毕业论文-基于ic卡的自动加油机设计

摘要随着人们生活水平的不断提高，消费水平也日渐增高，而在日常生活中，现金交易的不易携带、容易丢失、流通不方便情况给人们生活带来了很多不利，现代化城市开始朝着一卡通方向发展。IC卡INTEGRATEDCIRCUITCARD，集成电路卡是将一个微电子芯片嵌入符合ISO7816标准的卡基中的新型卡片，主要嵌有IC（E2PROM，有的还有CPU）。由于它保存的信息比较可靠安全、可以高达几万次的读写，所以大量应用于公交车票、饭票、保健卡、收费系统等。本设计是一种IC卡自动加油机。它是基于IC卡技术、单片机技术和电子技术，辅以各种功能的接口电路设计的具有自动计量、自动收费和统计功能的IC卡加油机。文章中介绍了元器件和芯片的选择，给出了硬件和软件的实现，并对主要电路进行了分析。本设计的IC卡加油机的硬件系统由AT89C51、74LS373、ADC0809、SSR600、SLE4442等组成。由ADC0809完成对输入电压的测取与转换，由继电器完成对油泵的起、停的控制，由流量传感器检测加油量。文章还对系统采用的抗干扰措施作了简单的介绍。本设计的IC卡加油机的系统软件包括主程序、中断服务程序和两个子程序。此设计的IC卡自动加油机具有精度高、功能强、实用简单等特点，使用表明操作方便、读写可靠效果良好。关键词IC卡加油机单片机ABSTRACTASPEOPLELIVINGSTANDARDRISECEASELESSLY,CONSUMPTIONLEVELISALSOINCREASED,ANDINDAILYLIFE,CASHTRANSACTIONSNOTCARRY,EASYTOLOSE,CIRCULATIONISNOTCONVENIENTFORPEOPLETOLIFEWITHMANYADVERSE,MODERNCITYSTARTTOWARDCARDDIRECTIONICCARDINTEGRATEDCIRCUITCARD,INTEGRATEDCIRCUITS,LUCAISAMICROELECTRONICSCHIPEMBEDDEDWITHISO7816STANDARDCARDOFTHENEWCARD,MAINSTUDDEDWITHICE2PROMCHIPSWAS,ANDSOMESTILLHAVECPUBECAUSEITHOLDSINFORMATIONMORERELIABLESAFETY,CANBEASHIGHASTENSOFTIME,SPEAKING,READINGANDWRITING,SOALARGEAPPLICATIONINBUSFARE,MEALTICKET,HEALTHCARD,CHARGESYSTEM,ETCTHISDESIGNISATYPEOFICCARDTANKERTHEICCARDTANKERSYSTEMDEVELOPEDBYMEANSOFICCARD,SINGLECHIPANDELECTRONICTECHNOLOGYITHASAUTOMEASURING,AUTOCHARGINGANDSTATISTICSGATHERINGFUNCTIONSINTHETEXT,INTRODUCESTHECHOSEOFCOMPONENTSANDCHIPSTHEREALIZATIONOFHARDWAREANDSOFTWAREISDETAILGIVENANDTHEMAINCIRCUITISMINUTELYDISSECTEDTHEHARDWARESYSTEMISMADEOFAT89C51,74LS373,ADC0809,SSR6OO,ANDSLE4442ANDSOONTHEADC0809ISUSETOCHECKANDGIVENVOLTAGECURRENTANDINPUTVOLTAGE,RELAYCONTROLTHEOILPUMPSTOPORRUNTHEFLOWSENSOREXAMINATIONADDSTHEOILMASSANDTHESYSTEMDESCRIBESANDADJUSTSTHEAPPROACHTOANTIINTERFERENCETHISDESIGNSOFTWARESYSTEMINCLUDINGMASTERPROCEDURES,INTERRUPTSERVICEPROCEDURESANDSEVERALSTATUREPROCEDURESTHISSYSTEMHASSOMACHCHARACTER,SUCHAS,HIGHPRECISE,BETTERABILITY,ADVANCEANDCONVENIENTUSEANDTOONTHETANKERISEASYTOUSEANDRELIABLETOREADORWRITE,ANDITMAKESGOODEFFECTKEYWORDSICCARDTANKERSINGLECHIP目录第1章绪论111IC卡自动加油机概述112加油机发展及现状213IC卡应用现状3第2章IC卡自动加油机方案的确定521IC卡自动加油机的工作原理522IC卡自动加油机的总体方案623IC卡的选择7231IC卡应用的安全性和可靠性7232SLE4442简介824单片机的选择12241单片机应用概况12242AT89C51功能简介1325流量计的选择15251影响加油机加油量准确度的因素15252涡街流量计16253涡街流量计型号的选用17第3章IC卡自动加油机的硬件设计1831硬件系统的设计原则1832数据采集通道的设计19321模数转换19322数据采集电路2033AT89C51的复位电路2134AT89C51单片机的系统扩展22341AT89C51扩展的三总线22342片外EPROM的扩展23343片外RAM的扩展25344I/O口扩展2735后向通道配置29351固态继电器工作原理30352后向通道电路图3036键盘接口及显示接口电路31361键盘接口电路31362报警及LED显示3337IC卡接口电路3438提高系统运行的可靠性35381硬件的干扰要素35382“看门狗”电路35第4章IC卡自动加油机软件设计3741软件设计思想3742主程序流程图3843中断服务程序和IC卡安全码校验程序流程图3944键盘扫描程序流程图4045显示程序流程图41总结42致谢43参考文献44附录1IC卡自动加油机原理图45附录2主程序46附录3中断服务程序清单51附录4键盘扫描程序清单54附录5显示程序清单56第1章绪论11IC卡自动加油机概述随着经济的发展，交通运输业日益繁荣，汽车购买量也在迅速激增，使得加油行业的工作变得十分繁重。从以下两方面都使传统的加油服务业，表现出无从掩饰的劣势1陈旧的机械计数式加油机，功能单一，整个加油过程需要人工直接干预，这样不仅劳动强度大，而且工作效率也相当低。严重影响了加油站的运行效率，更不能适应高效率、快节奏的现代化生活。2传统的成品油交易采用现金或者油票进行交易，对买卖双方及其不便，同时存在经济漏洞，给加油站造成很大损失，油票、现金交易的弊端也会给用户带来不必要的损失。随着我国“金卡”工程的不断深入实施，IC卡取代现金和油票进行交易，也成了大势所趋。IC卡自动加油机在这种情况下应势而生，它不仅取代了人工计量，实现了加油机的加油过程自动化，增加应用的IC卡技术也取代了人工结算，实现了加油和管理的自动化，是符合时代要求的新一代智能加油机。当用户插入一张有效的IC卡，系统会提示输入密码，用户在键入正确的密码之后，即可输入购油量，在确认卡上剩余金额充足的情况下，开启自动加油机中油泵电机和出油电磁阀，开始加油过程。系统不断累计加油量，一旦达到用户所购油量，便会随即发出指令去关闭油阀，终止加油过程，并将核算过消费金额之后的余额计入用户卡中，最后退卡。IC卡自动加油机将实现以下功能1根据购油量，自动执行供油。2显示功能。IC卡自动加油机设有LED液晶显示器，可以显示卡中剩余金额、所加油量以及相应金额等。3自动报警功能。当读卡器遇到非法卡或者卡中余额不足时，加油机通过指示灯和蜂鸣器发出声光警报。4安全可靠性。对IC卡用软件方法进行数据加密，避免不合法的卡在加油机上使用。12加油机发展及现状加油机产业是伴随汽车工业和交通运输业而产生发展的。世界上最早的加油机始于二十世纪初，近百年来加油机产业有了很大发展，由最初的手摇加油机发展到了现代高性能、多功能的加油机。随着相关学科基础理论和制造技术的进步，加油机液压部件有了很大发展和提高，计量更加准确、噪声下降、可靠性提高、环保功能得到加强；随着电子科学技术的飞速发展，现代加油机采用了电脑控制、电子显示记数、IC卡结算、中央管理机等先进技术；贮油罐监测技术和油气回收技术也得到广泛应用；相应的报警和服务设备也发展起来了。我国加油机产业起步较晚，直至二十世纪六、七十年代，北京、上海、天津和青岛等地才相继开始研制、生产加油机，开始了我国加油机产业发展的历史。改革开放以来，特别是进入二十世纪九十年代后，我国的加油机产业发展很快。国产加油机的科技含量不断提高。二十世纪八十年代中期，国内开始研制电脑加油机。二十世纪九十年代中期，国内电脑加油机逐步取代了机械轮记数的加油机。随着电脑加油机的出现，加油机的功能有了很大扩展，实现了自动记价和预置加油。人类的生存和发展越来越离不开石油，加油机是石油产业的末端产品，其地位在人类社会生活中显得更加重要。世界科学技术的进步一定会带来加油机技术的更大进步，未来的加油机会朝着计量更加准确、低能耗、高可靠性、控制功能完善、低噪声和环保功能突出等方向发展。1加油机功能操作自动化为了尽可能简化加油手续，方便顾客操作，保证加油量和结算准确性，采用微电脑技术和自动控制技术将加油机制造成智能化机型，即在原加油机上增加控制与管理功能，以实现加油开关控制、加油参数运行的显示、加油单价和总价的显示、数据积累和单据打印、防静电和防溢油连锁、事故报警和判断指示等自动化。2加油机安全措施多层次，加油机的安全性是加油站和被加油车以及加油人员安全的重要保障，必须做到多层次、全方位。3加油机显示信息多条款。加油机可以显示用户关心的一切信息，如可预置加油量、显示实际加油量、瞬时加油量、油品单价和应付金额等等。4加油机操作方式多媒体。加油机操作方式适应加油管理的一系列改革，更多地采用高科技，增加新的控制方式，逐步代替人工开票、人工监视流量表、人工控制加油枪、人工控制加油量的传统模式。13IC卡应用现状IC卡，又称集成电路卡（INTEGRATEDCARD），也通常翻译为智能卡、聪明卡。IC卡是信息技术飞速发展的产物，是继条码卡、磁卡之后推出的新一代识别卡，为现代信息处理和传输提东了一种全新的手段。被公认为是世界上最小的个人计算机。IC卡的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID卡1DENTIFICATIONCARD。1974年，法国的罗兰莫雷诺ROLANDMORENO发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔BULL公司研制出世界第一枚IC卡。1984年，法国的PTTPOSTS，TELEGRAPHSANDTELEPHONES将IC卡用于电话卡，由于IC卡具有良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织1SO，INTERNATIONALSTANDARDIZATIONORGANIZATION与国际电工委员会1EC，INTERNATIONALELECTRONICCOMMISSION的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准、规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。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己发展得相当普遍，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。此外，伴随着使用磁卡犯罪现象的日趋严重采用IC卡己成为势在必行的潮流。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。因此普遍受到人们的赞誉和青睐，根据我国国情，我们没有必要也不应该重复走国外的老路，而应尽快开发适用于我国的IC卡。我国致力的经济信息化建设，其中以“金桥”、“金卡”、“金关”三金工程为代表。“金卡”工程就是电子货币工程，是推进我国国民经济信息化的重要工程之一，它以磁卡和IC卡为媒介，利用邮电部、人民银行现有的网络资源为银行、商贸和旅游等部门服务。由于IC卡相对磁卡而言，不但具有防水、防潮、防磁和极高的安全、保密防伪能力，而且使用寿命长，因而是“金卡”工程的首选产品，广泛因用于金融、电讯、交通、服务等多个部门。第2章IC卡自动加油机方案的确定21IC卡自动加油机的工作原理本设计的IC卡自动加油机，是用户凭发放的“油量储值IC卡”加油，管理人员通过“油量统计IC卡”对油量的使用情况进行管理，取代了传统的人工登记、结算的管理方式，实现了加油与管理的自动化。加油时，涡街流量计输出的电脉冲信号通过光电隔离、A/D转换后送至微处理器，微处理器发出控制信号，经晶体管功放带动继电器来控制油泵电机的启停，实现自动加油。微处理器连接并受控制于IC卡、RAM存储器、键盘、显示器、键盘显示控制器。当用户插入一张有效的IC卡，系统会提示输入密码，用户在键入正确的密码之后，即可输入购油量，在确认卡上剩余金额充足的情况下，开启自动加油机中油泵电机和出油电磁阀，开始加油过程。系统不断累计加油量，一旦达到用户所购油量，便会随即发出指令去关闭油阀，终止加油过程，并将核算消费金额之后的余额计入用户卡中，最后退卡。根据用户需要，加油通常有两种方式非定量加油和定量加油。1非定量加油是指不预先设定加油量的加油方式。采取这种方式加油时，只需将IC卡插入IC卡加油控制器中，摘下油枪后即可开始加油。当油箱加满或加至需要量时，可停止加油，挂枪后系统自动进行结算，然后退卡。2定量加油是指预先给定加油量，然后进行加油。当用户使用现金或油票加油时，一般采用这种方式采用这种方式加油，加油员将自己的加油卡插入IC卡加油控制器，从键盘输入需加油的数量后，用户即可自行摘枪加油。当油量加到预设油量时，加机自动停泵。22IC卡自动加油机的总体方案本加油机控制系统由单片机及存储器、测量及控制、IC卡接口、键盘及显示、看门狗等部分所组成，其硬件原理框图如图21所示。整机控制系统的核心是一片性价比较高的AT89C51单片机。内含4K字节的EEPROM作为系统的程序存储器，从而简化了系统结构。另外扩展一片NVSRAMDCM00648K字节作为系统的数据存储器用以存储用户的加油信息。因非易失性SRAMNVSRAMNONVOLATILESRAM既有EPROM的不易失性，即断电后数据不变，又像普通SRAM一样可快速读写数据，读写次数无限制。在系统中它的功耗很小，而且连接方法也很简单。加油量检测使用精度较高的涡街流量传感器。它输出的电脉冲频率和流量成线性关系，同时测量范围宽、重复性好。而且便于实现远距离无损测量。其电脉冲信号经放大处理后通过光电IC卡接口键盘显示看门狗及低电平检测光电隔离信号处理涡街流量计功能驱动INT1P107RXDTRESTP27P26INT0P25油泵与电磁阀锁存器NVSRAM0P203P07隔离TLP521作为单片机外部中断0的输入信号INTO，这样结合定时器T0就可测频。单片机的P25，通过晶体管功放后带动12V低压继电器SSR，由继电器的触点控制油泵电机的启停接触器的线圈及油路通断电磁阀的线圈，以实现自动加油。图21IC卡自动加油机硬件原理图23IC卡的选择231IC卡应用的安全性和可靠性1IC卡的标准接触型IC卡的国际标准是最广为人知的ISO7816，我国一经采用其第1、2、3部分作为国家标准。此标准主要定义了塑料基片的物理和尺寸特性、触点的尺寸和位置、信息交换的底层协议描述。按照国际标准ISO7816对接触式IC卡的规定，在IC芯片上覆盖有6或者8个触点和外部设备进行通信。按ISO标准，IC卡芯片的触点及其定义如下。1C1（VCC）IC卡工作电源。2C2（RST）复位信号（可选）。3C3（CLK）有关信号的定时与同步。4C5（GND）接地。5C6（VPP）存储器编程电源（可选）。6C7（I/O）IC卡中串行数据的输入/输出。剩下的两个触点（C4、C8）视不同情况可在有关应用标准中予以定义。2IC卡类型的选择根据应用领域不用，IC卡可以分为金融卡和非金融卡两大类；从IC卡的读/写方法上来分类，有接触型和非接触型两种；另外，根据IC卡内部结构还可以分为存储卡、逻辑加密卡和CPU卡。根据实际使用的安全性和可靠性，以及方便性和实用性，应选接触型IC卡，内部结构应该是逻辑加密型。3IC卡瞬间掉电测试IC卡瞬间掉电是两个原因造成的，一个是因为IC卡卡座质量不好，经过长期插卡、拔卡，使IC卡和卡座触点之间接触不良；第二个原因是人为的插卡不当或带电非法拔卡。若瞬间掉电发生在卡的个人化过程中，将导致有关信息写入错误，使该卡成为废卡。若瞬间掉电发生在对卡内资金的修改过程中，将导致卡内金额错误。不管挑选何种IC卡座，在长期使用过程中，不可能绝对地避免IC卡的瞬间掉电。IC卡读写机座加强对IC卡瞬间掉电的测试和处理，来减少错误。可以是定时检测，也可以是在对IC卡瞬间掉电应禁止对IC卡操作，并在检测到卡上电后以报警引起人工干预如重新插卡等。检测IC卡瞬间掉电的手段有读IC卡信息或者读IC卡插入开关状态两种。前一种判断IC卡掉电的正确率高，后一种只能判断是否被取出，但不影响正在进行的对卡操作过程，适用于定时中断程序对IC卡的检测。232SLE4442简介IC卡自动加油机控制系统是采用IC卡来完成油费的支付，即在IC卡中预先存入一定的金额，每次加油后将应收金额从卡中减去，当IC卡中无钱时，司机持卡前往指定的交费地点充值并将预购金额写入卡中。然而，伴随着现代电子高科技犯罪的出现，需要一种强有力的安全措施来保护机密数据不被他人窃取或篡改。因此，本设计采用了安全性较好的SLE4442IC卡。1SLE4442IC卡芯片简介SLE4442IC卡是由德国SIEMENS公司设计的逻辑加密芯片。它采用I2C总线，支持ISO7816同步传送协议，芯片采用NMOS工艺技术。含有256字节的多存储器结构的用户区，能满足大部分应用领域的要求，每个字节的擦/写编程时间至少25MS，存储器具有至少10000次的擦写周期，数据保持时间至少10年，SLE4442IC卡芯片包括三个存储器，即主存储器、保护存储器及加密存储器。2SLE4442IC卡安全性分析虽然SLE4442IC卡自身具有很强的硬件加密措施，但并不是无懈可击的。SLE4442IC卡存在的被攻击途径主要有穷举法、中途拦截法及终端设备分析法等。1穷举法SLE4442IC卡在终端设备上最多只有3次卡密码校验机会，这样3个字节的卡密码总共有1600多万个组合通常可采用在通用读卡器上改写卡密码，在终端上试用，尝试多个组合直至找出卡密码，这就是穷举法。2中途拦截法中途拦截法是将通用读写器并接在应用设备的卡头上，或在IC卡上引线并接通用读写器，在卡校验密码后未下电时，通过读卡器读出卡密码。3终端设备信息分析法从终端设备的存储芯片内读取数据，经过分析，从而破解卡密码。防止终端设备信息分析法一般要对存储芯片上的数据进行软件加密，动态修改数据值。从以上分析发现SLE4442IC卡存在IC的潜在性攻击是终端设备在硬件上无法解决的，需要进一步在软件方面进行加密和数据处理。3对SLE4442采取的加密算法SLE4442IC卡自动加油控制系统由于涉及到金额、密码等机密数据，因此需要做好完善的加密工作，即要保证系统的安全性和可靠性。所谓安全性的实质就是如何确保当事人以外的客体不得介入；而可靠性的实质是如何鉴定当事人的真伪，以及所传递的信息的真伪和完整性。密码体系安全系统，设计指导思想如下1一卡一密；2IC卡的密码与卡号有关；3加密算法的密钥需要安全保存；4IC卡的密码能系统性动态变更；5IC卡密码生成采用DES加密算法。SLE4442IC卡自动加油机控制系统的安全性主要体现在对SLE4442IC卡密码的操作和管理上，因此，密码安全体系即为整个应用系统安全设计的核心。本系统加密算法采用国际上普遍流行的公开加密算法一DESDATAENCRYPTIONSTANDARD加密算法。DES把传统的代替法和换位法进行多次组合，利用分散和错乱的相互作用得出了密码强度很高的密文。DES算法的入口参数有三个KEY,DATA,MODE。其中KEY为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；DATA也为8个字节64位，是要被加密或被解密的SLE4442IC卡数据；MODE为DES的工作方式，有两种加密或解密。如MODE为加密，则用KEY去把数据DATA进行加密，生成DATA的密码形式64位作为DES的输出结果；如MODE为解密，则用KEY去把密码形式的数据DATA解密，还原为DATA的明码形式64位作为DES的输出结果。在通信网络的两端，双方约定一致的KEY，在通信的源点用KEY对核心数据进行DES加密，然后以密码形式通过密钥卡传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的KEY对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。这样，便保证了核心数据在自动加油机控制系统的安全性和可靠性。通过定期在通信网络源端和目的端同时改用新的KEY，便能更进一步提高数据的保密性。DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，整个算法的主流程如下第一步输入64个二进制位明码数据区组，TTLT2T64按初始换位IP见表1进行换位，得到区组B0B10B20B640T58T50T7表1初始换位表IP58501234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157第二步设BIIB1IB2IB64I是第I1次迭代的64个二进制位输入区组，将BI分为左右两个大小相等的部分，每部分为一个32位二进制的数据块LIL1IL2I132IBLIB2IB32IRIR1IR2IR32IB33IB34IB64I把RI视为由8个4位二进制的块组成R1IR2IR3IR4IR5IR6IR7IR8IR29IR30IR31IR32I通过循环抄录相邻块的相邻块，把它们再扩充为8个6位二进制的块R32IRLIR2IR3IR4IR5IR4IR5IR6IR7IR8IR9IR28IR29IR30IR31IR32IRLI用ERI表示这个变换，称为扩充函数。第三步在第I1次迭代中，用48位二进制KILKLILK2IL其中K48IL与ERI按位相加逻辑异或，得R32IKLILRLIK2ILR5IK6ILR4IK7LLR5LK8IL9IKL2ILR28IK48ILR29IK44ILRLIK48IL第四步将以上第J个1J6位二进制的块记为ZZJ1ZJ2ZJJZJ4ZJ5ZJ6输入第J个替代函数习。各替代函数习的功能是把6位数变换成4位数，做法是以ZJL,ZJ6为行号，ZJ2,ZJ3,ZJ4,ZJ5为列号，查找副，行列交叉处即是要输出的4位数。第五步八个替代函数SJ1J8的输出拼接为32位二进制数据区组YLIY2IY32I把它作为换位函数P的输人，得到输出XIXLIX2IX32IYL6IY17IY25I第六步把LI与XI按位相加，形成RI1，且令RI为L，I1，即得到经第I1次迭代加密后的输出LI1RI1，其中LILRIRILLIFRI,KILI0,1,2,15第七步对R16L16作逆初始换位IP，得到密码文。IC卡明文由8字节16进制数据组成。IC卡明文二2字节客户卡号2字节客户卡号反码1字节卡使用序号十3字节的本次设置密码。表2为IC卡密码生成规则例表。其中，IC卡明文为0001FFFE01645645U，由客户卡号、客户卡号反码、卡使用序号及本次设置密码组成密钥为4616168484648151H，由8字节16进制数组成，IC卡额度密钥需要妥善保存，是整个加密系统安全机制的核心。卡密码由明文经DES算法加密后生成8字节密文60F7B2E65D93B512H，取密文前3个字节作为卡密码。取密文第8字节12H写人IC卡中，用于校验密码前判断密码是否正确。表2IC卡密码生成规则例表24单片机的选择241单片机应用概况目前微处理器有很多种，在我国，MCS51系列的单片机用的比较广泛，这种单片机性能可靠，价格便宜，广泛应用在工业上的各个领域。以最开始的8031为代表，但是8031单片机没有内部RAM和ROM，程序和数据的存储很不方便，所以本设计采用了803L的改进型89C51，89C51内部自带了4KB的EPROM，和128B的内部RAM。可以方便写入/擦除程序。单片机应用的主要领域有智能产品、智能仪表、测试系统、数控控制机、智能接口。目前用户在构成应用系统时有三种方式可供选择1专用系统这种系统的扩展与配置完全是按照应用系统的功能要求设计的。2模块化系统这种系统，将典型配置做成用户系统，以供用户选择使用。3单片单板机系统受通用CPU单板机的影响硬件按照典型应用系统配置并配有监控程序具有自开发能力。242AT89C51功能简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，片内含有4K字节的可反复擦写的只读程序存储器EPROM和128字节的随机存取数据存储器，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MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价的应用场合。可灵活应用客户卡号客户卡号反码卡使用序号本次设置密码明文00H01HFFHFEH01H64H56H45H密匙64H16H16H84H84H64H81H51H密文60HF7HB2HE6H5DH93HB5H12H卡密码60HF7HB2H123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE12MAY2012SHEETOFFILECUSERSLENOVODESKTOP临临临临临临临DDBDRAWNBYP10/T21P11/T2EX2P12/RXD13P13/TXD14P14/INT25P15/INT36P16/INT47EA31P30/RXD010P31/TXD011P32INT012P33INT113P34/T014P35/T115P36/WR16GND20RST9ALE30PSEN29VCC40P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD633P06/AD732P20/A821P22/A1023P21/A922P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427P27/A1528X119X218P17/INT58P37/RD17AT89C51于各种领域。1其主要特性1与MCS5L兼容24K字节可编程FLASH存储器3寿命1000写/擦循环4数据保留时间10年5全静态工作0HZ24MHZ6三级程序存储器锁定71288位内部RAM832可编程I/O线9两个16位定时器/计数器105个中断源11可编程串行通道12低功耗的闲置和掉电模式13片内振荡器和时钟电路2AT89C51管脚排列及说明如图22。图22AT89C5L双列直插封装管脚排列VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻抗输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入L后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流1LL这是由于上拉的缘故。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器0000HFFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。25流量计的选择251影响加油机加油量准确度的因素为确保加油机能在规定的工作条件下正确使用、准确计量，有必要对加油机在使用中可能造成误差的因素进行分析。1漏流量加油机在小流量检测时，误差值急剧地向负方向倾斜，随着流量增大，误差值逐渐由负方向向正方向移动，并稳定在某一定值上。流量继续增加，误差又将向负方向偏移。呈现这种变化趋势，是因为加油机流量计存在漏流现象。所谓漏流量，就是一部分未经“计量器”计量，而通过测量元件与壳体之间的间隙直接从入口流向出口的流体量。2软管的内容积变化加油机软管的内容积变化也会影响加油机计量准确度。当加油机工作时，软管中全部注满油液，并且有一定的压力。但停泵时，软管内虽然仍充满油液，但压力降至大气压，软管从大气压到加油机工作时的内容积变化直接影响到加油机的计量准确度。软管的内容积变化与材质、性能、油压和使用长度有关，必须严格限制。综上所述，加油机在工作中影响准确度的因素主要有漏流量、气体、过冲量及输油软管的内容积变化。只要合理地选择使用流量和压力，选用符合规程要求的组成部件，并能经常检查维护，就能提高加油机的准确度。252涡街流量计涡街流量计，简称VSF，是在流体中安放一根或多根非流线型阻流体BLUFFBODY，流体在阻流体两侧交替地分离释放出两串规则的旋涡，在一定的流量范围内旋涡分离频率正比于管道内的平均流速，通过采用各种形式的检测元件测出旋涡频率就可以推算出流体的流量。在流体中设置旋涡发生体阻流体，从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。设旋涡的发生频率为F，被测介质来流的平均速度为U，旋涡发生体迎面宽度为D，表体通径为D，根据卡曼涡街原理，有如下关系式FSRU1/DSRU/MD式中U1旋涡发生体两侧平均流速，M/S；SR斯特劳哈尔数；M旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比。253涡街流量计型号的选用本设计所选用的是，SSK600应力式涡街流量计。其工作原理是当流体流经测量管内梯形档体时，在它的两侧面交替形成涡街并分离出来，在一定的雷诺数范围内，涡街的频率与平均流速成正比，因而也与流量程正比。由涡街分离引起的交替压力变化，通过位于挡板后面弹簧片内的压电传感器检测出来，并转换与之称正比的交换电压信号，随后由电子线路进行处理，转换成标准的电流和脉冲信号。其主要性能特点1量程宽，适用范围广；2无可动部件；3耐高温，最高可达350；4可测液体、汽油和蒸汽；5结构简单易安装；6输出15V脉冲信号，并与流量成正比；7防爆型；8电气连接简单，功耗低于05W；9精度液体1；10电源1430VDC11自动补偿滤波器在工作状态时自动对脉动流体产生的干扰信号进行过滤。选用的这种涡街流量是公称直径为15的流量计，其测量范围为06M3/H，5M3/H，因其流量与输出脉冲信号或线性关系可得出公式（25）11QU式25第3章IC卡自动加油机的硬件设计31硬件系统的设计原则一般来说一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分内容一是系统配置，是按照系统功能来配置外围电路，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要按实际情况设计合理的电路。二是系统的扩展，是当单片机的内部功能单元，如RAM、ROM、I/0、定时器等不能满足系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适合的芯片设计相应得的电路。系统的扩展和设计因该遵循以下原则1尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好基础。2系统的扩展与外围设备配置的水平充分满足系统的功能要求，并留有适当的余地，以便123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE12MAY2012SHEETOFFILECUSERSLENOVODESKTOP临临临临ADC08DDBDRAWNBYIN026IN127IN228IN31IN42IN53IN64IN75REF16REF12MSB212122202319241825826152714KB2817EOC7B24A25C23ALE22ENABLE9START6CLOCK10进行二次的开发。3硬件应该结合应用开发软件方案并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。4整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5可靠性及抗干扰设计是硬件系统不可缺少的一部分。6单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。32数据采集通道的设计321模数转换因为涡街流量计输出量是模拟信号，因此在进入CPU之前需要对其进行模数转换。本设计采用的是ADC0809，它是一种8位逐次必进式A/D转换器。主要性能如下1分辨率为8位2精度ADC0809小于1LSB3单5V供电，模拟输入电压范围为05V4具有锁存控制的8路输入模拟开关5可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容6功耗为15MW7不必进行零点和满度调整转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围101280KHZ。典型值为时钟频率640KHZ，转换时间约为100US。管脚图如31。R24V24V5V5V5VVCCNOT1212SSK620TPL521ADC0809AT89C51GDC8ABCCLKIN0IN7STARTOEEOCALEP00P07WRP20RDINT1R图31ADC0809管脚说明322数据采集电路ADC0809与单片机接口电路，即为IC卡自动加油的数据采集电路的主要部分。由于ADC0809片内无时钟，故利用单片机的地址锁存允许信号ALE经过分频后获得。ALE引脚的频率是单片机的时钟频率的1/6，如果单片机时钟频率为12MHZ，则ALE引脚的频率为2MHZ，再经分频后为500KHZ，所以ADC0809能可靠工作。由于ADC0809具有三态锁存器，故其8为数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低8位地址信号在ALE作用下锁存在74LS373中，单片机的P20作为片选信号，与/WR进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上。图32是ADC0809在IC卡自动加油机数据采集电路中的应用。经过SSK传感器采集信号，通过光电隔离进入ADC0809进行模/数转换。图32IC卡自动加油机数据采集电路33AT89C51的复位电路单片机的复位是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工CR5VAT89C51VCCVSSRSTCR5VAT89C51VCCVSSRSTRS10UF1K0082K作，或者单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作中程序处于某种死循环状态等情况下都需要复位。AT89C51单片机在振荡器正常运行的情况下，复位是靠RST引脚加持续2个周期的高电平来实现的。有效复位后，RST端变低电平。在IC卡自动加油机中所设计单片机的复位电路，必须了解单片机的复位状态以及单片机的复位状态都是靠什么样的外部电路来实现的。复位后，PC程序计数器的内容为0000H，片内RAM中内容不变。另外，当程序运行出错或因操作错误而使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也可按复位键来重新初始化单片机。AT89C51的复位电路一般有上电复位电路、按钮手动复位电路两种，如图33所示。图33A上电自动复位电路图33B按键复位电路D0D1D2D3D4D5D6D7/OELEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q73478131417181112691215161974LS373534AT89C51单片机的系统扩展341AT89C51扩展的三总线由于受引脚个数的限制，AT89C51单片机需要扩展时，为便于与各种芯片相连接，应将其外部连线变为与一般CPU类似的三总线结构形式，即地址总线、数据总线、控制总线。1地址总线（AB）地址总线用来传送存储单元或外部设备的地址。AT89C51单片机由P0口提供8位地址线。由于P0口同时又做数据口，地址数据是分时复用，所以低8位地址必须用锁存器锁存。也就是在P0口加一个锁存器，锁存器的输出就是低8位地址。锁存钱所存控制信号就是单片机ALE控制信号提供的，当ALE下降沿时将低8位地址锁存。地址总线高8位由P2口直接输出。P0、P2口在作为地址总线使用时就不能再用作一般的I/O口，这在系统扩展时一定要注意。地址总线的宽度是16位，寻址范围是21664KB，地址范围是0000HFFFFH。2数据总线DB数据总线用来传输数据和指令码，AT89C51由P0口提供数据线，其宽度为8位，该口为三态双向口。单片机与外部交换数据、指令、信息几乎都是由P0口传送。3控制总线CB控制线用于传送各种控制信息。AT89C51用于系统扩展的控制线有/WR、/RD、/PSEN、ALE、EA。/RD、/WR信号用于扩展片外数据存储器的读写控制。当使用MOVX类指令对片外数据存储器读写时，自动产生/RD、/WR信号。/PSEN用于扩展片外程序存储器的读控制。读取片外程序存储器时单片及不产生/RD信号。ALE的下降沿使P0口输出的地址锁存。/EA用于选择片内或片外程序存储器。/EA0时，不论是否有片内程序存储器，只访问外部程序存储器，/EA1时，系统从内部程序存储器开始执行程序。342片外EPROM的扩展AT89C51单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对于简单的应用场合，AT89C51的最小系统就能满足功能要求，但在许多情况下，构成一个工业控制系统，最小系统常常不能满足要求，因此系统扩展是单片机应用系统设计中最常见的问题。对于片内无ROM的AT89C51单片机来说程序存储器的扩展是不可缺少的工作。片外EPROM扩展时，必须要有低8位地址锁存器，一般采用74LS373，管脚图如图34。P27P26P25P24P23P22P21P07P06P05P04P03P02P01P00ALE/EA/PSENAT89C51A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A4A5A3A2A1A0D6D5D3D4D2D1D0D7/OED7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0G/OEVCCVCCP20272565VGNDVCC/CEGND74LS373图3474LS373管脚图D0D7数据输入Q0Q7数据输出/OE三态输出允许，低电平有效LE数据锁存片外EPROM的扩展方法紫外线擦除电可编程的只读存储器可作为AT89C51的外部程序存储器，典型产品有27162K8，27324K8，27648K8和2725632K8等，这些电路片的玻璃窗口在紫外线光下照射20分钟左右，存储器的各位信息全变成1，通过相应的编程器将工作程序固化到这个芯片中，便可作为AT89C51的外部程序存储器使用。如图35为一片27256的片外EPROM扩展电路，由于常用的EPROM芯片是2716、2732、2764、27256等，因此在只扩展一片EPROM的情形下，所扩展的片外程序存储器的容量将依次达到2KB、4KB、8KB、16KB、32KB和64KB，图35中因为用了27256所以P2口全部使用才能传送高8位地址。锁存器74LS373的引脚11G端是使能端，当G1时，锁存器的状态随数据端的状态变化而改变，即锁存器内容可更新；当G由1变0时，低8位地址被锁存起来。G与单片机ALE端相连。/0E端引脚1是输出使能端，/0EO时，选通74LS373的输出缓冲器，使锁储器的内容送到输出端。/OE端始终接地，以保证三态缓冲器畅通。AT89C5174LS373DCM0064P20P24P00P07WRRDD0D7Q0Q7A0A7A8A12D00D07ALE/CE/WEG/OEVCC图35片外EPROM扩展电路343片外RAM的扩展虽然AT89C51对内部RAM具有丰富的操作指令，用户可以合理分配，充分利用片内的RAM存储器，但在实时数据采集和处理的AT89C5L应用系统中，仅提供片内的存储资源往往是不够的，所以要利用AT89C5L的扩展功能外接RAM作为片外数据存储器。数据存储器的扩展性能数据存储器与程序存储器地址重叠编号0000HFFFFH，使用不同的控制信号和指令，但它与I/O及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口以及外围设备场占用数据存储器地址。由于数据存储器与程序存储器地址完全重叠，故两者的数据总线和地址总线可完全并联使用。但数据存储器只使用/WR、/RD控制线而不用/PSEN。片外RAM的操作时序在单片机访问外部数据存储器时，P2口输出高8位地址。P0口输出低8位地址，有ALE的下降沿锁存在外部地址锁存器中，如果接片外RAM操作则P0口变为输入方式，在读信号有效选通外部RAM电路，片外RAM中相应单元的内容出现在P0口上，由CPU读入累加器中，如接的是写片外RAM操作，则P0口变为数据输出方式。在写信号有效时将P0口上出现累加器A中的数据写入相应的片外RAM单元中。AT89C51通