摘 要

二十一世纪是智能手机和移动互联网不断发展的繁荣时代，扫码支付的方式在市场上普遍传开来。扫码支付电源控制器支持手机扫描二维码进行实时在线付款，用户可以根据自己的消费需求来自由支付其电源供电时间，省去了中间复杂的交易过程。

本文是基于STM32单片机的扫码支付电源控制器的设计方法，该电源能给用电设备特别是类似于电池供电的设备临时补充电能（如电动车，手机，笔记本）。该电源是需要付费使用的，支付方式支持扫码支付。其工作原理是基于GPRS原理，远程用手机发送指令控制磁保持继电器开关两种状态，用以关闭或打开电源来给用电设备供电，达到电源控制器的目标。本文概述了控制器的硬件及软件总体设计方案，然后对提出的软硬件设计方案给出了硬件各模块（如单片机模块、GPRS模块等）详细实现过程，并给出硬件电路的PCB图及软件各部分设计流程，最后在实际应用环境中对本文所设计的电源控制器进行了功能测试。

关键词：扫码支付；单片机；GPRS；电源控制开关

Abstract

The 21st century is a prosperous era of the continuous development of smart phones and mobile Internet, and the way of scanning payment is widely spread in the market. Scanning Payment Power Controller supports mobile phones to scan two-dimensional codes for real-time online payment. Users can freely pay their power supply time according to their own consumption needs, thus eliminating the complex transaction process.

This paper is based on STM32 SCM sweep code payment power supply controller design method. This power supply can temporarily supplement electrical power to electrical equipment, especially similar to battery-powered equipment (such as electric vehicles, mobile phones, notebooks). The power supply needs to be paid for, and the mode of payment supports scanning payment. Its working principle is based on the principle of GPRS. It sends instructions to control the switch of magnetic holding relay by mobile phone remotely, which is used to turn off or turn on the power supply to supply power to the electric equipment, so as to achieve the goal of power controller. This paper outlines the overall design scheme of the hardware and software of the controller, then gives the detailed implementation process of the hardware modules (such as single chip computer module, GPRS module, etc.) for the proposed design scheme, and gives the PCB diagram of the hardware circuit and the design flow of the software parts. Finally, the function test of the power controller designed in this paper is carried out in the actual application environment.

Key Words：Scanning code payment；singlechip；GPRS；Power Control Switch

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外发展状况 1

1.3 设计的任务和要求 4

第2章 方案设计与选择 5

2.1 技术方案分析 5

2.1.1 单片机选型 5

2.1.2 通讯方式选择 6

2.2 方案设计 6

第3章 硬件电路设计 8

3.1 单片机模块电路设计 8

3.2 GPRS模块电路设计 9

3.3 电源模块电路设计 10

3.4 继电器驱动模块电路设计 11

3.5 PCB设计 13

第4章 软件模块设计 14

4.1 串口初始化 15

4.2 GPRS连接服务器 16

4.3 GPRS模块与串口数据收发 17

4.4 中断程序 18

第5章 系统测试与分析 19

5.1 实物图 19

5.2 功能测试 19

5.3 结果分析 22

第6章 总结与展望 23

参考文献 24

致 谢 25

1. 绪论

1.1 课题背景及意义

智能手机和移动互联网促使了二维码的快速发展，其传播的途径也极其广泛，因此使用二维码作为支付手段已经成为了当今世界的潮流。在二维码支付过程中，商家通过将账户和商品价格等相关交易信息编成黑白相间的二维码图案，并将各式各样的报纸、杂志、广告和书籍作为载体粘贴在上面，因此它是基于账户系统的新一代无线支付手段。消费者在移动客户端扫描二维码，来与商家支付宝账户进行结算。最后，商家凭借其客户与之进行的交易信息来将货物分发到相应的收获地址来完成交易。扫描二维码进行支付的行为现在随处可见，有了二维码支付方案，商家就不再需要承担货到付款的压力，而消费者也可以进行随时在线支付。

共享单车的异军突起，扫码支付在生活中的使用频率得到了进一步提高，随着共享汽车、共享雨伞等共享经济新态势不断出现，扫码支付成为新一轮资本所推崇的新方式。共享经济不但让社会财富流动性得到增强，还提高了其循环的高效性，让人们的消费需求也得到了提高，越来越多的人从中受利。扫码支付还免除了供应方和需求方之间复杂的中间环节，二者可以进行直接交易。共享经济在生活中随处可见，例如交通中的共享汽车和共享车位、住宿中的共享民宿以及教育中的书籍共享和生活服务中的宠物寄养共享等方面。

在这样的背景之下，为了解决电动车与手机充电等问题，给出行用户带来更多的便利 ，基于扫码支付的共享电源在市场的需求之下逐渐形成并发展起来，这种方法有望可以为消费者带来解决实际问题的巨大希望。在此系统中，共享电源类似于共享单车，即每次使用共享电源时，扫描二维码就自动收取一次费用，费用采用倒计时计数，时间到之后自动关闭电源。共享扫码支付电源通过手机实时在线扫描二维码的功能，依据消费者的实际需求来调节其收费时间，不需要专门的人来看管和收费，不仅为人们生活带来了极大的便利性，而且加快了人们实际生活的节奏，由此可见这种新理念的消费方式是具有划时代价值的。

1.2 国内外发展状况

科技社会的快速发展必然会伴随着信息时代的到来，各式各样的电源产品在人们的科技部门中得到了越来越广泛的普及，尤其是在通信领域、国防以及航天事业等无比重要的方向上。除了高科技部门，电源产品在我们的日常生活中也极其重要，类似于在医疗设施中、ATM机和银行各类安全供电系统中都必须保证电源供应充足。但是绝大多数人不知道电源工作的原理和其制造技术，对其所扮演的角色理解不到位。由此可见，当前需要急需解决的问题是如何让人们了解二维码及其所带动的移动支付手段，从而可以方便快捷的进行电源控制使用。

在国内，二维码的支付技术发展时间不是很长，但是二维码的发展趋势却逐年递增。首先是在2003年初，上海一家公司发明了一种龙贝码，结束了欧美发达国家长期以来在二维码方向上的垄断^[1]。2006年8月，中国移动通信公司开始创办手机二维码的业务模式，而且为了克服二维码某些方面的解决方案，中国移动还联合多家手机二维码解决方案提供商进行合作^[2][3]，这一系列措施让手机二维码在生活中的应用及其发展得到了极大的推广和促进。2016年8月，中国支付清算协会发表了《条码支付业务规范》文件，这是在因为支付的安全问题被叫停的两年之后，在支付手段上面得到了进一步扩大和规范，这种规范示意着基于二维码的支付手段正在一步一步形成标准化。自此之后，手机二维码除了在各大媒体和网站中反复出现，还被广泛应用于票务管理，电子商务，产品溯源和车辆管理系统等^[4][5]。除此之外目前国内还实现了机动车违章罚款和高速收费站手机扫码支付的全覆盖，这种方案减少了消费者往返银行网点缴费的不便，让人民充分感受到带有科技和智慧的高速如何更好的便利生活。近年来，技术的迅猛发展使专业人士比以往任何时候都更容易开展自己的技术研究。同时二维码支付方案的快速发展，还促使社会产生了共享经济形势的发生。共享经济的产生不仅使一种全新的商业模式得到了创造。它还通过改变生产、商业和消费者间的关系从而建立一个新型的商业关系。而其中共享电源就是一种典型的共享经济，也是解决出行生活中电量不足的最佳方案。在市场上投放共享电源并使用手机扫码支付，实现无专人看管，是真正的便民利民。从某种意义上来说，国内的共享经济和二维码支付是密不可分的。二维码支付的技术革新，使人们进入了一个全新的时代，也给人们带来许多便利。

虽然二维码技术给我们带来了很多便利，但是目前在我国无论是在二维码业务发展中还是在线下扫码支付的过程中都存在着一些问题和弊端。在手机二维码业务发展方向上，存在着手机二维码的标准不一致的情况，目前我国制定的有多种码制标准，除了QR码和DM码之外，还有网格矩阵码，而且不同的生产厂家还定义了自身厂家的二维码规则，这种情况导致标准不统一，从客观上使市场得到了割裂，不利于产业发展。在线下扫码支付方向上，虽然其得到了无现金社会进程的极大推动，但是相比于相对于发达了欧洲国家仍有较大差距。虽然我国在流通现金上的速度增长缓慢，但是其总基数还在逐年增加。这种现象展现出我国的无现金程度较低，扫码支付的手段有很大的上升空间。由于扫码支付的应用场景越来越多，不同的行业之间为了解决其扫码支付所遇到的问题也就不断丰富起来^[4]。除了扫码支付可以带来简单快捷的操作之外，扫码支付的商家也可以通过数字化经营带来很多利润，所以可以说是基于消费者与商家互利共赢的情景下大大促进了扫码支付手段的快速发展和应用领域的不断扩大。通过调查研究发现，就中国的扫码支付现状和发展前景做出分析，可以归纳出几方面。其一是基于客户的行为习惯，由于移动智能APP类似于微信和支付宝都具有扫码功能，基于其便捷性能受到了大多数人的青睐，未来对其喜爱的程度应该逐年上升。其二是现在社会客户使用微信付款将带动扫码支付的市场普及率，而且逐渐将其规模发展到了城乡，未来将超过10%的城镇人口和8%的农村人口会享受到扫码支付模式的互联网带来便利。其三是扫码支付会变成商家和用户之间进行营销分析的重要手段，越来越多的移动支付情景应用得到扩大，人们将通过多种渠道来增进厂家和客户之间的信息交流。

在国外，由日本最新开始使用二维码，日本早在2002年就开始提出手机条码业务，其后四年期间，日本的某些生产厂家将二维码的读取技术植入智能化手机中，这项技术便在日本国土迅速传开，四年之后的日本对手机的二维码认识程度达到了96%。二维码在东南亚国家发展的也比较好。自2017年四月份开始，新加坡两大银行开始普及二维码作为新的支付手段，期间还制定了一致的二维码码制标准，用以处理好除了银行自身的交易矛盾，还可以解决银行、客户以及当地政府在使用二维码时候的各种支付问题。以下是国外一些国家的二维码发展状况：

表1.1 国外部分国家二维码发展状况

国外在移动支付方面，总体上是要弱于中国的行业前景的。究其原因，第一是因为社会环境的不同，因为在大多数发达国家政府不同意让互联网金融企业出现，因为只要有互联网金融企业的出现，就必定会使国外的银行经济受到一定程度的损失。这样的制度就导致了很少有移动支付方式的存在，因此就无法实现扫码支付，这与中国内地是截然相反的。其次就是我们在扫码支付方面的技术手段比国外较为先进，因为国内的主要移动支付为支付宝，而支付宝具有世界级水平的软件开发程度，而且其配备了相对完善的支付方案，获得了中国许多消费者的信任，所以扫码支付成为日常生活中的必然选择也不言而喻了。最后还有一个根源就是国外大部分国家缺乏类似于支付宝这样安全的付款软件，在买东西进行交易的时候，为了保证自己的财产不被损坏和丢失，还是喜欢用现金或者银行卡来直接支付。以美国为例，2014年9月，苹果执行总裁库克成功发布了用于解决苹果的移动支付问题的Apple pay，这一产品标志着苹果开始对支付领域进行深入研究。可以看出即使移动支付快捷便利，但从其消费者的习惯分析大多数人接受这个概念还需要一段时间。总结得出美国即使对于移动支付领域研究虽然很早，但是因其过于完美的信用卡系统的使用，大多数人还需要一段时间来适应这个新的支付习惯，这就导致了其扫码支付的消费手段及其领域扩展都很缓慢。

1.3 设计的任务和要求

本文要求设计一个扫码电源控制器，它能给用电设备特别是电池供电的设备临时补充电能（如电动车，手机，笔记本）。该电源是通过扫码模拟支付，控制开关给手机充电。设计的要求如下：

·设计其电路结构框图及各部分的硬件实现方法，

·设计必要的处理器代码及相应流程图，

·进行必要的测试和分析。

1. 方案设计与选择

2.1 技术方案分析

本文要实现一个能够扫码支付的电源控制器，可以用多种方式来实现其原理。为了节约成本和结合本科阶段所学知识，我的初步设计方案如图2.1所示。

图 2.1 初步设计方案

2.1.1 单片机选型

电源开关部分可以采用单片机控制继电器实现，因此需要考虑所选单片机型号和种类。单片机作为整个系统的微处理器，扮演着控制核心的角色，因此对于整个系统来说选择一款合适的单片机型号对于系统能否顺利运行极其重要。目前在市场上单片机不管是种类还是型号都差距巨大，从一般的八位单片机到功能齐全、接口众多的64位单片机不计其数。在本设计中，从设计角度出发，可以考虑51单片机和STM32单片机。

STC公司发明的以MCS-51作为内核的单片机STC51，在原理方面和AT89C51大致相同，但是STC51之所以被广泛使用是因为它可以直接利用串口来进行捎写程序。作为一款对于初级学者来说很经典的微处理器，MCS-51的特点就是简单易操作，因此大多数教师喜欢在教学时采用51单片机作为入门级书籍材料。51单片机也有缺点，由于是上世纪七十年代生产的芯片，无论论述从设计的理念还是从其资源来说，在当今社会已经严重落伍了。

而作为基于ARM公司最新一代cortex-M内核的芯片的STM32单片机，是意法半导体（ST）公司发明并推出的。STM32单片机能够在许多领域被广泛采用，其主要的原因便是因为它价格不仅便宜而且性能各方面也很出色，还有一个原因便是其简单函数库的编程方式^[6]。STM32单片机功能齐全，引脚众多，其储存空间也较大，这一系列产品甚至差不多涵盖了所有的工业控制行业的所有功能模块，例如USB、SD卡、AD和DA等等。

2.1.2 通讯方式选择

通讯模块采用无线通信，其中无线通讯模块则可以选用GPRS和WiFi等方式。

WiFi技术是一个高频无线电信号，它的优点是WiFi技术无线电波的覆盖范围较广，其覆盖半径可达100米，速度快，可靠性高，无需布线，技术健康安全。但是WiFi也有其自身的局限性：在其覆盖范围内的地方，WiFi信号会随离发出信号的信号源之间的距离成反比，因此其信号仅仅局限于WiFi所覆盖的范围之内。和有线网络比较起来，传输距离就成了一个致命的缺点。

GPRS技术在传输速率上面有着极大的优势，目前其传输速度已经达到了115Kbps。它是基于GSM系统上衍生出来的具有分组数据承载的一种新型业务，其次GPRS的封包交换协议是按GSM标准定义来定义的，其传输的数据速度是GSM的十倍之多，在传输大容量高质量的文件时也具有较强的稳定性^[7][8]。由于GPRS不需要为每次的数据访问都建立呼叫连接，因此可以随时保持网络在线的功能，其网络容量只是处于传输时被占用。GPRS还有一个优点就是不按时间收费而是按数据传输量来进行收费。

2.2 方案设计

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