基于工型永久磁鐵的手機考勤系統設計與實現

鄭文豪，錢文龍，黃河，蔡兵（通訊作者）

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053 ）

0 引言

當代大學生因自控能力差而逃課，或者在課堂上時把玩手機，導致其上課效果欠佳。因此，在課堂上禁止學生玩手機并對全班學生上課率進行考勤，是十分必要的。現教室雖有手機存放袋等考勤系統，但由于學生人數較多，總會有極個別學生投機取巧不上交手機或提前早退，或頻繁出現上交模型機的情況，所以不能將全班每位學生的手機存放情況和上課率及時的反應出來。為此，本文設計了一種基于工型永久磁鐵的存放手機考勤系統。

1 系統整體構成

系統的總體結構設計如圖1所示。其主要結構由工型永久磁鐵、霍爾傳感器模塊、上位機、STM32、語音模塊、顯示模塊、讀卡模塊組成；工型永久磁鐵、霍爾傳感器模塊數量相等；MCU模塊分別與霍爾傳感器模塊、顯示模塊、語音模塊、讀卡模塊、上位機通過有線方式依次連接。系統主控為STM32核心板，通過讀卡模塊對學生卡進行信息采集，通過由工型永久磁鐵構成的霍爾傳感器模塊對模型手機進行檢測，這些信息由MCU模塊上傳至上位機，同時由顯示模塊顯示[1]。

圖1 系統的總體結構設計圖

2 系統硬件設計

在存放手機考勤系統中，MCU模塊采用STM32作為主控芯片將語音模塊、讀卡模塊、顯示模塊、霍爾傳感器模塊共同組成一個完備的硬件系統，實現對存放手機的情況信息進行采集。其中，霍爾傳感器模塊是本硬件系統的核心所在。以下將詳細的對這幾個模塊進行介紹。

2.1 霍爾傳感器模塊的構成與原理

霍爾傳感器模塊中的集成電路IC1采用線性型霍爾集成電路UGN3501T[2]，電阻R1為10k，電阻R2為5k，可調電阻RP1和可調電阻RP2都為100k，電阻R3為5k，電阻R4為5k，集成電路IC2和集成電路IC3采用LM339比較器, 集成電路IC2的同相端選用LM339的7腳，集成電路IC2的反相端選用LM339的6腳，集成電路IC2的輸出端為LM339的1腳，集成電路IC3的同相端選用LM339的5腳，集成電路IC3的反相端選用LM339的4腳，集成電路IC3的輸出端為LM339的2腳，集成電路IC4采用CD4066開關電路，集成電路IC4的輸入端選用CD4066的1端，集成電路IC4的輸出端選用CD4066的2端，集成電路IC4的控制端選 用CD4066的13端，CD4066的輸入端1端接地。其硬件連接圖如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器模塊具體集成電路連接圖

由于模型手機的含鐵量比真機的含鐵量高，導致施加于霍爾集成電路UGN3501T的磁場強度不同[3]，從而通過IC2、IC3比較器識別出來。

2.2 讀卡與語音模塊

讀卡模塊的芯片采用RC522芯片，三極管T1為9012，R5為1kΩ，語音模塊由三極管T1、電阻R5和揚聲器BY組成。其硬件連接圖如圖3所示。

圖3 STM32F103V8T6與RC522電路具體連接圖

圖3中的STM32F103V8T6的PB12、PB13、PB14、PB15、PC7端分別與RC522的SDE、D5、D7、D6、/RST端相連。讀卡模塊中的RC522與STM32F103V8T6之間的通信采用SPI模式，RC522的EA端硬件接高電平，RC522的I2C端硬件接低電平，讀卡模塊采用市售的讀卡模塊。STM32F103V8T6的PE1端與語音模塊連接。在學生刷卡后，RC522讀取學生卡中的學生信息（如學生姓名、學號和班級等信息），并送到STM32F103V8T6中保存。不管是先存放手機后刷卡，還是先刷卡后存放手機，只要在2分鐘的軟件定時器定時過程中完成刷卡并存放手機，經程序運算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個低電平，三極管T1導通，揚聲器發出“滴滴”聲，表明刷卡考勤成功。只要在2分鐘的軟件定時器定時過程中沒有完成刷卡并存放手機，經程序運算后，使STM32F103V8T6的PE1端輸出一個高電平時，三極管T1不導通，揚聲器不發出“滴滴”聲，表明刷卡考勤不成功[4]。

2.3 顯示模塊

顯示模塊的芯片采用LCD12864芯片，可調電位器RP3為100kΩ。其硬件連接圖如圖4所示。

圖4 STM32F103V8T6與LCD12864電路具體連接圖

圖2給出了MCU模塊中的STM32F103V8T6的PB5、PB6、PB7、PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE14和PE15端 分 別 與LCD12864的 第4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14引腳的具體電路連接。通過電位器RP3調節LCD12864第3管腳電位來改變屏幕亮度，LCD12864的第15引腳直接硬件接+VCC，選擇并行方式[5]。在STM32F103V8T6接收排盒的手機存放總數后，通過STM32F103V8T6的PE8、PE9、PE10、PE11、PE12、PE13、PE14和PE15端 送 到LCD12864顯 示。STM32F103V8T6會將每堂課的全班每位學生手機存放情況和刷卡考勤信息數據打包，及時通過PA9、PA10端上傳到上位機中的教學管理系統平臺。

3 系統軟件設計

本系統所使用的STM32F1系列常用的開發工具主流為主要為IAR EWARM和Keil MDK，這兩者都為基于ARM7、ARM9、Cortex-R4、Cortex-M處理器的設備提供了一個完整的開發環境。但考慮到學習的簡易程度以及使用的方便性，本設計采用專為微控制器應用而設計的Keil MDK作為軟件的開發調試環境。

本系統除使用STM32F103V8T6外，還使用了較多外設，因此軟件設計采用模塊化設計，能使程序更加簡潔明了，主要包含主程序、顯示子程序、中斷子程序、射頻控制子程序等。以下簡要說明系統主程序以及顯示子程序[6]。

3.1 系統主程序

主程序流程圖主要分為三部分，分別為“存”、“取”、“復位”，對應手機存放柜的三個按鍵。系統上電之后各模塊進入初始化，通過按鍵即可進入“存”、“取”、“復位”三個操作之一。系統主程序流程圖如圖5所示。

3.2 顯示子程序

顯示子程序的作用主要是根據單片機的指令按照需求將要顯示的內容呈現在液晶顯示屏上。為避免LCD12864顯示出現亂碼，在程序設計時，首先就是初始化以及清屏，其次再接收單片機的命令，顯示出所需畫面。顯示子程序流程圖如圖6所示。

結合圖5、圖6流程圖，系統上電后，初始化LCD12864顯示程序，外部中斷等應用程序后，等待判斷按鍵狀態。

圖5 主程序流程圖

圖6 子程序流程圖

在教室上課前10分鐘，學生通過按下“存”手機按鍵的同時，將自己的學生卡放在刷卡區，讀卡模塊讀取學生卡中的學生信息后，將學生信息送到MCU模塊并保存，對應柜門開啟，即可存放手機，接著學生將自己的手機放進手機存放盒里并關閉柜門，手機存放盒上的霍爾傳感器模塊檢測到真機存放后，輸出一個高電平給MCU模塊進行處理，MCU模塊控制語音模塊使其發出“滴滴”二聲，表明學生刷卡考勤成功，同時將學生信息上傳到上位機中的教學管理系統平臺，這時顯示模塊顯示出柜體中的手機存放總數。在此過程中，每存放一只手機，顯示模塊顯示的手機存放總數增加一個1。

在上述存放手機過程中，如果學生只存放手機而不刷學生卡（即沒有讀取學生信息），或者只刷學生卡而不存放手機或存放為模型機（即沒有檢測到一個上升沿），則經MCU模塊不會把學生信息上傳到上位機中的教學管理系統平臺。此時語音模塊也不發出“滴滴”二聲，表明學生刷卡考勤不成功。若用NFC手機讀取學生卡中的學生信息（如姓名、學號等），且NFC手機被設置成卡模擬模式。這時，NFC手機能替代學生卡在刷卡區刷卡考勤[7]。

學生在將手機存放在手機存放盒完畢后，如果在其后，比如在第一節和第二節課之間的10分鐘休息期間需要取出手機，學生需按下“取”按鍵并再次刷卡進行信息對比，成功后可將手機從手機存放盒中取出。每取出一只手機，顯示模塊顯示的手機存放總數減少一個1。與此同時，MCU模塊中的程序會進行8分鐘的軟件定時。若在定時時間內學生還沒有將手機放回手機存放盒，所述MCU模塊控制所述語音模塊不斷發出報警提示音，迫使這位學生將手機再次存放于手機存放盒里。

下課后，任課老師按下“復位”鍵，系統會將本次課程考勤的所有數據清除同時打開所有柜門，顯示屏上手機存放數清零。等待學生全部取出手機后，利用鎖具關閉柜體的有機玻璃門，等待對下一個班級學生的考勤。

4 結語

該系統設計主要利用性能較為強大的STM32單片機對讀卡信息和霍爾傳感器的電平信息進行處理，采用工型永久磁鐵識別模型手機，通過控制蜂鳴器提醒學生上交手機，最后利用顯示屏把主要信息進行智能化顯示。因此擁有較強的實用價值。該系統擁有完備的功能，具有實用性和高可靠性，特別是在對模型機的監控上，擁有獨創的技術方法，在信息化教育領域中，具備一定的市場前景。在當今的社會形勢下，此系統將會極大提高學生們的課程學習效率，最終使學生們都能為今后的社會開拓屬于自己的一番領域。