本科毕业论文(设计)
题目基于RC522的智能消费系统
学生姓名翁志伟
学号1631208152141
院部电子信息科学学院
年级2012级
专业电子信息工程
指导教师严琼
职称讲师
完成日期2016年4月30日
福建江夏学院本科毕业论文（设计）诚信声明书
本人郑重声明：
兹提交的毕业论文（设计）《基于RC522的智能消费系统》，是本人在指导老师严琼的指导下独立研究、撰写的成果；论文（设计）未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改研究数据，论文（设计）中所引用的文字、研究成果均已在论文（设计）中以明确的方式标明；在毕业论文（设计）工作过程中，本人恪守学术规范，遵守学校有关规定，依法享有和承担由此论文（设计）产生的权利和责任。
声明人（签名）：
2016年 4月 30日
摘要
随着科技的发展，人们的支付习惯渐渐由传统的现今交易而转向移动支付，如支付宝、微信支付、NFC、RFID卡支付等，作为一种支付手段，相较于传统的支付其具有许多优点，比如消费者可以不必携带巨额资金去消费，不用担心资金丢失被盗等安全性问题等。所以本次设计了基于MFRCR522射频卡的消费系统，是一项很有意义的工作。
本设计采用单片机为主控系统、LCD12864为显示界面和以矩阵键盘为输入相结合的系统构成。首先在读卡器的选择上，我采用了MFRC522芯片来实现对Mifare卡的读写操作，便可将Mifare作为电子钱包的作用；其次在主控上选择AT89C51芯片，实现对各个模块的系统处理；最后运用KEIL编写软件使得各个模块的程序能在AT89C51控制下协同工作。以上结合了硬件设计和软件调试最终形成一个可灵活使用、可移动的智能支付系统。
本设计能满足安全、便利、低成本的要求，对现今日益增长的支付需求有很大的帮助，由此可知非常值得推广基于RFID的消费系统。
关键词：移动支付；Mifare；AT89C51；RFID
ABSTRACT
Mobile payment nowadays has increasingly become an indispensable tool in people's life, as a kind of payment method has many advantages, such as consumers can don't need to carry large amounts of money to spend, do not have to worry about security problems such as lost money stolen.
So the design of the consumption system based on rf card MFRCR522, by single chip microcomputer as main control system, LCD12864 as display interface and system structure of the combined matrix keyboard for input.First of all is to use MFRC522 chip to read and write, to design and manufacture for Mifare card read and write operations, make Mifare as the function of the electronic purse;Followed by using single chip microcomputer as main control chip for each module of system processing hub.Finally using software development programs to write modules so that you can work together under the AT89C51 control https://www.doczj.com/doc/db5260463.html,bination of hardware and software design, and debugging and eventually build up a stable and flexible use of intelligent mobile payment system.
This design can meet the requirements of safety, convenience, low cost, pay to today's growing demand for a lot of help, so it is worth promoting consumption system based on RFID.
Keywords:Mobile payment;RFID;Mifare;AT89C51
目录
1 1 绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.2发展现状 (1)
1.3论文结构 (2)
2 系统总述 (3)
2.1系统工作原理 (3)
2.2系统结构框图 (3)
2.3系统技术分析 (3)
3 系统硬件设计 (5)
3.1 Mifare S50卡分析 (5)
3.1.1 Mifare S50卡概述 (5)
3.1.2 Mifare S50卡电气特性及存储结构 (5)
3.1.3 Mifare S50卡的读写 (6)
3.2 MFRC读卡器设计 (7)
3.2.1概述 (7)
3.2.2 引脚说明 (9)
3.2.3 电气特性及系统框图 (10)
3.3AT89C51单片机及输入设备 (10)
3.3.1 主控芯片概述 (10)
3.3.2 引脚说明 (11)
3.3.3 电气特性及系统框图 (13)
3.4LCD12864输出设计 (13)
3.4.1 LCD12864概述 (13)
3.4.2 引脚说明 (14)
3.4.3 指令系统 (16)
4 系统软件设计 (18)
4.1系统软件主框图 (18)
4.2系统主流程图 (19)
4.2 MFRC522子程序分析 (20)
4.3 矩阵键盘子程序分析 (20)
5结语 (1)
参考文献 (2)
致谢 (2)
1 绪论
1.1前言
科学不断发展，推陈出新，人类用智慧不断创造未来，工业革命之后，人类渐减走上智能化的道路，现在生活中遍布着互联网、计算机、自动控制等等，人类已经习惯了这种智能化的生活，下文将要讨论的也是这样一款智能消费系统，基于射频技术的一种应用。
RFID射频技术其实在较早已经得以发明的技术，只是由于技术成熟性，安全性等等并未在发展之初就开始迅猛发展，主要是由于RFID射频识别技术理论的发展以及方案的不成熟，并未开始应用此技术，直到20世纪60年代，理论和方案不断完善并开始了尝试性的应用。之后便开始有了13.56MHZ的低频的高速发展。目前业内主要在发展中高频段的RFID技术，其中超高频段的发展最为快速，也成为目前技术的主要发展方向。
生活中随处可见的RFID技术，正在悄悄改变人们的生活方式，也是我国通向信息化时代的一个必不可少的工具，生活中随处可见如公交站的公交卡，食堂消费的餐卡，停车场收费卡以及现在非常火热的NFC支等等都是利用RFID卡实现，相较于普通的支付方式也具有许多优势，如不必像现金支付那样携带大量的现金且收付款都较为麻烦，而且更为卫生，另一方面得益于IC卡采用了特殊的加密方式，所以极大增加了安全性，这是传统支付方式所不具备的方面。再则耐用性上比卡刷式和现金更为有利且可以减少成本。在未来发展方面移动支付式发展核心，而他的联网的稳定性，以及支付的便利性也成为一个弊端，往后发展的NFC技术可谓取长补短，弥补了现如今移动支付的不足，相信未来RFID技术也会在移动支付段大放异彩
1.2发展现状
从国外研究射频卡的重心来看，美国政府不论在应用推广和研究总是走在最前端，
在其推动下，也使得不论是在RFID标准的建立亦或是相关软硬件技术的开发以及相关
的应用领域全都遥遥领先与世界其他国家设臵欧洲。最为明显的就是欧洲RFID标准也是追随美国主导的EPCglobal标准。值得庆幸的是在封闭系统应用方面，欧洲与美国之间的差距并没有那么大，甚至到了同一水平上。反观日本方面虽然提出过自主研发的UID标准，但也仅仅只是得到国内厂商的支持，在成为全球认可的道路上在目前看来也是遥遥无期。RFID技术在韩国视乎在重新焕发光彩，不仅有如三星之类的大厂商跟进，更有政府给予了高度重视，从最新发布的产品可以看出，如大量NFC技术手机的推出。然而至今韩国也没有一套统一的RFID标准。在产品应用上面欧美、日本、和少数其他非洲等国家均有较为成熟的产品。
反观国内市场，我国的RFID产业不论在人才还是产品应用上还是属于比较落后的。目前我国研究低频射频卡相关科技公司虽已达到了有上百家，但由于核心技术的缺失，以及人才的投入不足，尤其在超高频射频领域的研究还是一大空白区。国内在RFID方面的研究主要集中在低频方面，得益于起步早，以及低频技术设计难度较小，易于研发，所以市场占据大量低频应用产品。然而超高频方面射频设计研发难度大大增加，技术相对欠缺，且发展起步完，所以从事超高频射频应用产品生产厂商少之又少，且缺少能有独立自主研发具有IP核的高科技新兴企业。
1.3论文结构
本文将应用MFRC522为基站芯片，以MIfare S50卡为读写存储芯片，主控芯片采用价格实惠且性能优良的atc89c51芯片，输入设备由于需要输入量较多，所以采用了4x4矩阵键盘，输出设备利用了带有中文字符的LCD12864屏幕，可以满足输出的要求。
各章节的主要内容如下所示：
第一章：主要说明了对射频卡相关资料的收集，主要分析了国内外市场对射频卡的需求、产品的成熟度、未来的发展方向以及对射频卡的研究。
第二章：对系统进行总述，分析系统的结构总述、原理分析、技术要求、系统框图几个方面来宏观把控，以便后期对子模块的分步设计。
第三章：介绍了各个硬件模块以及主要系统框图，描述了模块之间的关系和原理，主要分步阐述了MFRC522模块、atc89c51主控芯片、LCD12864输出屏幕以及模块之间通信协议，如MFRC522于主控之间的SPI协议，与LCD12864之间的八位并行通信协议。
第四章：本章主要阐述了各模块之间的软件设计与实现，以及各子模块的软件设计流程图，最后相关软硬件的调试。
第五章:最后进行总结。
2 系统总述
2.1系统工作原理
本系统主要将MFRC522芯片加上天线和外围电路制成读卡器，则此模块利用向S50卡持续发送特定频率的波段，利用S50集成卡卡内的一个LC串联谐振电路发出与其频段和MFRC522集成模块发射频段相同，而在电池波的激励下能使LC回路产生共振，即可产生电荷，当电荷量不断增加到2V时即可达到S50卡所需要的工作电压。将卡内数据发射出去或接取读写器的数据，此时我们可以通过主控芯片发出命令给读写器，按照自己的意愿读写S50卡片，再通过LCD12864屏幕显示最终结果，这样可以做到一目了然。
2.2系统结构框图
系统主框图
PC串口主要用于调试，由于时间原因无法完成上位机编写顾部采用上传数据到上位机。
2.3系统指标分析
本设计指标能实现消费充值功能，密码修改只能通过修改源代码，射频卡不可在超过10cm远处读写，多卡能够自动识别优先卡片，系统稳定，读卡器不应在过热环境下使用，大致温度范围在70摄氏度以下，温度不宜低于-20摄氏度以下。按键写入不可同时多次按压，可能导致系统奔溃。
3 系统硬件设计
3.1 Mifare S50卡分析
3.1.1 Mifare S50卡概述
Mifare S50卡种类繁多，但大致可分为电容式、微波式、无线电频率RF这三种，由于电容式在于CSC验票机感应时需非常贴近，故不采用此类型。另外微波式又只能在用在CSC检测机与其垂直对应时，不利于本设计中的多种功能自由刷卡的特点，故也不采用。所以目前最为合适的射频卡为无线电频率RF，不仅没有上述的限制，且最为适合本次设计的要求，所以现今市面上最推崇的射频卡片是Philip生产的MIFAER型号，其设计即采用了无线电频率RF的方法；目前主流设计的射频卡都不含供电电源，其供电思路利用内部集成的天线接收MFRC522模块发出的电磁波，根据磁感应生电而产生出2v左右电压，此电压可作为S50卡内芯片的工作电压，利用此电压可为对芯片内的存储器进行读写或与外部读写模快进行数据传输，具体实现方法由上文工作原理可知。3.1.2 Mifare S50卡电气特性及存储结构
Mifare S50 卡具有许多电气特性，可归纳在以下表格1中。
表3-1 Mifare S50卡电气特性表
每个块可存储16Byte,存取最小单位为一个快；用户数据存储区在各个扇区的前三个块，其中第0扇区的第0块里面固化了厂家特有的属性和特有的识别码，为只读块；由于各
个扇区都有独立的一组密码及访问控制，且都由每个扇区的最后一个块控制，所以应谨慎修改此块数据。每个扇区的都由16个Byte控制，分被保存两个密码，其中密码A存储在前6个Byte处。后6个Byte为密码B保存区，中间的6、7、8、9Byte为控制位，具体如表格2所示。
3.1.3 Mifare S50卡的读写
因为S50卡的各个扇区都是相互独立、互不干扰的，所以可以修改任意扇区的控制块而不会对其他扇区控制权限做出修改。任意一个扇区的数据块（扇区0的块0除外）和控制块的读写条件由扇区控制块中的3bit控制为决定的。将这3bit以Cxy来表示，其中用x来表示块号，y来表示某个控制位，可总结为以下的表3
任意一个扇区的数据块（0扇区的块0除外）的存取控制权限，取决于块3中的3bit 控制位，以及对应的3个取反的控制位。当用户需要对某扇区的某块块进行修改或读取时，卡片会依据控制位中的3bit的设臵决定是所需要得密码是A或者是B，或者是不可以操作。访问权限控制可以总结为如下的表格中，表中的KEYA|B 表示只需验证密码A或者B即可对该扇区进行修改，NEVER表示任何方式都不可对卡片进行任何操作，所以写入控制位时需谨慎，避免整个扇区被锁死而不可进行修改，出厂默认操作位的3个bit为000，即任意验证其中一个便可进行读写操作。
理权限细则。写值应谨慎，写入值可能锁死整个扇区！
用Cxy来表示：C01，C02，C03=000；C11，C12，C13=000；C21，C22，C23=000；C31，C32，C33=001，密码A和密码B的12个字节都是0xff。对应的表4中的具体实例可以得出表7所示的内容如下：
值操作都是需要验证。但是块3，即控制块的3个控制位是“001”，对照表6所示，任何条件下都不能对密码A进行读操作，但是可以在验证密码A的条件下可以读写存储控制和密码B的字节。
3.2 MFRC读卡器设计
3.2.1概述
MFRC522是飞利浦公司开发出的一款能耗低、成本低和封装小的非接触式射频芯。
拥有的调制与解调技术稳定而高效，为了验证MF1系列产品提供了快速的CRYPT01加密算法，最高速率可以达到424Kbit/s,同时有很好的错误检测（奇偶校验和CRC校验）的能力。还提供了很多多种通用通信接口，例如SPI接口、UART接口以及I2C接口，实现了更为方便的操作和功能扩展。由于上述的这些优点，所以MFRC522广泛的适用于公交一卡通和食堂刷卡收费，便携式移动设备和“三表”等多种应用场景。
本文中将采用SPI作为通信接口，由于主控芯片不具有SPI控制器，所以将以普通的GPIO口做模拟口，模拟通信协议以作为SPI进行数据传递，下图1即为SPI通信的时序图。
图3-1 SPI时序图
在SPI通信协议中将以MFRC522为客户机，MOSI与MISO作为通信传递的输入输出口，主控芯片作为主控机发送SCK时钟信号。当为主机发送、从机接收时，通过MOSI 传入从机；当为主机接收、从机发送时，通过MISO传入主机。在数据传输过程中都以最高位为最先发送位。在NSS为低电平时启动传输数据，MOSI和MISO上的数据都以主机发送SCK为下降沿时产生数据电平转换，当SCK为上升沿时维持数据不变一定时间开始读取数据。在发送过程中SPI通信也有自己的一套读写方式。具体由如下可知。
在传输过程中我们要先定义传输的方式为读或写，需通过传入一个地址字节来判断，具体字节含义如下表8所示。
的地址。则在具体传输过程读数据时可由下表9可知。
写数据如下表10所示。
3.2.2 引脚说明
MFRC522的引脚图可参考如下图2。MFRC522共有32个引脚，大致可以分为六大类。详情参见表11所示。
图3-2
3.2.3 电气特性
MF RC522内部集成有调制与解调电路，只需使用少量的器件就能构成一个外围的电路，具有64字节的收发FIFO（先入先出）缓冲区、可变的中断模式和可编程的定时器，与MF1卡通信的距离最高可以达到80mm,通信速率上可有212Kbit/s或424Kbit/s 两种选择。可以进行classic和Mifare®的加密方式。它还支持高速的SPI通信协议、以及快速（400Kbit/s）的I2C协议或高速(3400Kbit/s)模式的串行UART接口通信方式。利用芯片集成的温度传感器，可在检测到芯片温度过高时自动停止天线驱动模块，即关闭RF场。还具有16位长的CRC和奇偶校验的功能。2.5V和3.3V低电压低功耗的设计，还加入了多种节电模式，如软硬件掉电方式和发送器掉电方式。为了提高了稳定性且避免模块间的干扰，使用了相互独立的多组电源供电。工作温度范围广（-30～
+85℃）和超小体积的封装（5mm×5mm×0.85mm）。
3.3AT89C51单片机及输入设备
3.3.1主控芯片概述
主控芯片其具有低电压、高性能、低价格等特性的MCU，采用8BIT总线，其具有128Byte的RAM和4Kbyte的PENROM，PENEOM是ATMEL公司研发的存储技术，具有高密度且不易丢失的特性。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中[3]。由于其悠久的历史和大量的参考资料，目前大量被应用到教学和低成本系统控制中。鉴于其优秀的性能、低廉的价格以及便于上手，本次采用了此芯片作为主控，对各子模块进行操作。
输入设备由于需要用到12个按键，所以采用矩阵键盘，如下所示：
图3-3
通过MCU的P2口与之连接，通过软件编写轮询查看按键是否被按下，先由MCU将P2.0至P2.3臵为0，P2.4到P2.7设为1，通过循环稍微，再添加延时程序消除键盘的抖动，再将P2.4到P2.7设为0，反正臵为1，从而判断摁下的键盘为哪一个，具体结合下图子程序框图和程序理解。
3.3.2引脚说明
主控芯片的框图和外围电路由下图所示，共有40pin的管脚，具体功能如下表格所示。
表3-12
3.３.3电气特性
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲臵和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
3.4LCD12864输出设计
3.4.1LCD12864概述
Lcd12864液晶是一种类屏的一个特征，就是由128*64个点构成的一类屏幕的统称。且此模块集成了简体中文字库。该模块具有灵活的接口和简单、方便的操作指令的特点，
可轻松利用软件编写构建界面，如图形显示界面和简单的中文交互界面。另一显著特点是该模块构成的液晶显示方案不论在硬件电路结构亦或是在软件程序编写上都要比其他同类图形点阵液晶显示模块简洁许多。下图5为本模块的系统框图。
图3-5 系统框图
3.4.2引脚说明
LCD12864的引脚如图6所示。
图3-6
具体引脚功能如下表13所示。
本次实验由于主控芯片有足够的引脚，且并行通信速度更快，所以采用了并行通信。串并行通过PSW位选择。由于串并行信号传输的时序不同所以下图7和下图8分别是并行的写和读时序图。
八位并行时序，MCU写数据到芯片。R/W保持低电平且EN在下降沿时即可进行数据传输，当RS保持高电平时传输数据，保持低电平转化成指令传输。