基于单片机RFID消费管理系统设计

摘 要

近几年来，新冠肺炎疫情席卷全球，为了解决小面额的货币频繁的流通对人体健康可能造成的危害，同时满足
小额消费时间短且安全的问题，故而设计了一款可以做到无需接触、无需可视、可完全自动识别化的基于单片机的
RFID消费管理系统。
　　本文以STC89C52单片机为核心，以单片机为核心，以RFID技术为基础，通过无线射频识别技术，利用无线射频
识别完成对IC卡之间的双向数据通讯。4×4型键盘上的数字键0至9可用于输入消费金额、输入充值金额、修改密
码，包括管理键、切换上一项、切换下一项、返回上一项、确定键和退出消除键。使用IC卡进行会员登记、注销，
4×4型键盘上的按键可以控制LCD12864显示IC卡的消费金额、余额、管理功能界面、IC卡的卡号。通过对IC卡的基
本信息进行检测，将卡内的数据存储到AT24C02的存储芯片中。
　　本次设计的功能与预计功能契合，能够做到无需接触、无需可视、可完全自动识别化，虽然结构简单但是性能
非常的优秀。本设计可以解决传统货币冗长的消费交易时间，并且能够消除传统货币频繁流通对人体健康造成的健
康隐患。
关键词：RFID射频识别技术，IC卡，单片机，读卡器，液晶显示屏

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义
1.1.1 课题背景
　　RFID一般指射频识别技术，它的本质是在利用RFID射频识别的方式在读写器和非接触式IC卡二者之中进行无线
通信的一种新技术。读写器通过无线电信号识别指定的IC卡之中的数据并进行读写，实现无接触式的相关信息传
递，且在其识别过程当中，不需要人工干预，与条形码技术对比有以下优点：
（1）无接触信息传递；
（2）识别无需人工干预；
（3）读取信息快速方便；
（4）标签可重复使用[1]。
　　原理是识别器与相关标签进行非接触式的数据识别通信，于20世纪90年代开始逐渐的应用和发展的新兴自动识
别技术，随着时代的发展，人们对于科技的探索越来越有深度，在如今的21世纪，人们对科技的探索也达到了前所
未有的高度，而RFID技术在现实中的应用是较为广泛的的，由于时代的发展，RFID的理论知识和相关技术在21世纪
迎来了大爆发，人们当初脑海中的天马行空成为了现实，比如单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、
无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID在原来来看是遥不可及的，但如今已经成为我们生活中常见
的一项技术。随着时代的发展，人们对于科技的探索越来越有深度，在如今的21世纪，人们对科技的探索也达到了
前所未有的高度，而RFID技术在现实中的应用是较为普遍甚至可以说非常的常见，由于该技术的不断完善，在我们
平常生活中的应用也越来越广泛，可能我们经常用到RFID射频识别技术但是却感觉不到。例如在物联网，商品防
伪，电子门票，手机面容识别和一卡通及其国防军事领域都有相关的应用。
1.1.2 研究意义
　　当今中国社会，随着改革开放的贯彻落实直接促进社会生产力的大幅提高，人们的生活水平和物质财富也随之
提升，使得人们的购买力也随之提高，生活消费的交易往来也越来越多，货币流通也越来越频繁，尤其是小额消
费。小额消费的特征是货币流通频繁，消费次数多，消费时间短，安全性高，而传统货币难以很好地满足小额消费
需求。基于上文所述，为了能更好的解决相关问题，设计了一款基于单片机的RFID消费管理系统。在如今社会发展
的大背景下，数字货币的出现顺应了历史发展的潮流，是金融技术所诞生的。比特币是出现最早的私人数字货币，
在私人数字货币发展的同时，各国中央银行加入了数字货币的浪潮开始了主权数字货币的研发[2]。随着各个国家都开始推行数字人民币并大力推广数字货币的发展，传统货币支付功能已经很难满足人们的日常需求和市场的差异化
支付方式，所以现在每个国家都尝试寻求更加便捷的其他方式种类的支付服务，从而更好地应对传统货币无法满足
现今当下的这种消费习惯，各国政府开始介入并着手建立一套拥有国家信用背书的法定数字货币，以期参与或主导
这种新产生的数字货币体系[3]。而无线射频识别技术（RFID）在这方面有非常好的前景，例如，无线射频识别技术
在物联网中的应用广泛，遍及物流领域、交通领域和防伪领域等多个领域[4]。
　　随着以后社会“数字货币”的发行和推出，视频识别技术在此方面有很广阔的应用前景。RFID射频识别技术相
比其他技术有很多优点，尤其是现在新冠肺炎流行全球的情况下，无需接触、无需可视、可完全自动识别化等优势
都是其他消费方式所不能比较的，而且在读写存取速度和信息采集条件和工作环境的限制条件是较其他方式很低
的。该方案利用电子数据取代了传统的现金，实现了快捷的小额消费，节约了大量的交易时间，避免了小面额实物
货币在流动中所造成的危害。RFID识别技术相对于已有的识别技术，能够在无线通讯中重复读取、记录，具有良好
的保密性能。中国已在车号识别、身份证识别、公交、制造流程等方面广泛采用 RFID技术。而随着国家目前已经开
始从个别省市试点数字人民币，以后随着数字人民币的大范围普及和推广人民币，随着人民币数字化的推广应用的
场景将会越来越多，所以基于目前的发展和生活的实际需要，研究RFID的意义无疑是非常重要的。当然，消费管理
系统的应用只是RFID的一个很小的方面，在以后的生活中我们可能在不知情的情况下都已经利用RFID技术完成了一
系列操作，小到生活中的一个二维码，大到我们购买东西时候付出的每一笔钱。随着传统的货币在小额消费中有一
些要求很难满足，国家随后推出数字人民币的概念，而RFID在人民币数字化的进程中有着很大的成长空间，在智能
识别领域有非常好的发展前景，可应用于日常生活人们的交易中。而我国目前许多消费系统仅适用于大型企业，对
于小微型企业设计的消费管理系统少之又少而且价格昂贵，本次设计就是利用所学设计研发一款适合中小微企业的
消费管理系统，其价格相对大企业所用的系统价格较为低廉。射频识别技术是在利用RFID射频识别的条件下对特定
识别物体进行通信，而且通信方式是非接触式的双向通信，基于此特性才能够完成对特定目标对象的自动识别和目
标对象数据信息的获取，除此之外，该项技术的操作方式非常便捷，对于环境有较强的适应能力，识别精度高等优
点，可以识别在高速运动的目标物体情况下同时识别多个不同的标签。但是RFID射频识别技术抗干扰的能力较弱，
并且识别物体有效距离有很大的限制，局限性相对来说比较大等缺点，这对于射频识别技术的应用和发展也有了一
定的局限性。但是随着科技的发展，可以确定的是，随着物联网，面容识别和可穿戴设备等等相关领域的高速发
展，人们的日常生活中所应用到的的智能化设备都在向着无限互联的方向发展，而RFID（射频识别）技术的应用面
和应用范围一定是非常广阔的。尤其是当射频识别技术与智能家居、物流管理、机械制造和IC消费卡结合之后对人
们生活的影响是巨大的。
1.2 国内外现状
1.2.1 国外现状
　　在未接触到这个毕业设计之前，我一直以为RFID技术是一项最近几年才诞生出来的新兴技术，但是实际上这项
技术的历史可以追溯到二战期间，即美、日、英、德都在应用的一项技术——雷达。从全世界范围内来看，西方国
家以美国为首是RFID技术最大的积极推动者，支持日本技术的只有他们本国的一些大型企业和厂商，想要让自己本
国的标准发展成为世界的标准还有很多的坎需要迈过去。RFID在韩国的重要性也是不言而喻的，并且韩国在RFID射
频识别上的投入也在逐年增加，虽然韩国研发经费在逐年增加，但时至今日韩国在RFID的使用标准仍然模糊不清，
没有一个真正确定的标准。就目前来说，拥有比较成熟可商用并且先进RFID产品的只有欧盟的许多发达国家和美国
及其亚洲少数国家，世界上多数国家没有自己本国的标准和先进产品。从全球的产业链来看，RFID技术在发达国家
如欧美、日韩应用相对发展中国家来说都是比较成熟的。时至今日，RFID在美国的各个行业都有了广泛的应用，比
如在美国的零售业，制造业，物流业以及其国家的国防行业都有相关应用。而欧洲正在积极着手开发廉价的RFID芯
片。在产品的应用方面，欧洲在很多地方都可以和美国并驾齐驱甚至领先美国，诸如交通方面、流水线的自动控制
方面、身份识别领等等相关的封闭系统，而我国相对于欧美这种发达国家还有很大差距。日前，国外的大型企业对
RFID技术已经开始花费巨资对相关技术开始了大力研究，并做实验优化各个环节。

图1-1 各国RFID射频识别技术投资比例
1.2.2 国内现状
　　与欧美、日本等相关发达国家或地区相比，我国的RFID技术起步晚，投入资金也相对发达国家较少，所以导致
目前RFID的技术在工业上的发展相对滞后。从整个产业链布局上，RFID原没有我们想象的简单，它的产业链非常复
杂，其中中间件和应用软件也只是它相关产业链中微乎其微的一部分。虽然我国也在大力发展并应用RFID技术，但
是基本都是向别人支付相关专利费，所以核心的专利技术还是握在海外发达国家企业手中，我国对于这种技术的研
究还任重而道远。如果我们需要使用它，我们需要支付高额的专利费用，特别是芯片、中间件等。但是随着我国对
RFID的重视，现在都RFID投入的资金也逐渐增加，相关科研人员也逐渐增多，相信不久之后就能摆脱国外对我们核
心技术的“卡脖子”，比如现在中、低、高频标签的封装技术在国内已经基本成熟，但非常让人感到惋惜的是同时
具有超高频读写器的设计和制作能力的公司只有少数几家，所以相对欧美等发达国家来说我们还有很大的差距。国
内企业相对于海外科技巨头也仅仅具备了基本的RFID天线的设计和研发能力，系统集成是一个比较快速的开发环
节，但是中间件的设计和系统国产化在现在来看仍然是我们国家企业的弱项。
　　近年来，国内RFID技术不但应用在了人们日常中自己都没在乎的地方，而且在航空航天领域和军事领域等等都
有这项技术的应用，对于改善民生生活质量，让人民生活日益富足、提高本国国内外企业收入，增强本国国内外公
民自身人身安全、贯彻落实深化改革开放，加快转变政府职能，深入破解优化营商环境难题，有效激发市场主体发
展活力有非常大的影响。
图1-2 RFID发展时间

图1-3 RFID各行业应用比例

1.3 本文的主要工作
　　近年来，随着智能手机的普及，国内的手机用户也在快速增长，现在国内的手机用户已经接近饱和，联通公司
的客户也在不断增加。小额消费具有货币流动频繁、消费次数大、消费时间短、安全性高等特点，而传统货币难以
很好地满足小额消费需求。针对此问题，本文提出一种以单片机为核心的RFID消费管理系统。该方案利用电子数据
取代了传统的现金，实现了快捷的小额消费，节约了大量的交易时间，避免了小面额实物货币在流动中所造成的危
害。与已有的RFID识别系统相比，RFID可重复读取、记录，具有良好的保密性、良好的环境适应性和长寿命。当读
卡机探测到射频附近有一张无线射频卡时，该天线的感应电流会因为电压的升高而变成该芯片的供电，此时该数字
信号逻辑将感应电流与IC卡内的数字信息进行无线传输，并将其覆盖，并经由该存储器传输该数据处理电路及信
息。
　　随着传统的货币在小额消费中有一些要求很难满足，国家随后推出数字人民币的概念，而RFID在人民币数字化
的进程中有着很大的成长空间，在智能识别领域有非常好的发展前景，可应用于日常生活人们的交易中。本课题是
以单片机为核心的RFID消费管理系统为基础。主要功能包括：RFID模块实现IC卡内的数据的识别，利用液晶显示屏
LCD12864对IC卡的卡号、消费金额、卡内的余额等等管理界面进行实时显示，并将卡内的数据存储到芯片中。数字
按键0~9是用来输入充值金额、消费金额和密码的，功能键是管理按键、上、下菜单的转换、确认、上位、后退键。
而且，本设计希望在同时具备上述功能的时候也需要考虑设计成品时的性价比、安全性和实用性，方便在普及的时
候不会由于产品本身的不实用、不安全和较高的价格而成为产品普及道路上面的阻力。一卡通消费系统的数据除了
会存储至后台数据库，还会经过读卡器等设备。但由于本系统与人们日常消费所挂钩，所以安全性这一方面也是不
言而喻的，故而对系统的每一个微乎其微的点都要吹毛求疵，做到一丝不漏，一丝不苟。为了确保系统安全有效地
运行，有必要对系统本身的安全性提出高要求，以最大限度地保护客户的利益[5]。无源电子标签的远距离识别、多
电子标签识读、单芯片电子标签、无线可读可写、适应高速移动物体的RFID射频识别技术和产品正在变成现实并投
入使用[6]。

第2章 系统方案设计

2.1 设计要求
　　该方案采用了电子信息技术，取代了传统的纸质支付，节约了大量的交易时间，消除了小面额实物货币在流通
中所造成的危害。可以满足如今大环境下消费者的需求。针对现有的消费卡管理系统成本昂贵且非常不宜管理，学
习难度较高无法普及，开发一款适应于中小型企业的消费卡管理系统。本次设计主要涉猎学科有单片机方面的相关
知识和RFID射频识别学科知识。在外围，利用液晶显示屏LCD12864进行相关接口连接、利用MFRC522读卡器进行IC卡
的信息识别读取和修改，利用4×4矩阵键盘来在外围操控单片机系统进行相关作业来进行系统控制，读卡器读取IC
卡信息后传送至系统进行处理，将处理结果储存在AT24C02存储芯片当中。当前社会是信息化高度发达的时代，物联
网的发展极大的促进了信息的分享，模式识别技术、图像处理技术、光电技术与微计算机技术的成长也越来越快，
以前的二维码已不能满足未来物联网的需求终将会被淘汰，取而代之的将是RFID技术[7]。另外，目前已有的设备因
其功耗高、可靠性低等缺点一直被人们诟病，以及RFID技术的非接触性数据接口，使得RFID技术在设备中的应用成
为了一个很大的问题，面临无人选择商用的局面。如何实现同时对设备标识与运行时间信息的采集，成为在工程应
用中一个值得研究的课题，本次设计正是基于此目的而展开的[8]。比如在校园中，校园卡的使用很普遍，其实他也
是日常生活中应用较为广泛的RFID管理系统。“校园一卡通”系统主要有三个部分组成，即校园卡、读卡器、充卡
计算机[9]。本文针对这一问题，提出了一种以单片机为核心的RFID消费管理系统。该系统的硬件部分主要由单片机
模块、射频卡读取、写入模块组成，详细介绍了各模块的设计思想和作用。该系统的软件主要由单片机和计算机的
程序组成，并给出了相应的流程图和应用界面。经过实验验证，系统成本低廉、稳定性高，可以满足消费卡应用领
域的要求[10]。它利用无线射频实现非接触双向数据通讯，并通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的无线电波
[11]。RFID能够控制内部物流流程，特别是在质量控制领域。与条形码相反，生产系统各个组件中的RFID标签可以
实时预览已完成的工作。通过结合RFID阅读器来扩展应用，该阅读器设计用于识别装配线中的材料与运输和控制系
统[12]。RFID除了上述的功能外，它还可以利用获取有效的射频信号自动识别目标，并能识别相关信息的数据，系
统可以快速识别。技术的特点和基本原理，分析了RFID技术在智能管理系统中的应用，包括车辆身份信息、违章自
动处理、停车电子收费等。提高系统的效率，具有多种应用程序管理[13]。
2.2 系统电路
2.2.1 元器件的选择
（1）选用结构较为简单不复杂的同时性价比较高性能强的芯片STC89C52作为核心控制器的基础；
　　（2）选用LCD12864液晶显示屏，显示卡内信息，如：IC卡卡号、功能页面（充值、开户、账户信息等操作）、
当使用IC卡消费时能够显示与本次消费县官的信息，可以帮助我们更加方便地操作；
（3）采用操作简单的存储芯片AT24C02来储存IC卡里面的用户实时数据信息，如修改过后的密码等等；
　　（4）本次设计需要16个按键，结构分布为4×4结构，其中包括数字按键0~9（方便消费和充值时输入金额）、
进入管理菜单、切换上一项、切换下一项、返回上一级菜单、退格键和确定键。其中0~9数字键用于输入数字，方便
充值和消费金额的输入；进入管理按键用于进入管理系统，进行充值、注册、撤销、修改密码等操作；退格键可以
在输入时候，按下退格一位，方便在操作员输入错误的时候进行修改；确定按键是在操作员相关操作输入完成后，
按下此按键进行确定，在我们设置按键数量和功能的时候，首先想到的一点就是在方便操作人员便捷操作的同时降
低其结构难度，同时当由于人为的原因操作失误的时候可以进行撤回；
　　（5）选用RC522读卡器，快速且稳定的检测到IC卡，能迅速的读取卡内信息，方便进行卡内数据的采集。读写
器通过协议实现对标签的读写，将标签信息传输到上位机，通过上位机可以存储和查询标签的信息[14]。读写器的
基本功能实现和应用环境。本系统读写器选用可安装在电路板上的固定式读写器，并且读写器支持特定的电子标签
进行读写，最佳的信息读写距离在10cm左右为最佳读写距离，并且在读写器工作时，应该处在电磁干扰相对较少的
环境之中从而保证读写器的良好运行，工作环境应该处在10℃~30℃之中。考虑读写器的防碰撞算法的实现方法和加
密形式，对读写器内部的集成芯片进行电路模块设计，天线的设计及匹配方法[15]。因为RFID标签必须在与阅读器
接触时被识别，并被识别。由于RFID标签天线使用铜或导体，因此通常使用印刷或蚀刻方法进行制造[16]。
本设计系统原理框图如图2-1所示。

图2-1 系统原理图
2.2.2 系统功能设计
　　（1）基本功能：4×4的数字和功能按键能调控以STC89C52芯片为核心管理系统，利用LCD12864液晶显示屏上所
显示的界面设置充值、开户、账户信息、管理系统界面、扣费金额、注销会员、注册会员、修改密码等操作；
　　（2）读取卡内信息：将IC卡靠近RC522读卡器后，LCD12864液晶显示屏会显示该卡的卡号和余额以及本次消费
情况；
　　（3）本次消费记录：刷卡时操作人员输入顾客实时消费的金钱数量，当顾客在购买完需要的物品并刷完卡时，
液晶显示屏马上显示卡内所剩余的货币数量，但是当卡内货币数量不足以支付本次消费时，屏幕则会提示消费者进
行货币的充值；
　　（4）IC卡的注册：操作功能键进入IC卡管理，选择IC卡的注册，当系统检测到IC卡会在液晶显示屏显示你的卡
号并且通过屏幕上的文字提醒使用者注册成功。但是当使用一张已经注册的IC卡是，屏幕上的文字则会提醒你该卡
已经是会员卡；
　　（5）IC卡的注销：操纵功能键进入IC卡的管理，使用矩阵键盘根据液晶显示屏上的文字提示进行下一步操作，
选择注销IC卡，假如你的IC卡非会员卡时显示器界面会显示该卡非会员卡，如果已经注册会员卡的IC卡进行这一步操作，系统界面则会显示会员卡注销成功；
　　（6）卡内余额充值：如果卡内余额不足想要继续充值，则需要按下功能键进入管理界面，将IC卡靠近RC522读
卡器并且LCD12864液晶显示屏显示卡内余额信息之后输入本次需要充值的金额，即可以成功充值并且实时显示充值
后的余额；
　　（7）修改IC卡密码：根据LCD12864液晶显示屏的界面，利用4×4矩阵上的进入上一项按键或进入下一项按键选
择修改密码界面进行密码的修改，在修改旧密码之前首先需要输入一次旧密码之后输入顾客需要设置的新密码，输
入顾客新密码之后需要再一次输入新密码，防止第一次密码输入和第二次不同而丢失密码，自此，密码重新设置完
成。
2.3 本章小结
　　本章节主要阐述了本次设计想要实现的功能及相应组成部分所使用的元器件，即电源、RC522读卡器、LCD12864
液晶显示屏、STC89C52单片机、RFID射频卡、4×4按键矩阵和存储芯片AT24C02。并且充分说明了每个步骤的具体注
意事项和操作方法。

第3章 电路的硬件设计

3.1 硬件电路结构

图3-1 系统电路图
3.2 单片机电路设计
3.2.1 单片机的选择
　　作为中央控制器的单片机在本次设计中的作用是不言而喻的，单片机可以依靠它强大的计算和数据处理能力来
对系统进行控制。在本次设计之初就决定所设计出来的作品具有高稳定性、高性价比、高性能和低功耗的特点，所
以在最初选择的时候在AT89C52、STC89C51和STC89C52之间做了选择，多方比较之下决定采用STC89C52单片机来做核
心控制处理器，理由如下：STC89C52是一款低功率、高性能51核心CMOS8位微控制器，它可以实现联机编程，无需像
STC89C51一样，用12V电压进行编程，使用简单且价格非常低廉。而AT89C51和STC89C52相比，AT89C51是128字节
RAM，4KROM；STC89C52是256字节，8KROM。AT89C51有T0、T1两个16位定时器；STC89C52有T0、T1、T2三个16位定时
器。AT89C51和STC89C51基本参数都是一样的，主要的区别如下：
（1）模式的种类：后者具有12T和6T两种模式，可以自由切换；
（2）RAM的扩展：后者内部扩展1280字节的RAM，是前者的十倍；
（3）工作电压：后者能在3.3V—5V之间进行工作，前者只能是5V；
（4）存储空间：后者内部存储空间有64K，前者的仅有4K。
　　同时STC89C52是一款高性能八位CMOS微处理器、低功耗，片内具有8K在线编程Flash存储器。采用的是MCS-51内
核，指令完全兼容MCS-51，STC89C52比STC89C51多了一个定时器，在串行通信中可以设置更高的波特率，故而可以
说STC89C52是STC89C51的增强型，STC89C52单片机具有的开发简单、可在线编另外，STC89C52是一款低功耗的8位
CMOS微处理器，STC89C52的核心是MCS-51，它的指令与MCS-51完全兼容，它比STC89C51多了一个定时器，可以在串
行通讯中提高波特率程下载、成本低，可以满足设计要求，是非常不错的选择。
3.2.2 单片机主要参数
（1）工作电压范围：3.3V~5.5V；
（2）工作频率范围：0~40MHz；
（3）内部ROM存储器：8K，集成512字节RAM。
STC89C52单片机实物图如图3-2所示。

图3-2 STC89C52单片机实物图
3.2.3 单片机引脚电路
　　MCS-51单片机的封装形式主要有两种形式：一种为双列直插式PDIP封装的形式，另一种为表面封贴形式PLCC，
方形封装有44个引脚，其中四个NC为空引脚。而在本次设计中，采用的封装形式为PDIP，STC89C52它的引脚数量为
40个，本设计使用40个引脚中的32个来对本次设计进行应用。单片机P3口第二功能如下表3-1所示。
表3-1 单片机P3口第二功能表
3.2.4 单片机的最小系统
　　单片机引脚P2.0_{P2.7分别对应连接液晶显示器LCD12864的D0}D7引脚，P0.1和P0.2引脚分别连接存储芯片
AT24C02的5、6引脚，P1.0~P1.4端子对应连接读卡器RC522的2、5、6、7、8引脚，单片机的电路原理图如下图3-3所
示。

图3-3 单片机的最小系统图
　　由于本次设计中所采用的STC89C52单片机工作电压为5V，我们可以选用日常生活中的手机充电器或者可以设置
电压电流的移动电源（如：充电宝）提供整个单片机系统的电力，从而解决整个系统的电力问题。
　　单片机中复位电路作用如同电脑上面的重启按钮，当我们在使用电脑时如果遇到卡顿或者死机的情况下，可以
按动重启按钮使电脑系统重启，这个时候电脑内部的程序便会从头开始重新运行从而解决电脑的卡顿死机。单片机
的重启原理跟电脑的重启按钮使相同的，如果在运行过程中遇到了死机问题或者由于其他环境与因素而导致意外的
事情发生，便可以进行复位操作，按下复位按钮，解决单片机的相关故障。
3.3 RFID电路设计
3.3.1 射频卡（RFID）电路
　　在射频卡的发展初期，接触式射频卡在我国比较普及，但是由于各方面以及成本的考虑，那射频卡芯片或者磁
条位于射频识别卡的表面，如果使用频率过高经常磨损很容易对射频卡表面的芯片磁条形成不可修复的损坏，但是
随着科技发展和材料成本的降低，我国如今所使用的非接触式射频卡，将芯片和线圈封装在射频卡内部，这样在使
用的过程中不易对芯片造成磨损。当然除过这一方面之外还包括其他原因，与接触型射频卡相比，这种无接触射频卡的安全性和可靠性都要高。因此，我在挑选卡片的时候，排除了只能读取、不可修改、芯片中的数据是不可修改
的相关卡片，这和磁条卡的原理大同小异。射频识别根据其标签的供电方式可以将其分成三类，即无源RFID，有源
RFID，与半有源RFID。而射频识别技术的发展大约经历了以下几个过程：识别目标是否存在——读取目标所承载的
信息——与目标进行高速双向信息交流[17]。射频识别系统包含射频标签(Tag)、读写器(Reader)和数据管理系统三
部分组成，其中射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保持有约定的电子数据，在实际
的应用中，射频标签粘贴在待识别物体的表面[18]；
　　而IC卡则不同，IC卡全称集成电路卡，又称智能卡，由于IC卡相对于ID卡具有加密功能且安全性相对于ID卡高
出许多，所以IC卡经常用于一卡通系统、消费系统等。除此之外它还有许多优点，如它的内部数字信息可以持续读
写，存储信息容量大，使用更为方便，数据记录可靠。考虑到安全问题，IC内部信息不容易被篡改和伪造，还可以
对IC卡里的内容施加密码加以保护，这样的特性相比于ID卡更加适合本次设计。同时，IC卡能够承载精密的信息传
输和识别，可按使用者要求设定权限，卡内的纪录内容可重复进行删除。每一张卡都有一个32位的编序列号，能够
保证卡中的数据和信息的安全，具有很好的抗干扰性，并且可以避免一张卡同时被识别。因此，本设计选用了
MifareMF1ICS50型IC射频卡，其可靠性高，安全性高，成本低。非接触式IC卡(又称射频卡)技术，这是世界上最近
几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术、磁电技术、计算机技术和IC卡技术结合起来，解决了无源
(卡中无电源)、低功耗和免接触这一难题，克服了接触式IC卡由于存在机械接触，容易造成磨损以及由于接触而产
生各种故障的问题[19]。
MifareMF1ICS50型IC射频卡主要参数：
（1）工作距离：最高可达10cm；
（2）数据保存：10年以上；
（3）擦写次数：10W次。IC卡实物图如下图3-4所示。

图3-4 IC卡实物图
　　当有物理设备标签在进入RFID阅读器所发射的射频识别范围内时，RFID阅读器天线所具有的高频发射功率产生
足以激活RFID标签的感应电流，并且将所产生的感应电流供给给RFID标签，使其激活。针对RFID阅读器，它可以将
射频查询信号传送给标签，然后标签利用内部逻辑电路可以有效判断查询权限与查询命令，如果判断结果为真，可
以将有关查询信息结果传送给阅读器，通过利用有关算法，阅读器能够解密、解调接收到的电磁信息，使其变为数
字信号，然后采用有线传输模式，向后端系统中间件内传送数字信号，同时在数据库中储存、管理数据信息[20]。
整个RFID体系是由电路组成的，控制系统其实就是线路上的终端，电路的顺畅运行就是操作的必要条件。但是不管
什么样的电路，是复杂还是简单，原理都是大体相同的[21]。
　　射频识别读取装置将一系列的电磁波发射到标签上，从而启动标签的内部电路，读取器写入发生指令，标记会
根据指令进行通讯，激活无源RFID标签的能源全部都是来源于读写器所产生并且发送的电磁波。读写器系统主要由
三大模块组成，分别为射频模块、基带模块和天线模块[21]。基带模块的主要功能有：与应用软件进行通信，执行
应用软件发出的命令，控制与标签的通信，信号的编解码，执行防碰撞算法，对读写器和标签之间数据进行加密和
解密，进行读写器和标签之间的身份验证，RFID技术已应用于物流管理、零售制造业、防伪识别、资产管理、追溯
管理活动等众多领域,并取得了重大的社会和经济效益[22]。
3.3.2 读卡器电路
　　读卡器在本次实验中主要用于读取IC卡内的用户信息并且当用户使用IC卡消费时可以对卡内信息进行修改(如：
卡内余额、会员信息)，而本次设计所需要用到的MFRC522是一款低电压的13.56MHZ的读写卡芯片，其特点大致包
括：非接触式、高性价比、体积小、稳定性高。MFRC522读卡器具有非常良好的性能，能够与STC89C52单片机进行很
好的的匹配并完成相关工作，完全符合本次设计的要求。MFRC522是一种具有高集成度的无接触通讯读写卡芯片，它
具有电压低、成本低、体积小等优点。此外，MFRC522的读卡机也提供了一种加密算法。MFRC522支持无接触通讯模
式，可以减少连接，减小PCB板的尺寸，从而降低成本。MFRC522是一种具有高集成度的射频模块，它可以对某一特
定的区域进行身份验证，并且可以读取和写入IC卡，并将所读写的数据储存，将数据寄存器的数据传输到模块中，
对数据进行处理操作。其所具有的特性完全符合本次设计的实验需求，故采用MFRC522读卡器作为射频识别系统的读
写模块。读卡器的2、5、6、7、8引脚分别对应连接STC89C52芯片的P1.0~P1.4引脚，
3.4 屏幕显示电路设计
　　液晶简单来说是一种介于液体和固体之间的由有机化合物组成的高分子材料，具有特殊的物理、化学、光学特
性，利用液晶光电效应和偏光特性实现光被电信号调制，从而形成液晶显示器。12864液晶屏是由128列64行液晶显
示点组成的12864阵列，可以通过程序控制这些点的亮灭[23]。所以本设计所选用的屏幕型号为LCD12864，它在本
次设计中的作用是用于显示相关信息，利用光电效应，可以让使用的人直观的看到相关的信息，方便操作。液晶显
示屏LCD12864在本次设计中的重要性是不言而喻的。LCD12864液晶显示屏内部含有国标一级、二级简体中文字库的
点阵图形，用这些点阵图形来使液晶显示模块显示设定好的文字；该模块可以组成全中文的人机交互模块、并且本
模块的操作指令也是较为简单的，易于人们使用，同时这个模块的交互接口很多，非常灵活，能够让使用者应用更
加便捷。当然，最主的要原因是，与相同的点阵液晶屏幕相比起来的话，本模块是相对来说较为便宜的，非常适用
于中小型企业。它的基本参数有以下几点：
（1）低电源电压（VDD：+3.0–+5.5V）；
（2）显示分辨率：12864点；
（3）通讯方式：串行、并口可选；
（4）无需片选信号，简化软件设计。
　　另外在本电路中设置了电位器，它可以调节亮度。在整个系统的电路图中，单片机STC89C52的P2.0~P2.7引脚分
别对应连接液晶显示屏的D0~D7引脚。LCD12864电路原理图如下图3-6所示。
3.5 按键电路设计
　　为了方便使用者操作便捷，并且单片机需要运用多个按键操作时，一般情况下，都会选择将其焊接成为矩阵形
式的按键。利用这种结构的按键操作按键，既可以实现多个功能，又可以优化单片机的接口线路，减少界面的使
用，在满足同样的功能条件下，节约了材料并且方便使用者操作和使用，能够很好的减少操作时由于失误而造成损
失。其连接原理是依次将每一行的所有微动开关中侧面双通的引脚一端全接在一根线上，其次再将每一列中所有的
按键侧面一端引脚接入一根线中，最后将行和列依次接入单片机引脚口，这种连接方式与独立按键连接方式相比极
大减少了单片机的接口使用[24]。本次设计所采用的按键分布为4×4的矩阵键盘，分别由“0~9”数字键、“进入管
理”键、“切换上一项”键、“切换下一项”键、“返回上一级”键、“退格”键、“确定”键。在这个4×4矩阵
键盘的每一行和每一列电路的交点处加入一个按键，四条横线和四条竖线的交叉点刚好有16个，分别安装16个按
键。通过对矩阵键盘上的按键进行按压来实现本设计事先预想并设置好的功能，在减少制作材料的同时还能够以此
来减少I/O的占用，非常适合本次的设计。虽然方便了使用者操作，但是矩阵键盘的焊接过程非常麻烦，非常容易焊
接失误，故而在焊接的时候应该做好相应的防护。它的引脚分别与单STC89C52对应连接。
3.6 本章小结
　　本章分别从核心处理器的STC89C52单片机、液晶显示器LCD12864、射频卡、MFRC522读卡器和4×4的矩阵键盘五
个方面进行说明如何在如今各种各样的元器件中做出选择，根据它们的工作特性、工作原理等等各方面选出最优
的、最符合本次实验的元器件。在保持高性价比的同时使本次设计最终的作品与本次设计要求完美契合，同时还具
有可靠性好、安全性高、可以普及的优点。
　　以STC89C52单片机为核心，通过MFRC522读卡器对IC卡进行初始化，并对卡内的信息进行采集和读取，在RC522
读卡器附近出现IC卡时，通过MFRC522读卡器进行检测，读取IC卡内的数据，然后发送到单片机STC89C52，等待单片
机STC89C52进行相应的处理。LCD12864显示模块会很据4×4键盘的使用情况和所传输的信息，会将卡内的用户信息
和相关功能数据进行显示，然后将数据传输到AT24C02的存储模块中，为以后的提取提供便利。另外还有数字键盘模
块，本模块需要16个按键，结构分布为4×4结构，其中包括数字按键0~9（方便消费和充值时输入金额）、进入管理
菜单、切换上一项、切换下一项、返回上一级菜单、退格键和确定键六个功能按钮。
　　电源接通之后STC89C52通过控制读卡器MC522读取IC卡内的用户信息和相关数据，并进行按键扫描，对数据进行
处理，将从IC卡中提取的信息进行相关处理，经过转换之后将信息传送至LCD12864液晶显示屏电路之中，之后把所
有IC卡相关的信息存储在AT24C02芯片中，方便系统完成运行。本章节设计了一种基于AT89C52单片机和MFRC522射频
芯片读写器的智能卡消费系统，选用非接触式IC卡与读写器组成简单的射频识别系统[25]。然而，与所有好故事一
样，这项技术将达到更成熟的阶段，但仍处于开发阶段，面临一些明显的开放挑战[26]。

第4章 软件系统设计

4.1 程序编译软件
　　在单片机的控制系统中，过程控制主要需要通过特定的算法在特定的模块下进行相关的计算使得控制系统完成
相关操作之后控制信号来控制生产。而在设计算法以便执行上述任务时，可以将整个控制系统整体分成几个部分，
这几个部分也就是所谓的模块。模块本身就是一个为执行特定功能而设置的独立程序。Keil调试图如下图4-1所示。

图4-1 Keil调试图
　　KeiluVision4在学习上的用途非常大，它支持多种Windows版本，在学习单片机、微型计算机控制、protues等
课程时，Keil4可以帮你写出一个程序，一个检查程序，内含强大的编译工具，它的功能非常强悍，在你出现错误而
导致程序难以运行的时候该程序会提醒你错误的地方让你进行修改，Keil所提供的开发解决方案具有很强的实用性
和完整性。
本次设计所应用到的KeiluVision4软件开发流程图如图4-2所示。

图4-2 Keil uVision4软件开发流程图
4.2 系统设计流程
　　RC522读卡器工作流程：整个系统被激活之后读卡器开始初始化，完成初始化的相关操作后进入工作状态，首先
会检测扫描距离内有无IC卡，没有检测到则继续重复上述动作，一旦被读卡器扫描到IC卡，其便会对IC卡进行防冲
撞检测（即防止多张卡的数据一起被读卡器读取），选定并读取IC卡里的内容，对扫描到的卡所输入的密码使用算
法进行匹配，如果密码匹配成功则进入功能页面，若密码匹配失败则返回。匹配成功之后便能够随操作人员进行进
一步的使用。
系统程序的流程图如图4-3所示。

图4-3 系统程序的流程图
　　系统的程序流程：启动LCD12864，启动读卡器MFRC522，复位后，RC522读卡机开始读卡，如果发现IC卡要扣
费，就使用4×4矩阵键盘上的数字键0~9按键输入本次消费所花费的货币数量，并在扣费本次所花费的货币数量后，
便会开始下一步操作，液晶显示屏LCD12864会显示出卡中的余额。如果MFRC522读卡器检测到这次扫描到的IC卡内的
货币数量不足以抵扣本次的消费，那么便需要工作人员操作设备对IC卡进行充值。然而，当MFRC522没有通过扫描检
测到扣费时，而是操作人员通过按压按键进入了管理界面，此时便可使用矩阵键盘，按压相关按钮操纵功能键，就
可以完成充值、注册会员、注销会员、修改密码等功能。LCD12864的LCD屏幕会自动显示出与此功能有关的信息，并
将所检测到的数据完好无损的传输至AT24C02中，得以保存和日后查看，完成以上操作后，将IC卡从RC522读取器中
取出，完成该操作。
4.3 本章小结
　　本章简单介绍了Keil uVision4软件的功能和在本次设计中的应用，同时阐述了Keil uVision4软件的开发流
程、系统程序的工作流程并绘制框图。

第5章 系统的调试

5.1 软件的调试
　　使用KeiluVision4软件创建新的项目程序时应输入并保存新项目名称为“基于单片机RFID消费管理系统设
计”，在“Atmel”目录之中选择单片机的型号，由于STC89C52为国内单片机型号，在Atmel这款国外软件中无法使
用，故而选择性能和特性与STC89C52相近的AT89C51单片机替代，所以建立的单片机项目其型号为“AT89C51”,建立
新项目。在编写代码的时候，应在一个空白文本上输入本次程序设计的程序源代码，编写完成后，文件拓展名为
“main.c”,创立新文件。单击运行按钮运行代码，在下方空白的提示框中可以看到代码的运行信息和提示信息，如
若看到有error（），且括号内有数字，便需要根据其提示找出错误代码并且修改，或者重新编写，直至完全没有错
误，代码可以正常运行。
　　在编程时尤其需要注意符号的问题，需要区分中文英文符号的细小差异和书写格式、角标等问题。检测尾句中
是否有分号遗漏。同时，还需要注意字母“O”和数字“0”的区别，编程过程中一定要慎之又慎，一点细微的错误
都可能导致程序无法完美的运行。
5.2 实物的调试
在对实物的调试中，我们主要针对以下三个部分进行观察和检测：
（1）检测电路板的短路、断路、虚焊；
（2）漏焊、元器件特定方向摆错位置；
（3）焊接时是否有毛刺、光泽和电路设计是否正确。
　　因为焊接需要使用电烙铁，应当注意安全，防止由于自身操作不慎而导致烫伤。在线路板焊接过程中，要选择
合适的温度，焊锡的温度一般较其熔点高55℃～80℃，保证良好的预热时间，选择合适的助焊剂[27]。
　　对于电路板上出现短路、短路、虚焊的情况下，我们应该使用万用表打至正确的档位，对其进行检测，将表笔
放置在元器件两端，若出现蜂鸣声，则线路是正常的；若将黑、红表笔防止线路或元器件两端没有听到蜂鸣声，则
电路或者元器件有问题，应该与原理图或电路图一一对比修复电路或者更换掉有问题的元器件。对于漏焊、元器件
摆放位置方向错误的情况，需要对照着原理图一条一条的对照及时检查并修复漏焊的部位，元器件方向摆放错误应
该在不损坏元器件的情况下将其归正。刚开始焊接时由于不熟悉焊锡和电烙铁的特性，经常会导致在焊锡的时候出
现毛刺和没有光泽的情况，倘若其不影响电路的正常运转，且对美观没有特别要求的情况下可以忽略这个问题，或
者使用吸锡器将其去除后重新焊接，元器件图如5-1所示。

图5-1 元器件图
5.3 焊接过程中遇到的问题
　　由于本电路材料选择的原因，电路板较小，所以在不可避免地出现了排线过密的情况，尤其是4×4键盘矩阵部
分，这会在焊接时有了不小的挑战，我们应该在焊接时根据电路图再三的对照，防止出现焊接位置出现错误或漏焊
虚焊等情况发生。如果遇到焊锡量不够、焊点不够圆润的情况时，我们需要进行补锡，这时候我们应该注意，一定
要控制好补锡的量，太少焊点仍然不会圆润、有毛刺，太多的话就会发生与其他电路的引脚相连接，所以补锡应该
宁缺毋滥，宁少毋多。但如果某个焊点焊锡过多，可以在不影响其他电路引脚的情况下使用电烙铁加热融化多余的
焊锡之后将其滑走，或使用吸锡器将其去除。
调试完成后如图5-2所示。

图5-2 调试完成实物图
5.4 本章小结
　　本章分三个小结说明了在调试中出现的一些问题和解决方法，分别是软件的调试及所遇到的问题、实物的调试
及所遇到的问题和焊接过程中遇到的问题及其解决方法。
　　在使用KeiluVision4对单片机进行编程的时候，应当注意中英文的符号之间细微的差别，注意每条代码后面的
分号不要忘记，防止细微差别导致系统无法运行。
　　在焊接电路的时候，一定要仔细对照原理图和电路图检查电路的焊接点和元器件摆放的位置，在焊接的时候防
止漏焊和虚焊，如果出现漏焊或者虚焊及其它的电路问题，我们应当在不影响其他电路引脚的情况下修复虚焊和漏
焊。同时在使用电烙铁的时候应当注意安全，防止烫伤。使用万用表测试电路的短路或者断路时，应将万用表调至
合适的档位。

第6章 结论

6.1 工作总结
　　现代经济体系的建设离不开买卖过程的优化。本旨在为这过程做出贡献。随着信息化的推广[28]。计算机技术
的飞速发展和电子商务的深入发展，现金、票据和信用卡等传统支付手段逐渐被电子支付方式所取代，而电子支付
需要用到在线网络，存在着实时在线的弊端。随着物联网时代的发展，脱机消费理念的呈现，一卡通消费便应运而
生[29]。但如今针对小型企业开发的消费卡管理系统还比较少，基于这一背景，本文研究了一种成本低廉、稳定性
高的消费卡管理系统，具有较强的实用性和广阔的市场前景[30]。本设计提出了基于单片机RFID的消费管理系统，
解决了传统的货币在小额消费中明显难于很好满足的这些问题。数字货币依托于数字技术的运作模式能够在一定程
度上降低交易和信任成本，改善纸币作为货币中介的效率，从而促进经济增长[31]。
　　本文第一章通过查询资料参考国内外的各种文献，阐述了RFID的由来和背景以及国内外的发展现状，在我国的
快速发展中，关于RFID的许多基础技术问题我们也应该要克服，这样才能具有良好的应用前景。
　　本文第二章简单说明本次设计的设计要求和功能设计，其具备的功能和制作时所需要应用到的电子元件都在第
二章中有所提到，包括其开始运行的系统运行过程和运行时应该如何操作的。
　　第三章分为5个小章节，主要涉及本次设计所应用到的硬件部分，每个小章节分别介绍了本次设计所需要应用到
的必不可少的电子元器件，并介绍了每一种元器件的特性，以及在本设计中该元件相关电路的搭建。
第四章主要介绍了软件部分，在程序的编写过程中应该注意到的相关事宜。
　　第五章从三个地方进行剖析，第一个地方为软件调试，第二个地方为软件和硬件结合调试，最后一个着力点则
时焊锡时遇到的问题，并且说明了在该过程中所遇到的问题及其相关解决方法，尤其是在焊锡阶段，需要佩戴自己
事先备好的护具，防止对人身安全造成损伤。安全生产管理工作是一项复杂的、系统的、持续性的工程，需要运用
法规、制度、组织、技术、经济等多重防范、多管齐下，以解决安全生产的突出问题，防范安全事故发生[32]。
　　通过以上五章的分析，本次设计通过了软件、硬件的调试并且达到了所预期的水平。由于目前我国移动电话用
户已接近饱和，联通公司有更多的客户需要进行充值。而人们的货币流通主要还是额度相对较小的，虽然额度较小
但是消费的频率很快，而且每次消费所花费的时间相对于其他支付方式缩短了很多，除此之外，它的安全性也是很
多支付方式无法比拟的。任何一家供应链节点企业引入RFID技术，在提高自身运作效率的同时，往往还给其他供应
链节点企业带来好处[33]。而传统货币难以很好地解决小额消费的问题，因此设计了以RFID为核心的消费管理系
统，本次设计的系统能很好地解决上述的问题，结果表明，本设计达到了当初设计之初所预期的功能。
6.2 工作展望
　　本次设计虽然达到了当初设计之初的预期目标，具有设计预期时所具有的功能，但是如果想要商业应用还有很
长的一段路要走。一者，需要商用我们应该先对本设计的硬件部分进行一个包装和美化，让使用者在在使用更加方
便的同时还不易损坏。二者，虽然本设计在制作的时候对其稳定性进行了测试并且在出现问题的地方进行了一下修
复和改良，使得它可能发生故障的概率相对来说降低了许多，但没有经过压力测试，并不能保证其在长期使用过程中稳定性，所以在这一方面还有待改善。
　　而通过本次毕业设计，我感到自己的基础知识和专业知识有了很大的提高，毕业设计是每个人在大学的最后一
个环节，也是最后一门作业，这跟平时上课是不同的，毕业设计是一个课题，需要用到很多综合性的知识，让学生
体验整个做研究的过程。在毕业设计完成的过程中，我也明白了毕业之后走上社会所要做的，一是要继续学习，虽
然我们做完了毕业设计，但是我们学习的脚步还是永远不能停下，在以后的生活中，也要像别人多学习，正如古人
所说“以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失”。第二，虽然我们可能有知识，
有理论，但是我们缺少社会的经验和历练，故而在以后走上社会，我们要多积累自己的经验，多历练自己。