493 基于單片機的IC卡智能水表設計

493 基于單片機的IC卡智能水表設計,基于,單片機,ic,智能水表,設計 I目 錄摘 要 .....................................................................1Abstract ..................................................................2第 1 章 緒論 ...............................................................31.1 課題背景及意義 ...........................................................................................................31.2 傳統(tǒng)水表 ......................................................................................................................41.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結構 ..........................................................................................................41.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點 ..........................................................................................................41.3 智能水表 .......................................................................................................................................41.3.1 智能水表的特點 ..................................................................................................................51.3.2 國內外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ..........................................................................6第 2 章 智能水表的組成和單片機的選擇 .......................................72.1 智能水表系統(tǒng)硬件組成 ............................................................................................................72.2 AT89C51 單片機簡介 .................................................................................................................82.2.1 89C51 單片機的基本組成 ..................................................................................................82.2.2 89C51 單片機引腳及其功能 ...............................................................................................9第 3 章 系統(tǒng)各模塊硬件電路設計 ............................................103.1 IC 卡讀寫電路 ..........................................................................................................................103.1.1 Mifare 1 射頻 IC 卡 .........................................................................................................103.1.2 H6152 讀寫模塊 .................................................................................................................133.1.3 IC 卡讀寫電路的原理及說明 ...........................................................................................133.2 液晶顯示電路 ............................................................................................................................163.2.1 液晶顯示模塊 ....................................................................................................................163.2.2 電源模塊 ............................................................................................................................183.2.3 單片機模塊 ........................................................................................................................203.3 記憶單元電路 ............................................................................................................................203.3.1 I2C 總線簡介 ......................................................................................................................203.3.2 AT24C01 簡介 .....................................................................................................................223.3.3 硬件原理圖 ........................................................................................................................223.4 電磁閥控制電路 .......................................................................................................................233.5 其它模塊電路 ............................................................................................................................24第 4 章 系統(tǒng)各模塊軟件設計 ................................................254.1 IC 卡讀寫軟件設計 .................................................................................................................254.1.1 H6152 內部寄存器 .............................................................................................................254.1.2 H6152 通信協(xié)議與控制命令 .............................................................................................274.1.3 IC 卡讀寫電路程序流程圖及部分程序 ...........................................................................314.2 液晶顯示電路軟件設計 .........................................................................................................324.2.1 液晶控制驅動器指令集 .....................................................................................................324.2.2 程序流程圖及部分程序 .....................................................................................................344.3 記憶單元電路軟件設計 .........................................................................................................36II第 5 章 結論 ............................................................37參考文獻 .................................................................38謝 辭 ...................................................................39附錄：電路圖 .............................................................401基于單片機的 IC 卡智能水表設計摘 要為適應國家用水制度的改革，研究和利用現(xiàn)代化智能技術對自來水實行自動控制，減輕供水管理部門因“先供水后收費”造成的資金壓力，減少每月抄表、收費所帶來的麻煩和因收費問題帶來的糾紛，用現(xiàn)代科學技術手段改變自來水管理體制的落后現(xiàn)狀，勢在必行。基于單片機的 IC 智能水表不但可以提高供水部門的工作效率，而且在技術上為節(jié)約用水、合理用水創(chuàng)造了條件，由于這些特點，基于單片機的 IC 智能水表得到了越來越廣泛的應用。本論文主要設計研究基于單片機的 IC 卡智能水表電路，其主要功能是以 AT89C51單片機為核心，實現(xiàn) IC 卡的讀寫，液晶顯示的控制，電磁閥的控制，脈沖的提取，同時具有安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。本文對每個模塊逐一進行了研究，全面詳細地論述了硬件電路的設計流程，對本設計中 IC 卡讀寫電路模塊、液晶顯示電路模塊和 H6152 讀寫電路模塊等工作原理及功能進行了詳細了說明。關鍵詞：單片機；IC 卡；液晶顯示；記憶模塊2Design of the Water Meter IC Card System Based On Sing-chip AbstractIn order to adapt the reform of the nation system of water supply,studying and making use of the modern intelligence technique to realize the automatic supervision of the water supply,lightening the funds pressure because of“supply water first behind charge”of the department supplying water,reducing the trouble and dispute of copying the form and charging monthly,using the modern science technique change the current administration structure of using water and water supply industry is imperative under the situation.The application of intelligent water meter not only improves work efficiency of intelligent water meter not only improves work efficiency of the department supplying water and realizes using water electronically but also creates a condition for using water frugally and rationally.Because of these charactetistics,intelligent water meter obtained more and more widespread application. In this paper, the main design based on single-chip pre-charges the IC card water meter system hardware circuit design, its main function is based on AT89C51 single-chip microcomputer as the core, the realization of IC card reader, LCD display control, the control solenoid valve, pulse extraction, at the same time security protection circuit, memory cell circuit, communication interface circuit, the signal meter to complete the reading, writing and processing, monitoring the work function of water meters. In this paper, one by one for each module studied. Full detail of the hardware circuit design flow, for the design of the Central African contactless IC card reader circuit module, liquid crystal display circuit module and circuit module, such as reading and writing H6152 working principle and function are described in detail.Key words: SCM; IC Card ; Liquid crystal display; Memory modules 3第 1 章 緒論1.1 課題背景及意義隨著社會科學技術的高速發(fā)展，資源短缺現(xiàn)象日益嚴重，尤其是與人類生存嘻嘻相關的水資源。水是寶貴的環(huán)境資源，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要物質基礎。但是，我國是世界上人均水資源擁有量是分貧乏的國家之一，節(jié)約和保護水資源是我國當前一項是分重要的戰(zhàn)略措施。節(jié)約水資源包括兩個方面的措施，一是大力推廣應用節(jié)水新技術；二是加強用水的科學管理，在某種意義上來說，加強用水科學管理是當前的首要任務。要加強用水的科學管理，最重要的是加速研究開發(fā)科學先進、應用方便的節(jié)水科學管理儀表以及這種儀表的普及應用。因此研制一種低功耗、計量精確方便的智能水表顯得極為重要。長期以來，我國城鎮(zhèn)居民所使用的水表普遍是普通機械旋翼濕式水表，這種水表價格低廉，性能比較穩(wěn)定，但是還采用人工抄表、按戶收費的模式。此方式存在著工作量大，收費周期長，收費困難，效率低下等缺點。隨著我國信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，金卡工程的全面實施，實現(xiàn)自來水收費管理的電子化、信息化及網(wǎng)絡化已成為可能。水表系統(tǒng)的智能化可以大大提高供水管理部門的工作效率、節(jié)約費用，用以改善供水設施，提高居民飲水質量；同事還能為加強自來水使用的監(jiān)督管理提供手段，從而在技術上為節(jié)約用水合理用水創(chuàng)造條件。微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，引起了儀表機構的根本性變革，以微型計算機（單片機）為主體，將計算機技術和檢測技術有機結合，組成新一代“智能化儀表” ，智能化儀表在測量過程自動化。智能儀表不僅能解決傳統(tǒng)儀表不易或不能解決的問題，還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，更容易實現(xiàn)高精度、高性能、多功能的目的。隨著科學技術的進一步發(fā)展，儀表的智能化程度將越來越高。我國目前智能水表新產(chǎn)品開墳基本上是借鑒國外先進模式，因為國外在此方面的研究設計起步較早。例如 ABB 公司的 KENT 水表采用充電電池，具有按鍵讀數(shù)、可以顯示日期時間及各戶用水量，建有機械式與電子式讀數(shù)功能，而且還配有 IBMPC 兼容機接口，可以進行電話通信；德國 Sameco 公司的新型水表可顯示上一年與本年度用水量以及日期與時間等，并開發(fā)電卡式水表；此外，日本、以色列等國也相繼推出自己的新產(chǎn)品。國內的一些企業(yè)也對多種智能化水表系統(tǒng)作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生產(chǎn)。從國內外水表行業(yè)的目前情況以及水資源的可持續(xù)性發(fā)展目標來看，我國的傳統(tǒng)水表必須進行改進，才能適應社會和經(jīng)濟的發(fā)展。41.2 傳統(tǒng)水表傳統(tǒng)水表的發(fā)展經(jīng)歷了漫長年代，它涉及社會生活的各個方面。它對改善人類生活、促進社會發(fā)展和科技進步起到了無法估量的作用。直到現(xiàn)在在很多領域還能繼續(xù)發(fā)揮作用。1.2.1 傳統(tǒng)水表的主要結構傳統(tǒng)水表主要結構由硬件構成，以相對固定形式確定下來，所實現(xiàn)的功能較單一。只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能，用戶在使用過程中無法對其功能進行改變。它一般具有輸入信號接口、內部處理電路和實時顯示三部分。對于一些儀表功能如自凋零、自校準、自動調節(jié)量程等的設置是由用戶在儀表設備面板上手工完成。1.2.2 傳統(tǒng)水表的主要特點傳統(tǒng)水表的主要特點是自成體系，自我包容，用戶無法更改。傳統(tǒng)水表功能單一，只具流量采集和機械指針顯示用水量的功能。同時，一臺普通傳統(tǒng)水表具有相對獨立性，不能與其他水表設備進行通信，而只能用于現(xiàn)場測量，測量結果不能處理、存儲、顯示，局限性很大。另外，傳統(tǒng)水表無法升級換代，而且開發(fā)周期長、經(jīng)費投入大。隨著科技水平不斷發(fā)展，人們對傳統(tǒng)水表提出以下幾方面的要求：測量精度高、功能強、可靠性好，測量全能自動化、智能化，小型化、使用靈活方便、升級方便，同時還能進行測量數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，具有和其他設備進行數(shù)據(jù)通訊等功能。這些新的要求不僅促使著傳統(tǒng)水表不斷地改進和發(fā)展，也孕育著新一代水表————智能水表的產(chǎn)生。1.3 智能水表隨著為電子技術的不斷發(fā)展，集成了處理器、存儲器、定時器/計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗甚至 A/D、D/A 轉換器等電路在一塊芯片上的超大規(guī)模集成電路芯片——單片機出現(xiàn)了。智能水表是一種以單片機為主體，結合計算機技術與測量控制技術，利用現(xiàn)代微電子技術、現(xiàn)代傳感技術、智能 IC 卡技術對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算交易的新型水表。智能水表除了可對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結算交易的新型水表。智能水表除了可對水量進行記錄和電子顯示外，還可5以按照約定對用水量進行自動控制，并且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。出于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結算通過 IC 卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉變。IC 卡交易系統(tǒng)還具有交易方便，計算準確，可以利用銀行進行結算的特點。1.3.1 智能水表的特點與傳統(tǒng)水表相比，智能水表有以下特點：1．對供水部門來說，可以實現(xiàn)先交費再供水的用水模式。這是大家都普遍認可的一個優(yōu)點。這對解決水費托拖欠這個過去難以解決的問題會有幫助。供水部門推行 IC卡水表的經(jīng)驗表明，人們普遍接受這一模式，供水部門不僅解決了拖欠交費的老大難問題，還可以提前收到資金。對用戶來說，由于水費的支出在總支出中占得比重很小，這種改變，對用戶來說，只是把水費的交付時間提前了一段時間，所以，用戶并不敏感。但對供水部門來說，這種變化則是不能小看的。隨著水資源的緊張和水的商品屬性逐步被社會認可，水的交易將會逐漸采用一般商品的交易模式，顯然，先交費后用水，是更合理的一種交易模式。2．改變了入戶抄表收費的模式。這種模式改變的意義是巨大的。由于城市規(guī)模不斷擴大和居民戶數(shù)快速增加，供水部門抄表和收費的工作量將不斷加大。沿用傳統(tǒng)的上門抄表模式，將很難適應這種變化。而現(xiàn)在由于各種原因的影響，人工入戶抄表的效率已經(jīng)在逐漸下降并且是這種模式的成本不斷增加。解決這個問題，可以采用多種途徑，但依靠技術進步來解決這個問題，應當是更值得提倡的方式。顯然，采用智能IC 卡水表及其管理系統(tǒng)，將可以從根本上改變由供水部門派人去千家萬戶抄表收費的模式。只要供水部門合理設置交費機構，基本上不會給用戶帶來麻煩。如果得到金融系統(tǒng)的配合，還可以減少布點的成本。因此大規(guī)模采用智能 IC 卡水表技術對降低供水部門的管理成本是會有顯著幫助的。而使用 IC 卡進行交易結算，用戶可以自主決定交費時間和數(shù)量，增大了用戶的自主性。特別是隨著人們家庭安全意識和隱私意識的增強，入戶抄表和上面收費等隨意進入私人住戶的做法將逐漸不受歡迎甚至受到抵制，這是一個必須給予重視的社會發(fā)展趨勢。而使用智能 IC 卡進行交易結算，將可以有效解決這個會帶來很多社會隱患的問題。3．可以有效解決一些技術難題。比如,隨著水資源的緊張，將會逐步實行超計劃水價甚至階梯式水價等較為復雜的用水管理模式。這些，將對供水交易提出較高的技術要求。采用普遍水表和人工抄表的模式，是難以解決這些技術問題的，而采用智能 IC卡水表，將很容易解決這些問題。4．隨著科學技術的發(fā)展，供水行業(yè)也需要逐步實現(xiàn)用高科技手段進行供水管理。6采用傳統(tǒng)水表，這個跨越式很難完成的，而采用智能 IC 卡水表，將為運用計算機技術進行現(xiàn)代化管理奠定一個技術基礎。5．當然，使用智能 IC 卡水表還有其他優(yōu)點，比如可以有效解決盡量扯皮、用水糾紛，貪污水費、人情用水、用水統(tǒng)計困難等問題。6．與遠傳抄表系統(tǒng)相比，智能 IC 卡水表具有使用和維護成本很低，沒有布線造成的混亂和高故障率等問題。智能 IC 卡水表的以上優(yōu)點，將會使智能 IC 卡水表逐漸被社會所接受并成為一種基本配置。1.3.2 國內外智能水表的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，國內企業(yè)與研究機構主要致力于智能網(wǎng)絡遠傳水表的智能卡式水表系統(tǒng)方面的研究開發(fā)，如寧波水表廠、上海自來水公司水表廠等都在相繼開發(fā)遠傳水表，由于智能網(wǎng)絡遠傳水表系統(tǒng)需要配套遠傳通信網(wǎng)絡支持，其初期投資大，因此只適用于在一些新建住宅小區(qū)組成相對獨立的小網(wǎng)，所以目前尚未大量投入市場；而后者采用先付費后用水的管理模式，在當前收費困難、人工抄表效率低下的情況下，更能獲得供水管理部門的青睞。1、智能網(wǎng)絡遠傳水表系統(tǒng)就目前來講，智能網(wǎng)絡遠傳水表又可分為分線制集中抄表方式和總線制智能抄表方式。（1）分線制集中抄表方式各種分線制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定時順序采集來自多路分戶線的水表信號，并進行數(shù)據(jù)處理、存儲。各采集器之間采用總線制連接，最后連接到計算機。其典型特點是各戶表通過分戶線連接至采集器。分線制集中抄表模式單純從技術上講較成熟，也節(jié)約成本（多戶表共享一個采集器） ，但從實際情況看，分線制集中抄表模式存在如下缺點：①由于每次水表的計量信號是通過分戶線穿越較長距離到達采集器，中途任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)疏漏都將使采集器采集不到數(shù)據(jù)，而且鋪設分戶線不僅使安裝任務繁重，也存在許多隱患：短線，斷線等。錯綜復雜的線路更使得維護工作困難重重。②采集器均安裝于現(xiàn)場，需專業(yè)人員調試系統(tǒng)并定期巡視維護，專業(yè)隊伍日益“壯大” ，維護費用也相應劇增。③分線制集中抄表模式的風險不僅僅是各表風險的簡單累加。如果采集器掉電或出現(xiàn)其他嚴重故障則會使該采集器上所有數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風險無法有效分散，與測控系統(tǒng)強調的集中管理、分散控制的分布式設計死相違背。7（2）總線制智能抄表方式總線制智能水表由于采集、計數(shù)工作單元均安裝在智能水表內并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯等基礎工作全由智能水表本身完場，手抄器或電腦不參與底層數(shù)據(jù)采集僅進行通訊聯(lián)系，消除了外界因素對計量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存（僅影響水表數(shù)據(jù)的讀出） ，無需重新置數(shù)，水表的真實讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但由于單表內設置單片機和后備電源，成本較高，推廣普及較慢。由于各表輸出的總線只需掛接，可以減少分線制抄表方式大量煩瑣的布線、系統(tǒng)調試任務以及后期使用過程中線路、系統(tǒng)維護等繁重勞動強度，也方便高層次設計如網(wǎng)絡結構的設計、與其他系統(tǒng)（如安防、照明、空調、消防）共享開放式網(wǎng)絡的設計，進而為用戶提供完善、綜合的配套服務。2、智能卡式水表系統(tǒng)智能卡水表是在當今智能卡技術與市場迅猛發(fā)展、單個智能卡及刷卡機性能價格比日益提高的特定時期應運而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、讀卡器、收費管理信息系統(tǒng)等組成。用戶須在供水部門指定售卡點，購水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解決用水收費糾紛的功能，這是其他抄表方式及普通水表上門抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無需鋪設管線及線路維護，安裝方便、維護簡單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動閥）控制，由智能卡讀入預購水量等信息，使用簡單，動作可靠，并且它的前期投資費用低，因此日益受到供水管理部門的青睞。根據(jù)我國金卡工程的長遠發(fā)展建設來看，單純地將普通機械式水表轉化成機械式+電子式固然已邁出了重要的一步，但是還不夠完善，因為水表的計量預收費及管理自動化將是大勢所趨。未來信息技術的發(fā)展必將朝著網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，作為樓宇自動化發(fā)展的方向的一個重要方面|——智能化水表系統(tǒng)。因此如何設計合適的平臺，將自動抄表系統(tǒng)、遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等無“縫隙”地與數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接起來，開發(fā)出能體現(xiàn)優(yōu)良的綜合性、互操作性、方便實際現(xiàn)場安裝維護的一體化智能系統(tǒng)將成為今后一段時期內的熱點。第 2 章 智能水表的組成和單片機的選擇2.1 智能水表系統(tǒng)硬件組成本水表電路的硬件設計原則是在低功耗的前提下，實現(xiàn)多功能，組成框圖如圖 2.1 8所示。系統(tǒng)硬件電路由 IC 卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以 AT89C51 為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該 CPU 芯片內置 4K的程序存儲器，有 32 個多功能的 I/O 口，具有多個可編程的中斷 I/O 口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取 IC 卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器的工作，同時還可以將水表的數(shù)據(jù)存入 E2ROM 進行永久保存并可通過串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。本水表采用電池供電。圖 2.1 硬件總體框圖2.2 AT89C51 單片機簡介2.2.1 89C51 單片機的基本組成在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即 89C51 單片機芯片內包括：（1）一個 8 位的微處理器（CPU） 。（2）片內 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。（3）片內 4KB 程序存儲器 Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。（4）4 個 8 位并行 I/O 端口 P0-P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個 16 位的定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式。（6）具有 5 個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。（7）一個全雙工 UART 的串行 I/O 口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與 PC 機之間的串行通信。AT89C51脈沖提取電路電磁閥控制電路安全保護電路IC 卡讀寫電路IC 卡讀寫電路液晶顯示電路通信接口電路記憶單元電路IC 卡座通信插座去脈沖電磁閥來自水量傳感器9（8）片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。（9）具有節(jié)電工作方式，即休閑方式和掉電方式。以上各個部分通過片內八位數(shù)據(jù)總線相連接。2.2.2 89C51 單片機引腳及其功能如圖 2.2 所示為單片機 AT89C51 的引腳圖。圖 2.2 單片機 AT89C51 的引腳圖（1）XTAL1 （19 腳）：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。（2）XTAL2 （18腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。（3）RST（ 9腳）：復位輸入，當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。（4）P0口（ 39～32腳）： P0口是一個漏極開路的 8位準雙向I/O端口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅動8個LS型TTL負載。當 P0口作為輸入口使用時，應先向口鎖存器寫入全1，此時P0 口的全部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。（5）P3口（ 10～17腳）： P3口是一組帶有內部上拉電阻的 8位雙向I/O多功能口。P3口輸出緩沖器可驅動 4個 TTL邏輯門電路。對P3 口寫入“1” 時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口，此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。當CPU不對P3口進行SFR尋址訪問時，即用作第二功能輸出/ 輸入線時，由內部硬件使鎖存器Q置1。整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持10ALE 管腳處低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陳列全被寫 “1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 表 2.1 P3 口與第二功能表端口引腳 第二功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD (串行輸出口 )P3.2 INT0（外中斷 0）P3.3 INT1（外中斷 1）P3.4 T0（定時器/計數(shù)器 0）P3.5 T1（定時器/計數(shù)器 1）P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）第 3 章 系統(tǒng)各模塊硬件電路設計3.1 IC 卡讀寫電路3.1.1 Mifare 1 射頻 IC 卡Mifare 1 射頻 IC 卡的核心是 Philips 公司制造的 Mifare 1 IC S50 系列微晶片，其內部包括 1KB 高速 EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個高效率射頻天線模塊。卡片本身不帶電池供電，工作時將卡片放在讀寫器的有效工作區(qū)域，卡片讀寫器的天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上的天線提供電源能量，其電壓可達 2V 以上，足以滿足卡片上的IC 電路供電需要。在信道保證和數(shù)據(jù)完整性方面，Mifare 1 標準還提供了信道檢測、存儲數(shù)據(jù)冗余校驗、三次傳遞認證以及防沖突機制等功能，保證了數(shù)據(jù)交換過程的安11全。Mifare 1 射頻 IC 卡的主要性能指標如下。（1）1KB的EEPROM ，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為4塊，每塊16B，以塊為存取單位。（2）每個扇區(qū)有獨立的一組（2個）密碼及存取權限設置。（3）每張卡有唯一的32位序列號。（4）具有防沖突機制、支持多卡操作。（5）無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通信邏輯電路。（6）數(shù)據(jù)可保存10年，可反復寫10萬次。（7）工作頻率為13.56MHZ。（8）106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。（9）讀寫距離最大可達10cm（取決于天線設計） 。（10）工作溫度范圍：-20-- +50 。 C。Mifare 1射頻卡包含了兩個部分：RF 射頻接口電路和數(shù)字電路部分。（1）RF射頻接口電路在RF 射頻接口電路中，主要包括波形轉換模塊和POR模塊。波形轉換模塊可將卡片讀寫器上的13.56MHZ的無線電調制頻率接收，一方面送調制 /解調模塊，另一方面進行波形轉換，將正弦波轉換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。POR模塊主要是對卡片上的各個電路進行POWER-ON-RESET（上電復位） ，使各電路同步啟動工作。（2）數(shù)字電路部分模塊·ATR模塊：Answer to Request (“請求之應答”)當一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR將啟動，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType ）號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡。如果不進行第一步的ATR工作，讀寫器對卡片的其他操作（Read/Write等）將不會進行。·Anticollision模塊：防止（卡片）重疊功能 如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內時， AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動工作，在程序員控制下的卡片讀寫器會與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于Mifare 1卡片每一張都具有唯一的系列號，決不會相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號來識別、區(qū)分已選的卡片?？ㄆx寫器中的MCM 中的Anticollision 防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進行數(shù)據(jù)交12換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準備與卡片讀寫器進行通信。Anticollision模塊（防重疊功能）啟動工作時，卡片讀寫器將得到卡片的序列號Serial Number。序列號Serial Number存儲在卡片的Block 0中，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號Serial Number的校驗字節(jié)?！elect Application 模塊：主要用于卡片的選擇當卡片與讀寫器完成了上述的二個步驟，程序員控制的讀寫器要想對卡片進行讀寫操作，必須對卡片進行“SELECT”操作。以使卡片真正地被選中。被選中的卡片將卡片上存儲在BLOCK 0 中的卡片的容量 “SIZE”字節(jié)傳送給讀寫器。當讀寫器收到這一字節(jié)后，可以對卡片進行深一步的操作，例如，可以進行密碼驗證等等?！ふJ證及存取控制模塊在確認了上述的三個步驟，確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進行讀寫操作之前，必須對卡上已經(jīng)設置的密碼進行認證，如果匹配，則允許進一步的Read/Write操作。Mifare 1 卡片上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨立地應用于一個應用場合。整個卡片可以設計成“一卡通”形式來應用?！た刂萍八阈g運算單元這一單元是整個卡片的控制中心，是卡片的“頭腦” 。它主要進行對整個卡片的各個單位進行微操作控制，協(xié)調卡片的各個步驟。同時它還對各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術運算處理，遞增/遞減處理，CRC運算處理，等等。是卡片中內建的中央微處理機（MCU) 單元?！AM/ROM 單元RAM主要配合控制及算術運算單元，將運算的結果進行暫時的存儲。如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到EEPROM ，則由控制及算術運算單元取出送到EEPROM 存儲器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀寫器，則由控制及算術運算單元取出，經(jīng)過RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內）將被清除。同時，ROM中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術運算單元取出去對每個單元進行微指令控制，使卡片能有條不紊地與卡片的讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。·數(shù)據(jù)加密單元 該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護?！ご鎯ζ骷捌浣涌陔娐?3該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內）仍將被保持，用戶所要存儲的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。Mifare 1卡片中的這一單元容量為8196bit（1Kbyte） ，分為16個扇區(qū)，64個塊。3.1.2 H6152 讀寫模塊圖3.1 H6152基本結構示意圖H6152 讀寫模塊操作簡單方便，讀寫過程穩(wěn)定有效。它集成了 PCB 板載天線電路和 RS-232/422 接口的集成讀寫模塊，還提供了 RS-232/422 接口與 TTL 接口的轉換電路。H6152 需外界+5V 電源供電。主要性能指標如下：（1）工作頻率：13.56MHz。（2）串行通信波特率：9600bps、19200bps、38400bps 和 57600bps4 種可選。（3）接口：RS-232/422/485 。（4）天線輸出阻抗：50K 歐姆。（5）天線尺寸：45mm×70mm。（6）電源電壓：+5V。（7）電流供應：80mA。（8）工作溫度：-40～+85℃.（9）最大讀寫距離：50mm。11 10H201014x20 ○1○○○○○○○○○○○143.1.3 IC 卡讀寫電路的原理及說明IC 卡應用系統(tǒng)的硬件設計結構框圖如圖 3.2 所示，總體原理圖見附錄 1。單片機AT89C51 是本設計的核心器件，它主要完成了對射頻卡（MIFARE 1 卡）的讀寫操作。H6152 讀寫器對射頻卡進行讀寫后通過串口電平轉換電路將 RS－232 電平轉換為單片機所識別的 TTL 電平，從而達到了使用 AT89C51 單片機來控制射頻卡的讀寫過程。圖 3.2 硬件設計結構框圖硬件電路由單片機模塊、串口電平轉換模塊和 H6152 讀寫模塊 3 部分電路組成，其工作原理分別如圖 3.3、圖 3.4、圖 3.5 所示。單片機AT89C51串口電平轉換電路IC 卡讀寫器報警電路Mifare1射頻卡15圖 3.3 單片機模塊圖 3.4 串口電平轉換模塊16圖 3.5 H6152 讀寫模塊U1 為單片機芯片 AT89C51，其 P1.0 腳為單片機對 H6152 的控制輸出，它控制H6152 的工作狀態(tài)，該引腳為高電平時，H6152 停止工作；P1.1 腳為單片機對蜂鳴器的控制輸出，為低電平時，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲。XTAL0 和 XTAL1 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器，石晶振蕩和陶瓷均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，則 XTAL1 不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。本設計的外部時鐘電路是將 XTAL0(18 腳)和 XTAL1(19)腳分別對接外部晶體和微調電容的兩端所構成。另外單片機中還帶有復位端，為了安全方便，單片機采用了上電自動復位和手動復位兩種。圖 7 中的 U3 為 H6152 的對外接口，1-7 腳對應H6152 板上的 J3 的 1-7 針，8-11 腳對應 H6152 板上的 J4 的 1-4 針。L1 為雙色發(fā)光二極管，它表示當前 H6152 的工作狀態(tài)。串口電平轉換電路采用 Maxim 公司的 MAX3232 實現(xiàn)。 MAX3232 將單片機的TTL 電平轉為 RS-232，然后與 H6152 的 RS-232 接口直接相連。RS-232C 是數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DCE）之間的接口標準，是在微機接口應用中常用的一種串行通信總線標準，全稱為 EIA-RS-232C 標準（ Electoronic Industrial Associate Recommended Standard-232C） 。RS-232C 標準的信號線共 25 根，其中只定義了 22 根。這 22 根信號線又分為主、輔兩個信道，大多數(shù)微機串行通信系統(tǒng)中都只使用主信道的信號線。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信號都要連接，一般情況下只需使用其中的 9 根信號線，這就是為什么在微機的機箱上串行通信接口（如COM1、COM2）只有 9 根的原因。RS-232C 串行通信接口標準中，對于發(fā)送端，規(guī)定17－5V～－15V 表示邏輯“1” （MARK 信號） ，用＋5V ～＋15V 表示邏輯“0” （SPACE信號） ，內阻為幾百歐姆，可以帶 2500pF 的電容負載。負載開路時電壓不得超過±25V。對于接收端，電壓低于－3V 表示邏輯“1” ，高于＋3V 表示邏輯“0” 。 設計中單片機選用 ATMEL 公司的芯片 AT89C51，它可以完全滿足設計的功能要求。3.2 液晶顯示電路3.2.1 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊 GXM12864，它內含 KS0108B/HD61202 控制器，是一種采用低功耗 CMOS 技術實現(xiàn)的點陣圖形 LCD 模塊，有 8 位的微處理器接口，通過內部的 128×64 位映射 DDRAM 實現(xiàn) 128 點×64 點大小的平板顯示。該液晶顯示模塊使用 KS0108B 作為列驅動器，同時使用 KS0107B 作為行驅動器。KS0107B不與 CPU 發(fā)生聯(lián)系，只要提供電源就能產(chǎn)生行驅動信號和各種同步信號，比較簡單。液晶顯示模塊 GXM12864 的工作原理圖如圖 3.6 所示。圖 3.6 液晶顯示模塊 GXM12864 的工作原理圖電位器 R15 的作用是調節(jié)提供給驅動器的供壓，從而調節(jié)液晶顯示的對比度。RST 是復位腳，接高電平 Vout1。數(shù)據(jù)線 DB0～DB7 和單片機的 P0 口相連，控制線D/I、R/W 和片選線/CSA 、/CSB 分別與單片機 P2 口的 6、5、1、0 腳相連，使能線與18P2.3 相連。在進行液晶顯示模塊的硬件調試時務必注意正確的接線，尤其是正負電源的接線不能有錯，否則會燒壞電路上的芯片。為避免液晶模塊的損壞，在加液晶驅動電壓V0/VEE 時需要比加邏輯電壓 VDD 滯后 50ms；在關電時，液晶驅動電壓 V0/VEE 需要比邏輯電壓 VDD 提前 50ms 關斷。GXM12864 的引腳定義如表 3.1 所示。表 3.1 GXM12864 的引腳定義引腳名稱 引腳定義/CSA、/CSB 片選 1、2VSS 數(shù)字地VDD 邏輯電源+5VV0 對比度調節(jié)D/I 指令數(shù)據(jù)通道R/W 讀/寫選擇E 使能信號、高電平有效DB0-DB7 8 位數(shù)據(jù)線RST 復位信號VEE 液晶驅動電源A、K 背光正電源端、背光接地端3.2.2 電源模塊在一般情況下，液晶器件的驅動需要兩種不同的電源電壓，一種是+5V(工作電壓)，另一種是-10V( 背景光對比度調節(jié)電壓 )。所以，使用液晶模塊時，需要設計專門的液晶電源電路。液晶電源電路的作用就是將電壓轉換成這兩種電壓信號輸出，為液晶顯示模塊提供工作電壓。本設計中系統(tǒng)采用電池供電，其輸入電壓為+3V，所以電源部分的設計要求為 +3V輸入，+5V 和-10V 雙電壓輸出。19MAX1677 是雙電壓輸出升壓 DC-DC 變換器，它是一種專門為 LCD 提供電源的芯片，可以產(chǎn)生兩種可調電壓輸出。其輸入電壓范圍（0.7-5.5V）較大，可以依據(jù)不同系統(tǒng)提供的安裝電池的空間和所需的不同電池電壓與容量，靈活的選擇電池的種類。電源模塊電路如圖 3.7 所示。圖中，MAX1677 的輸入電壓 Vin=3V，輸出兩路電壓 Vout1 和 Vout2，分別是+5V 和-10V ，+5V 為系統(tǒng)電源，而-10V 作為液晶顯示模塊的背光電源。圖 3.7 電源模塊電路電路中的其他器件說明如下。L1、L2 為 CoilCraft 的 DO1608C-103 表貼磁芯電感，電感值為 10Uh。D1、D2 是反相耐壓大于 16V 的肖特基二極管，也可選用具有相同耐壓參數(shù)的其他型號二極管。電阻 R11 和 R12 的比值決定了主輸出電壓值 Vout（對應圖中的 Vout1）需滿足下面的公式： R11=R12*[Vout/1.25-1] （R12 的取值范圍為 10-200 千歐姆）電阻 R14 和 R13 的比值決定了 LCD 對比度輸出的電壓值 VLCD(對應圖中的 Vout2)需滿足下面的公式： R14=R13*|VLCD|/1.25（V） （R14 的取值范圍為 500-2000 千歐姆）電阻 R8 和 R7 的比值決定了系統(tǒng)欠電壓監(jiān)測的門檻電壓值 VTRIP 需滿足下面的公20式：R8=R7*[VTRIP/0.614-1] (R7≤130 千歐姆)當電池正常時，電池電壓過低，輸出引腳 LBO 輸出保持高電平；一旦電池電壓低于門檻電壓，LBO 引腳輸出為低電平。如果不是用欠電壓監(jiān)測的話，只需要將第三引腳（LBI ）接地即可。在原理圖中，Vin 為電源電路的輸入端，連接兩節(jié) 1.5V 的電池形成便攜式儀表的電源；Vout1 連接 MAX1677 的第 16 引腳，輸出+5V 的電壓，作為系統(tǒng)的電源電壓；Vout2 連接 MAX1677 的 10 引腳，輸出-10V 的電壓，作為液晶顯示模塊的背光電源電壓。3.2.3 單片機模塊由于內部液晶控制器的存在，單片機可直接與 GXM12864 相連，不必使用其他的接口芯片。由于單片機采用 Atmel 公司的 AT89C51,將液晶模塊作為存儲器的一部分，直接進行 I/O 操作。其