2017毕业论文-基于AT89S52单片机的预收费煤气表的设计.doc

苏州信息职业技术学院毕业设计论文苏州信息职业技术学院毕业设计报告（论文）系 别： 通信与电子系 专 业： 汽车电子 班 级： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设计（论文）题目： 预收费煤气表的设计 指 导 教 师： 起 讫 日 期： 毕业设计报告（论文）摘要预收费煤气表的设计摘要：目前使用的机械式煤气表存在较大的弊端，给管理部门和用户带来了很大的不方便，为了能从根本上解决此问题，设计一种新型的智能煤气表收费系统就显得十分必要。针对这种情况，本文设计了智能IC卡煤气表系统，以实现煤气收费管理的电子化和信息化。本设计是基于AT89S52单片机控制的煤气计费模块，控制简单，设计中采用非接触式智能卡模块实现预付费功能，具有严谨的保护和防作弊功能；系统具备液晶显示功能，利用RT1602液晶显示模块显示余额、用气量等数据；为了保证系统的稳定性和可靠性，该设计中还加入了掉电保护模块，保护用户数据不丢失，使计费系统实现自动化和最优化。 关键词：煤气表,非接触式卡,预付费,单片机毕业设计报告（论文）摘要(Thesis) Title: YuShouFei MeiQiBiao design The mechanical gas meter at present has a big disadvantages to the management and the users a great deal of inconvenience. In order to fundamentally solve this problem, it is very necessary to design a new type system of intelligent gas meter. In view of this situation, this paper designed an intelligent IC card gas meter systems in order to achieve the gas tariffs and the management of electronic information.The design is a gas billing module which based on the MCU AT89S52, the control is simple, the design take the non-contact less smart card module to achieve pre-paid functions, with have strict protection and anti-cheat functions. System use the RT1602-liquid crystal display function to show the Balance data etc. In order to ensure system stability and reliability, the design also joined the power-down protection module to protect the user data is not lost, make the system enables automated billing system and optimization.Keywords: Gas meter, Non-contact card, Prepaid, Single-chip目 录摘要.1第一章绪论.51.1煤气表的发展.61.2煤气表收费方式.61.2.1煤气表的发展.61.2.2收费方式.81.3设计目的.71.4设计中需要重点解决的问题.9第二章系统软件设计方案.102.1系统组成.102.2整体方案论述.10第三章单元电路.113.1主控电路MCU.123.1.1主控芯片介绍.123.1.2主控电路.123.2流量测量模块.143.3显示电路.153.3.1RT1602介绍.153.3.1.1RT1602引脚说明.153.3.1.2RT1602指令说明.163.313RT1602的读写时序.173.3.2LCD接口电路.183.4掉电储存模块.193.4.1I的平方C总线的基本原理.193.4.2AT24C02介绍.213.4.3AT24CO2硬件电路连接.223.5智能IC卡接口模块.233.5.1MifareS50卡介绍.233.5.2MifareS50卡的访问操作与命令.243.5.3读卡器模块.253.5.4硬件电路.253.6电源监控系统.263.7电磁阀控制电路.273.8煤气泄漏报警电路.283.9声光报警电路.28第四章程序设计.284.1主程序流程图.284.2非接触式卡读写模块.294.3掉电储存模块.304.4液晶显示模块.315结论.31致谢.33参考文献.3329第一章 绪论1.1 煤气表的发展现状随着社会的进步，人民生活水平的不断提高，城市管道煤气已逐渐进入千家万户。煤气作为一种清洁和高效的能源已经有越来越多的用户在使用，据不完全统计，截止2011年，我国城市煤气用户已过千万。特别是西部大开发“西气东输”计划的启动，管道煤气将向更多的大，中，小城市扩展，用户更会大幅增长，管道煤气已经和水，电一样成为城市的基本设施，给人们的日常生活带来极大的方便。最近中国市场监测中心发布2009年中国煤气表制造行业研究咨询报告，介绍了煤气表制造行业的运行概况，其中大多计费装置是以电子卡式和集中式为主，分别分析了2008-2009年全球和国内煤气表制造行业市场规模及供需发展态势,并详细分析了近几年国内煤气表制造行业市场的产销状况，并对未来三年煤气表制造行业的市场供需状况、竞争格局进行了预测分析。报告同时指出研究和设计新型智能的煤气表对该市场行业的大力推动作用。为了改善煤气部门的经营状况，为了适应社会主义市场经济，同时方便人民群众的生活，国家政策十分明确的提出了要改变目前的查表收费方式。在中国住宅产品发展纲要中明确提出，实现方便查表，不干扰住户，使大量人工查表工作逐步过度到数据化传递，非接触卡式煤气计量装置及接口箱柜。智能化计量装置的开发要达到准确计量（二级精度），抗干扰能力强，稳定性与耐久性可靠，使用安全，防盗等基本技术性能要求。作为“三金工程”之一的金卡工程在我国经过多年的发展，已经取得了明显的成效，但于国外相比仍有很大的差距。 IC卡智能终端是由IC卡多功能结算器系统，感应式IC卡收费机系统，IC卡门禁系统，智能IC卡煤气表，水表计费系统，金融商用IC卡，POS机等组成，产品广泛应用于交通，金融，商业，公用事业，社会保障等各个领域，是推进信息产业发展，推进金卡工程的基础产品。近年来，人们对IC卡电表，水表，煤气表等进行了很多的研究，使得这些技术越来越成熟，并进入了试用阶段，目前国内许多大中城市以开始逐渐采用。这些政策和指导方针对于智能家居系统的发展具有很大的推动作用，而非接触煤气计量系统也将会给人们的生活带来更大的便利。IC卡煤气表是一种根据用户IC卡购气量实现自动计量收费，自动控制用气的民用高技术产品，它具有传统人工抄表收费式煤气表无可比拟的优越性，实现了煤气收费管理系统的电子化，信息化和网络化，IC卡煤气表及其收费管理系统已经呈现出广阔的应用前景。1.2 煤气表收费方式1.2.1 煤气的发展人们从开始使用人工煤气了，给人们的日常生活带来方便，但是正因为煤气如此的重要，对煤气使用的管理工作也就显得十分必要。煤气计量表也被列入国家强检目录的强制检定计量器具，因此煤气计量系统也是不断在发展，从原来的机械式到电子式的，再在现今的智能化系统，给人们的生活提供了便利。在当时，煤气的计费通常按照具有一定规格的火孔数量和使用时间来进行推算,但在具体实施过程中却产生了各种各样的困难和矛盾。煤气计量仪器也不断地发展，收费方式也不尽相同，国内外一百多年来一直是采用取查表收费的模式，这种方式极为原始，由抄表人员入户查表计费，然后再由收费员入户收费或将帐单送到用户家，银行结算。目前的管道煤气表，普遍采用容积式煤气表，只能指示累计的用气量，煤气管理部门需要派抄表人员按月来到每家用户抄表，抄表后再进行计费、收费。这种管理人员定期上门抄表及收费这样一种管理方式,导致燃气公司的的工作量很大,管理效率很低，也存在很大的弊端。例如需要大量的抄表人员与收费人员；人为方式弊端多；工作效率低，严重影响居民的生活，给管理部门造成了人力,物力,时间上的极大浪费和不方便，收费也不容易管理，特别是对煤气费用拖欠的用户难以限制，研究开发一种新型的煤气表收费系统十分必要。对于智能IC卡煤气表而言，它的研究要稍微落后于IC卡电表和水表的研究，这主要是因为它的应用面狭窄一些，而且，气体的计量技术也比水和电的计量技术难度大，测量技术发展的限制了智能煤气表的发展。目前已经开发出了一些产品并投入使用，但使用的这些IC卡煤气表都或多或少的存在着一些问题：(1)成本偏高，大多数表的售价在800元左右；电路的功耗比较大，电池的使用寿命比较短。(2)目前国内生产的卡式表大都是从煤气表生产厂家购入煤气表后在煤气表的入口前安装一个关断阀门，在计数器部位增装预收费系统，按照这种技术路线生产出来的煤气表有些技术特性很难达到国家标准的要求，如压力损失。真正意义上的卡式煤气表的关断阀应该是设置在煤气表的内部，是机电一体化的装置，而不是在煤气表之外又加上一个阀门。1.2.2 收费方式由于技术条件的限制，一直到20世纪中期仍然没有找到有效的技术手段来解决这个问题。至今许多国家解决这个问题的唯一手段是将煤气表移到户外。虽然英国等国家早就发明了投币煤气表，但由于在户外，储币盒丢失，损坏是一个难以解决的问题，同时由于室外的温度太高，达30度到40度，因而对计量仪器的可靠性提出了很高的要求，同时又要求温度变化对计量进行补偿，因而推广应用上有一定的困难。随着微型计算机技术和微电子技术的出现和发展，收费方式才有所改变，人们发明了磁卡煤气表，电子式煤气表，才出现了真正实用的电子装置，解决了查表收费的问题。目前，许多发达国家采用遥读方式读取用户的用气量后，在银行通过用户帐户进行结算，彻底解决查表收费问题。在美国等国家多半是采用无线遥读的方式，而在欧洲许多国家是采用有线集中读取，即在用户小区内设置煤气计量集中器，通过固有煤气监测网络来测量煤气量，再有计算机统计计算费用。煤气公司计费后，用户在银行结算的方式。今年日本等国家又发展了通过电话线采集用户消费量，利用公共电话网络传输信号，煤气公司统一管理，最后总到银行，银行进行结算的方式，与欧美等国家相比技术上有了一定的优势，具有遥读和遥控的双向功能，且方便，准确【2】。对于智能IC卡煤气表而言，它的研究要稍微落后于IC卡电表和水表的研究，这主要是因为它的应用面狭窄一些，而且，气体的计量技术也比水和电的计量技术难度大，测量技术发展的限制了智能煤气表的发展。目前已经开发出了一些产品并投入使用，但使用的这些IC卡煤气表都或多或少的存在着一些问题：(1)成本偏高，大多数表的售价在800元左右；电路的功耗比较大，电池的使用寿命比较短。(2)目前国内生产的卡式表大都是从煤气表生产厂家购入煤气表后在煤气表的入口前安装一个关断阀门，在计数器部位增装预收费系统，按照这种技术路线生产出来的煤气表有些技术特性很难达到国家标准的要求，如压力损失。真正意义上的卡式煤气表的关断阀应该是设置在煤气表的内部，是机电一体化的装置，而不是在煤气表之外又加上一个阀门。1.3设计目的为了克服机械式煤气表存在的问题和缺陷，以及现收费方式的弊端，研究新型的智能煤气计费系统就很必要了，该设计的目的就是为了克服老式煤气表和收费方式的弊端而设计的，使煤气计量更精确，减少人为弊端，同时解决市场上煤气表种类繁多价格昂贵的现状，为以后煤气表的发展方向做一个展望，逐渐向智能化、管理集中化发展。设计中考虑成本问题，使用材料性价比高的模块，尽量降低成本。本设计利用智能IC卡和单片机控制相结合的技术使计费系统实现智能化和最优化。1.4 设计中需要重点解决的问题现行的智能化的煤气表是利用先进的IC卡技术和单片机为核心的终端控制设备实现计费和计量，煤气公司将用户所购气量的钱数存在卡内，然后将卡和计量器连接由系统程序完成计费。根据实际要求要着重解决下列几个问题：(1)设计中使用元件及模块的性价比；(2)设计中关于使用寿命和稳定性的解决；(3)设计中关于电源和功耗的相关问题；(4)预付费的问题。对于设计中的细节问题需要注意的是：(1)流量精度的控制。目前家用煤气计量大多采用体积流量计,为提高使用精度,应该引进非线性修正技术和尽量使仪表示值向标准容积换算值靠拢,这才是是提高仪表计量价值的有效途径。(2)智能IC卡与单片机的接口，利用IC卡实现预付费，单片机与非接触式智能卡Mifare S50的接口是通过MAX232芯片串行通信实现，同时系统还可能使用远程计算机控制终端，也是通过MAX232芯片实现。关于远程计算机终端控制，这里只做展望，不详细介绍。第二章软件设计方案2.1 系统组成MCU 流量采集LCD液晶显示掉电存储电磁阀驱动射频卡模块电源监控键盘声光报警漏气检测电路电源该系统是基于单片机实现的，为保证能够完成任务书要求的功能，设计采用模块化，各部分欲实现的功能相对独立，系统主要有单片控制核心（MCU）、流量采集模块、LCD液晶显示模块、射频卡模块、掉电存储模块、电源监控模块、电磁阀驱动、声光报警电路、漏气检测电路、键盘以及电源组成。各部分电路各司其职，共同完成整体功能。该系统组成方框图如图1所示。图1 系统框图接通电源是系统设计的第一步，用户通过此键来查看煤气使用量、余额以及其他信息，当系统报警时，用户也可以通过按此键来消除报警2.2 整体方案论述本设计是基于单片机实现的，在原有的煤气表的基础上改进完成的。首先，系统采用智能IC卡来实现预付费功能，本设计采用Mifare S50卡，具有严谨的保护功能，可以防止伪卡的攻击。用户先去煤气公司购买预定钱数的煤气量，煤气公司将该信息存入卡内，然后用户回家后将此卡和系统射频卡模块连接，一般都是非接触式的，系统在程序的控制下将卡内数据信息传送到单片机内，并保存在存储器中，并将此卡内数据清零，以确保一卡对一机，防止多次使用此卡。其次，对于煤气量的测量采用先进的霍尔传感器进行信号测量，具有稳定性好，抗干扰能力强的能力，该传感器根据流体流量的大小，定期输出交替变化的电压脉冲，即数字信号，基本原理将在后面的流量测量模块里详细介绍。该传感器通过检测每单位煤气量对应输出一个脉冲送给单片机，系统程序累计积累的脉冲数，按一定的算法计算出总的煤气量。系统根据程序的要求，将总的用气量换算成对应的钱数，并将存储器中的数据相应扣除，实现计费。最后，系统采用LCD液晶显示,用户可以通过键盘输入查询用气量和卡上余额等信息，当卡内余额不足时，系统会发出报警，提醒用户及时购买，当卡内余额用完时，将会驱动电磁阀关闭煤气管道中的阀门。同时，系统还配备了电源监控保护模块和掉电存储电路，当系统由于供电设备或其他问题而断电时，会将程序正在运行中产生的重要数据保存到外置存储器中，例如用户当前用气量，计算产生的数据等，保护用户和煤气公司的利益。展望未来，煤气表的发展会更智能化和最优化，因此，本设计中还提出了一个在线监控的功能，即利用智能IC卡与单片机的接口电路MAX232模块，将系统通过线路通信链接到远程计算机上，煤气公司可以设置上位机，在线实时监测用户数据的动态变化，也可以实现远程抄表计费。该设计对此只做简单的介绍【3】。3.1 主控电路MCU3.1.1 主控芯片介绍主控芯片MCU采用AT89S52, 该单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256k bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产。控制方便，供电简单，程序也易于编写，同时市场价格比较便宜，很容易买到，市场上与其配套的电路、元件也丰富，也利于本系统的推广。控制器采用11.0592MHz的晶体振荡器使时钟更加精确，该芯片可以采用程序使电路进入省电状态，即当用户将煤气阀门关闭后，不使用煤气表时，程序使得电路进入省电模式，节省电量。该芯片还有4个8位并行I/O端口P0-P3，每个端口既可以用作输入，也可以用于输出；内部有两个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可 以设置成计数方式，用以对外部进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接受发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为24MHz。AT89S52处理的信号全部都是数字信号，具有很高的抗干扰性能。AT89S52支持ISP在线编程，方便系统的开发与调试【4】。3.1.2 主控电路单片机控制电路的整体运行，包括流量累积，费用计算，显示，以及阀门开闭和声光报警电路。其外围电路简单，包括外部晶体振荡电路和复位电路，各部分电路与单片机的接口如图2所示，复位电路采用上电自动复位和手动复位，原理是：如图所示，当电源接通时，由于电容C3两端电压不能突变，通过电阻R2进行充电，在电阻R2两端产生一个压降，瞬间将RESET端的电位抬高，使单片机复位，该复位信号需在振荡稳定后维持至少两个机器周期，不同的晶振选择的电容也应该有所区别，主要是满足复位条件。电容的选择要注意在几十微法就可以，电容值太大则充电时间过长影响正常工作，太小则达不到复位效果。正常工作时，若程序运行时出现问题需要从头开始执行，这时需要手动复位，按下按键S4，将电阻R1和R2串联起来，根据电阻分压的原理可知，在电阻R2上产生一个电压降，高于R1两端的电压，接近5V，RESET端收到此复位信号，程序就从头开始执行了。各端口分配如表1所示：P0.0-P0.7LCD液晶显示数据线P2.0AT2404数据线P1.0LCD液晶显示 RS端P2.1AT2404时钟线P1.1LCD液晶显示R/W端P2.4阀门继电器控制端P1.2LCD液晶显示E 端P2.6煤气泄漏检测端P1.3LCD电源控制端P2.7报警控制端P3.0MAX232射频接口1P3.4MAX706电源控制P3.1MAX232射频接口2P3.5MAX706电压比较P3.2流量脉冲输入P3.6按键输入 表1各端口功用图2 MCU主控电路图中按键S1是系统设计的功能键，用户通过此键来查看煤气使用量、余额以及其他信息，当系统报警时，用户也可以通过按此键来消除报警。3.2 流量测量模块为了保证测量精度，流量检测模块采用霍尔元件A44E，它是一种磁传感器，具有稳定性好，抗干扰能力强的能力等优点，用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高【5】。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，A44E是霍尔开关元件，输出信号是数字量，其内部电路及外观引脚如图3所示，其工作温度范围是-55到150，利用检测脉冲的方法来测量流量。霍尔元件的原理图和电路连接图如图4所示。其具体工作原理是：测量时将A44E、磁铁固定在机械仪表的涡轮上，机械仪表一般采用膜式煤气表，其为直接体积计量式，A44E内部的磁检测部分会随着涡轮转到不同的位置磁场强度信号不同，在恰当的位置时A44E就会输出交替变化的数字信号（磁场强的时候为低电平，磁场弱的时候为高电平）。设计时首先应该知道将要改造的机械式仪表的规格，在仪表的机械式涡轮上安装的磁铁应该具有较强的磁力，而且重量要适当，以此获得涡轮旋转一周煤气的流量大小的数据，便于在程序中累计脉冲个数并计算流量的大小；设计中将霍尔元件的信号输出端接到单片机的外部中断接口上，通过中断处理程序累计脉冲个数，再通过定时器设计累计时间的长短，设计中在定时器内设计30秒计算一次，通过程序实现设计采集时间的长短可以通过修改程序的参数进行重新设置。霍尔元件A44E的3脚是信号端，输出数字流量信号，需要外接5.1K的上拉电阻，2脚接地，1脚为电源。 如图4A44E连接电路3.3 显示电路显示电路采用市面上常用的RT1602C液晶显示模块，其安装方便，与单片机的接口简单，严格来说应该可以显示汉字，但是由于市面上显示汉字的液晶显示模块较贵，所以开发时使用RT1602C，如果需要显示汉字则需要选用12232F显示模块（12232F模块的接口与RT1602C相同），但其价格较贵。3.3.1 RT1602介绍LCD 1602 是常见的 16 2 行， 6 8 字符点阵液晶模块，广泛应用于智能仪表、通信、办公自动化设备中，其字符发生器 ROM 中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库，我们利用 1602 可以建立 8 个 6 8 点阵自定义字库，能够满足用户要求，而且1602液晶显示模块的体积大小合适，便于安装，设计中为了省电，1602的电源应由单片机控制，需要显示时供电，否则就不供电。3.3.1.1 RT1602引脚说明RT1602C为工业字符型液晶，能够同时显示32个字符。RT1602采用标准的16脚接口，其中端口由左至右以此为1脚到16脚；各端口说明如表2所示,第1脚接口，其中端口由左至右以此为1脚到16脚；各端口说明如表2所示,第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD为电源正极，接5V直流电源；第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，即背光调整，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第4脚：RS为寄存器选择，用于单片机和芯片的数据和命令传输，判别数据和命令，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线，用于传输显示的内容数据；第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。RT1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data 1/02VDD电源正极10D3Data 1/03VL背光调整11D4Data 1/04RS数据/命令选择端12D5Data 1/05R/W读/写选择端13D6Data 1/06E使能信号14D7Data 1/07D0Data 1/015BLA背光电源正极8D1Data 1/016BLK背光电源负极 表2RT1602引脚说明3.3.1.2 RT1602指令说明RT1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令,它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）。各条指令的说明如下所示：指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置；指令2：光标复位，光标返回到地址00H；指令3：置输入模式，光标和显示模式设置，I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示，C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 ，B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁；指令5：光标或显示移位，S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标；指令6：功能设置命令，DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线，N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示，F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符；指令7：字符发生器RAM地址设置；指令8：DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据指令表如表3.3所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符存储器地址0001字符发生存储器地址（AGG）8置数据存器地址001显示数据存储器地址（ADD）9读忙标志或地址01BF计数器地址（AC）10写指令10要写进的数据11读指令11读出的数据3.3.1.3 RT1602的读写时序RT1602液晶显示的操作时序，读、写操作时序参数对数据的读写操作至关重要，只有正确的把握操作时序，才能对器件进行操作，该器件的时序参数包括脉冲周期、脉冲宽度、数据的建立和保持时间、地址的建立和保持时间等，详细数据见表4所示。其中使能端E脉冲上升沿和下降沿的时间都为25ns。 时序参数符号极限值（单位：ns）最小值典型值最大值E信号周期tC400-E脉冲宽度tpw150-地址建立时间tSP130-地址保持时间tHD110-读操作数据建立时间tD-100读操作数据保持时间tHD220-写操作数据建立时间tSP240-写操作数据保持时间tHD210- 表4时序参数3.3.2 LCD接口电路RT1602液晶显示器与单片机的接口电路如图7所示，通过单片机P0口接10K极管Q1的通断来决定是否开启液晶显示，用以节省电源。液晶显示器的RS、R/W、E三端分别由P1.0、P1.1、P1.2口控制，控制LCD的读写操作以及其他命令的执行。背光通过一个10K的电阻器调节。输入、输出接口电路 输入、输出接口电路也称为IO电路(INPUTOutput)，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机与外部设备交换信息的桥梁。 (1)接口电路结构：一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成，当前的控制指令、通信数据、以及外部设备的状态信息等分别存放在专用存储器或寄存器组中。 (2)接口电路的连接：所有外部设备都通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上去。 (3)通信方式：分为并行通信和串行通信。并行通信是将数据各位同时传送；串行通信则使数据一位一位地顺序传送图7 LCD接口电路3.4 掉电存储模块3.4.1 总线的基本原理 (InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。总线特点：总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控芯片能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控芯片。总线协议如下：（1）只有在总线空闲时才允许启动数据总线；（2）在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。时钟线高电平时，数据线的任何电平变化都将被看作是总线的起始或停止信号。AT24C02芯片支持总线数据传送协议，总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现多个AT24C02的连接。总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。如图8所示。图8 数据线与时钟线的关系图起始和终止信号 ：SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。如图9所示。图9 起始信号与终止信号数据传送格式：一字节传送与应答，每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。如图10所示。图10 数据传送中的应答与非应答3.4.2 AT24C02介绍该系统掉电存储模块采用ATMEL公司生产的AT24C04芯片，它的容量是512字节8位，既4k位，对于本系统来说已经足够了。AT24C04芯片的优点有：与400KHz的总线兼容；1.8到6.0伏工作电压范围；低功耗CMOS技术；写保护功能；有一个16字节的页写缓冲器；1,000,000次编程/擦除周期；可保存数据100年。AT24C02的封装如图11所示，共有8个管脚，第八脚和四脚分别是电源和地端。1、2、3脚分别为A0、A1、A2，用于器件地址选择。第五、六脚是数据线和时钟线。第七脚为写保护。管脚功能配置如表5所示。 图5AT24C02的封装管脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址线SCL时钟线WP写保护VSS地VDD电源正极 表5 管脚功能配置SCL是串行时钟线，时钟输入信号，用于产生器件所有数据发送和接收的时钟，是一个输入管脚。SDA是串行数据/地址，用于器件所有数据的发送和接收，可以双向传送，SDA是一个开漏输出管脚。WP是写保护控制位，如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护（只能读）。当WP管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。 A0，A1，A2为器件地址输入端，正好与芯片的1，2，3引脚对应，为当前电路中的地址选择线，三根线可选择8个芯片同时连接在电路中，当要与哪个芯片通信时传送相应的地址即可与该芯片建立连接，电路中的三根地址线都为0。AT24C02的芯片地址如表6所示，1010为固定，最后一位R/W功用是告诉从机下一字节数据是要读还是写，0为写入，1为读出。表6 AT24C02的芯片地址（0xa0为写，0xa1为读）MSBLSB1 0 1 0 A2 A1 A0 R/W 3.4.3 AT24C02硬件电路连接AT24C02与单片机的连接简单，只占用两个端口，本电路中是用了P2.0和P2.1，数据线是P2.0口，时钟线是P2.1口。所示。工作原理：当系统由于电源或其他原因突然断电后，电源监控模块检测到后，系统根据程序控制，对AT24C02进行写操作，将程序正在运行的数据或其他重要数据保存到外部存储器中，系统恢复供电并复位后，将根据程序设计把存储器中保存的数据重新载入单片机内部RAM 中，供运行使用。图中R1、R2为上拉电阻【6】。3.5 煤气IC卡接口模块3.5.1 Mifare S50卡介绍智能IC卡采用MCS-RC500非接触式智能卡通用读写器，选用郑州万光智能卡科技有限公司设计的模块。硬件电路简单，容易实现与单片机的通信，程序设计灵活，易于开发，且可以与计算机通信，通过计算机软件对用户的数据进行管理。，仅仅需要一块MAXIM公司的MAX232芯片，配合外部电路，利用单片机的串行通信I/O口就可以与读卡器模块进行通信。但在设计接口的时候，应注意电源要防止接反，保护读卡器模块。该系统采用的卡片是Mifare S50卡，它是非接触式，其采用飞利浦(NXP)原装的MifareICS50芯片，符合IEC/ISO14443A空气接口协议。其具有先进的数据加密及双向密码验证系统，和16个完全独立的扇区，有着极高稳定性和广泛的应用范围。它有射频接口、数字电路和存储器三部分组成：(1)射频接口部分，该电路接收到得13.56MHZ的射频无线电基波将被送到整流滤波模块，经电压调节模块输出为IC卡供电，同时还将被送至调制/解调模块解调得到其载波通信数据，在时钟的配合下经接口电路送至数字电路部分。对于从数字电路部分传来的数据也是经过调制/解调模块是数据搭载于射频信号发射出去。射频电路中加入波形转换模块，其作用是将正弦波转换成方波，使之成为标准的逻辑电平。(2)数字电路部分，该部分电路包括复位应答、防冲突、选择应用、认证与访问控制、控制及算术运算单元、加密单元等组成，由于该部分知识与本设计关联很小，这里不过多的赘述，有疑问可以参考IC卡技术及其应用。(3)存储器存储器也就是IC卡的数据存储区，由EEPROM存储器及其接口电路组成，EEPROM中的数据在IC卡失电后不会丢失。3.5.2 Mifare S50卡的访问操作与命令3.5.2 Mifare S50卡的访问操作与命令Mifare S50卡的存储器操作包括读写，传送恢复指令等，其具体功能见表7所示。IC卡技术的关键在于其存储数据的安全性，即访问权限的控制，因此对各分区的密码设置和访问控制都可以独立定义。其操作命令如表8所示。操作功能说明读（Read）读一个存储块写（Write）写一个存储块加值（Increment）使一个存储块的数据增值并存入内部数据寄存器减值（Decrement）使一个存储块的数据减值并存入内部数据寄存器传送（Transfer）将数据寄存器的内容写如一个存储块内恢复（Reatore）将一个存储块的内容读入数据寄存器表7 Mifare S50卡存储器操作说明命令代码英文缩写命令功能26HREQIDL只对未处于暂停状态的IC卡发送请求应答命令52HREQALL对所有IC卡发送请求应答命令93HANTICOLL1防冲突60HAUTHENT1A验证A密钥61HAUTHENT1B验证B密钥30HREAD读块A0HWRITE写块C0HDECREMENT减值C1HINCREMENT加值C2HRESTORE恢复B0HTRANSFER传送50HHALT暂停表8 Mifare S50卡的操作命令字3.5.3 读卡器模块读卡器是智能卡系统中卡片与用户系统之间的桥梁。一个应用系统要从一个非接触的数据载体中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去，它需要一个非接触式读卡器作为接口。读卡器的基本任务就是启动数据载体(应答器)，与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触式数据载体之间传送数据。非接触式射频通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读卡器处理。这里设计采用的是MF RC500读卡芯片。由郑州万光智能卡科技有限公司设计的模块。该模块是在RC500芯片的基础上进行设计的，对于RC500芯片的指令进行了精简，操作方法也比直接操作RC500芯片简单，