毕业论文--基于单片机的ID卡读卡器的设计

1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 题 目 基于单片机的 ID 卡读卡器的设计 学生姓名 雷 琼 洁 专业名称 电子信息工程 指导教师 王 春 英 2017 年 4 月 7 日 院 系 电子电气工程学院 学生学号 201395104067 编 号 I 基于单片机的基于单片机的 ID 卡读卡器的设计卡读卡器的设计 摘摘要要: :本论文主要介绍了一种采用 STC12C2052 单片机和分离元件构成的基于单片机的 ID 卡读卡器设计方案。ID 卡读卡器是 RFID 技术的具体应用。重点描述了分离元件构成 射频硬件电路设计，同时利用计算曼彻斯特码下降沿间隔的载波数的方法进行解码，并 且通过设置可在不同的波特率下通过串口向 PC 输出卡号。其应用性能够得到进一步提 高，使用范围将会更加广泛。 关关键键字字： ID 读卡器；单片机 STC12C2052；分离元件；曼彻斯特码；射频识别(RFID) The design of the ID card reader based on MCU Abstract: This paper mainly introduces a technology

2、using chip microprocessors STC12C2052 and separation of components of ID card reader design scheme based on single chip microcomputer. ID card reader is the concrete application of RFID technology. Focuses on the separation of components form hardware circuit design, and USES algorithms to Manchester code drop along the interval the number of carrier method decoding, and by setting can be under different baud rate to the PC through serial port output card number. Its application can be further i

3、mproved, the range will be more widely used. Keywords:ID card reader. MCU STC; Separation of components; Manchester code; Radio frequency identification (RFID) 目目 录录 1 绪绪 论论.1 1.1 毕业设计分析1 1.2 课题研究的背景和意义 .1 1.3 本课题设计的主要工作和任务 1 2 非非触触式式 ID 卡卡综综述述 .1 2.1 非接触式 ID 卡主要特点 1 2.2 非接触式 ID 卡关键技术 2 2.2.1 射频技术 2 2.2.2 低功耗技术 3 2.2.3 封装技术 3 2.2.4 安全技术 3 2.3 非接触 ID 卡工作过程 .3 3 射射频频识识别别技技术术综综述述 4 3.1 射频识别技术 4 3.2 射频技术在非接触式 ID 卡中的实现 5 4 读卡器系统方案设计与实现读卡器系统方案设计与实现.5 4.1 读卡器基本原理.5 4.2 总体方案论证 6 4.2.1 各模块方案选择与论证 6 4.2.2

4、 总体方案决定 7 5 系系统统硬硬件件设设计计 7 5.1 显示模块 .7 5.2 读写模块 .8 5.3 通信模块 .9 6 软件设计软件设计10 7 系统调试系统调试10 7.1 硬件检查 10 7.2 通电观察 11 7.3 调试过程 12 7.4 调试中发现的问题与解决方法 .12 7.5 调试结果 12 8 总总结结与与展展望望 14 参考文献参考文献 .16 谢谢 辞辞17 二、附录 18 附附录录 A 总总电电路路图图 .18 附附录录 B B 读读/ /写写卡卡源源程程序序 .18 0 1 绪绪 论论 1.1 毕业设计分析毕业设计分析 本项目基于单片机的 ID 读卡器设计中 ID 卡是什么东西？它就是身份识别卡1， 一种不可写入的，含固定编号的卡。需要利用所学知识，及阅读相关资料，深入了解单 片机的应用、射频传感器的原理与驱动方式，融会贯通所学专业基础知识和专业理论知 识，结合单片机、射频通讯原理及应用设计射频读卡程序及硬件电路的搭建；后期，进 行电路实现和程序调试、运行等完成设计。 1.2 课课题题研研究究的的背背景景和和意意义义 射频识别技术 RFID 是自 20

5、 世纪 80 年代开始发展起来的一项自动识别技术。它 是采用射频方式进行非接触双向通信，来达到自动识别目标并获取数据。和传统的磁 卡和 IC 卡不同的是 RFID 技术解决了无源和无接触两大问题2，同时它也能够实现运 动目标识别、多目标识别，在交通运输、门禁安全、身份识别、货物管理、自动控制、 防盗防伪等方面广泛应用3。 1.3 本本课课题题设设计计的的主主要要工工作作和和任任务务 非接触式 ID 卡代表了 ID 卡发展的方向，同接触式 ID 卡相比其独有的优点使 其能够在绝大多数场合代替接触式ID 卡的使用，而在非接触式 ID 卡应用系统中 非接触式 ID 卡读卡器是关键设备 3。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 ID 卡读卡器，其具有以下特点：可以 使用 RS232 通信接口输出来与上位机之间通信；可根据实际需求将其作为门禁系统 中的读卡器上班族上班打卡读卡器等 4。 本设计完成后所要达到的主要指标有： （1）显示系统： LCD1602 液晶屏显示，能显示卡片信息等； （2） 按键操作：系统的设置的实现和操作卡内固有数据； （

6、3） 机器读卡速度：至少 0.5 秒可完成一次打卡全程，读卡距离约为5 至 10 厘米； 2 非非触触式式 ID 卡卡综综述述 2.1 非非接接触触式式 ID 卡卡主主要要特特点点 非接触式 ID 卡无机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式 ID 卡相比具有以下特点： 1 （1）可靠性高：非接触式 ID 卡与读卡器之间是无机械感应，避免了由于接触 读写而产生的各种故障，此外，非接触式卡表面没有裸露的芯片，不用担心芯片脱 落、静电击穿、弯曲损坏等问题，这样便于卡片的印刷，又能提高了卡片的使用可 靠性5。同时，由于读卡器可以放在口袋或者钱包一类物体里并且不影响它与卡之 间的交流，可以防止出现在接触式IC 卡的使用过程中对读卡器有所损坏的现象。 （2）抗干扰性强：非接触式 ID 卡具有防冲突机制，在不同卡片同时进入读卡 器工作范围时能禁止卡片之间出现数据干扰，但允许同时操作，相对接触式ID 卡增加了 “并行”处理卡片的能力 6。 （3）防冲突：非接触式卡中有快速防冲突机制，能禁止卡片之间出现数据干扰， 因此，读写器可以 “并行”处理多张非接触式 ID 卡。这提高了应用的并行性，进

7、 而提高了系统工作速度。 （4）操作方便快捷：因为是非接触通讯，读写器在0-5cm 范围内就可以对卡 片操作，所以省去像 ATM 机一样插拔卡，方便用户使用。更方便的是卡放在钱包、 衣服口袋、公文包中直接靠近感应器无需取出，节约了找卡的时间。 （5）可适合于多种应用：非接触式ID 卡的存储结构特点让其可以一卡多用， 而且能用于不同的系统，用户可以根据不同的系统设置不同的密码和使用条件。 （6）加密型好：非接触式 ID 卡的序列号是唯一的，制造商在卡片出厂前将此 序列号固化于卡内芯片中，不能更改，非接触式ID 卡于读卡器要进行三次相互认 证方可使用，通讯过程中所有的数据都要进行加密，而且，卡内各个区都有它的操 作密码和访问条件。 2.2 非非接接触触式式 ID 卡卡关关键键技技术术 由于非接触式 ID 卡的工作特点让其在设计和制造过程中存在一些技术难点，主 要集中在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是： 2 2. .2 2. .1 1 射射频频技技术术 非接触式 ID 卡需要射频技术和 ID 卡技术相互结合， 射频技术主要解决了以 下问题： 设有防冲突电路， 保证有良好的抗干扰性能 ；

8、卡内有经特殊设计的天线，并 不裸露在卡外； 无源设计，非接触式 ID 卡读卡器向射频卡发一组固定频率的电磁波，通过 2 卡内电路产生芯片工作所需直流电压； 由于允许多卡同时操作，要求卡内射频部分具有高抗干扰性，卡内设有 “防冲突”电路以解决多张卡片互相干扰的问题。 2 2. .2 2. .2 2 低低功功耗耗技技术术 无论是按有源方式还是按无源的非接触式ID 卡，最基本的要求都需要降低功 耗，来提高卡片的年限和扩大可以应用系统，可以说降低功耗，同保证一定的距离 是同等的重要。卡内芯片一般采取低压低功耗CMOS 工艺制造，同时需要在电路 设计中采用 “休眠模式 ”等技术来降低功耗。 2 2. .2 2. .3 3 封封装装技技术术 由于非接触式 ID 卡中需要封装天线、芯片和片外电容等部件，为确保卡片的大 小、厚度、柔韧性，需要特殊的封装技术。 2 2. .2 2. .4 4 安安全全技技术术 非接触式 ID 卡除了通讯安全技术外，同时和卡用芯片的物理安全技术和制造卡 片的安全技术这两个方面结合共同构成强大的完整安全体系。 卡用芯片的物理安全技术是通过设置高 /低电压检测器、熔丝、存储器

9、逻辑 保护、低频时钟探测器、存储器物理保护层、金属化结构等措施防止对 芯片存储器和其他逻辑电路的分析，并防止再激活芯片的测试功能。 卡片制造的安全技术将荧光安全图象印刷、微线条、激光雕刻签名和图象、 安全背景图象等技术用于 ID 卡塑封表面的印制和防伪识伪。 卡的通讯安全技术通过三次相互认证、设置存储区密码和访问条件、传输 数据加密、每个芯片设置唯一序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防 止对数据的非法截取分析、对存储区的非法访问和对芯片的非法个人化。 2.3 非非接接触触 ID 卡卡工工作作过过程程 (1) 读写器先发出一组无线电磁波并带有固定频率，非接触式 ID 卡一般工 作频率是 13.56MHz。 (2) 在非接触卡片内 设有一个 LC 串联谐振电路 ,当读卡器发出电磁波 进入读 写终端的工作 范围内,频率与读写终端发送的频率相同 时，LD 谐振电路 将产生共 振。 3 (3) 共振使卡内的电容有了负荷， 然后将电容内的电荷送到另一个电容内存储 起来，集成电路提供工作 的电压就是积累的电荷达到 2V 时此电容作为电源。 (4) 接收到的信号 将在 CMOS 集成电路中的有关控制逻辑电路 进行解码。 (5) 终端发来的命令 是依据解码信息 辨别读写，如果要读取信息则控制逻辑 电路从存储器中读取 有用的信息；若是修改信息则有关控制逻辑将2V 工作电压 改到 15V，从而对存储器中内容重新写入编程。 (6) 电容放电，非接触卡内的发射电路就将从存储器中读取的 有用信息发送 给终端。 (7) 读写终端对接收到的信息进行处理。当工作频率越高，它们之间的通讯 速度就越快，系统的工作时间就越短 8。 3 射射频频识识别别技技术术综综述述 3.1 射射频频识识别别技技术术 射频识别 （缩写： RFID）是一种 无线通信技术 ，能够通过无线电讯号识别特 定目标并 将相关数据读写 出来，无需识别系统与特定目标之间建立 任何接触7。 射频识别技术是非接触式智能卡系统的基础，是在射频技术、通

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