基于单片机的IC卡智能水表设计.doc

2毕业设计(论文)题 目：水表的设计学生姓名梁国正学 号32分 院成教分院专业班级机械设计制造及其自动化指导教师朱根兴老师2010年 12月 杭州基于单片机的IC卡智能水表设计摘 要为适应国家用水制度的改革，研究和利用现代化智能技术对自来水实行自动控制，减轻供水管理部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少每月抄表、收费所带来的麻烦和因收费问题带来的纠纷，用现代科学技术手段改变自来水管理体制的落后现状，势在必行。基于单片机的IC智能水表不但可以提高供水部门的工作效率，而且在技术上为节约用水、合理用水创造了条件，由于这些特点，基于单片机的IC智能水表得到了越来越广泛的应用。本论文主要设计研究基于单片机的IC卡智能水表电路，其主要功能是以AT89C51单片机为核心，实现IC卡的读写，液晶显示的控制，电磁阀的控制，脉冲的提取，同时具有安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。本文对每个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了硬件电路的设计流程，对本设计中非接触式IC卡读写电路模块、液晶显示电路模块和H6152读写电路模块等工作原理及功能进行了详细了说明。关键词：单片机；IC卡；液晶显示；记忆模块Design 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目 录第1章 绪 论31.1 项目背景简介31.2 国内外水表使用现状调查31.3 国内水表的开发分类41.3.1 脉冲发讯集中抄收式水表41.3.2 无电源直读式集抄系统51.3.3 磁卡(IC)卡表预付费表61.4 水表应用问题分析71.5 智能水表91.5.1 智能水表的特点91.5.2 国内外智能水表的发展现状及发展趋势11第2章 智能水表的组成和单片机的选择122.1智能水表系统硬件组成142.2 AT89C51单片机简介152.2.1 89C51单片机的基本组成152.2.2 89C51单片机引脚及其功能16第3章 系统各模块硬件电路设计183.1 IC卡读写电路183.1.1 Mifare 1射频IC卡183.1.2 H6152读写模块223.1.3 IC卡读写电路的原理及说明243.2 液晶显示电路283.2.1 液晶显示模块283.2.2 电源模块303.2.3 单片机模块333.3 记忆单元电路333.3.1 I2C总线简介333.3.2 AT24C01简介353.3.3 硬件原理图363.4 电磁阀控制电路373.5 其它模块电路38第4章 系统各模块软件设计404.1 IC卡读写软件设计404.1.1 H6152内部寄存器404.1.2 H6152通信协议与控制命令424.1.3 IC卡读写电路程序流程图及部分程序484.2 液晶显示电路软件设计504.2.1液晶控制驱动器指令集504.2.2程序流程图及部分程序524.3 记忆单元电路软件设计54第5章 结论56参考文献57谢 辞59附录：电路图6060第一章 绪 论1.1 项目背景简介随着经济的迅猛发展，中国水资源已出现严重短缺的境况。根据调查数据显示，全国669个城市中，400多个城市严重缺水，城市节约用水已迫在眉睫。因此，加强节水管理工作，坚持把节约用水放在首位，优化调整城市经济结构和产业布局，大力推广节水新产品、新技术的应用与推广势在必行。随着国家对能源和环境保护的充分重视，近年来水事业得到了很大的发展，目前水管网的用户在逐年增加，在这种形势下，推广应用精度较高的智能水表，必将带来巨大的社会效益与经济效益。老式水表为机械式水表，易受到人为破坏，且计量不准确，在水流比较小的情况下，计量误差较大，而且使用时间越长精度越低。冬季户外水表易爆裂。老式水表内腔较大，并自成回路，在小的旋流影响下会出现误计现象，如出现用户停止用水时水表还在计量的现象。 用户恶意拖欠水费现象时有发生，老式水表无法有效应对。 有滤网结构，水质较差时易堵塞，加之长期高速旋转，需要定期维护。 且体积较大，占用较大安装空间。上述问题在很大程度上困扰着供水部门，产品急需更新换代。在经济飞速发展的今天，在市场竞争日趋激烈的形势下，开发新一代高精度的智能水表，克服老式水表所带来的弊端，对提高自来水公司供水、售水管理层次、适应当前社会的发展有着十分明显的意义，同时它也是应对水资源日益紧张的有效措施之一。1.2 国内外水表使用现状调查目前市场上存在的比较合理的供水售水方式主要有三种：即集中抄表、储值卡预付费用水、水表计量远传控制。其中，集中抄表管理费时费力，存在很多问题，而水表计量远传形式虽然解决了收费问题，但要求额外敷设线管并提供线路维护，因而未被广泛采用，而智能卡水表是民用和工业用的一种集机、电、仪一体化的新型水表。它以IC卡作为媒介来支付自来水费和进行结算，可以彻底改变传统的查表收费模式，实现买多少水用多少水，卡中金额用完水阀自动关闭的控制功能。它能减少人为因素造成的差错和损失，实行预收费方式，全面建立用户用水档案，不仅可以节省人工，并能有效的阻止窃水等作弊行为，可以实现用水销售管理现代化、自动化，提高管理技术含量，有较好的经济效益和社会效益，因而受到自来水公司和居民的欢迎。国家建设部已将IC卡水表及计算机收费系统作为社区建设的新技术、新产品推广应用。据初步统计，国内IC卡水表初期需求量达到120万台，国内市场前景非常好。为此国内众多生产厂家纷纷推出远传水表，或水表与电控阀一体的新型水表。我们调查了重庆、深圳、宁波、上海、济南、合肥、南京、杭州、慈溪等十多家厂商的产品广告，包括纯水表、DN15、DN20水表，这些产品足足可以代表我国目前水表的技术水平。综合起来，这些产品可以分为三种类型：普通机械水表加读数头；普通机械水表加电控阀；以普通旋翼式水表为基表的表阀一体化设计。从形式上看，这些水表也集成了部分先进的电子计量和控制技术，带有新的计量和控制手段，但仔细分析下来，该类水表的基表仍沿用以往的老式机械表，计量标准也是采用机械式旋翼表的标准GB/T788-1996B级，从计量角度来看，此类水表并没有真正的达到对旧式水表进行升级换代的目的。不仅如此，这些“新型”表仍然带有上文所列的老式水表所固有的一些缺点。从这几个方面来讲，国内企业对这些水表的改造不能算是很成功的。通过网上数据查询，我们发现在国外，流量计的开发研究主要集中于工业用途。近年来，随着微电子，微机械技术的迅速发展，用于家电、半导体制造、生物医疗等领域的流量传感器研究开始升温。 值得借鉴的是，美国堪萨斯州GPI公司生产的工业和商业用的流量计（如下图1-1），采用液晶数字显示，体积很小，只相当于一个直管双通管接头。其内部结构是轴流螺翼式，因此量程较窄，成本也较高，灵敏度也不是很高，但其设计思想完全值得我们借鉴。图1-1商用流量计1.3 国内水表的开发分类目前国内市场上普遍采用的智能化水表主要有三类：脉冲发讯式集中抄收系统(表具传感器分为干簧管型、霍尔元件型、光电转换型)；无电源直读式集抄系统(传感器分为光电收发编码式、电阻逻辑编码式、接触开关编码式、条形码式,水表表具分为干式、湿式) ；卡表(分为插卡表、射频卡表)。它们的工作原理不同，因而各自的优缺点也就不同。1.3.1 脉冲发讯集中抄收式水表脉冲发讯集中抄收式水表的工作原理由表上不断发出脉冲信号，经采集器对脉冲信号进行采集、累加、存储和数据上传。优点：发讯式集抄系统目前在国内已普遍采用，推广应用方便，价格较低，只要生产厂商和系统集成商严格把好每一环节的质量关，且发讯不随时间而产生疲劳损伤，此系统不失为一种可供选择，适用于一定历史时期的过度产品。缺点：经过多年的应用，脉冲发讯集中抄收式水表主要存在以下几个问题：1初始化及维护工作量大，每只水表必须人工抄表后再将表的实际数值输入数据采集器，这个过程叫初始化。系统一旦因掉线或断电等原因而引起误差，就必须重新进行初始化，否则会造成短线、断讯、断计量，使自来水行业遭受利益损失，而且这种数据初始化维护的工作量非常巨大，一旦大面积推广，便很难保证是否有足够的维护力量保证系统的正常运行。2磁铁强磁干扰，“霍尔型”、“干簧管型”水表内的核心部件是永磁体，如果水表附近存在磁场或永磁体，将干扰计数转盘的正常力矩，导致计量误差的产生，特别是对干黄管型水表而言，干簧管会长期处于吸和状态，脉冲信号输出全部丢失，导致自来水行业利益的很大损失。3电能消耗，水表必须有固定的电源，若整个城市以年度计算则耗电费用相当庞大，这个必须由自来水行业来承担。此外集中抄收系统设置在室外，极易受到认为破坏而造成自来水行业利益的损失。1.3.2 无电源直读式集抄系统无电源直读式集抄系统的工作原理是在干式或湿式旋翼式水表码盘下每个与刻度对应的位置上装上红外收发光管或电阻或金属触电，当码盘上的透光孔或触电转到某一刻度时，抄表系统即供电。这时红外发光管发光，在对应位置上的红外接收管接收到光信号后经单片机对信号进行判别、计算，将每一刻度上的数据传给集中器，再由集中器将所抄水表数据上传至计算机管理软件，该系统平时不工作、不供电、无功耗，所以称为无电源。抄表时读取的时表具实时指针度数。优点：1直接读数，无需在集中抄收器中设定数据初始化的工作。系统在首次开通及维护重新启动后都无需对水表和集中抄收器进行数据初始化，减少可维护的工作量。2无源远处采集器直接传送表具实时度数，平时不工作，故不受机械振动和电磁干扰的影响。3系统日常工作不需供电,避免了由于供电不稳定或电源故障引起的计量误差及大量的维护工作，降低了系统的使用和维护费用。4由于无源远传系统的传感器记忆的是指针或字轮，即使水表发生倒转，自动抄表数据与表具指针或自轮的读书也始终保持一致，避免了用户与售水单位由于数据不一致而引发的矛盾。“无源”只读式水表集抄系统目前在国内应用较少，现阶段只能从技术角度来分析和探讨它可能遇到的问题：1无论是广电变换技术、触点或逻辑编码技术，还是条形码识别技术，对制造和装配工艺的要求特别高，丝毫的偏差都会使表具远传数据产生误差和进位不准，其制造成本较高。2电阻式、光电式传感器只能在干式水表上使用。采用磁传耦合技术，干式表在长期使用中易将铁屑吸附在磁铁上，从而影响计量效果。3目前有的厂家已在湿式水表上研制出无源直读式集抄系统。从资料上看，传感器和电子器件均在水中工作，是否会在触点与盘面上产生接触不良，从而影响远传计量，还有待考察。1.3.3 磁卡(IC)卡表预付费表磁卡(IC)卡表预付费表的工作原理是以接触IC卡或非接触射频卡作为媒介，将各种信息输入表中控制系统来自动开关阀门（供水或停水）。首先由用户到自来水公司网点预购可用水量，再将可用水流量通过IC卡输入表中控制系统，等水量用尽即自动关闭阀门并中断水的供应，报警器在设定水量用完之前会自动报警以提醒用户购水，达到“先买水、后用水”的目的，实现了控制管理的自动化。优点：1对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。这是大家都普遍认可的一个优点。这对解决水费拖欠这个过去难以解决的问题会有帮助。随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。2改变了入户抄表收费的模式。这种模式改变的意义是巨大的。由于城市规模不断扩大和居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大。沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。而使用智能IC卡进行交易结算，将可以有效解决这个会带来很多社会隐患的问题。3可以有效解决一些技术难题 。比如，随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。这些，将对供用水交易提出较高的技术要求。采用普通水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。4随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。采用传统水表，这个跨越是很难完成的，而采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。5当然，使用智能IC卡水表还有其它优点，比如可以有效解决计量扯皮、用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。6用户不缴费的情况下可自动断水，有效控制收费单位的资金回笼，不需要人工上门抄表、收费，减少了管理部门人力、物力的浪费。当然IC卡智能水表也存在一些微小的缺点：1电磁阀在长期开启状态下由于水垢和水中杂质存在而导致阀门不能有效关闭，使用户在未缴费的情况下继续用水，而收费单位还一无所知，即使发现也无法向用户追缴多用费用。2信息的安全保密问题。若充值卡密码被盗或被破译，就会给售水单位造成极大的损失。因此与脉冲发讯式集中抄收系统和无电源直读式集抄系统相比，采用智能IC卡水表就相对显得合理，智能IC卡水表具有使用和维护成本很低，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。智能卡表的以上优点，将会使智能IC卡水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。而本课题就是基于MCS-51单片机技术设计卡表，通过涡轮流量计对水管水的流量，将符合基本要求，满足社会最需要。这个就是我们要设计的水表。1.4 水表应用问题分析综合目前国内外应用的各种水表，其在技术和应用上存在的问题主要有：1技术问题。许多厂家未能真正掌握智能抄表系统的核心技术，只是买来配件进行组装或只是进行简单的计量改造，有的检验设备不全，造成很多进入市场的智能水表质量不过关，加上系统设计本身并不完善，从而造成目前集抄系统维护工作量大，水表工作不稳定。2维护保养。过了质保期后由于维护资金无从落实，往往使系统得不到及时的维护修理。3有关各方（水公司、开发商、物业公司、系统集成商）未能很好的协调好各自的责、权、利关系，从而影响整个系统流畅运行。1.5 智能水表随着为电子技术的不断发展，集成了处理器、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗甚至A/D、D/A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片单片机出现了。智能水表是一种以单片机为主体，结合计算机技术与测量控制技术，利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。智能水表除了可对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。智能水表除了可对水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。出于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变。IC卡交易系统还具有交易方便，计算准确，可以利用银行进行结算的特点。1.5.1 智能水表的特点与传统水表相比，智能水表有以下特点：1对供水部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。这是大家都普遍认可的一个优点。这对解决水费托拖欠这个过去难以解决的问题会有帮助。供水部门推行IC卡水表的经验表明，人们普遍接受这一模式，供水部门不仅解决了拖欠交费的老大难问题，还可以提前收到资金。对用户来说，由于水费的支出在总支出中占得比重很小，这种改变，对用户来说，只是把水费的交付时间提前了一段时间，所以，用户并不敏感。但对供水部门来说，这种变化则是不能小看的。随着水资源的紧张和水的商品属性逐步被社会认可，水的交易将会逐渐采用一般商品的交易模式，显然，先交费后用水，是更合理的一种交易模式。2改变了入户抄表收费的模式。这种模式改变的意义是巨大的。由于城市规模不断扩大和居民户数快速增加，供水部门抄表和收费的工作量将不断加大。沿用传统的上门抄表模式，将很难适应这种变化。而现在由于各种原因的影响，人工入户抄表的效率已经在逐渐下降并且是这种模式的成本不断增加。解决这个问题，可以采用多种途径，但依靠技术进步来解决这个问题，应当是更值得提倡的方式。显然，采用智能IC卡水表及其管理系统，将可以从根本上改变由供水部门派人去千家万户抄表收费的模式。只要供水部门合理设置交费机构，基本上不会给用户带来麻烦。如果得到金融系统的配合，还可以减少布点的成本。因此大规模采用智能IC卡水表技术对降低供水部门的管理成本是会有显著帮助的。而使用IC卡进行交易结算，用户可以自主决定交费时间和数量，增大了用户的自主性。特别是随着人们家庭安全意识和隐私意识的增强，入户抄表和上面收费等随意进入私人住户的做法将逐渐不受欢迎甚至受到抵制，这是一个必须给予重视的社会发展趋势。而使用智能IC卡进行交易结算，将可以有效解决这个会带来很多社会隐患的问题。3可以有效解决一些技术难题。比如,随着水资源的紧张，将会逐步实行超计划水价甚至阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式。这些，将对供水交易提出较高的技术要求。采用普遍水表和人工抄表的模式，是难以解决这些技术问题的，而采用智能IC卡水表，将很容易解决这些问题。4随着科学技术的发展，供水行业也需要逐步实现用高科技手段进行供水管理。采用传统水表，这个跨越式很难完成的，而采用智能IC卡水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。5当然，使用智能IC卡水表还有其他优点，比如可以有效解决尽量扯皮、用水纠纷，贪污水费、人情用水、用水统计困难等问题。6与远传抄表系统相比，智能IC卡水表具有使用和维护成本很低，没有布线造成的混乱和高故障率等问题。智能IC卡水表的以上优点，将会使智能IC卡水表逐渐被社会所接受并成为一种基本配置。1.5.2 国内外智能水表的发展现状及发展趋势目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表的智能卡式水表系统方面的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网，所以目前尚未大量投入市场；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐。1、智能网络远传水表系统就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。（1）分线制集中抄表方式 各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。其典型特点是各户表通过分户线连接至采集器。分线制集中抄表模式单纯从技术上讲较成熟，也节约成本（多户表共享一个采集器），但从实际情况看，分线制集中抄表模式存在如下缺点：由于每次水表的计量信号是通过分户线穿越较长距离到达采集器，中途任何一个环节出现疏漏都将使采集器采集不到数据，而且铺设分户线不仅使安装任务繁重，也存在许多隐患：短线，断线等。错综复杂的线路更使得维护工作困难重重。采集器均安装于现场，需专业人员调试系统并定期巡视维护，专业队伍日益“壮大”，维护费用也相应剧增。分线制集中抄表模式的风险不仅仅是各表风险的简单累加。如果采集器掉电或出现其他严重故障则会使该采集器上所有数据丢失，集中抄表的风险无法有效分散，与测控系统强调的集中管理、分散控制的分布式设计死相违背。（2）总线制智能抄表方式总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完场，手抄器或电脑不参与底层数据采集仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存（仅影响水表数据的读出），无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。但由于单表内设置单片机和后备电源，成本较高，推广普及较慢。由于各表输出的总线只需挂接，可以减少分线制抄表方式大量烦琐的布线、系统调试任务以及后期使用过程中线路、系统维护等繁重劳动强度，也方便高层次设计如网络结构的设计、与其他系统（如安防、照明、空调、消防）共享开放式网络的设计，进而为用户提供完善、综合的配套服务。2、智能卡式水表系统智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。用户须在供水部门指定售卡点，购水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解决用水收费纠纷的功能，这是其他抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀（电动阀）控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠，并且它的前期投资费用低，因此日益受到供水管理部门的青睐。根据我国金卡工程的长远发展建设来看，单纯地将普通机械式水表转化成机械式+电子式固然已迈出了重要的一步，但是还不够完善，因为水表的计量预收费及管理自动化将是大势所趋。未来信息技术的发展必将朝着网络化的方向发展，作为楼宇自动化发展的方向的一个重要方面|智能化水表系统。因此如何设计合适的平台，将自动抄表系统、远程监控报警系统、家居安防系统等无“缝隙”地与数据网及控制网连接起来，开发出能体现优良的综合性、互操作性、方便实际现场安装维护的一体化智能系统将成为今后一段时期内的热点。第2章 智能水表的组成和单片机的选择2.1智能水表系统硬件组成本水表电路的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能，组成框图如图2.1 所示。系统硬件电路由 IC卡读写电路、液晶显示控制电路、电磁阀控制电路、脉冲提取电路、安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路组成，以AT89C51为核心控制芯片，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。该CPU芯片内置4K的程序存储器，有32个多功能的I/O口，具有多个可编程的中断I/O口和数据串行通信口。并且，该芯片功耗低，特别适用于水表控制线路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地读取IC卡的数据，并控制电磁阀和液晶显示器的工作，同时还可以将水表的数据存入E2ROM进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了该水表的智能化的功能。本水表采用电池供电。AT89C51脉冲提取电路电磁阀控制电路安全保护电路IC卡读写电路IC卡读写电路液晶显示电路通信接口电路记忆单元电路IC卡座通信插座去脉冲电磁阀来自水量传感器 图2.1 硬件总体框图2.2 AT89C51单片机简介2.2.1 89C51单片机的基本组成在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，即89C51单片机芯片内包括：（1）一个8位的微处理器（CPU）。（2）片内256字节数据存储器RAM/SFR，用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3）片内4KB程序存储器Flash ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。（4）4个8位并行I/O端口P0-P3,每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。（5）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。（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。（7）一个全双工UART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。（8）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。（9）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电方式。以上各个部分通过片内八位数据总线相连接。2.2.2 89C51单片机引脚及其功能如图2.2所示为单片机AT89C51的引脚图。图2.2 单片机AT89C51的引脚图（1）XTAL1（19脚）：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。（2）XTAL2（18脚）：振荡器反相放大器的输出端。（3）RST（9脚）：复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。（4）P0口（3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器写入全1，此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。（5）P3口（1017脚）：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O多功能口。P3口输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。当CPU不对P3口进行SFR寻址访问时，即用作第二功能输出/输入线时，由内部硬件使锁存器Q置1。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码陈列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 表2.1 P3口与第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD (串行输出口)P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时器/计数器0）P3.5T1（定时器/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）第3章 系统各模块硬件电路设计3.1 IC卡读写电路3.1.1 Mifare 1射频IC卡Mifare 1射频IC卡的核心是Philips公司制造的Mifare 1 IC S50系列微晶片，其内部包括1KB高速EEPROM、数字控制模块和一个高效率射频天线模块。卡片本身不带电池供电，工作时将卡片放在读写器的有效工作区域，卡片读写器的天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线提供电源能量，其电压可达2V以上，足以满足卡片上的IC电路供电需要。在信道保证和数据完整性方面，Mifare 1标准还提供了信道检测、存储数据冗余校验、三次传递认证以及防冲突机制等功能，保证了数据交换过程的安全。Mifare 1射频IC卡的主要性能指标如下。（1）1KB的EEPROM，分为16个扇区，每个扇区分为4块，每块16B，以块为存取单位。（2）每个扇区有独立的一组（2个）密码及存取权限设置。（3）每张卡有唯一的32位序列号。（4）具有防冲突机制、支持多卡操作。（5）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。（6）数据可保存10年，可反复写10万次。（7）工作频率为13.56MHZ。（8）106kbps 的快速数据传输速率。（9）读写距离最大可达10cm（取决于天线设计）。（10）工作温度范围：-20- +50。C。Mifare 1射频卡包含了两个部分：RF射频接口电路和数字电路部分。（1）RF射频接口电路在RF射频接口电路中，主要包括波形转换模块和POR模块。波形转换模块可将卡片读写器上的13.56MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。POR模块主要是对卡片上的各个电路进行POWER-ON-RESET（上电复位），使各电路同步启动工作。（2）数字电路部分模块ATR模块：Answer to Request (“请求之应答”)当一张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all（或REQUEST std）命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block 0 中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行第一步的ATR工作，读写器对卡片的其他操作（Read/Write等）将不会进行。Anticollision模块：防止（卡片）重叠功能 如果有多张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，AntiCollision模块的防重叠功能将被启动工作，在程序员控制下的卡片读写器会与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于Mifare 1卡片每一张都具有唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别、区分已选的卡片。卡片读写器中的MCM中的Anticollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。Anticollision模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号Serial Number。序列号Serial Number存储在卡片的Block 0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号Serial Number的校验字节。Select Application 模块：主要用于卡片的选择当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“SELECT”操作。以使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在BLOCK 0 中的卡片的容量“SIZE”字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，可以对卡片进行深一步的操作，例如，可以进行密码验证等等。认证及存取控制模块在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write操作。Mifare 1 卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。控制及算术运算单元这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤。同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，CRC运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机（MCU)单元。RAM/ROM 单元RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时的存储。如果某些数据需要存储到EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过RF射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。RAM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制，使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。数据加密单元 该单元完成对数据的加密处理及密码保护。存储器及其接口电路该单元主要用于存储数据。EEPROM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将被保持，用户所要存储的数据被存放在该单元中。Mifare 1卡片中的这一单元容量为8196bit（1Kbyte），分为16个扇区，64个块。11 10 H201014x20 13.1.2 H6152读写模块图3.1 H6152基本结构示意图H6152的基本结构如图3.1所示。图中，对外通信的接口为J3和J4。J3口共有7针，包括RS-232/422的接口引脚和读写器模块的电源端，接地端，具体的功能定义如下：（1）引脚1：保留引脚（2）引脚 2：5V电源脚（3）引脚 3：接地端（4）引脚 4：A路串行接收RxD（RS-232/422）（5）引脚 5：A路串行发送TxD（RS-232/422）（6）引脚 6：B路串行接收RxD（RS-422）（7）引脚 7：B路串行发送TxD（RS-422）J4口为4针接口，提供电源和操作状态的LED灯指示信号，具体的定义如下：（1）引脚1：读过程LED指示的正端。（2）引脚2：读过程LED指示的负端。（3）引脚3：供电LED指示的正端。（4）引脚4：供电LED指示的负端。H6152读写模块操作简单方便，读写过程稳定有效。它集成了PCB板载天线电路和RS-232/422接口的集成读写模块，还提供了RS-232/422接口与TTL接口的转换电路。H6152需外界+5V电源供电。主要性能指标如下：（1）工作频率：13.56MHz。（2）串行通信波特率：9600bps、19200bps、38400bps和57600bps4种可选。（3）接口：RS-232/422/485。（4）天线输出阻抗：50K欧姆。（5）天线尺寸：45mm70mm。（6）电源电压：+5V。（7）电流供应：80mA。（8）工作温度：-40+85.（9）最大读写距离：50mm。3.1.3 IC卡读写电路的原理及说明IC卡应用系统的硬件设计结构框图如图3.2所示，总体原理图见附录1。单片机AT89C51是本设计的核心器件，它主要完成了对射频卡（MIFARE 1卡）的读写操作。H6152读写器对射频卡进行读写后通过串口电平转换电路将RS232电平转换为单片机所识别的TTL电平，从而达到了使用AT89C51单片机来控制射频卡的读写过程。单片机AT89C51串口电平转换电路IC卡读写器报警电路Mifare1射频卡图3.2硬件设计结构框图硬件电路由单片机模块、串口电平转换模块和H6152读写模块3部分电路组成，其工作原理分别如图3.3、图3.4、图3.5所示。图3.3 单片机模块图3.4 串口电平转换模块图3.5 H6152读写模块U1为单片机芯片AT89C51，其P1.0脚为单片机对H6152的控制输出，它控制H6152的工作状态，该引脚为高电平时，H6152停止工作；P1.1脚为单片机对蜂鸣器的控制输出，为低电平时，蜂鸣器发出蜂鸣声。XTAL0 和 XTAL1 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，则XTAL1不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。本设计的外部时钟电路是将XTAL0(18脚)和XTAL1(19)脚分别对接外部晶体和微调电容的两端所构成。另外单片机中还带有复位端，为了安全方便，单片机采用了上电自动复位和手动复位两种。图7中的U3为H6152的对外接口，1-7脚对应H6152板上的J3的1-7针，8-11脚对应H6152板上的J4的1-4针。L1为双色发光二极管，它表示当前H6152的工作状态。串口电平转换电路采用Maxim公司的MAX3232实现。MAX3232将单片机的TTL电平转为RS-232，然后与H6152的RS-232接口直接相连。RS-232C是数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口标准，是在微机接口应用中常用的一种串行通信总线标准，全称为EIA-RS-232C标准（Electoronic Industrial Associate Recommended Standard-232C）。RS-232C标准的信号线共25根，其中只定义了22根。这22根信号线又分为主、辅两个信道，大多数微机串行通信系统中都只使用主信道的信号线。在通信中，即便是只使用主信道，也并非主信道的所有信号都要连接，一般情况下只需使用其中的9根信号线，这就是为什么在微机的机箱上串行通信接口（如COM1、COM2）只有9根的原因。RS-232C串行通信接口标准中，对于发送端，规定5V15V表示逻辑“1”（MARK信号），用5V15V表示逻辑“0”（SPACE信号），内阻为几百欧姆，可以带2500pF的电容负载。负载开路时电压不得超过25V。对于接收端，电压低于3V表示逻辑“1”，高于3V表示逻辑“0”。 设计中单片机选用ATMEL公司的芯片AT89C51，它可以完全满足设计的功能要求。3.2 液晶显示电路3.2.1 液晶显示模块 液晶显示模块选用图形液晶显示模块GXM12864，它内含KS0108B/HD61202控制器，是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8位的微处理器接口，通过内部的12864位映射DDRAM实现128点64点大小的平板显示。该液晶显示模块使用KS0108B作为列驱动器，同时使用KS0107B作为行驱动器。KS0107B不与CPU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单。液晶显示模块GXM12864的工作原理图如图3.6所示。图3.6 液晶显示模块GXM12864的工作原理图电位器R15的作用是调节提供给驱动器的供压，从而调节液晶显示的对比度。RST是复位脚，接高电平Vout1。数据线DB0DB7和单片机的P0口相连，控制线D/I、R/W和片选线/CSA、/CSB分别与单片机P2口的6、5、1、0脚相连，使能线与P2.3相连。在进行液晶显示模块的硬件调试时务必注意正确的接线，尤其是正负电源的接线不能有错，否则会烧坏电路上的芯片。为避免液晶模块的损