畢業(yè)設(shè)計（論文）-學(xué)生考勤系統(tǒng)的設(shè)計-系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計.doc

石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計1學(xué)生考勤系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計引言高校教學(xué)考勤制度普遍存在不完善的地方，學(xué)生考勤對加強我校教學(xué)管理，促進教學(xué)改革有著非常重要的意義。部分大學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足，治學(xué)態(tài)度不嚴，學(xué)習(xí)紀律松懈都與他們對學(xué)習(xí)的認識和思想覺悟有直接關(guān)系，但與教學(xué)管理體制本身不完善，如學(xué)分制尚不完善，考勤制度執(zhí)行不力等也有著很大的關(guān)系。這些教學(xué)管理體制的不完善極容易使部分同學(xué)養(yǎng)成一些與我們大學(xué)生極不相稱的學(xué)習(xí)生活狀態(tài)，如遲到、早退、曠課、外宿、晚歸、不按時就寢、無序上網(wǎng)問題等等，而同學(xué)們的習(xí)慣是互相影響的，當(dāng)然這些壞的習(xí)慣也很容易產(chǎn)生共性。值我校本科教學(xué)評估年，進一步完善學(xué)生考勤制度、加強學(xué)生考勤制度的執(zhí)行力度，能夠使同學(xué)們養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)生活習(xí)慣，有利于培育良好的校風(fēng)和學(xué)風(fēng)，幫助同學(xué)們健康成才。加強學(xué)生課堂考勤，確保學(xué)生上課率，是搞好課堂教學(xué)的基礎(chǔ)。因此，學(xué)生考勤系統(tǒng)的設(shè)計有很大的現(xiàn)實意義和必要性，但傳統(tǒng)的點名方式浪費了老師與同學(xué)們許多寶貴時間。針對我校實際現(xiàn)狀，本設(shè)計借鑒相關(guān)成熟經(jīng)驗，改進綜合相關(guān)系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)我校學(xué)生考勤功能，其目的是為實現(xiàn)我校學(xué)生考勤數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和信息查詢過程的自動化，完善考勤制度現(xiàn)代化，方便同學(xué)上課報到，方便教師統(tǒng)計、考核同學(xué)出勤情況，方便教務(wù)部門查詢、考核學(xué)生出勤率，準確地掌握學(xué)生出勤情況。本設(shè)計的主要內(nèi)容是實現(xiàn)學(xué)生考勤系統(tǒng)的硬件環(huán)境。硬件環(huán)境主要是單片機控制的射頻讀卡器，讀卡器采用非接觸式射頻IC卡技術(shù)與PC機連接，通過使用VisualBasic設(shè)計的用戶操作軟件對讀卡器進行控制以實現(xiàn)考勤功能。本系統(tǒng)的可能創(chuàng)新點是通過進一步完善軟件環(huán)境可以擴展本系統(tǒng)為“一卡通”系統(tǒng)。一卡通系統(tǒng)的實現(xiàn)也就是軟件環(huán)境的進一步改善和擴展。通過讀取IC卡號，根據(jù)各個部門的數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲內(nèi)容調(diào)出相應(yīng)信息。例如學(xué)校的圖書館學(xué)生借閱管理、學(xué)校微機機房的記時考勤記錄、學(xué)校操場或?qū)W生宿舍的門禁管理、學(xué)校食堂的收費等。1IC卡介紹1.1IC卡的分類和介紹IC卡是由一個或多個集成電路芯片組成，并封裝成人們攜帶的卡片。IC卡按其內(nèi)部封裝的芯片種類和功能可分為存貯IC卡（MemoryCard）和智能IC卡（SmartCard），存貯卡和智能卡的區(qū)別就在于存貯卡芯片內(nèi)不含微處理器（CPU），只具有存貯數(shù)據(jù)信息的功能。存貯卡又分為非加密存貯卡（一般存貯卡）和加密存貯卡（簡稱邏輯加密卡）。加密卡有內(nèi)建互相認證安全模塊，是銀行金融應(yīng)用中在安全和成本上得到完美結(jié)合的卡。智能IC卡又名CPU卡、電腦卡、智慧卡、聰明卡，它不僅具有像存貯卡一樣的數(shù)據(jù)存貯功能，而且也具有像微電腦一樣的邏輯處理、邏輯判斷、I/0控制、指令執(zhí)行等諸多功能。IC卡按照使用方法和信息交換方式又可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡。傳統(tǒng)接觸式IC石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計2卡是通過物理接觸方式，將卡插入卡座后，與外界交換信息，所用集成電路芯片露在塑料卡外面的一面是一塊含有電路腿的接觸片，大部分都鍍金，例如我們平時生活中接觸最多的IC電話卡、手機中的PIN卡等。非接觸式IC卡是通過電磁波與外界交換信息，帶有射頻收發(fā)及相關(guān)電路的芯片與環(huán)形天線全部埋在塑料基片中，在進行讀寫時，讀寫設(shè)備向射頻卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)與讀寫設(shè)備發(fā)射頻率相同的LC串聯(lián)諧振電路，在電磁波的激勵下產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)貯存，當(dāng)所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，從而完成將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù)。根據(jù)卡中所鑲嵌的集成電路的不同，IC卡主要有四大類：1）存貯器卡；2）加密存貯卡；3）CPU卡；4）射頻卡。比較它們的讀寫屬性、安全性、容量、成本和使用的方便性等性能，以非接觸式射頻卡所具備的優(yōu)勢最大。典型的非接觸射頻IC卡系統(tǒng)由控制器、讀寫器、IC卡組成。系統(tǒng)按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在讀寫器與IC卡之間雙向傳遞數(shù)據(jù)。讀寫器將要發(fā)送的信號，編碼后加載在頻率為13.56MHz的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送，進入讀寫器工作區(qū)域的IC卡接收此脈沖信號，一方面卡內(nèi)芯片中的射頻接口模塊由此信號獲得電源電壓、復(fù)位信號、時鐘信號；同時卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進行判斷，若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后經(jīng)卡內(nèi)天線發(fā)送給讀寫器，讀寫器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送至后臺計算機處理。若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM時所需的高壓，以便對EEPROM中的內(nèi)容進行改寫。若經(jīng)判斷其對應(yīng)的密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息。本設(shè)計采用的就是典型的射頻IC卡系統(tǒng)。1.2非接觸式射頻IC卡的優(yōu)點與傳統(tǒng)接觸式IC卡相比較，非接觸式射頻IC卡具有以下優(yōu)點：1、操作方便、快捷:由于采用非接觸無線通訊，讀寫器對在感應(yīng)范圍內(nèi)的卡就可以進行操作，免去了插拔卡，所以非常方便用戶使用；而且非接觸卡在使用時既沒有正反面之分也沒有方向性與角度限制，卡片可以隨意方向掠過讀寫器表面，完成一次操作僅需0.1秒，這就大大提高了每次使用的速度。2、抗干擾性高:非接觸式IC卡中內(nèi)嵌防沖突機制，能有效防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，在多卡同時進入讀寫范圍內(nèi)時，讀寫設(shè)備可一一對卡進行處理。這提高了應(yīng)用的并行性，也無形中提高了系統(tǒng)工作的速度。3、可靠性高:非接觸式IC卡與讀寫器之間沒有機械接觸，這就從根本上消除了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障；而且卡中的IC芯片和感應(yīng)天線完全密封在標準的PVC中，這也進一步提高了應(yīng)用的可靠性和卡的使用壽命。4、高安全性:非接觸式卡的序列號是唯一的，制造商在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化在芯片中，不可以更改；非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向互認驗證機制，即讀寫器要驗證IC卡的合法性，IC卡也要驗證讀寫器的合法性；非接觸式IC卡在數(shù)據(jù)交換前要與讀寫器通訊進行三次相互密碼認證；而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密；此外，卡中各個區(qū)域都有自己的操作密碼和訪問條件。5、適合于多種應(yīng)用:非接觸式IC卡的存貯結(jié)構(gòu)特點使其可以做到一卡多用，能應(yīng)用石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計3于不同的場合或系統(tǒng)，例如，企業(yè)或機關(guān)內(nèi)部員工“一卡通”，可用作考勤、食堂就餐、電話管理、停車場、門禁等；校園“一卡通”，可用作學(xué)生證、借書證、消費卡、門禁、上課考勤等，此時用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)置不同的密碼和訪問條件。6、適應(yīng)于多種要求:非接觸式IC卡系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境與應(yīng)用對象的不同而做到作用距離不同，如用于高速公路或一般路、橋收費，可選用作用距離為0.6m20m的系統(tǒng)，如用于電子錢包或公交收費，可選用作用距離僅幾厘米的系統(tǒng)。系統(tǒng)配置相當(dāng)靈活多樣。正是由于非接觸式IC卡的上述特點，使它在某些領(lǐng)域具有接觸式IC卡無法比擬的優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于電子錢包、鐵路、地鐵、公交、輪渡、高速公路、一般路橋收費、食堂售飯收費、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、身份證等領(lǐng)域。特別是在門禁考勤等系統(tǒng)的應(yīng)用，近期將占到整個射頻卡應(yīng)用的50%以上。1.3非接觸式射頻IC卡技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀非接觸式卡（又稱射頻卡）技術(shù)，這是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它成功地將射頻識別技術(shù)、磁電技術(shù)、計算機技術(shù)和卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）、低功耗和免接觸這一難題，克服了接觸式卡由于存在機械接觸，容易造成磨損以及由于接觸而產(chǎn)生各種故障的問題。而且非接觸式IC卡表現(xiàn)出來的防監(jiān)聽、防解密性能也超出一般的卡，不論非接觸式IC卡本身，還是非接觸式IC卡讀寫設(shè)備（無卡座、全密封），均防水、防油、防污、防腐蝕、防扭曲、防靜電（包括靜電擊穿、靜電破壞卡中的數(shù)據(jù)），具有高安全、高可靠、高快捷、高適用等性能，是現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域的一大突破。IC（集成電路）卡于1974年誕生于法國，當(dāng)時有位叫羅蘭莫雷諾（RolandMoreno）的工程師為了將一些個人信息存放在一個便于攜帶、保存的存貯媒體上，提出了將一個集成電路芯片嵌裝于一塊塑料基片上構(gòu)成一張存貯卡的想法，并按此方法做了一張卡片，這就是世界上第一張IC卡。但是由于當(dāng)時集成電路技術(shù)水平有限，市場也沒有形成迫切的需要，這種想法并沒有立即付諸實施，后來隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技術(shù)的成熟，使得IC卡的生產(chǎn)、應(yīng)用成為現(xiàn)實。目前，以歐洲為中心的IC卡市場已發(fā)展成為世界性的市場。2學(xué)生考勤系統(tǒng)的總體設(shè)計本學(xué)生考勤系統(tǒng)采用單片機原理結(jié)合非接觸式射頻IC卡技術(shù)等，設(shè)計實現(xiàn)讀卡器硬件電路，通過異步串行通訊技術(shù)與PC機連接，同時利用VisualBasic設(shè)計一個用戶操作軟件來控制讀卡器。讀卡器通過感應(yīng)IC卡號向PC機返回考勤數(shù)據(jù)，PC機進行考勤記錄，最終實現(xiàn)學(xué)生考勤功能。系統(tǒng)框圖如圖2-1。石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計4圖2-1系統(tǒng)框圖系統(tǒng)流程圖如圖2-2：圖2-2考勤系統(tǒng)流程圖2.1考勤系統(tǒng)的硬件設(shè)計計算機串口計算機部分數(shù)據(jù)線讀卡器IC卡讀卡器部分IC卡部分用戶操作界面連接成功計算機記錄考勤信息無學(xué)生考勤有學(xué)生考勤讀卡器加電初始化軟件連接讀卡器計算機操作界面初始化讀卡器讀取信息反饋給用戶軟件連接失敗是否有學(xué)生考勤石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計52.1.1方案論證與器件選擇考勤系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要為讀卡器。讀卡器采用單片機進行控制，平時接觸最多的單片機主要為80C51系列單片機，此單片機簡單實用，但只支持單串口傳輸數(shù)據(jù)，若要滿足本系統(tǒng)的端口需求，需要另外接端口芯片，這無疑又增加了設(shè)計成本和控制可靠性。由于本人在實習(xí)期間接觸了許多款Philips單片機，其中一款89LPC952單片機比較適合本系統(tǒng)。如圖2-3。與傳統(tǒng)標準80C51相比，89LPC952采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2到4個時鐘周期，6倍于標準80C51單片機。同時，P89LPC952集成了許多系統(tǒng)級的功能，使單片機外圍電路變的更加簡單，從而節(jié)約了設(shè)計成本。它具備8KB可擦除Flash程序存儲器、256字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器和256字節(jié)附加片內(nèi)RAM、使用片內(nèi)振蕩器和復(fù)位選項時，至少可獲得40個I/O口、看門狗定時器具有獨立的片內(nèi)振蕩器，無需外接元件。一片80C51單片機的市場價錢在8塊錢左右，而89LPC952單片機的價錢僅僅為15元，從整個系統(tǒng)的性價比來看，后者又占據(jù)了很大的優(yōu)勢，所以基于這些優(yōu)點，本系統(tǒng)的硬件電路采用此款單片機作為控制核心。圖2-3P89LPC952單片機結(jié)構(gòu)框圖P89LPC952加速的2時鐘80C51CPUPORT1PORT2PORT3PORT4PORT5鍵盤中斷看門狗定時UART0UART1I2C總線定時器模擬比較器JTAG接口可配置振蕩器片內(nèi)RC振蕩器電源檢測P5P4P3P2P1TXD0RXD0TXD1RXD1石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計6圖2-4P89LPC952管腳圖此外，整個電路還需要一款讀卡專用芯片，本設(shè)計采用Philips的一款專用芯片F(xiàn)M1702如圖2-5。此芯片是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，芯片內(nèi)部高度集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，操作距離可達10cm、支持ISO14443typeA協(xié)議、支持六種接口模式、包含512byte的EEPROM、支持MIFARE標準的加密算法，特別適用于各類計費、考勤系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。石家莊經(jīng)濟學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計7圖2-5FM1702結(jié)構(gòu)框圖及管腳圖本設(shè)計所采用的非接觸式射頻IC卡為Mifare1型IC卡。Mifare1IC智能(射頻)卡的核心是Philips公司的Mifare1ICS50（-01，-02，-03，-04）系列微模塊（微晶片）。它確定了卡片的特性以及卡片讀寫器的諸多性能?？ㄆ铣薎C微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件?？ㄆ蠠o源（無任何電池），工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達2V以上，供卡片上IC工作，工作頻率13.56MHZ。Mifare射頻卡所具有的獨特的MIFARERF（射頻）非接觸式接口標準已被制定為國際標準：ISO/IEC144