基于單片機的小學生離校顯示系統

盧彬鋒

摘要 當前校園安全事件屢屢發生，給社會、家庭帶來了極大地影響，校園安全設施設備的研發也是當前校園安全研究領域的熱點。鑒于此，該研究從智能化識別設備研發的角度切入，基于STC15F2K60S2單片機設計小學生離校顯示系統。該系統由單片機模塊、射頻模塊、顯示模塊、驅動模塊和穩壓模塊組成，通過雙色LED燈屏實時顯示學校各個班級狀態，方便家長接孩子時根據信息提示了解是否在校，為家長提前了解孩子信息提供了很好的幫助，也為校園安全保障設施的研發普及提供一定的實踐參考。

關鍵詞 考勤;單片機;SON1205

中圖分類號 TP334.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）09-0008-03

引言

全國各地屢次發生的校園安全事件，促使政府和各級教育機構啟動了一系列校園安全漏洞檢查和安全措施。校園安全工作開展的好與壞，關系著所有學生的健康成長，關系到千家萬戶的幸福，為此相關部門和學校紛紛出臺對應的政策。其中很多學校就要求低年級學生上學必須每天由家長負責接送，學生不能獨自上學。因此，部分中小學學生上學和放學，都需要家長陪同。當前家長接送過程中也出現部分問題：

（1）大部分的家庭都是老年人負責該項工作，部分老年群體存在智能手機使用障礙。

（2）各種原因導致同一年級存在錯峰放學問題。

（3）放學高峰期，學生一涌而出，導致接送的家長和孩子錯過，家長無法掌握學生是否離校。

為了方便家長及時了解孩子是在校還是離校，是上課還是放學，該文以STC15F2K60S2單片機為核心模塊，結合射頻識別（RFID）技術[1-3]和LED顯示技術設計了小學生離校顯示系統。該系統通過雙色LED燈分別顯示學生在校上學、放學和離校的狀態，到校家長可以通過系統顯示及時掌握孩子的狀況，減少盲目等待，較好的完成接送工作。

1 系統硬件設計

設計的系統結構圖如圖1所示。

從圖1可得系統包括以下模塊：單片機模塊、MFRC522讀寫器及電源驅動模塊、點陣顯示及其驅動模塊和LED指示模塊構成。主要模塊分別介紹如下：

1.1 單片機模塊

該系統的核心部分是單片機，通過它來完成系統的信息采集、處理和控制，因此在單片機的選擇中主要考慮到單片機的計算速度、處理器的能力、片內RAM和ROM及成本等因素。在系統設計中選用了STC15F2K60S2單片機，該芯片低功耗、擁有高性能的CMOS8位微處理器，運行速度相當于傳統8051單片機的12倍，并具有較大的程序存儲空間和數據存儲空間，編程下載可直接使用串口完成，使用非常方便。

1.2 點陣顯示及其驅動模塊

1.2.1 點陣顯示模塊

系統中為了能夠在一個顯示點表示上課、下課和是否缺席等不同的信息，采用了雙色LED點陣屏來實現，最終選取8×8紅綠雙色共陰點陣。

采用紅綠雙色LED可以實現三種顏色的顯示效果，具體的LED狀態組合由按鍵觸發和刷卡觸發兩種方式。

在按鍵電路如圖2所示，分為上學、放學按鍵和班級選擇按鍵等，分別連接著STC15F2K60S2的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6和P2.7等I/O口。系統通過上學按鍵觸發來點亮紅色點陣的顯示，當LED燈顯示紅色表示該班級學生為上課狀態;通過放學按鍵觸發紅綠點陣同時顯示為黃色，當LED燈顯示黃色表示該班級學生為下課狀態。而班級切換按鍵中，由于單片機I/O有限及該系統只是一個初步模擬系統，所以僅設計了六個班級之間的切換。

在刷卡觸發方式中，通過錄入有學生學號和班級信息的MIFARE1卡來刷卡觸發點陣的顏色切換。即學生將持有個人信息的MIFARE射頻卡通過MFRC522讀寫器刷卡切換離校和到校狀態，而通過點陣的綠色顯示學生離校的狀態，也只有當學生由離校刷卡切換到到校時，點陣上的綠色才能轉變為黃色的到校狀態，即如果學生缺席或未到校，即使通過上課按鍵也無法將點陣的綠色離校狀態切換成紅色的上課狀態。

1.2.2 點陣顯示驅動模塊

系統選用LED驅動專用的TM1640作為驅動模塊。

TM1640是一種LED驅動專用控制器件，內部集成有數據鎖存器、MCU數字接口、LED高壓驅動電路等。具有8級可調的輝度調節可以方便地根據不同的天氣情況調整LED的亮度，實現LED亮度可以實時調整，既可以達到顯示清晰又不刺眼的目的，又可以實現省電功能。兩線的串行接口可以方便地和單片機進行通信。

1.3 MIFARE射頻卡

MIFARE射頻卡是Philips公司推出的一種射頻卡[3]，該射頻卡已經成為國際標準：IOS/IEC 14443標準，也是目前主流的射頻卡。

MIFARE射頻卡內部集成高速CMOS EEPROM、MCU等。工作的頻率在13.56 MHz，標準讀寫距離100 mm，與讀寫器的通信速率為106 kbit/s。

MIFARE射頻卡擁有如下優點：

（1）具有通信加密功能。

（2）讀寫操作高速而準確。

（3）卡片讀寫可超10萬多次，且數據保存可達10年之久，具有抗靜電保護能力。

1.4 MFRC522讀寫器

MFRC522是一款基于13.56 MHz的非接觸式通信的高集成度讀寫卡芯片[4-8]。具有低電壓、低成本、小體積的優點，是一款使用非常廣泛的非接觸式讀寫卡芯片。主要應用于門禁系統、智能水表和便攜式手持設備等。

MFRC522的主要特點如下：

（1）芯片的通信頻率在13.56 MHz，因此可用于在該頻率下的被動非接觸式通信方式和通信協議。

（2）芯片支持ISO14443A的多層應用，這使得它的體積可以更小，在驅動讀寫器天線與MIFARE卡和應答機之間的通信時可以不需要外圍電路。

（3）芯片的內部自帶解調電路和解碼電路完成接收功能，并且該電路兼容ISO14443A的應答器信號。

（4）芯片的校驗功能具有幀和錯誤檢測（奇偶&CRC）。

（5）芯片具有快速 CRYPTO1加密算法和高速的通信速率。

2 系統軟件設計

系統的主流程圖如圖3所示，由開機、各模塊初始化、讀卡、按鍵掃描和顯示更新等構成。開機完成系統上電后負責各個模塊的初始化、自檢、單片機自身資源的初始化。系統主程序由讀卡、按鍵掃描和顯示更新構成，完成控制和協調各個模塊的正常工作。

下面針對其中的主要模塊MFRC522和TM1640的驅動程序進行介紹。

2.1 MFRC522驅動程序設計

在系統設計中MFRC522模塊使用的是SPI接口，與單片機的連接為：

（1）NRSTPD連接單片機的P1.4。

（2）CS連接單片機的P1.0。

（3）SCK連接單片機的P1.1。

（4）MOSI連接單片機的P1.2。

（5）MISO連接單片機的P1.3。

MFRC522的工作過程可分成四步：尋卡→防沖突→選卡→讀/寫卡。

2.1.1 尋卡

status=? MFRC522_Request（PICC_REQIDL，str）;? //尋卡，返回卡的類型 If? （status ==MI_OK）

{

Uart1_SendChar（str[0]）;

Uart 1_SendChar（str[1]）;

}

在以上程序中向FIFO寫入PICC_REQIDL命令，等待執行PCD_TRANSCEIVE命令將FIFO中數據通過天線發送出去。如果有卡在天線的作用范圍內，那么通過卡通信返回卡類型。如果沒有則無返回數據。

具體卡類型的代碼如表1所示。

2.1.2 防沖突

由于是非接觸式的IC卡，所以在同一時間可能存在多張卡的讀寫，這時對于讀寫器的識別便會產生沖突。根據每張卡的卡序列號都不相同，根據接收到的卡序列號信息中具有至少有1位既是0又是1 （即該位的前、后半部都有副載波調制）的特點，因此可以根據第1個沖突位將其置1，然后再校驗第2個，通過該方法可以排除多余的卡，這個過程重復執行直到某張卡沒有產生沖突時才選中該卡。具體程序如下。

status? = MFRC522_Anticoll（str）;? //防沖突，返回卡的序列號4字節

memcpy（serNum，? str，? 5）;

If? （status ==MI_OK）

{

Uart1 _SendChar（ser_Num[0]）;

Uart1_SendChar（ser_Num[1]）;

Uart1_SendChar（ser_Num[2]）;

Uart1_SendChar（ser_Num[3]）;

Uart1_SendChar（ser_Num[4]）;

}

2.1.3 選卡

選卡程序如下：

Size = MFRC522_SelectTag（ser_Num）; //返回卡容量

If? （size ！=0）

{

Uart1_SendChar（size）;

}

2.2 TM1640驅動程序設計

由于單片機的I/O有限無法滿足點陣的驅動，所以系統中選用了LED驅動專用的TM1640來作為驅動模塊。

以下指令用來設置顯示器的顯示模式和LED驅動器的不同狀態。首先只有當指令START有效后，才能通過DIN輸入的第一條指令。再經過譯碼取得最高位的比特位來區別不同的指令。

/******初始化TM1640******/

void init_tm1640_1（）

{

sda4=1;

scl4=1;

start_1（）;

write_1（0x44）; //設置數據

}

其指令設置分類如表2所示。

表2 指令設置表

B7 B6 指令

0 1 數據命令設置

1 0 顯示控制命令設置

1 1 地址命令設置

3 結束語

本系統由硬件設備及軟件設計兩部分組成，對點陣設計及驅動模塊的組成進行了詳細的闡述并對軟件驅動及防沖突設計進行編程。通過該系統的開發研究進一步解決了中小學學生在校上課、放學和離校等信息的顯示，支持學生使用RFID卡刷卡進行在校和離校狀態切換，通過按鍵進行上課和放學狀態切換，確保家長可以根據系統對應的LED燈顯示顏色及時掌握孩子的相關狀況，極大地方便了家長的日常接送，對于校園安全防控起到了一定積極的作用。

參考文獻

[1]陳大才. 射頻識別（RFID）技術[M]. 北京： 電子工業出版社， 2001.

[2]蔡錦達， 吳偉鵬， 徐航暉. 非接觸式IC卡的內部結構與工作原理及其應[J]. 企業技術開發， 2005（10）： 3-5.

[3]Klaus Finkenzeller. 射頻識別（RFID）技術[M]. 北京： 電子工業出版社， 2001.

[4]鄧偉， 劉暾東， 鄭中杰. MFRC522射頻模塊在門禁系統中的應用[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2012（12）： 38-41.

[5]陳保平， 王月波， 馬伯元. 基于MFRC522的Mifare射頻卡讀寫模塊開發[J]. 微計算機信息， 2007（32）： 230-231.

[6]馬曉穎. 射頻IC MFRC522在智能儀表中的應用[J]. 國外電子元器件， 2008（5）： 57-60.

[7]黃俊祥， 陶維青. 基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計[J]. 微型機與應用， 2010（22）： 16-18.

[8]Philips Semiconductors. Data Sheet of Mifare Standard Card IC MF1 IC S50 Functional Specification[DB/OL]. http： //www. philips. com/semiconductors， 1998.

收稿日期：2021-03-14

作者簡介：盧彬鋒（1983—），男，本科，研究方向：電子應用智能制造、大數據分析。