【基于RFID的實驗設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)7300字（論文）】

一、引言隨著全球經(jīng)濟一體化的發(fā)展和我國經(jīng)濟水平的逐步提升，我國諸多高校實驗室建設(shè)發(fā)生了翻天覆地的改變。最近這幾年，在國家政策的不斷指導(dǎo)下，我國的高等教育體制改革不斷的得到深化。隨著互聯(lián)網(wǎng)+信息技術(shù)不斷的發(fā)展，“信息化、數(shù)字化模式”的產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般在我國各行各業(yè)發(fā)展起來。我國高校也掀起了信息化、數(shù)字化校園建設(shè)的熱潮。高校怎樣抓住這次機遇，是迫不及待需要解決的問題。特別是在實驗室管理制度不全、缺少約束機制、管理手段落后和管理效率差的情況下，如何簡單、高效的解決問題，成為了重要目標。本文介紹了利用無線技術(shù)進行實驗設(shè)備的管理。在歐洲、北美洲等發(fā)達國家，RFID技術(shù)已經(jīng)比較完善了，目前國內(nèi)的RFID技術(shù)有很多，其中高頻技術(shù)包括：125KHZ、13.4MHZ，而高頻RF則是915MHZ和2.45GHZ。美國是世界上發(fā)展最早的地區(qū)，技術(shù)也比較先進，但歐洲的5.8GHZ已經(jīng)發(fā)展的比較完善，但中國的無線技術(shù)還沒有發(fā)展起來，但我們的政府也意識到了這一技術(shù)的重要性，所以在這方面的投資也是非常大的。二、系統(tǒng)總體設(shè)計方案（一）設(shè)計任務(wù)和要求1.任務(wù)和要求內(nèi)容第一，主要控制芯片STC89C52，射頻射頻模塊，獨立按鍵，12864LCD；上位機，藍牙無線模塊，繼電器模塊；建立了一個智能化的實驗設(shè)備管理體系；第二，三個按鈕，一個是菜單按鈕，一個是注冊按鈕，一個是撤銷按鈕，一個是注冊一個按鈕，一個是一個取消按鈕，一個是注冊了一個IC卡的用戶。第三，顯示卡號，卡類型，無效卡；登記、取消等相關(guān)的信息，將IC卡卡碼的有效號碼經(jīng)由無線方式傳送至主機，主機會自動讀出數(shù)字資料庫及儲存資訊。第四，在首次刷卡的時候，由上一臺計算機自動顯示出庫，在二次刷卡時，由計算機進行存儲。第五，可以實現(xiàn)對各實驗設(shè)備進出狀態(tài)的自動監(jiān)控，將各數(shù)據(jù)保存在ACCESS數(shù)據(jù)庫中，便于管理員進行管理。2.系統(tǒng)設(shè)計方案本設(shè)計以STC89C52為主要控制器，完成IC卡的數(shù)據(jù)收集及各按鍵的數(shù)據(jù)傳輸，并將IC卡片的數(shù)據(jù)與單片機的單片機數(shù)據(jù)傳輸至主處理器；主電腦會判定IC卡的資料及資料庫是否有IC卡，依據(jù)資訊，然后發(fā)出指示給下一部電腦，要開啟LED燈，與電腦呼叫資料庫所呈現(xiàn)的資料不符，下一次選擇會告警，由電腦管理員透過儲存資訊進行處理。（二）模塊基本方案1.單片機方案選擇和論證該方案1以STM32為主要控制單元，內(nèi)置大量的數(shù)據(jù)源，具備藍牙無線、看門狗、AD/DA等功能，但其軟件及軟體較繁瑣，成本較高，適合大規(guī)模應(yīng)用。方案2的主要控制單元是STC89C52，該52芯片具備藍牙無線等多種功能，不但成本低，程序設(shè)計簡單，硬件簡單，適用于很多小規(guī)模的DIY操作實踐。由于采用了STC89C52作為主要控制單元，它具有操作簡單、占用較少的特點。2.顯示方案第一個設(shè)計是以數(shù)碼導(dǎo)管做為螢?zāi)唤缑?，?shù)字管道主要用于顯示數(shù)字，顯示明顯，體積小且操作方便，但是，由于其顯示器標識的局限性和硬件的繁雜，使得數(shù)碼管線只能在系統(tǒng)中進行有限的字符的展示。第二種是12864的LCD，12864的LCD可以用中文和中文進行文字的對比，具有很好的視覺效果，比12864的文字多一倍；該產(chǎn)品具有較高的刷新速度、較高的成本和較大的占地空間，適用于各種顯示標識。智能實驗設(shè)備系統(tǒng)要求將所獲取的卡片號碼在LCD上進行展示，而且要用中文來進行，但是數(shù)字管的文字數(shù)量限制，而且不好看；1621LCD不會中文，所以采用12864液晶作為智能實驗設(shè)備系統(tǒng)液晶顯示。3.按鍵方案第一個方案是使用一個單獨的鍵盤來完成。單片機的程序設(shè)計繁復(fù)，線路的焊點繁雜，操作不便，單片I/O難以錄制，適用于多種鍵盤。第二個方法是單獨的鍵盤。單片機的程序設(shè)計簡單、程序簡單、線路焊接方便、操作靈活、多數(shù)采用單芯片I/O，適用于按鍵較少的用戶。由于要將鑰匙登記到或刪除到智能記憶體中，因此，主控晶片的io端口是有限制的，因此，獨立按鈕被用作智能內(nèi)存系統(tǒng)的輸入按鈕。。（三）RFID射頻主要技術(shù)RFID射頻的基本工作方式：IC卡在RF模組的區(qū)域，讀取機會收到IC卡的訊號，讀取機則會收到儲存于晶片中的電流感應(yīng)訊息?？ㄆx取機與轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸采用了半雙重通訊方式，而卡片讀取機則是為被動轉(zhuǎn)發(fā)器供電和供電。這種分卡閱讀機采用了MFRC522的MFRC522讀卡機，它具有13.56MHz的通訊頻率。整個RFID系統(tǒng)包括讀卡器，IC卡，天線等，他的工作是這樣的：讀卡片機發(fā)出一定的電磁波，把資料傳送到一個驅(qū)動器，卡片讀取機會為該程序提供一系列的解譯資料；按照這個方法來處理應(yīng)用，見圖2-1。圖2-1RFID射頻主要工作原理三、硬件設(shè)計（一）硬件設(shè)計總體框架本系統(tǒng)采用STC89C52作為主要主控芯片，12864作為顯示單元，藍牙連接串口，RFID射頻模塊，由蜂鳴聲警報、單排鍵、主機及專用存儲卡組成，具體的硬件電路，見圖3-1。圖3-1硬件設(shè)計流程圖（二）單片機主控模塊該智能實驗設(shè)備系統(tǒng)的主控制器是STC89C52，52是8位處理器，如圖3-2所示，52MCU具有40個引腳，P0與P1、P2、P3的I/O構(gòu)成模式不同，P1~P3的I/O均為開漏型，無需上拉阻器就可以工作，但是P0的內(nèi)部沒有上拉電阻器，所以當(dāng)PO管針被使用時；為了使其工作，需要安裝一個螺釘電阻，最小系統(tǒng)為52，由晶體振蕩器鏈和復(fù)位電路組成。圖3-2智能實驗設(shè)備系統(tǒng)主控芯片最小系統(tǒng)圖（三）液晶顯示模塊12864是一款點陣式的LCD顯示器，它可以用來顯示數(shù)碼、字符和文字。其中四個LCD屏幕可以顯示52個字母，并且每一個字母都有一定的間距，因此很容易被顯示；12864中有20個插針，從引腳的左邊向右邊，VSS為接地端，鏈接GND，如圖3-3。圖3-3智能實驗設(shè)備系統(tǒng)顯示模塊（四）IC卡讀卡器工作原理該射頻模組使用RFID模塊，當(dāng)該IC卡被讀取時，該IC卡與該RF模組發(fā)生諧振；內(nèi)置電容持續(xù)給電容充電，使得電容輸出2V左右，MCU就能辨識出這些電壓，這樣微處理器就可以讀出IC卡號碼了，如圖3-4。圖3-4射頻模塊（五）獨立按鍵模板該智能實驗設(shè)備系統(tǒng)采用了一個單獨的按鈕來進行操作，并且在一個單獨的鍵中，每一個鍵都有四根后跟的銷子。如果您不用兩根后跟針，可以把一個微型控制針與一個單獨的鑰匙相連，鑰匙的另一針與VDD和GND相連，當(dāng)一個單獨的按鈕壓下一個與一個MCU相連的管腳，把一個與一個供電VDD和GND相連的引腳導(dǎo)通。在松開一個單獨的按鍵時，一個單獨的按鍵會壓住與一個微型控制器相連的插座，從而產(chǎn)生一個與VDD和GND相連通的斷路器，該單片機將不再進行單獨的按鍵指令，見圖3-5。圖3-5獨立按鍵系統(tǒng)（六）蜂鳴器報警器智能實驗設(shè)備的蜂鳴器是一種具有報警功能的智能實驗設(shè)備設(shè)備，它的功能是由一個三極管來實現(xiàn)的，而在此，我們要特別留意三極管的底座、集電極的差別，并利用三極管的三極管的三極管的三極管，在此，P02管的插針與單片機相連，在一定的數(shù)值時，將三極管的一個低電平加到三極管9012的一個基極上；三極管接通，蜂鳴警報。圖3-6報警器模塊使用電磁蜂鳴器的蜂鳴器可分為無源和有源、無源，它是通過勵磁諧振器密封蜂鳴器相反的，適用于消耗電流規(guī)格較高或頻率范圍更高的反應(yīng)聲音，聲音更好（40~80毫安*2.5千赫左右）。蜂鳴器振蕩線圈和振蕩線圈合二為一。圖2-7蜂鳴器外形圖該產(chǎn)品以9012型的蜂鳴機驅(qū)動三極管為例，此產(chǎn)品為9012三極管。三極管的用途很多，尤其是用于放大的三極管，三極管有基極、發(fā)射級和集電極三個插頭。（七）電源模塊在供電端2、3管腳為負端，1管為正電極，在供電時，最好在供電時在電源上加上一個電容器，以濾除電源中的雜訊；該方案能使整個5V供電更為平穩(wěn)，能為液晶模塊、射頻模塊、芯片等模塊供電。如圖3-8。圖3-8電源模塊（八）藍牙設(shè)計藍牙已迅速發(fā)展為一種被普遍認可的PAN（PAN）無線技術(shù)。通過Bluetooth技術(shù)，寬帶接入設(shè)備，電話，PC機；電子產(chǎn)品和其他裝置之間可以進行短程的通信。HC-06的藍牙芯片，2.4GHz的天線，具有80dBm的靈敏度，不需要調(diào)整，工作在3.3V的低壓下，F(xiàn)M技術(shù)，小巧的設(shè)計。為了實現(xiàn)對小車的遠程控制，讓小車可以在遙控的狀態(tài)下完成指令，并且還需要具備較遠的通信距離、較高的通信速率，選擇了如圖3-9類型的藍牙模版。圖3-9藍牙模版四、軟件部分（一）注冊、撤銷程序流程框在整個實驗設(shè)備體系中，首先要開啟系統(tǒng)的各部分，再由單片機進行相關(guān)的編程，液晶顯示的菜單接口；將IC卡置于射頻感應(yīng)區(qū)，按下登記或撤消，IC卡會被記錄并注銷，同時，記錄完成和注銷的水晶液體和信號燈也會被激活，接著，菜單中的鍵又會回到刷卡的狀態(tài)，只有已登記的IC卡才能進入。圖4-1注冊、撤銷程序流程圖（二）主程序流程框采用單片機在滑動卡片的顯示接口，射頻模塊上有IC卡的讀出，由MCU將IC卡的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，然后用無線的Bluetooth模塊發(fā)送至主機，并由LCD將卡片的型號及IC卡號進行顯示；宿主會呼叫資料庫項來尋找相關(guān)的卡號碼。若發(fā)現(xiàn)IC卡的號碼，IC卡的資料與主機的資料相符，則可直接呼叫資料資訊，以顯示主機界面，有問題的按鍵；用滑鼠單擊問題鍵就可以了。將會查詢目前的庫房，并顯示出所有的庫房登記簿。接著，由主機將新的命令發(fā)送給MCU，由MCU根據(jù)該命令開啟LED按鍵，并與LCD進行感光，如圖4-2。圖4-2主程序流程圖（三）液晶流程框在智能化實驗設(shè)備供電期間，12864的LCD會啟動啟動模式，在接近無線頻率模塊時，會讀出指示，以迎接接口；LCD會自動將當(dāng)前的狀況進行清點，同時會出現(xiàn)卡數(shù)及數(shù)字等相關(guān)資訊，如果未登記IC卡接近，則會出現(xiàn)LCD無法辨識；以及諸如卡片之類的信息，如圖4-3。圖4-3液晶流程圖（四）射頻流程框在IC卡到達無線頻率模組的區(qū)域時，讀卡機會收到IC卡的訊息，讀卡機會自動感知到該IC卡的信息，并向該IC卡發(fā)送命令和沖突。最后的譯碼、加工和解析。圖4-4射頻流程圖（五）上位機登入界面使用過程如下：在你開啟exe程序的時候，實驗設(shè)備系統(tǒng)將調(diào)試登錄界面，如圖所示。它的功能是阻止別人對實驗設(shè)備進行篡改、盜用，并對其進行有效的防護，并在管理員鍵入相應(yīng)的庫房和口令之后，按確定鍵；通過與管理人員錄入的實驗設(shè)備和口令進行比對，在出現(xiàn)在主屏上的時候，會自動出現(xiàn)在實驗設(shè)備的主控面板上。圖4-5上位機登入界面圖（六）上位機在主機的主機接口中，選定了藍牙終端號碼和MCU通訊波特率(下位機與電腦連接藍牙無線端號，藍牙無線號可以通過我的電腦設(shè)備進行查看)，然后按一下按鈕，就可以操作了。圖4-6上位機圖（七）燒錄軟件介紹利用一般的編程軟件來紀錄單片機的程序，在軟體中開啟檔案選取程式所生成之HEX文化，選取藍芽之無線編號，并將對應(yīng)之資訊模式進行下載；再按一下這個下載程式，程式會把hex檔案經(jīng)由藍寶石線程式寫入至微處理器中，程式會告訴你程式是否已完成程式，或是否已完成程式。五、系統(tǒng)調(diào)試（一）單片機調(diào)試將STC89C52芯片插入最少的插口，開啟電源，啟動最少的電路，再用LED燈管檢測STC89C52晶片的各管針，在一般條件下，是否正確；新購置的STC89C52芯片，其內(nèi)置的程序可以將全部MCIO端口的IO端口的方波輸出為1HZ，LED燈泡在1HZ左右時，表示該晶片和最低的電路都是正常的，不然就必須進行最小的系統(tǒng)焊點故障或晶片能否工作。（二）獨立鍵盤調(diào)試本發(fā)明在智能實驗設(shè)備系統(tǒng)中，使用了一種鍵控模式，通過一個單獨的鍵來進行操作，在鍵合過程中，管針一頭和電源GND相連，一頭與MCU的管腳相連，按下一個單獨的按鈕；與單片機相連的插針將由與供電GND相連的接觸線相連，該觸點將判斷出低電位，并根據(jù)有關(guān)指示進行工作。在釋放了一個單獨的按鍵后，一個單獨的按鍵會把一個與一個MCU相連的插座壓下去，與一個供電管的管腳就會在GND里打開，然后由一個MCU來完成一個單獨的按鍵指令；在智慧倉中，按鍵可以被正確地操控，顯示按鍵是否正確。（三）射頻模塊調(diào)試在智能實驗設(shè)備中，RC522的射頻模組，在進行RC522的工作時，要先檢測RC522RF的插頭和MCU的IO端口和編程IO端口的IO接口是否一一相匹配，RC522的RC521射頻管使用3.3V，但是由于供電端為5V，所以必須將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，這樣就可以保證RC520的RC520的RC522的輸出端，如果輸出端的溫度太高，很可能會造成射頻組件的損壞。（四）蜂鳴器報警調(diào)試當(dāng)采用智能實驗設(shè)備系統(tǒng)進行管理時，蜂鳴機具有警報和提示的作用。此外，在焊接時，蜂鳴機必須在三極管內(nèi)進行放大，以實現(xiàn)對三極管的供電。但要區(qū)別三級管的基極、發(fā)射級和集電極，以及由低到高的電平來進行驅(qū)動。（五）12864液晶調(diào)試該實驗設(shè)備系統(tǒng)使用12864LCD，12864LCD管腳20個，12864LCD管針與MCU相連的IO端口與編程IO端口一一相匹配，然后在該軟件中進行了下載；查看LCD顯示器的狀態(tài)，然后用鍵開關(guān)來進行LCD的轉(zhuǎn)換，若LCD的狀態(tài)良好，表示功能良好，否則要檢查線路的焊點有無短路，LCD編程時序錯誤；造成了液晶的最后不能顯現(xiàn)。（六）電源調(diào)試在智能實驗設(shè)備中，采用5V工作電源，可以通過USB、充電器、手機充電器等為用戶提供電力，如果在實驗設(shè)備中，過度的使用電力，很可能會造成工作故障，造成電力不足；會使工作不能進行。在供電時，在供電時應(yīng)在電源的正、負極處加上一個電容器，以濾除電源中的雜，使整個5V供電更為平穩(wěn)。（七）硬件調(diào)試智能化實驗設(shè)備體系接收孔面板，對各裝置進行合理布置，以免造成裝置在焊縫部位不整齊，此外在對金屬零件進行焊接時進行焊縫；出現(xiàn)短路、開路、虛焊等情況的幾率很大，短路焊接過程中，經(jīng)常會引起正、負電極短路，甚至是直接燒毀設(shè)備或造成燒傷，造成故障。（八）軟件調(diào)試在利用C語言編寫的智能實驗設(shè)備系統(tǒng)中，存在著許多常見的文法差錯，尤其是C。FOR、IF以及其它的文法都要求具備一定的C語言，可以進行整個程序的開發(fā)。同時還要懂得一些MCU的內(nèi)部資源，在編寫時采用KEIL4軟件，keil4在運行過程中會發(fā)生相似的bug，這個bug會被修正；再利用計算機編程軟件將程序存入MCU，觀察其工作性能，或發(fā)生故障，若無故障，則必須對其進行修正，直至完成全部工作。（九）整體實現(xiàn)執(zhí)行的整理執(zhí)行程序是這樣的：芯片槽，矩陣按鈕，12864液晶槽；將晶振等器件如蜂鳴器、射頻槽等置于適當(dāng)?shù)牡胤?，再確定器件排列的合理性，以便避免在焊接中出現(xiàn)無法安置和能適時調(diào)整的器件，并將器件的孔面板的另一端定位于球內(nèi)；接著按設(shè)計圖紙把裝置與裝置的線路連起來。當(dāng)全部線路都焊好后，應(yīng)重新確認線路和線路的斷路和斷路，若線路與裝置的線路不合適，即無故障；在此基礎(chǔ)上，將主控芯片、液晶顯示屏、無線頻率組件分別嵌入到焊盤中。接著，連接到焊盤上的電力，如果沒有發(fā)生短路，液晶顯示屏就會點亮，射頻模組也會點亮；蜂鳴器會發(fā)送訊號，最終經(jīng)由P30、P31的IO接口將程式程式燒掉，程式程式會呈現(xiàn)程式程式的程式碼，并會呈現(xiàn)程式碼的程式碼，螢?zāi)槐銜霈F(xiàn)文字等。當(dāng)進行單片機與PC的通訊時，可以通過虛擬的藍牙進行無線的測試，通過虛擬的藍牙軟體來確定無線數(shù)和頻率，然后在底層機器進行IC卡的掃描；IC卡的號碼會被藍牙連接到虛擬的藍牙系統(tǒng)中，然后檢測手機上的數(shù)字和LCD上的數(shù)字是不是一樣的。再把它用虛擬的藍牙發(fā)送到DCU，MCU會開啟LED燈泡，最終與PC機相融合。結(jié)語在學(xué)習(xí)微控制器等相關(guān)的基礎(chǔ)上，再通過網(wǎng)絡(luò)購置大量的器材，在制作過程中，盡管經(jīng)歷了許多的失敗，尤其是語法錯誤、微控制器內(nèi)部資源調(diào)用、硬件焊接等問題，但也收獲頗豐，體會到了技術(shù)的快樂。該系統(tǒng)以STC89C52為主控制，LCD顯示屏采用12864、藍牙、RFID、RFID等組成；由蜂鳴聲警報、單鍵、主機模組等構(gòu)成。采用STC89C52為主要控制器，采集IC卡及按鍵的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至主處理器，將IC卡片及單片機的單片機數(shù)據(jù)以數(shù)字格式發(fā)送至主機；主電腦會將IU卡片的資料和資料庫判定IC卡是否有IC卡，然后將指示給下一部電腦，開啟LED燈泡，與主控資料庫進行儲存，若與主控系統(tǒng)不符，則下一次選擇告警；同時，利用實驗設(shè)備信息對宿主進行托管。該系統(tǒng)便于管理人員進行實驗設(shè)備管理，易于理解，成本低，有實際應(yīng)用的意義。參考文獻[1]康光華，陳大欽.51單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.443-458.[2]嚴光文，張其善.射頻識別卡讀寫模塊的設(shè)計[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2003，41(2):74-76.[3]陳翔.基于VB6．0對文本文件的操作實現(xiàn)對軌道時間的提醒[J].電腦編程技巧與維護.2006[4]郭天祥．新概念52單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008[5]尼春雨，舒雄.VisualBasic基礎(chǔ)與案例開發(fā)詳解.清華大學(xué)出版社，2009.7[6]安劍，孫秀梅，鞏建華.VisualBasic項目開發(fā)全程實錄.清華大學(xué)出版社，2011[7]李淑琴，范蟠果.射頻識別非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2007，29(3):378-380.[8]蔣輝平，周國雄?；赑roteus的單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真實例。北京：機械工業(yè)出版社[9]彭偉。單片機C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例——基于8052+proteus仿真。北京：電子工業(yè)出版社[10]游戰(zhàn)清，李蘇建.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004:23-25.