毕业设计-基于单片机控制的IC卡食堂售饭机的开发的.doc

论文 目 录 1 1 引言引言 1 1 1 1 智能 IC 卡的简介 1 1 2 国内外 IC 卡的应用现状及发展 2 1 3 IC 卡的分类特点及国际标准 3 1 4 本课题所研究的内容 4 2 2 方案论证与确定方案论证与确定 6 6 2 1 IC 卡食堂售饭机的主要功能特点及消费模式 6 2 2 IC 卡售饭机硬件设计方案 7 3 3 硬件设计硬件设计 9 9 3 1 单片机 AT89C51 9 3 2 IC 卡芯片技术 12 3 3 卡座接口电路即卡上电控制电路 15 3 4 RS485 接口电路 16 3 5 掉电保护电路 18 3 6 数据存储器与译码器 19 3 7 地址锁存器 20 3 8 显示器 21 3 9 键盘 22 3 10 电源 23 4 4 ICIC 卡食堂售饭机软件设计卡食堂售饭机软件设计 2424 4 1 主程序流程图 24 4 2 窗口机程序流程图 25 4 3 读卡器软件程序 26 5 5 系统安全维护系统安全维护 3232 5 1 提高系统安全性的措施 32 5 2 提高对 IC 卡操作可靠性的措施 32 6 6 结论结论 3434 参考文献参考文献 3535 致致 谢谢 3636 附录一附录一 程序清单程序清单 3737 附录二附录二 硬件连硬件连接接图图 4040 论文 1 1 引言 1 1 智能 IC 卡的简介 随着社会的进步和现代化程度的不断提高 人类所拥有的信息种类和数量都在成倍增加 人们每天都要处理许多与个人有关的信息 如购物 打电话 交水费 电费 到银行存款取 款等 这样就需要携带多种票证 现金 单据 给人们带来极大的不便和不安全感 于是 人们开始寻求一种具有支付 查询 密码查验等多功能及携带方便 安全可靠的 卡 IC 卡就是随着计算机技术 微电子技术和信息化技术的发展应运而生的一种现代社会重要的信 息载体和交易工具 1972 年 法国人罗兰 莫雷诺 Roland Moreno 第一次将可进行编程设 置的 IC 芯片放在卡片中 使卡片具有了存储 加密及数据处理能力等功能 IC 卡又称集成电路卡 Integrated Circuit Card 或叫智能卡 Smart Card 它是将 集成电路芯片镶嵌于塑料基片之中 并被封装成卡片的形式 其外形与普通信用卡完全相同 尺寸大小符合 ISO7816 标准 IC 卡具有突出的 3S 特点 即 Standard 国际标准化 Smart 灵巧智能化 和 Security 安全性 因而发展迅速 被广泛地应用于移动数据计算场 合 如医疗卫生 保险 金融 交通 电信 国防以及日常生活等各个领域 IC 卡不仅改进 了现有多种卡的使用方法和功能作用 它还不断开创新的应用领域 虽然 IC 卡本身并不创 造任何价值 但是 如果将 IC 卡和其它设备组成系统就能够提供非常丰富的服务功能 把 这些功能与生产或流通领域有机地结合起来 将出现令人意想不到的奇迹 创造出巨大的经 济和社会效益 而我国的金融和非金融产业部门都已经认识到发展 IC 卡产业对加速我国国 民经济信息化的重大作用 因此 与国外有关公司合作 引进制卡 读卡设备及应用的先进 技术 成立了有关集团 公司 以加速我国 IC 卡的应用和发展 我国的 金卡工程 其目的也在于推广 IC 卡 使其逐步成为各个行业的通用信息载体 在当今社会 作为包括微电子技术的一种成熟的高科技产品 IC 卡提高了人们生活和工作的 现代化程度 已成为一个国家科技发展水平的标志之一 国际上不少国家由于受到当时历史 条件和技术发展的限制 都是先发展磁卡 其中大多数国家磁卡已经发展得相当普遍 拥有 数量庞大的磁卡应用设备 若要将其完全改造成 IC 卡读写设备将是相当困难的 IC 卡可以 最有效地杜绝恶性透支 便于正常用款 存款 其内部有各种安全措施 可免除伪造 它无 须计算机网络的实时支持 可脱机作业 还可以实现一卡多用 1 近年来 由于计算机技术 微电子技术 信息化网络技术的飞速发展 促使 IC 卡向着 论文 2 多品种高层次方向发展 应用领域也不断扩展 IC 卡市场不断拓宽 市场竞争更加激烈 纵 观 IC 卡市场 规模不断扩大 销售量大幅度增加 然而 从国际市场看 发展很不平衡 全球 IC 卡市场基本上被法国 美国 日本垄断 目前 我国对 IC 卡产业的发展也极为重视 下面就国内外 IC 卡应用状况及发展趋势作一简述 1 2 国内外 IC 卡的应用现状及发展 一 法国 法国是 IC 卡的诞生地 它是推出 IC 卡最早和使用 IC 卡最多的国家 也是生产厂商最 多技术水平领先的国家 仅 1989 年就达近 500 万张 几乎占全球该领域 IC 卡用量的 1 10 该国生产 IC 卡的厂商很多 比较著名的有 Gemplus SAGEM Bull CKD ESD CIS SGI 公司等 现以 Gemplus 公司为例 该公司是世界上最大 IC 卡制造商之一 也是世界 IC 卡技 术和应用领域的开拓者和领导者 在公用电话 移动通信 电子钱包 信用卡 收费电视 医疗保险 门禁识别 交通管理等应用领域均处于世界领先地位 目前月产量已超过 3000 万张 销往近 70 个国家 几乎占全世界市场的 50 而且年年还在创新 发展新品种 该公 司在世界各地设立了不少分支机构 提供多种技术服务 1 二 美国 美国在磁卡研制的应用方面居世界之冠 网络通信又很发达 为了保护己有设备的投资 不急于用 IC 卡来取代磁卡 因此 IC 卡的应用方面不如法国和日本 但在安全技术等领域的 研究方面领先其他各国 近几年 生产厂商越来越多 如 DATA ATMEL LogiCard Personal Computer Card Corp ASI 及 Battelle Memorial Institute 等 以 DATA Card 公司为例 它是世界有名的 IC 卡及系统服务公司之一 该公 司生产的 IC 卡销往 90 多个国家和地区 很快使其 IC 卡产业超过法国和日本 而居领导地 位 美国 IC 卡市场在军用与银行业务方面远远超过其它应用领域 所以美国在 IC 卡技术及 其安全可靠性方面 很快会在全球范围内处于领导地位 对法国和日本 IC 卡产业的冲击将 越来越大 三 日本 日本在法国人发明 IC 卡的同年 也推出了 IC 卡 卡片上有一个或多个芯片 能产生特 殊信号 此卡很快进入市场并推广应用 1954 年 IC 卡首先用于银行的资产管理 1985 年用 于医疗卫生健康管理系统 1986 年销售 IC 卡近 25 万张 1989 年销售 IC 卡约 100 万张 论文 3 1995 年增至 200 万张 1997 年成倍增长 IC 卡制造厂商越来越多 除官方外 仅地方公司 就有 Fujistu Qmron Toshiba Top Panprinting Casiomicro Card 等 为夺取 IC 卡市 场优势 日本政府和地方都积极参与 IC 卡的研制 发行及应用推广工作 使 IC 卡产业的各 个环节都得到顺利发展 毫无疑问 日本 IC 卡产业的发展也会对美国 法国等构成威胁 将使国际 IC 卡市场竞争更加激烈 6 我国的信用卡正跳过磁卡发展阶段而直接进入 IC 卡时代 国内先后组建华旭 华鑫集 团公司等 出现了一批科研及生产 经营单位 1996 年 10 月 国内第一张从芯片设计 研 制到卡片制作生产全部国产化的中华 IC 卡顺利通过技术鉴定 哈尔滨工业大学微电子中心 与航天金卡电子公司联合研制成功的 HWZ 201 型 IC 卡也在 96 年底鉴定 该逻辑加密型 IC 卡芯片用 1 微米 CM0S 与 EEPROM 工艺小批量生产 据称一年内可提供 10 万张 IC 卡 目前 国内 IC 卡装配生产线较多 它们采用国外芯片 生产能力未充分发挥 97 年研制出加密算 法 IC 卡操作系统 DOS 着手开发智能 IC 卡 其 CPU 芯片拟先用国外芯片 而操作系统采 用国产的 国内 IC 卡应用市场发展迅猛 截止 1998 年 6 月 7 家银行共有发卡机构 2023 个 发卡量 2040 万张 取现网点 24 万多个 自动柜员机 ATM7 万多台 估计在今后的几年里 IC 卡需求将会呈爆炸性增长 目前国内 IC 卡的应用已跳出单一的银行业务与传统的信用功能 与其它产业联袂发展 它的付费功能 可用于交水电费 电话费 车船费 甚至医疗费 保险费等 我国目前正按 多种使用要求开发 IC 卡新品种 以便最大限度地发挥 IC 卡的各种功能和作用 2 1 3 IC 卡的分类特点及国际标准 IC 卡分 3 种 IC 贮存卡 加密 IC 卡和 CPU 卡 表 1 1 3 种 IC 卡主要性能比较 指标IC 贮存卡加密 IC 卡CPU 卡 防伪性差好最好 使用寿命 次 100000100000100000 数据保存期 a 10 10010 10010 100 价格 元 张 10 10010 100100 1000 IC 贮存卡是将电可擦读写 EEPROM 封装在塑料卡中构成 该卡中的数据只要按规定的 时序就可全部读出 数据安全性不高 加密 IC 卡内部芯片是由贮存器及加密逻辑保护存贮器组成 只有密码正确后 才能读 论文 4 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 写 如果反复试探 该卡就会自毁 数据安全性较高 CPU 卡由专门的微处理器及其它一些相应的逻辑电路组成 可支持复杂的加密运算 数 据安全性最高 2 由于采用了当今最先进的半导体制造技术和信息安全技术 IC 卡相对于其它种类的卡具 有以下四大特点 存储容量大 内部有 RAM ROM EEPROM 等存储器 使得卡上可存储文字 声音 图形 图像等各种信息 体积小 重量轻 抗干扰能力强 便于携带 易于使用 安全性高 IC 卡从硬件和软件等几个方面实施其安全策略 可控制卡内不同区域的存 取特性 对网络要求不高 IC 卡的安全可靠性使其在应用中对计算机网络的实时性 敏感性要 求降低 IC 卡的国际标准遵守国际标准化委员会 ISO 和国际电子技术协会 IEC 的标准 共 分为五项 ISO7816 1 规定了 IC 卡的物理特性 尺寸 机械强度等性能指标 ISO7816 2 规定了 8 个电触点的尺寸 位置及信号的作用 ISO7816 2 标准规定 8 个 信号的作用如下 C1 Vcc 电源 C2 RST 复位信号 C3 CLK 时钟信号 C4 保留 C5 GND C6 Vpp 编程电压 C7 I O 数据信号 C8 保留 ISO7816 3 规定了电信号的电气特性和传输协议 ISO7816 4 规定了行业间的交换命令 ISO7816 5 应用标识符的编号系统和注册过程 12 论文 5 1 4 本课题所研究的内容 IC 卡食堂售饭机主要应用在就餐人数密集的食堂微机收费系统 它以先进的单片机技术 与大规模集成电路技术及 IC 卡技术相结合而发展取来的 具体设计内容如下 单片机最小系统的设计 卡座接口电路及卡上电控制电路选择及设计 掉电检测及掉电保护电路设计 日历 时钟电路设计 键盘显示电路的设计 RS232 485 串行通信接口电路 软件部分 汇编语言程序设计 IC 卡食堂售饭机是专为食堂售饭而开发的智能终端 它克服了以往使用菜票的诸多缺点 方便就餐人员用 IC 卡与食堂结算 用餐者到食堂吃饭前 先交一定数额现金作为预买饭菜 票 建立售饭机的系统后 管理部门会使用上位机应用软件 通过 IC 卡读写器将用户信息 写入 IC 卡并交予用户 每个用户就拥有一个自己的饭卡 用于存储用户的姓名 编号 金 额等相关信息 用户到食堂用餐时只需将 IC 卡插入食堂售饭机窗口 由售饭者操作输入菜 号和金额 售饭机自动用卡中金额减去应付金额 即可在面对售饭者和用餐者的两面双屏显 示卡中余额 本次售饭金额 日历 时间 整个售饭过程 就餐人员和售饭员互相监督 如 不正确 可以马上改正 当工作人员每天汇总金额时 只需把采集卡插入售饭机中 售饭机 就能把收款金额写入采集卡中 方便快捷 论文 6 2 方案论证与确定 2 1 IC 卡食堂售饭机的主要功能特点及消费模式 随着计算机技术的不断发展 将计算机技术用于食堂餐饮业管理成为可能 IC 卡食堂售 饭机的使用 将一改食堂传统的手工管理的状况 使食堂走上现代化 高效化的道路 IC 卡食 堂售饭机适用于就餐人数密集的食堂微机收费系统 从根本上解决了餐券流通过程中的伪造 丢失 病菌交叉感染等一系列弊端 节约了食堂管理过程中的大量人力 财力 作为一种高 科技产品 IC 卡食堂售饭机采用先进的单片机技术与大规模集成电路技术及 IC 卡技术相结 合 具有技术先进 功能丰富 使用安全可靠 操作简单灵活 外型美观大方 安装方便等 优点 3 2 1 1 IC 卡食堂售饭机主要功能和特点如下 安全可靠 所使用的 IC 卡具有双重密码 以确保卡内数据安全可靠 万无一失 同时可有效地防 止非本单位的 IC 卡流通使用 可单机 联网使用 在单机工作方式下 售饭机可单独工作 无须计算机帮助的情况下直接对 IC 卡进行读 写操作 联网使用时 售饭机将消费记录通过串行口发送至上位计算机 由上位机完成对数 据记录的统计及黑名单处理等功能 黑名单报警功能 如发现非法卡 已挂失的 IC 卡在售饭机上使用或 IC 卡内金额为零时 售饭机将自动发 出声光报警 提醒使用者到指定地点追加卡内金额 并在 5 分钟后断电 提示操作人员进行 处理 以恢复 IC 卡的使用 具有黑名单报警功能 多种工作方式 售饭机具有菜价式 菜号式 份饭式三种工作方式 分别由面板上的 LED 指示灯指示 2 2 1 2 IC 卡食堂售饭系统的总体结构 消费模式 定额消费模式 打开收费机电源开关自动进入定额消费模式 此模式无需键盘输入消费金额 读卡时自 动根据预先设定的金额扣款 论文 7 不限制定额消费模式 操作员根据持卡人的点菜品种 通过终端收费机键盘输入消费金额 终端收费机将会自 动累计消费总金额 持卡人确认无误后将感应式 IC 卡在终端收费机读写区域的有效范围内 掠过 听到 嘀 一声响后 即完成扣款工作 持卡人可通过终端收费机显示屏看到消费金 额和 IC 卡余额 订餐消费模式 订餐消费方式 可以对某段时间先行订餐 持卡消费时 如果已经有人订 则用户允许 消费 如果别人没有订 则用户不允许消费 限制饮餐消费模式 卡座上电控制电路 IC 卡座 日历时钟 RS422 485 通信接口电路 喇叭驱动电路喇叭 掉电检测电路 复位电路 AT89C51 电源电路 译码器 地址锁存器 数据存储器 键盘 显示器接口电路 键盘数码管 掉电保护电路 图 2 1 系统总体结构图 2 2 IC 卡售饭机硬件设计方案 IC 卡售饭机硬件原理框图如上图所示 它实际上是以 IC 卡读写为中心 由单片机控制的 收款终端设备 从上面的硬件原理图可以看出来 IC 卡食堂售饭机主要是以单片机 AT89C51 为中心器 件 围绕其展开连接 工作时将 IC 卡插入 IC 卡读写器的卡座中 读写器就可以对它进行读 论文 8 写 实现加密 查询 存款 取款等功能 采用 RS485 通信接口电路 在通讯设备上 作为 调试口 板间通讯接口和监控信息接口 在单片机工作的时候当主电源 DC5V 失去时 单片 机会停止工作 时钟不会停止往前走 这种结果在许多场合往往是不被希望的 所以需要掉 电检测与掉电保护电路 在系统中需要加入复位电路 上电的时候 需要提供复位信号 直 至系统电源稳定 撤掉复位信号 除此外 还需要译码器 74LS138 进行译码 地址锁存器 74LS373 以及数据存储器 键盘作为外设器件 采用 8255 扩展的独立式键盘接口 最后还 要加上数码管和电源电路 在各个器件以及芯片的共同作于下 才能准确 稳定 快速的实 现其功能 论文 9 3 硬件设计 3 1 单片机 AT89C51 3 1 1 主要功能部件组成 1 微处理器 2 数据存储器 RAM 3 程序存储器 ROM 4 4 个 8 位并行 I O 口 5 1 个串行口 6 2 个 16 位定时器 计数器 7 中段系统 8 特殊功能存储器 SFR 3 1 2 主要功能特性 AT89C51 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的 高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 AT89C51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 和 Flash 存储单元 内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 AT89C51 可以 按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 AT89C51 具有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 主要功能特性 兼容 MCS 51 指令系统 4k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 32 个双向 I O 口 可编程 UARL 通道 两个 16 位可编程定时 计数器 全静态操作 0 24MHz 论文 10 1 个串行中断 128x8bit 内部 RAM 两个外部中断源 共 6 个中断源 可直接驱动 LED 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 VCC 40 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD0 33 P0 7 AD7 32 EA ADD 31 ALE PROG 30 PSEN 29 P2 7 AD15 28 P2 6 AD14 27 P2 5 AD13 26 P2 4 AD12 25 P2 3 AD11 24 P2 2 AD10 23 P2 1 AD9 22 P2 0 AD8 21 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 PXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INTO P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 AT89C51 图 3 1 AT89C51 引脚图 3 1 3 引脚简介 40 个引脚按其功能分为三类 电源及时钟引脚 VCC VSS XTAL1 XTAL2 控制引脚 SPEN ALE EA RESET I O 口引脚 P0 P1 P2 P3 为 4 个 8 位 I O 口外部引脚 一 电源引脚接入单片机的工作电源 VCC 接 5V VSS 接地 2 个时钟引脚 XTAL1 XTAL2 外接晶体片内的反相放大器构成了 1 个振荡器 它为单片机 提供了时钟控制信号 2 个引脚也可接独立的晶体振荡器 XTAL1 19 脚 接外部晶体的 1 个引脚 该引脚内部是 1 个反相放大器的输入端 这个 论文 11 反相放大器构成了振荡器 如果采用外接晶体振荡器时 此引脚应接地 XTAL2 18 引脚 接外部晶体的另一端 在该引脚内部接至内部反相放大器的输 出端 若采用外部时钟振荡 器时 该引脚接受时钟振荡器的信号 即把信号直接接到内部时钟发生器的输入端 二 控制引脚 此类引脚提供控制信号 有的引脚还具有复用功能 RST Vpd 9 引脚 RST 是复位信号的输入端 高电平有效 当单片机运行时 在此 引脚加上持续大于 2 个机械周期的高电平时 就可以完成复位操作 在单片机正常工作时 此引脚应为 0 5V 低电平 ALE ALE 引脚输出为地址锁存允许信号 当单片机上电正常工作后 ALE 引脚不断输出正脉 冲信号 当单片机访问外部存储器时 ALE 输出信号的负跳沿用于单片机发出的低 8 位地址 经外部锁存器的锁存控制信号 即使不访问外部锁存器 ALE 端仍有正脉冲信号输出 此频 率为时钟振荡器频率的六分之一 如果想初步判断单片机的好坏 可用示波器查看 ALE 端是 否有正脉冲信号输出 如果有脉冲信号输出 则单片机基本上好的 三 I O 口引脚 P0 口 双向 8 位三态 I O 口 此口为地址总线及数据总线分时复用口 可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载 P1 口 8 位准双向 I O 口 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P2 口 8 位准双向 I O 口 与地址总线复用 可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载 P3 口 8 为准双向 I O 口 论文 12 VCC 40 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD0 33 P0 7 AD7 32 EA ADD 31 ALE PROG 30 PSEN 29 P2 7 AD15 28 P2 6 AD14 27 P2 5 AD13 26 P2 4 AD12 25 P2 3 AD11 24 P2 2 AD10 23 P2 1 AD9 22 P2 0 AD8 21 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 PXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INTO P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 AT89C51 22uF C1 VCC 200 R14 S1 SW PB 1K R15 VCC 30pF C2 30pF C3 VCC 12 振振 12MHz 图 3 2 AT89C51 最小系统 3 1 4 AT89C51 的最小系统 AT89C51 内部有 4KB 闪烁存储器 芯片本身就是一个最小系统 将单片机接上时钟电路和 复位电路即可 该最小应用系统只能用作一些小型的数字量的测控单元 3 2 IC 卡芯片技术 3 2 1 SLE4418 SLE4428 IC 卡的基本特征 SLE4418 SLE4428 卡是西门子公司的产品 价格便宜 使用方便 比较适合于数量较小 的应用 是我国使用较为广泛的一种 IC 卡 SLE4418 IC 卡共有 1024 8 位 EEPROM 可逐字节 地进行写操作与删除操作 每个字节都有具有程序写保护位 SLE4428 IC 除了以上功能外 还 带有程序密码校验逻辑 PSC 由于 SLE4418 SLE4428 IC 卡内置了高压产生器 因而只需即可 进行操作 简化了接口电路的设计 可直接由单片机驱动 几乎不要其它和外接元件 基本特 点如下 具有 1024 8 位的 EEPROM 存储器 以字节为编址单位 论文 17 具有 1024 1 位保护存储器 保护存储器设置后不可撤消 三线串行总线 可进行 10 万次擦写操作 数据保存 10 年 卡内具有 2 个字节的 PSC 程序加密位 数据仅在密码检验正确后 方可进行写操作 3 2 2 操作时序分析 SLE4418 SLE4428 IC 卡通过三线串行总线性与芯片接口进行信息交换 数据在程序控制器的统 一协议下 进行数据序列转换与安全逻辑校验 SLE4418 SLE4428 IC 卡的引脚配置及功能说明 如下所示 C1 电源电压 VCC C5 接地 GND C2 复位信号 RST C6 未使用 C3 时钟信号 CLK C7 输入 输出 I O C4 未使用 C8 未使用 1 复位与复位应答 IC 卡在上电时 芯片进入到上电复位状态 POR POR 由一个复位操作 Reset 终止 当 RST 引脚由 0 状态变换变换为 1 状态时结束 复位时 将终止所有当前的操作命令 上电复位 POR 后 地址在写数据或删除数据前 必须先进行一次读操作 芯片复位时 地址计数器偏移置被设置为 0 第一个数据位出现在数据线 I O 上中 如图 1 所示 图 3 3 复位与复位应答 2 命令输入逻辑 SLE4418 SLE4428 共有 5 条控制命令 SLE4428 另有 3 条密码操作命令 表 3 1 按键功能分配表 字节1字节2字节3 操作内容 S0 S1S2 S3 S4 S5A8 A9A0 A7D0 D7 论文 18 1 00 0 1 1 输入数据带保护位写与删除 1 1 0 0 1 1输出数据不带保护写或删除 0 00 0 1 1比较数据带信号位写 校正 0 01 1 1 1忽略带保护位数 读 9 位 0 11 1 0 0 地 址 高 位 地 址 低 位 忽略不带保护位读 读 8 位 0 10 0 1 11 1253位掩码写错误计数器 1 0 1 1 0 01 1254PSC 字节 1校验第一个 PSC 字节 1 01 1 0 01 1255PSC 字节 2校正第二个 PSC 字节 地址低位由上表 1 可看出 每条命令由 6 位控制位 10 位地址位和 1 个字节的数据组成 进行写数据时 数据字节即是所要写入的数据 可见 SLE4418 SLE4428 不能进行一次性多字节 的写操作 读数据时 数据忽略不计 一次性可读出多字节 当 RST 由 0 状态变为 1 状 态 CLK 由 0 状态变为 1 状态时命令输入逻辑启动 命令输入完成后 设置 RST 为 0 状态 时序如图所示 3 写操作 删除操作逻辑 对 IC 卡进行写操作 意味着数据位由 1 状态变为 0 状态 删除操作意消味着数据位 由 0 状态变为 1 状态 SLE4418 SLE4428 IC 卡在进行写操作与删除操作时 时钟 CLK 必须进行延续 一般来说 单独的写操作或者单独的删除操作 数据输入后 时钟须延 续 103 个脉冲 数据删除后立即进行写操作则需要延续 203 个时钟脉冲 SLE4418 SLE4428 IC 卡具有三种擦写操作 即删除操作后立即写操作 单独的写操作与单独的删除操作三种方式 如图 3 所示 写保护位时 只须将数据重写一次 当第二次写入的数据与前一次写入的数据相 同时 设置保护位 保护位一旦设置便不能更改 图 3 4 命令输入时序 论文 19 图 3 5 写 删除时序 4 读操作逻辑 图 3 6 读时序 按表 1 配置好读命令后 输入命令即启动读操作 当 CLK 为 0 状态变为 1 状态时 第一位数据出现在 I O 数据线上 此后每个 CLK 脉冲即接收 1 位数据 接收 8 位或 9 位数据 带保护位时 第 9 位为保护位 时即为 1 个字节 每读完 1 个字节 IC 卡地址计数器偏移量 自动加 1 当 RST 为 0 状态转变为 1 状态时 读操作结束 读时序逻辑如图 4 所示 5 密码校验逻辑 SLE4428 IC 卡具有 2 个字节的密码保护字节 地址偏移量分别为 1022 1023 以及 1 个 错误计数器 地址偏移量为 1021 如果没有进行密码校验 则 SLE4428 IC 卡只能读出 不能 写入 也不能读取密码字节 在没有通过密码校验即读取密码字节 将返回 00 进行密码校 验时 必须按以下步骤进行 改变一个没有写入的位 没有写入的位 其当前状态为 1 改变一个没有写入的位即 使期由 1 状态变为 0 状态 写入第一位密码 写入第二位密码 删除错误计数器 密码校验的时序逻辑如图 5 所示 写错误计数器请参看写时序逻辑 论文 20 图 3 7 密码校验时 3 3 卡座接口电路即卡上电控制电路 为使与 IC 卡接触良好 有专用卡座可供选用 如推自弹式卡座 带滑动触点的卡座等 后 者结构简单 但寿命较短 10 万次以下 而前者寿命较长 可达 50 万次以上 价格较贵 本 设计中采用进口降落式自弹式卡座 该型卡座对卡磨损小 触点弹力足 接触好 使用寿命长 可避免售饭机在对卡进行读写操作过程中 用户插拔卡造成对卡的损坏 如图 3 8 所示 卡座上与 SLE4428 卡的复位 RST 控制脉冲 CLK 及串行口数据 SD 触点对应的 引脚分别与 AT89C51 的 P1 4 P1 5 P1 6 连接 三极管 T1 及电阻 R1 R2 构成上电控制电路 反映卡插入状态的常开开关 K 的一端接地 另一端与 P1 7 相连 用来探测 IC 卡是否已插入卡头 内 当卡未插入或卡未到位时 K 断开 T1 截止 卡座 Vcc 引脚不得电 当卡插到位时 闭合 三 极管 T1 饱和导通 由于集电极和发射极之间的压降小于 0 1V 主电源 Vcc 经 R1 限流后加至卡 座 Vcc 端用来驱动 IC 卡 如果卡已拔出 即立即切断 IC 卡的带电电路 实践证明 设置卡上电 控制电路 可有效防止插拔过程中卡瞬时短路对卡造成的损坏 22 论文 21 Vcc Vcc RST CLK SD GND P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 Vcc T1 1K R1 1K R2 K 5 1K 4 R3 R6 图 3 8 卡座接口电路及卡上电控制电路 3 4 RS485 接口电路 RS 485RS485 接口电气特性 逻辑 1 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 逻辑 0 以两线间的电压差为 2 6 V 表示 接口信号电平比 RS 232 C 降低了 就不易损坏接口电路的芯片 且该电平 与 TTL 电平兼容 可方便与 TTL 电路连接 RS 485 的数据最高传输速率为 10Mbps RS 485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合 抗共模干能力增强 即抗噪声 干扰性好 RS 485 最大的通信距离约为 1219M 最大传输速率为 10Mb S 传输速率与传输距离 成反比 在 100Kb S 的传输速率下 才可以达到最大的通信距离 如果需传输更长的距离 需 要加 485 中继器 RS 485 总线一般最大支持 32 个节点 如果使用特制的 485 芯片 可以达到 论文 22 128 个或者 256 个节点 最大的可以支持到 400 个节点 由于 IC 就餐卡上存有钱款 不仅仅只有账号 所以允许售饭机脱网运行 联机运行时 售 饭机可向管理机上传营业交易数据和接受管理机下传的 黑名单 信息和校时命令 通信网络 采用 RS485 主 从总线式结构 管理机作为主机 通过通讯接口卡与作为从机的各售饭机相连 VCC B A GND R0 RE DE DI VCC B A GND R0 RE DE DI 10K R7 10K R7 5V 1K R13 10K R10 10K R9 5V RX 120 R11 120 R12 图 3 9 RS 485 接口电路 由于 IC 就餐卡上存有钱款 不仅仅只有账号 所以允许售饭机脱网运行 联机运行时 售饭机可向管理机上传营业交易数据和接受管理机下传的 黑名单 信息和校时命令 通信网 络采用 RS485 主 从总线式结构 管理机作为主机 通过通讯接口卡与作为从机的各售饭机相连 RS485 接口采用差动方式传输数据 通讯距离远 抗干扰能力强 售饭机上采用 MAX485 芯片 当发送端 DI O 时 DE RE 1 发送 O 电平 接收端 RO O 当发送端 DI 1 时 DE RE 0 VA VB 2 5V 接收端由于上拉电阻的作用 RO 1 在此接口电路的 TXo 端加入 1kHz 的 TTL 方波对电路进行测试 未加入 120 端电阻时 接口芯片的 485 A 和 485 B 脚都 有约 50 s 的电压变化过程 接收端 Ro 波形的上升沿有明显的延迟约 30 40 s 和数据发 送端 DI 比较 造成很大的传输误差 加入 120 端电阻时 延迟明显缩小 约 3 s 此电 路在发送高电平时 发送器处于高阻状态 总线上所有接口处于接收状态 总线是空闲的 允许其他接口发送数据 因此容易引入总线冲突 特别是连续发送高电平比特时 发送器处 论文 23 于高阻状态的时间越长 引入总线冲突的几率就越大 3 5 掉电保护电路 通常 在数字钟 打铃仪 某些定时器和日历钟等类型的单片机系统中 当主电源 DC5V 失去时 我们称之为掉电 掉电之后 单片机会停止工作 时钟会停止往前走 这种结 果在许多场合往往是不希望的 为了保证单片机在主电压失去时仍然能够保持运行 人们就 利用干电池对单片机系统继续进行供电 应该感谢单片机芯片的工程技术设计师 是他们 首先提供了单片机系统能够顺利实施 掉电保护 的内部条件 这就是 单片机允许在电压 低至 2V 甚至更加小一些的电压供电时 仍然可以保证其最基本的运行 对外部输入输出功 能将会失效或者停止 电池在主电源失去时 对单片机的继续运行提供能源 此时的电 池能源是非常宝贵的 往往都是以 uA 级进行计算 而且还有一个不能避免的结果 就是 随着保护时间的延长 电池的电量也会用完的 所以 保护电路有一个最保护时间的参数 使用中不能超过 D2 D1 1K R16 3VD3 1K R17 VCC 图 3 10 掉电保护电路 IC 卡食堂售饭机主电源正常时 单片机由 VCC5V 电源供电 此时 VCC 是 5V 电源通过 D1 和 R16 对保护用电池进行充电 以保证电池电量的充足 适当选择 R16 的大小 可 以保证充电电流和充电时间都比较合理 例如 需要对 3V6 60mAH 的电池充电 充电时 间选择在 8 小时左右 我们就选择充电电流为 8 mA R1 6V 0 6 8 0 6 是串连 论文 24 二极管的导通压降 与电池并联的稳压二极管是防止电池过充电用的 当 IC 卡食堂售饭机 主电源不能正常工作时 放电路径是 电池通过 R16 R17 对单片机供电端口进行供电 供 电电流通过 R16 R17 之后 会有压降 到达单片机的 VCC 端口时 电压就会比 3V6 低 一 般会在 2V 2V5 左右 不要企图在这个时候提高单片机的供电电压 这样反而会适得其反 令单片机仍然工作于正常供电状态 对各单片机生产公司的各种单片机 这个低供电电压会 有某些差别 调整电阻 R17 在保证单片机能够保持运行的情况下 耗用电流越小越好 3 6 数据存储器与译码器 AT89C51 单片机的片外 RAM 跟 ROM 地址是独立编址的 地址范围都有 64K 在硬件上 通过不同的片选信号来区别 因为程序存储器只读的 所以只需要一根选通信号 PSEN 程序选择使能 而数据存储器是可读写的 所以需要两根选择信号 RD 读 跟 WR 写 在软件上 通过使用不同的 存储器的地址空间分配 实际上就是通过地址线 与存储器芯片的地址引脚适当的连 接 最终达到一个存储器单元对应一个地址的要求 AT89C51 发出的地址是用来选择某个存 储器单元 在外扩的多片存储器芯片中 AT89C51 要完成这种功能 必须进行两种的选择 一种必须选中该芯片存储器芯片 这称之为片选 只有被选中的存储器芯片才能被 AT89C51 读出或写入数据 二是必须选择该芯片的某一个单元 称之为单元选择 为了芯片选择的需 要 每个存储器芯片都有片选信号引脚 因此芯片选择的实质就是如何通过 AT89C51 的地址 线来产生芯片的片选信号 常用的存储器地址分配方式有两种 线性选择法和地址译码法 本设计采用译码法 译码法就是使用译码器对 AT89C51 的高位地址译码 译码器的译 码输出作为存储器芯片的片选信号 这就是一种最常用的存储器地址分配的方法 它能有效 的利用存储空间 使用于大容量多芯片的存储器扩展 译码法可以使用现有的译码器芯片 它们使用灵活 完全可以根据设计者的要求组合译码 产生片选信号 若全部高位地址线都 参加译码 称为全译码 若部分高位地址参加译码 称为部分译码 部分译码存在着部分存 储器地址空间相重叠的情况 译码法就是使用译码器对 AT89C51 的高位地址进行译码 译码器的译码输出作为存储 器芯片的片选信号 这是一种最常用的存储器地址分配方法 它能有效的利用存储器的空间 使用大容量多芯片的存储器扩展 译码电路可用现有的译码器芯片 最常用的译码器芯片有 74LS138 74LS139 74LS154 他们使用灵活 完全可以根据设计者的要求组合译码 产生片 论文 25 选信号 若全部高位地址都参加译码 称为全译码 若仅仅部分高位地址参加译码 称为部 分译码 部分译码存在着部分存储器地址空间相重叠的情况 本设计采用 74LS138 它是一种 3 线 8 线译码器 有 3 个数据输入端 经译码产生 8 种状态 当译码器的输入为某一个编码时 就有 1 个固定的引脚输出为低电平 其余的为高 电平 表 3 2 74LS138 真值表 输 入 输 出 G1 AG2 BG2 CBA 7Y6Y5Y 4Y3Y2Y 1Y0Y 10000011111110 10000111111101 10001011111011 10001111110111 10010011101111 10010111011111 10011010111111 10011101111111 其他状态 11111111 3 7 地址锁存器 AT89C51 单片机受引脚数的限制 数据线和地址线是复用的 有 P0 口线兼用 为了将 它们分离出来 以便同单片机外部的扩展芯片正确的连接 需要在单片机外部增加地址锁存 器 目前 常用的地址锁存器芯片有 74LS373 8282 74LS573 等 本设计采用 74LS373 74LS373 是一种带有三态门的 8D 锁存器 其引脚说明如下 D7 D0 8 位数据输入线 Q7 Q0 8 位数据输出线 G 数据输入锁存选通引脚 高电平有效 当该信号为高电平时 外部数据选通到内部锁存 论文 26 器 负跳变时 数据锁存到锁存器中 OE 数据输出允许引脚 低电平有效 当该信号为低电平时 三态门打开 锁存器中数据输 出到数据输出线 当该信号为高电平时 输出线为高阻态 表 3 3 74LS373 功能表如下 OE G D Q 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 不变 1 高阻态 D0 39 D1 38 D2 37 D4 35 D5 34 D3 36 D6 33 D7 32 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 G 11 VCC 20 OE 9 GND 10 5V 74LS373 图 3 11 74LS373 3 8 显示器 LED 显示器的结构 常用的 LED 显示器为 8 段 每一个段对应 1 个发光二极管 这种显 示器有共阳极和共阴极两中 共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起 通常此公 共阴极接地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 相应的段被显示 同 样 共阳极显示器的发光二极管的阳极连接在一起 通常此共阳极接正电压 当某个发光二 论文 27 极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应的段被显示 为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字 就要把不同段的发光二极管点亮 这样就 要为 LED 显示器提供代码 这些代码可使 LED 相应段发光 显示不同字型 因此称之为段码 显示器的工作原理 LED 显示器有静态显示和动态显示两种显示方式 本设计为动态显 示 动态显示方式 在多位 LED 显示时 为简化硬件电路 通常将所有位的段码线相应段并联在 一起 由 1 个 8 位 I O 口控制 形成段码线的多路复用 而各位的共阳极或共阴极分别由相 应的 I O 线控制 形成各位的分时选通 下图为 1 个 8 位 8 段 LED 动态显示器电路 其中段 码线占用 1 个 8 位 I O 口 而位选线占用 1 个 8 位 I O 口 由于各位的段码线并联 8 位 I O 口输出的段码对各个显示位来说都是相同的 因此 在同一时刻 如果各位位选线都处 于选通状态的话 8 位 LED 将显示相同的字符 若要各位 LED 能够同时显示出与本位相应的 显示字符 就必须采用动态显示方法 即在某一时刻 只让某一位的为选线处于选通的状态 而其他各位的为选线处于关闭状态 同时 断码线上输出相应位要显示的字符的段码 这样 在同一时刻 8 位 LED 中只有选通的那一位显示出字符 而其他 7 位则是熄灭的 同样 在 下一时刻 只让下一位的位选线处于选通状态 而其他各位的位选线处于关闭状态 在断码 线上输出将要显示字符的段码 则同一时刻 只有选通位显示出相应的字符 而其他各位则 是熄灭的 如此循环下去 就可以使各位显示出将要显示的字符 虽然这些字符是在不同时 刻出现的 而在同一时刻 只有一位显示 其他各位熄灭 但由于 LED 显示器的余晖和人眼 的视觉暂留作用 只要每位显示间隔足够短 则可以造成多位同时亮的假象 达到同时显示 效果 3 9 键盘 电平状态 如果让所有的列线处于低电平 很明显 按键所在行电平将被接成低电平 根据此行电平的变化 便能判断此行一定有键被选中 但还不能确定是键 3 被选中 因为如 果键 3 不被选中 而同一行的键 2 1 0 之一被选中 均会产生同样的效果 所以 行线处于 低电平只能得出某行有键被选中的结论 为进一步判断到底是哪一个键被选中 可采用扫描 法来识别 即在某一时刻只让 1 条列线处于低电平 其余所有列线处于高电平 当第 1 列为 低电平 其余各列为高电平时 因为是键 3 被按下 所以第 1 列仍处于高电平状态 而当第 论文 28 2 列为低电平 而其余各列为高电平时 同样我们会发现第 1 行仍处于高电平状态 直到让 第 4 列为低电平 其余各列为高电平时 因为此时 3 号键被按下 所以第 1 行的电平将由高 电平转到第 4 列所处的低电平 据此可以判断第 1 行第 4 列交叉点处的按键 即 3 号键被按 下 根据上面的分析 很容易想到识别键盘有无键被按下的方法 此方法分为 2 步进行 第 1 步 识别键盘有无键被按下 第 2 步 如有键被按下具体是哪个键 首先把所有的列线均置为低电平 检查各行电平是否有变化 如果有变化 则说明有键被按 下 如果没有变化 则说明无键被按下 上述识别具体按键方法也称为扫描法 即先把谋一 列置低电平 其余各列置为高电平 检查各行线电平的变化 如果某行线为低电平 则可确 定此行此列交叉点的按键被按下 3 10 电源 根据设计的要求 本身机选用 CM7815 和 CM7915 三端集成稳压器作为控制电路的直流操 作 起主要参数为 表 3 4 直流稳压电源主要参数 序号代号名称规格数量 1Diode Bridge二极桥管1 2C4 C7电解电容器100uF 15V2 3C5 C6电容0 01uF2 4T1变压器1 5F1熔断器1 6S1开关1 7D2 D3二极管IN41482 论文 29 1 T1 TRANS1 F1 FUSE1 7805 U7 220V 50Hz 2 3 4 5V BRIDGE1 100uF 16V C4 0 1uF C5 0 1uF C6 100uF 16V C7 Vin