電平數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三局部是供電：15腳GND、16腳VCC〔+5V〕。本設(shè)計(jì)中，通過(guò)單片機(jī)的10引腳P3.0(RXD)、11引腳P3.1(TXD)與電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232的9引腳(R2OUT)、10引腳(T2IN)相連接，MAX232的7引腳(T2OUT)、8引腳(R2IN)與9針D型插座2(RXD)引腳、3(TXD)引腳相連，MAX232的5引腳接地。9針D型插頭與計(jì)算機(jī)的9針D型插頭相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信的硬件連接。其根本接線方式如圖3.13所示：圖3.13串口連接電路原理圖如圖3.13所示，本次設(shè)計(jì)中用到的串口芯片為MAX232，這款芯片是半導(dǎo)體芯片商美信〔MAXIM〕公司專(zhuān)門(mén)RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口所設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，芯片使用+5v單電源對(duì)其供電。3.2.6其他輔助模塊設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中除了用到了以上主模塊，還用到了12864和1602兩塊液晶顯示器以及DS1302的I2C接口的時(shí)鐘芯片、蜂鳴器、按鍵等輔助硬件，分別用于顯示射頻、溫度以及時(shí)間。顯示器1602與AT89C52相連，配合溫度傳感器和時(shí)鐘芯片顯示當(dāng)前檢測(cè)溫度以及時(shí)間；顯示器12864與STC11F32XE相連，其中涉及數(shù)據(jù)和控制端的連接，配合單片機(jī)以及射頻芯片輸出卡號(hào)和與卡號(hào)相對(duì)應(yīng)的最適溫度。見(jiàn)文獻(xiàn)[9]圖3.1412864顯示器連接圖3.15液晶顯示器1602連接其中如圖3.15所示，1602的VSS與VEE之間通過(guò)變阻器連接，可以調(diào)節(jié)屏幕亮度。時(shí)鐘芯片DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。DS1302由八個(gè)引腳組成,其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。這樣的設(shè)計(jì)是為了保證主電源在未接通的情況下，時(shí)鐘依舊可以連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過(guò)把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。表3.4DS1302標(biāo)志位電平對(duì)照表標(biāo)志位邏輯0邏輯1第7位數(shù)據(jù)寫(xiě)保護(hù)數(shù)據(jù)可以寫(xiě)入第6位讀取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀取RAM數(shù)據(jù)第5位指定輸入或輸出的特定存放器第4位第3位第2位第1位第0位數(shù)據(jù)寫(xiě)操作數(shù)據(jù)讀操作圖3.16DS1302連接示意圖3.3本章小結(jié)本章主要對(duì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)從總體到局部做了比擬詳細(xì)的說(shuō)明，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的開(kāi)展，RFID技術(shù)的使用會(huì)越來(lái)越廣泛，其應(yīng)用前景也會(huì)涉及到各行各業(yè)，包括公共交通、智能控制、社會(huì)平安、身份識(shí)別等等。隨著國(guó)家隊(duì)物聯(lián)網(wǎng)的重視，毫無(wú)疑問(wèn)，射頻卡技術(shù)將是我們以后將要進(jìn)一步努力研究的技術(shù)，而其涉及的射頻技術(shù)與本文所講原理根本相似。本次設(shè)計(jì)將中，對(duì)基于射頻識(shí)別的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與研究?；诳刂破鰽T89C52、STC11F32XE和MFRC522系列讀卡器的根底上外接溫度傳感器、液晶顯示器等，整個(gè)設(shè)計(jì)基于RFID的智能家居溫控系統(tǒng)。整個(gè)的電子線路上根本上實(shí)現(xiàn)了其設(shè)計(jì)原理的要求，電路盡可能簡(jiǎn)潔化，其中仿真局部電路的實(shí)現(xiàn)時(shí)還需考慮各模塊之間的復(fù)位操作、接地以及電壓穩(wěn)定性等諸多問(wèn)題。第四章系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成局部，在一定的硬件電路根底上，加上相應(yīng)的軟件，才可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。本次設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)包括射頻和溫度檢測(cè)兩局部，涉及80C51以及增強(qiáng)型51單片機(jī)、射頻、顯示、時(shí)鐘、串口等多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)需要配合硬件完成，以保證其穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)中編譯環(huán)境選擇KeiluVision4，下載器選擇STC-ISP下載程序。4.1軟件設(shè)計(jì)總體方案4.1.1軟件設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇程序設(shè)計(jì)的根本方法有三種：分別是〔1〕模塊化；〔2〕自頂向下、逐步求精；〔3〕結(jié)構(gòu)化。模塊化設(shè)計(jì)的核心思想是要把一個(gè)復(fù)雜的程序按其各局部的功能劃分為假設(shè)干模塊，設(shè)計(jì)完成后，各模塊的設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試和查錯(cuò)獨(dú)立互不影響，最后實(shí)現(xiàn)個(gè)模塊之間的聯(lián)調(diào)測(cè)試運(yùn)行，最終編譯行程最終可行程序。自頂向下、逐步求精的設(shè)計(jì)原那么是從系統(tǒng)主干開(kāi)始，優(yōu)先解決整體問(wèn)題，再然后一層層逐漸細(xì)化設(shè)計(jì)，完成精度要求，最終完成整體程序。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是按照一種理想的程序設(shè)計(jì)方法，在編程過(guò)程中對(duì)程序進(jìn)行適當(dāng)限制，使程序在其上下文之間銜接與執(zhí)行流程效率上保持根本的協(xié)調(diào)性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由于程序的模塊化非常清晰，所以總體程序按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，各個(gè)模塊獨(dú)立編譯、調(diào)試、運(yùn)行。各個(gè)模塊那么采用自頂向下的設(shè)計(jì)原那么，從上層開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)便是單片機(jī)控程序，對(duì)于常規(guī)的單片機(jī)程序C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言是比價(jià)理想的選擇。C語(yǔ)言程序的庫(kù)支持非常豐富、具有良好的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)、容易查找錯(cuò)誤、可移植性高、可讀性高，實(shí)現(xiàn)容易，所以整個(gè)設(shè)計(jì)均采用C語(yǔ)言作為設(shè)計(jì)的程序編寫(xiě)語(yǔ)言。因?yàn)樵O(shè)計(jì)中所涉及模塊眾多，局部模塊比方射頻讀卡芯片MFRC522的的初始化程序代碼量比擬大，受到單片機(jī)存儲(chǔ)空間限制，所以需要考慮精簡(jiǎn)局部冗余代碼，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，軟件的設(shè)計(jì)主要包括射頻模塊與溫度檢測(cè)模塊兩個(gè)局部，這種具體設(shè)計(jì)到如下局部的程序編寫(xiě)。4.1.2射頻模塊軟件設(shè)計(jì)總體方案〔1〕數(shù)據(jù)采集模塊：讀卡器MFRC522通過(guò)連接天線讀取RFID卡的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送出去〔2〕數(shù)據(jù)處理模塊：STC11F32XE單片機(jī)處理來(lái)自射頻讀卡器的數(shù)據(jù)，并完成顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?〕顯示模塊：STC11F32XE接收到數(shù)據(jù)后，將通過(guò)數(shù)據(jù)處理完并在12864上予以顯示〔4〕報(bào)警模塊：STC11F32XE接收到數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，提示有卡進(jìn)入〔5〕鍵盤(pán)模塊：通過(guò)按鍵進(jìn)行四種狀態(tài)轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)對(duì)卡注冊(cè)、讀卡、溫度變換的四種操作〔6〕串口通信：將預(yù)設(shè)溫度發(fā)送給溫度檢測(cè)局部單片機(jī)。圖4.1是射頻局部工作的總體框圖。 圖4.1射頻局部總體運(yùn)行框圖4.1.3溫度檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)總體方案〔1〕串口通信：串口實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自射頻局部的信號(hào)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)采用中斷接受發(fā)送數(shù)據(jù)，并交付單片機(jī)處理〔2〕數(shù)據(jù)采集模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)收到來(lái)自串口的數(shù)據(jù)后初始化溫度傳感器MCP9801采集，采集當(dāng)前房間溫度〔3〕數(shù)據(jù)處理模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)收到溫度傳感器和串口數(shù)據(jù)后進(jìn)行比對(duì)，然后做出相應(yīng)處理〔4〕顯示模塊：系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，LCD1602顯示來(lái)自DS1302的時(shí)間信號(hào)，當(dāng)有溫度檢測(cè)時(shí)，顯示器顯示當(dāng)前溫度圖4.2是射頻局部工作的總體框圖。圖4.2溫度檢測(cè)局部總體運(yùn)行框圖4.2射頻模塊主要軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)分析4.2.1讀卡器初始化與卡操作程序分析射頻讀卡芯片MFRC522是本次設(shè)計(jì)的根底，讀卡器的軟硬件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，射頻的讀卡芯片的軟件初始化程序包括總線設(shè)置、尋卡、防沖撞檢測(cè)、卡片選定、卡片驗(yàn)證[10]〔14443A協(xié)議驗(yàn)證〕、讀卡、寫(xiě)數(shù)據(jù)、卡片掛起休眠、校驗(yàn)、復(fù)位等操作。初始化程序如下voidInit_MFRC500(void){RFID_Reset();//復(fù)位RFID_AerialOff();//天線關(guān)閉RFID_AerialOn();//天線開(kāi)啟MFRC_Type('A');//設(shè)置芯片工作方式}程序的初始化操作主要是針對(duì)天線進(jìn)行的，初始化是讀卡前對(duì)天線的復(fù)位啟用，天線掃描到卡后便進(jìn)行讀卡操作，主要通過(guò)讀卡芯片RC522進(jìn)行，下面主要分析社對(duì)射頻芯片操作的程序。設(shè)計(jì)中采用函數(shù)voidpcd_contpro(void)對(duì)射頻卡進(jìn)行卡操作，其中包括了對(duì)預(yù)設(shè)溫度以及其相關(guān)操作。RFID_Rebcon(uchar*pSn);//進(jìn)行防沖撞檢測(cè)RFID_Cho(uchar*pSn);//函數(shù)進(jìn)行卡選擇以上兩個(gè)函數(shù)只有一個(gè)參數(shù)，即指針變量pSn，指針指向數(shù)組，卡片序列號(hào)存儲(chǔ)在參數(shù)pSn[OUT]中，共4字節(jié)，兩個(gè)函數(shù)執(zhí)行完成后返回值均為為MI_OK，無(wú)其他值。RFID_Auth_State(ucharau_mode,ucharaddr,uchar*pKey,uchar*pSn);函數(shù)有四個(gè)參數(shù)，分別是密碼驗(yàn)證模式au_mode[IN]，塊地址addr[IN]，密碼pKey[IN]，卡片序列號(hào)pSn[IN]，其中密碼驗(yàn)證模式有兩種，以十六進(jìn)制的形式進(jìn)行表示，驗(yàn)證A密鑰為0x60，驗(yàn)證B密鑰為0x61，卡號(hào)共4字節(jié)RFID_Write(ucharaddr,uchar*pData);//讀取卡數(shù)據(jù)RFID_Read(ucharaddr,uchar*pData);//向卡寫(xiě)數(shù)據(jù)這兩個(gè)函數(shù)是卡的讀寫(xiě)操作函數(shù)，每個(gè)函數(shù)均有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)字符串變量，一個(gè)指針變量，變量addr[IN]存儲(chǔ)卡的塊地址，pData[OUT]存儲(chǔ)讀出的數(shù)據(jù)，共16字節(jié)，函數(shù)運(yùn)行成功返回MI_OK。ucharRead_MFRC(ucharAddr)voidWrite_MFRC(ucharAddr,ucharvalue)voidSet_Flag(ucharreg,ucharflag)voidClr_Flag(ucharreg,ucharflag)以上四個(gè)函數(shù)是對(duì)MFRC522的存放器進(jìn)行操作，分別包括讀存放器、寫(xiě)存放器、存放器置位、存放器清零操作。讀存放器函數(shù)參數(shù)為存放器地址Addr[IN]，函數(shù)返回值為讀出的值；寫(xiě)存放器函數(shù)參數(shù)Addr[IN]為存放器地址，value[IN]為要寫(xiě)入的值；存放器置位/清零函數(shù)參數(shù)reg[IN]為存放器地址，flag[IN]為置位或者清零值；4.2.2讀卡器通信與數(shù)據(jù)處理程序分析天線配合讀卡器完成其初始化后需要進(jìn)行卡和讀卡器之間的數(shù)據(jù)通信，通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的14443A協(xié)議，通過(guò)數(shù)據(jù)通信，讀卡器將采集卡號(hào)，同時(shí)將卡號(hào)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本節(jié)將著重分析卡通信和與卡相關(guān)的數(shù)據(jù)處理局部程序。設(shè)計(jì)中讀卡器的通信是采用函數(shù)charRC500_com實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如下:charRC500_com(ucharCommand,uchar*pIn_Dat,ucharIn_LenByte,uchar*pOut_Dat,uint*pOut_LenBit)函數(shù)根本功能是實(shí)現(xiàn)讀卡芯片MFRC522與采用ISO14443協(xié)議的射頻卡進(jìn)行通信。函數(shù)中涉及5個(gè)參數(shù)，其對(duì)應(yīng)意義表4.1所示表4.1卡通信函數(shù)參數(shù)對(duì)照表參數(shù)參數(shù)功能意義Command[IN]RC522命令字pIn_Dat[IN]通過(guò)RC522發(fā)送到卡片的數(shù)據(jù)InL_enByte[IN]發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)長(zhǎng)度POut_Dat[OUT]接收到的卡片返回?cái)?shù)據(jù)*pOut_LenBit[OUT]返回?cái)?shù)據(jù)的位長(zhǎng)度當(dāng)讀卡器完成讀卡將卡號(hào)傳送個(gè)單片機(jī)后，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)案件進(jìn)行操作，其操作包括注冊(cè)、讀卡、預(yù)設(shè)溫度降低、預(yù)設(shè)溫度升高等操作。if(flag_Menu){if((KNumb==N1)&&(!KTime)){KTime=15;Show_Menu=0;card_op=temp_down;send_char1(KNumb);Show16_16(2,0,4);Show16_16(2,2,5);}elseif((KNumb==N2)&&(!KTime)){KTime=15;Show_Menu=0;card_op=temp_up;send_char1(KNumb);Show16_16(2,0,6);Show16_16(2,2,7);}elseif((KNumb==N3)&&(!KTime)){KTime=15;Show_Menu=0;card_op=card_reg;send_char1(KNumb);Show16_16(2,0,10);Show16_16(2,2,11);}elseif((KNumb==N4)&&(!KTime)){KTime=15;Show_Menu=0;card_op=card_read;send_char1(KNumb);Show16_16(2,0,12);Show16_16(2,2,13);}}4.2.3射頻LCD顯示模塊程序詳細(xì)設(shè)計(jì)及分析設(shè)計(jì)中射頻局部采用的LCD12864，用于顯示系統(tǒng)的卡號(hào)以及預(yù)設(shè)溫度，同時(shí)可以輔助修正預(yù)設(shè)溫度。顯示器自身不帶中文字庫(kù)，需要采用取模軟件對(duì)中文進(jìn)行取模操作，以獲得中文對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。字體取模軟件如圖4.3所示圖4.3十六進(jìn)制A51字體取模軟件液晶屏操作分為初始化、狀態(tài)檢查、數(shù)據(jù)寫(xiě)入、清屏等操作，設(shè)計(jì)中軟件局部建立了相關(guān)字庫(kù)，同時(shí)做了以上根本分任務(wù)。LCD初始化程序采用函數(shù)InitLcd0108(void);初始化函數(shù)分為如下幾局部：voidInitLcd0108(void){CLR_LCD_EN;SET_LCD_CS1;SET_LCD_CS2;SetStartLine(0);//設(shè)置開(kāi)始行為第0行SetOnOff(1);//開(kāi)關(guān)顯示ClearScreen();//清屏}液晶屏操作主要局部是數(shù)據(jù)寫(xiě)入，其中向液晶屏寫(xiě)數(shù)據(jù)的函數(shù)為WriteByte()，首先檢測(cè)屏幕狀態(tài)，設(shè)置功能管腳，向數(shù)據(jù)端口寫(xiě)數(shù)據(jù)，選擇寫(xiě)入方向，寫(xiě)入數(shù)據(jù)。voidWriteByte(unsignedchardatadat,uchardataScreen){CheckState(Screen);SET_LCD_DI;CLR_LCD_RW;LCD12864DataPort=swapbit(dat);switch(Screen){caseSCREENLEFT:CLR_LCD_CS2;break;caseSCREENRIGHT:CLR_LCD_CS1;default:break;}SET_LCD_EN;CLR_LCD_EN;SET_LCD_CS1;SET_LCD_CS2;}顯示模塊其他函數(shù)為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)顯示函數(shù)，函數(shù)Show816()、ShowHZ1616()用于顯示8*16、16*16點(diǎn)陣，字體旋轉(zhuǎn)90度，字模被豎著切分，行(0-7)，列(0-15)，dataaddress為字模區(qū)首地址。4.3溫度檢測(cè)模塊主要軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)分析4.3.1I2C總線程序分析溫度傳感器MCP9801采用I2C總線實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信，因?yàn)闇囟葯z測(cè)控制局部為仿真電片機(jī)沒(méi)有內(nèi)置I2C總線接口，在程序編寫(xiě)中需要模擬時(shí)序以實(shí)現(xiàn)傳感器與單路，標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)之間的通信。見(jiàn)文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)中采用iic_start(void)和iic_stop(void)兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)總線的啟用和停止，在SCL為高電平期間，將SDA由高電平跳到低電平，啟動(dòng)總線首發(fā)數(shù)據(jù)，在SCL為高電平期間，將SDA由低電平跳到高電平終止總線數(shù)據(jù)首發(fā)?？偩€初始化完成后便進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，其中數(shù)據(jù)讀寫(xiě)相關(guān)函數(shù)有三個(gè)，分別得總線應(yīng)答函數(shù)bitiic_ack(void)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入函數(shù)bitiic_write(ucharc)，數(shù)據(jù)讀取函數(shù)uchariic_read(void)。其中對(duì)于總線操作需要格外注意的是數(shù)據(jù)要在上升沿發(fā)送，I2C總線中數(shù)據(jù)發(fā)送以8位為一個(gè)單位，將數(shù)據(jù)與0x80位與，得到高位上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，具體寫(xiě)入程序如下：for(i=0;i<8;i++){ if(c&0x80)//上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)SDA = 1;else SDA = 0; c = c << 1; SCL = 1; iic_delay(); SCL = 0; iic_delay(); }程序接收數(shù)據(jù)原理與發(fā)送相似，以下降沿為標(biāo)志接受。4.3.2溫度傳感器初始化程序分析溫度傳感器初始化包括向傳感器寫(xiě)入數(shù)據(jù)、讀取傳感器返回?cái)?shù)據(jù)三個(gè)主要操作。函數(shù)MCP_wrbyte()以及MCP_rdbyte()功能便是通過(guò)I2C總線向溫度傳感器寫(xiě)入數(shù)據(jù)以及從溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)的兩個(gè)函數(shù)。void MCP_wr1byte(uchar reg,ucharaddress,ucharcmd){ bit ack; iic_start(); re1: ack = iic_write(address); if(ack == 1) goto re1; re2: ack = iic_write(reg); if(ack == 1) goto re2; re3: iic_write(cmd); if(ack == 1) goto re3; iic_stop(); delay(100);}函數(shù)三個(gè)變量分別為存放器、地址變量和寫(xiě)入模式命令。void MCP_rdbyte(ucharreg,ucharaddress,uchar*des){ iic_start(); iic_write(address); iic_write(reg); iic_start(); iic_write(address|0x01); *des = iic_read(); iic_sendack(1); *(des+1) = iic_read(); iic_sendack(1); iic_stop();}溫度傳感器MCP9801讀取程序流程為總線啟用、寫(xiě)高位地址、讀取高位數(shù)據(jù)、返回，指針后移讀低位讀數(shù)據(jù)，返回，函數(shù)返回值為空。4.3.3溫度檢測(cè)程序分析溫度檢測(cè)模塊采用循環(huán)檢測(cè)串口程序，仿真時(shí)采用了外部中斷，當(dāng)按鍵按下模擬串口有數(shù)據(jù)進(jìn)入，開(kāi)始進(jìn)入溫度檢測(cè)狀態(tài)。voidshow_tmp(ucharaddress,ucharmode){ uchartmp[2],ll= 0x80,flg; uint x; iic_init(); MCP_wrbyte(0x01,address,mode); MCP_rdbyte(0x00,address,tmp); lcd_wcom(ll); lcd_string(tmp1); flg =(*tmp&0x80)>>7; if(flg)//負(fù)數(shù)操作 { lcd_wdat('-'); *tmp=~(*tmp)+0x01; } x= *tmp; lcd_wdat(num[x/10]); lcd_wdat(num[x%10]); if(*(tmp+1)&0x80) lcd_string(".5"); else lcd_string(".0"); lcd_string(tmp2);}單片機(jī)通過(guò)I2C接口向溫度傳感器發(fā)送地址數(shù)據(jù)、模式、溫度傳感器接到來(lái)自單片機(jī)的地址數(shù)據(jù)和模式后向單片機(jī)返回溫度數(shù)據(jù)，函數(shù)中同時(shí)設(shè)計(jì)了負(fù)數(shù)溫度的取補(bǔ)碼操作，以及0.5攝氏度的誤差修正。4.4系統(tǒng)運(yùn)行與仿真結(jié)果4.4.1溫度檢測(cè)模塊整體運(yùn)行示意溫度模塊演示傳感器啟動(dòng)前圖4.4〔a〕所示已經(jīng)傳感器啟動(dòng)后圖4.4〔b〕所示?！瞐〕〔b〕圖4.4溫度檢測(cè)電路整體運(yùn)程圖(a)沒(méi)有溫度數(shù)據(jù)輸入〔b〕啟動(dòng)傳感器之后4.4.2射頻模塊整體運(yùn)行示意射頻模塊主演是了硬件電路的整體構(gòu)造以及讀卡前歡送界面圖4.5〔a〕所示以及當(dāng)有卡進(jìn)入射頻區(qū)后的讀卡與溫度綁定后的界面顯示，如圖4.5〔b〕所示?！瞐〕〔b〕圖4.5射頻模塊整體運(yùn)行示意圖4.5〔a〕為射頻模塊啟