基于RFID的节能型学生自习室智能管理系统

基于RFID的节能型学生自习室智能管理系统1节能型学生自习室智能管理系统总体分析1.1基本结构和原理系统的基本结构框图如图1-1：图1-1自习室智能管理系统基本原理框架图当学生随身携带的RFID卡进入卡读写器的识别范围时，RFID卡的微型天线从卡读写器天线发出电磁波所形成的电磁场中获得能量激活RFID卡中的微芯片电路。同时，RFID卡接收读卡器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息。卡读写器读取信息并解码后，送至系统的主控制芯片。主控芯片根据读取到的信息判断出RFID卡的合法性，自动存储学生信息。当为合法卡时，输出开锁信号，驱动电子门锁驱动电路，打开自习教室门；否则，系统不输出开锁信号，教室门关闭。同时，系统自动统计进入自习室的人数，并据此控制固态继电器组，控制日光灯的亮灭。为了准确反映自习室中的人数，在学生出自习室时，也需要刷卡，自习室门才会自动打开。由自习室室内出门时，RFID读卡器识别到卡后将学生信息送入主控芯片，主控芯片输出开锁控制信号。同时，系统自动更新自习室内的人数。为了确保每位出自习室的学生主动刷卡出主控部分液晶显示固态继电器组驱动电路电子门锁手动关灯键天线RFID读卡器芯片日光灯门，由液晶显示器显示刷卡进自习室后12小时后仍然未刷卡出门学生的详细信息和进自习室的时间。为了确保在自习室最后一人出门时能够手动关闭所有日光灯，在室内设置一个关灯按键，当主控芯片检测到关灯健按下30秒后，输出关灯信号，关闭本自习室内的所有日光灯。以32人的自习室为例，设定共8盏日光灯（灯A到灯H），每盏日光灯的最佳照亮范围时4个座位，分布示意图如图1-2和1-3。1256910131434781112151617182122252629301920232427283132图1-2自习室座位分布示意图ABCDEFGH图1-3自习室日光灯分布示意图灯A的最佳照亮范围为座位1,2,3,4；以此类推，灯H的最佳照亮范围为座位29,30,31,32。在对日光灯的控制上，系统会自动记录分配出去的座位号的位置，以一位二进制的数表示一个座位是否有人（1表示有人，0表示没有人），相邻四位二进制数构成一盏灯的控制依据，输出对日光灯的控制信号。当这四位二进制数均为0时，日光灯熄灭，当四位二进制数中，任何一位及以上为1时，日光灯亮起或保持亮的状态。这样就实现了对不同位置的日光灯亮灭的判断和控制。1.2自习室智能管理系统的主要指标（1）主要技术指标①工作频率为高频13.56MHz；②通信速率为106kbits/s③从PCD向PICC传送信号，采用NRZ编码方式，调制深度为10%的ASK信号；反馈信号采用NRZ-L的BPSK编码。④开锁时间=3秒⑤识别到卡到日光灯启动时间=5秒⑥按下关灯键后的系统响应时间=2秒⑦LCD显示器屏幕尺寸为64.5*14mm，显示范围为16*2子符（2）主要经济指标①生自习室利用率为1/3左右时，一间教室内的电能消耗降低2/3左右。②在批量生产时，本项目中系统的生产可以控制在每套系统60元以内。（电子门锁除外）2节能型学生自习室智能管理系统硬件设计2.1系统整体硬件结构整个设计的模块化结构框图如下图2-1所示：图2-1模块化结构框图单片机向读写器MFRC531发送对非接触式IC卡的读写或控制命令，反复对非接触式IC卡进行识别复位检验操作，直到识别到正确的卡。读写器程序识别单片机的命令后，采取响应动作，然后将读到的数据或操作结果发送至LCD。单片机对LCD进行控制读写操作，使读到的数据在LCD上显示出来。发光指示电路用于指示电路是否已上电。非接触式IC卡接口电路主要是MFRC531及其外围电路，用于通过天线和非接触式IC卡交换数据。下面将依次介绍各个模块的功能及相关设计。2.2单片机核心控制器在试验的初期，原定的是采用的AT89C52芯片作为核心单片机，但是在软硬件连调的过程中发现此单片机由于存储器空间太小等原因，并不适合本项目，所电源单片机LCD非接触式IC卡接口电路天线电灯组电子锁手动开关以在经过反复尝试之后，最终决定使用W77E58单片机作为核心处理器。W77E58是台湾华邦公司生产的与MCS51系列单片机兼容的可多次编程的快速微处置器，在它内部集成有32K的可反复编程的flashROM、256字节的片内存储器、1K的用MOVX指令造访的SRAM、可编程的看门狗定时器、3个16位定时器、2个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。在很多场所，几乎不用扩展外围芯片就能够满足体系请求，而且，由于它采用了全新设计的微处置器内核，去除过剩的时钟和存储周期，因此，在雷同的晶振频率下，依据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051系列快1.5到3倍，一般情况下，平均可达2.5倍以上。另外，由于W77E58采用全静态CMOS设计，能工作在低速晶振频率下，因此，和普通的8051相比，若W77E58采用低速工作频率，在相似的指令吞吐量下，W77E58的节电性能也将大大提高。特点及功能：1.兼容性W77E58的指令功能完全兼容于80C52（包括对状态位和标志位的影响），只有一点不同的就是在普通80C52的指令体系中，没有操作指令（op-code）A5H，而在W77E58的指令体系中，增加了一条指令DECDPTR（数据指针DPTR减一），其操作指令（op-code）为A5H。而且，W77E58也具有80C52的整个资源和功能，包括4个8位I/O口，3个16位定时器，全双工串口，中止源等。W77E58的增加的新功能都是用普通8052所保存的特别功能存放器实现的，不与普通80C52的资源产生任何冲突，因此，W77E58可以直接用在已设计好的80C52体系中应用，而为原有体系编写的程序几乎不做任何篡改，体系就可正常工作，须要注意的只是由于新的高速内核所造成的指令履行光阴的改变及造访外部存储器的读写速度的限制。W77E58的封装也完全兼容于80C52，它所增加的与硬件有关的功能都是复用80C52的P1口，并且W77E58的44pinPLCC/QFP封装比普通的8051多一组4位的I/O口。2.高速性W77E58的外部工作时钟频率可达40MHz，而且，由于W77E58采用了重新设计的微处理器内核，去除了过剩的时钟和存储周期，运行速度大大提高，这不仅仅是运行晶振频率的提高，而是将普通8051的每个机器周期（machinecycle）包括12个时钟周期（clockperiod）缩减到每个机器周期包括4个时钟周期，这样，即使在雷同的时钟频率下，依据不同的指令类型，其运行速度一般比传统8051提高1.5到3倍。因此，若程序中须要软件定时，其履行光阴须依据W77E58的指令的履行光阴应重新计算，一般情况下，每一个机器周期有一次取指（包括操作码和操作数）操作，由于在W77E58的256个操作码指令中，有128个是单字节指令，因此，W77E58的指令有一半的履行光阴只须一个机器周期，即4个时钟周期。图1以单周期指令为例解释了W77E58的指令的时序关系。3.中断源W77E58除了具有80C52的6个中断源外，又另外增加了6个中断源，共有12个可定义两种优先级的中断源，每个中断源都有独立的中断使能位、中止优先权位、中止标志位和中止向量。但是，为了同80C32兼容，所有新增加的中止的优先级都在原有中止的优先级之后，其中止优先级及中止向量如下表1所示，除了同80C32有雷同的两个外部中止INT0和INT1外，W77E58又增加了4个外部中止INT2、INT3、INT4、INT5。同80C32一样，外部中止INT0和INT1有边沿触发和电平触发两种触发方式，当中止被响应后，其中止标志位由硬件自动消除；而外部中止INT2到INT5只有边沿触发方式，其中止标志位可被独立设为由硬件或软件消除，缺省设置为由软件消除，当然，用户可依据须要通过修正相对应的特别存放器，将外部中止INT2到INT5设为由硬件消除中止标志位。4.存储器在W77E58中，有32KB的可多次编程（Multiple-TimeProgrammable）flashROM，256字节的片内RAM，1KB的片内用MOVX指令造访的SRAM，这在大多情况下，足以满足用户请求。5.可编程看门狗定时器（WatchdogTimer）在W77E58中，集成了一个用户可编程的看门狗定时器，在软件编程中，用户可以随时复位看门狗定时器。若程序跑飞，看门狗定时器溢出，则看门狗定时器自动设定中止标志，在512个时钟周期后，产生硬件复位，并保存2个机器周期后，程序恢复到地址0000H处开始履行。6.双16位数据指针（Dual16-bitDataPointers）W77E58供应有两组数据数据指针DPTR和DPTR1，另外还增加了一条附加的指令DECDPTR，在处置连续的一片内存空间时，可大大提高代码效率。用户可以通过DPS（DATAPOINTERSELECT）位标志来选择应用DPTR或DPTR1，DPS是特别存放器DPS（86H）的最低位（LSB），当DPS为0时，选择DPTR，当DPS为1时，选择DPTR1。下面以数据块传输来对比一下应用双数据指针时的优越性。W77E58还有对某些重点标志位修正时的限时存取维护功能、定时器定时记数时按照4分频（W77E58的机器周期）或12分频（标准8051系列的机器周期）的选择功能、应用片内RC振荡器或片外晶体振荡器的选择功能、节电工作方式的电源管理功能等诸多优点，由于篇幅有限，不再赘述。2.3LCD显示模块1.1602LCD简介液晶显示器LCD以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。本课题中使用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的2行16个字的1602液晶显示器。1602液晶显示器采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为地电源；第2脚：VCC接5V正电源；第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过直接接一个电阻接地来调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入质量或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：DBO～DB7为8位双向数据线。第15脚：背光正电源。第16脚：背光地。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”，具体的各字符所对应的代码值，在进行程序编程控制的时候可参照LCD有关的pdf文档。2.LCD功能及互连根据LCD的各管脚配置，在硬件设计中，LCD的双向数据线DBO～DB7连接到单片机W77E58的P1.0～P1.7管脚，实现单片机到LCD的数据命令传输；LCD的管脚RS、RW、E分别连接W77E58的P2.3、P2.2、P2.1端口，实现单片机对LCD的控制。LCD与W77E58的连接电路图如下图2-2所示。图2-2LCD与AT89C52的连接电路图上图中，VEE口通过电阻R8直接接地，可调整LCD中显示字的亮度；LED+口通过R9直接接电源VCC，用于调整LCD背光的亮度。2.4射频识别技术部分2.4.1MFRC531芯片MFRC531是Philips公司开发的非接触式智能卡读写器芯片系列中的一种，是13.56MHz非接触式IC卡中高集成读卡器中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在1