【《基于AT89C51单片机的智能水表系统设计》11000字】

基于AT89C51单片机的智能水表系统设计目录摘要 摘要中国作为发展中国家，城市居民以自来水为用水的主要来源，现在主要用城市小区住宅为管理单位的城市书水务理公司进行，在此过程中水表的重要性是尤为重要的。传统抄表“使用-抄表-付费”模式加重了自来水公司的经济负担，且浪费人力、物力，而且还存在水费迟交、漏交等现象。为降低自来水公司的运营成本，减少人力、物力的浪费，解决水费欠款等问题，智能水表的研发显得尤为重要。智能IC卡水表具有较高流量计算精度，采用预先充值的方式，很大程度上提高了供水部门的工作效率。为科学合理用水创造了技术上的条件。本论文根据智能水表系统的功能要求，提出了智能水表的总体设计方案，并以AT98C51单片机为研究对象，设计了一套可靠性高、功耗低，可以实现流量采集、信息实时传输、实时显示剩余水量、余额不足报警等功能的智能IC卡水表。智能水表的应用解决了自来水公司员工抄表等问题，大大提高了工作效率，减少了收费难的问题，对水资源的管理起到了不可替代的重要关键词：智能水表；AT98C51单片机第一章绪论1.1课题背景及研究的目的与意义1.1.1课题背景水资源在我们平时的生活中占有非常重要的位置，科技、综合国力的发展，人们的神活与水资源密不可分。虽然水资源是可以再生的，但是如果不加以保护，并且不注意节约，水资源也会很快用光，所以现在我们的首要任务就是保护水资源。现在社会的节奏加快，科技也在迅速发展，智能仪表进入了人们的视线，并且和我们的生活联系了起来。同时，为了不影响用户正常用水，研发阶梯水价等功能的智能水表迫在眉睫。我国政府对待自来水价格的原则是“成本加成”，传统抄表的局限在于他的运营成本比较高，这样就会导致水价上升。有些企业对水资源的需求比较大，在水资源较多的地区还会出现浪费水的情况，由此可见，传统抄表的方式并不能够完成对水资源的合理运用。1.1.2研究的目的与意义智能IC卡水表能给居民和供水部门带来许多方便，降低各个环节的成本，很大程度上解决了传统水表存在的局限性，它的基本技术就是使用智能IC卡水表，智能水表的应用代表着我国从传统的供用水模式向现代化的跨越式发展，和传统水表比起来，智能IC水表有着难以磨灭的优势。(1)可以降低水务工作者的劳动，提高他们的工作效率；(2)用户可以直观的看到自家的剩余水量和所用水量，这样能让我们的用水更加透明，让用户安心；(3)智能IC水表计数更加精准并且可以实时更新。我们可以用区域智能水表的监控系统随时查看水表的信息，检测水表的的安全，在水表出线故障时，可以第一时间解决。1.2国内外发展现状1.2.1国外发展现状随着电子技术进步，单片机的推广与研发，智能水表和单片机结合，形成了以单片机处理器为核心的智能水表，这种智能水表已经变成了这个时代水表设计的主体，其他的国家抄表的技术发展比较早，所以他们技术的发展比较成熟。用电力载波技术为基础的远抄智能水表，国外的公司如Intellon、Thomson、Ateml、Enika、National等公司目前已经研究出了能用在电力线载波技术方面的元器件了。在外国远抄智能水表技术的重点就是用MSP430系列的单片机和以ARM为架构的处理器作为核心处理单元，集中抄表系统的外围模块多样化，比较多的外围模由非接触式IC读写卡模块、GPRS无线数传模块、LCD液晶显示模块等模块构成，形象展示了智能水表的高度集成性和比较灵活的特性。1.2.2国内发展现状最近几年，我们国家为了推动智能水表发展，推广智能水表使用，颁布了很多的政策：在2014年发布的《关于加快建立完善城镇居民用水阶梯价格制度的指导意见》中指出：为了节约用水、科学用水，推进“一户一表”施行阶梯水价，发挥阶梯水价的作用，极大推动了智能水表的发展；2016年发布了《中国制造2025重点领域技术路线图》，该政策重点发展智能仪表，而在同年发布《水表行业“十三五”发展规划纲要》指出：要加快对高性能水表的研发，这样可以更加方便的展现阶梯水价；2018年《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》中表明智能水表作为战略新兴产业。在国家一系列的额政策推动下，智能水务迅速发展，因此对智能水表提出了更高的要求，这就让水表企业加大了对智能水表的重视，根据SooPAT的数据可以看出，2000-2018年中国智能水表的专利比之前增加了很多，2018年申请专利呈爆发式增长共有353项，2019年智能水表技术发展平稳，本年专利申请数下降为149项。在国家的政策，以智能水表及在智慧水务大力发展情况下的独特的优势，我国智能水表的产量不断增加。根据下表显示，在2012年中国的水表产量是6431万只而智能水表只有870万只，可见智能水表的比重只有一小部分，在2018年水表产量有10453万只，智能水表的产量超过了2400万只，市场渗透率到达了23.83％，在2019年智能水表产量超过了3000万只，市场渗透率进一步提高。1.3智能水表发展趋势随着人类社会的进步，科学及水的不断发展，智能水表的发展速度明显提高，发展的道路渐渐的明了，可以总结出以下几个：（1）水量计算的精确度变得更高，计量的范围变宽，小流量的测量的精准程度也得到了改善。（2）水表产品越来越可靠，能用的时间也越来越长。现在IC卡智能水表和无线远传水表的共同缺点就是电池的问题，电池正常使用水表才能正常，电池坏了水表也会受到很大的影响，这样就要求我们要在电池方便进行突破，比如在电池的容积或者体积方面，尽量用小的体积来装大的容量。或者研究出新的电源、快速充电技术又或者研发低功耗的各类软件（3）水表与互联网相连接，更加方便管理。现在NB-IOT窄带物联网功耗低、成本低用的比较多。智能水表与物联网相连接：一是可以实现自动抄表，通过网络控制阀门的功能；二是能与其他管网传感器相链接，共同实现供水的自动调度完成信息化以及智能化管理等之类的工作。1.4本论文的主要内容本文介绍了智能水边系统的应用现状，硬件部分从硬件模块选择和对应电路结构等方面进行了说明，软件部分也梳理了相关的流程思路设计框架，完成了以具备流量监测、信息显示、通信功能和报警功能的智能水表设计目标。智能水表系统对人民的生活用水管理有着实际意义，未来随着工业化的高度发达，数字化智能应用算法的进步，会出现功能更加全面，效用更加突出的智能化水表管理系统，为生活用水查询、管理、用费、应用提供更多的便利，使得人民的生活全面进入智能化数字模式。第一章，对国内外智能水表的现状做了简单分析，并对智能水表的发展趋势进行了一些描述第二章，介绍了智能水表的总体设计，对智能水表的原理进行了说明，并对智能水表的系统设计进行了概括。第三章，对基于AT89C51的远传智能水表进行硬件设计，其中主要包括各外围模块的电路图绘制。第四章，主要介绍了软件设计的流程，对应不同的功能的需求进行了模块化的设计，通过程序管理编程，对单片机的核心控制，统一协调每个模块的功能实现。第五章，主要就本论文的主要内容进行了总结，并且对设计的智能水表优点和不足进行了简单说明，以及对未来智能水表的展望。

第二章智能水表总体设计设计智能水表系统的思路必需根据实际需求来制定，设计的结构和功能模块需要服务于实践应用当中，从外形上来说，智能水表和传统水表相差不大，主要差异还是在于内容的智能系统的控制功能，传统水平主要依靠抄表等人工操作，水表用量付费依靠人工统计核算，再由统一人员或者窗口缴费，全程依赖人工作业，时间成本和人力成本都比较高，处理用水业务非常麻烦，智能水表就是解决这种情况来进行设计。2.1智能水表的工作原理智能水表要依循简单易操作的初衷，使用起来方便快捷，用户主要依靠IC卡来进行操作，将用水费用的IC卡插入智能水表就能完成操作，我们来解析下基本的运作原理：首先，我们操作时将水量IC卡插入到智能水表的读卡区域或者能够无线接入的识别感应区，我们要通过水表系统的通信识别模块来进行比对和识别，当识别比对信息一致后，水表将会自动打开阀门，开始放水，用户就可以使用。当用水过程当中，需要水采集设备对用水量进行计算，然后数模转换后，输出为电信号，作为数字信息被系统识别接收，然后通过设计的显示模块，进行数字屏幕的显示，用户可以方便查询用水量。系统会识别IC卡上面的余额，当余额不足，系统将会通过微系统进行控制，关闭阀门，停止供水，并且可以加入蜂鸣器的报警模块，对报警值进行设置，一但即将触发停水机制时，发出报警提示用户进行查看或者续费，当用户缴费以后，IC卡将会输出新的余额数值，再由用户插入水表系统，系统控制程序自动识别后，打开阀门，开始供水，如果余额还是不为正，阀门将还是关闭，无法为用户供水。智能水表本质是一种由软件和硬件组成的微机自检。设计系统整体方案：具备IC卡功能的硬件框架，系统的硬件电路是由电源、显示器、IC卡读/写器、微处理器、流量传感器、阀门等构成。将AT89C51作为核心控制芯片，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表正常运行的功能。智能水表的整体完成各类模块的子系统软件功能，其中涉及到主程序控制、初始化预设子系统程序、流量采集程序、报警程序、通信程序、LED显示程序等等。2.2智能水表的系统设计智能水表系统设计的前提是对该系统针对性的方案设计，首先，水表使用过程当中，需要分解出该系统模型的信息数据要点才能建立全面的控制系统功能模块和系统的方案逻辑流程，水表使用过程里面的上下位机交互、IC卡通信识别、水表水量计算等变量因素是直接影响水表智能化服务的重要数据指标，智能水表系统建立的初衷是提高使用效率为目的，最终产极大地节约人力物力时间的成本投入，方便民生生活，水表智能系统的功能实现作为主要的研究设计对象，精确的把控通信识别、数字化统计成为该系统最主要的功能实现。梳理系统几大关键要点，从而设计出对应的系统逻辑框架，我们要设计出合理的框架结构，每个结构相互协作，并且由单片机作为大脑控制中心，统一进行智能化的数据程序管理，操控特定功能子程序，以此来达到智能水表系统的实际应用，整体框架如图2.1所示。图2.1IC卡智能水表原理框图

第三章智能水表的硬件设计3.1AT89C51单片机的最小系统根据系统实现设计的需要，我们选用AT89C51单片机作为中控处理器，作为系统控制的中枢大脑，要对单片机的原理和架构有详细的了解。单片机AT89C51最小系统结构如图3.1所示。其中包括AT89C51芯片和一个复位电路、一个晶振电路。图3.1AT89C51结构3.1.1AT89C51单片机介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.1.2复位电路复位电路是用来将电路恢复到起始状态的一种电路设备，复位电路的工作原理就像计算器一样，就是复位电路启动的原理和方法与计算器有一些差别。复位电路就是把工作电路变成起始的状态，以便重新进行计算。3.1.3晶振电路晶振电路的两端与AT89C51单片机的18、19引脚并联，AT89C51的这两个引脚，是与晶振的工作引脚相连接。如图3.1所示。电容C7一端接18脚，一端接地。电容C8一端接19脚，一端接地。这两个电容，我们在10到30P之间选择都可以，他们的主要作用是，让晶振接收的信号在工作范围之内，可以让晶振在运行时越发的平稳。3.2流量检测电路流量传感器，从市场角度来说，通常使用霍尔元件或者干簧管，我们更具智能水表的工作状态来考量，干簧管的匹配度非常合适，因其静态的功耗非常低，适配于依赖电池电源功能的水表的能耗要求，并且其耐用性和经济性都能有很好的优势，在设计电路的时候，我们要依据日常使用的场景特征：当输水水管很难避免空气的渗入，当我们打开龙头用水时，因为空气的挤压，会让水管出现不同程度的震动，这个时候干簧管与磁钢的位置恰巧处于界点，就会不停地将脉冲信号发给CPU，使CPU无法正确计数。我们设置随便一个干簧管出现多次闭合的状态就是无效状态，这样成功地规避了灵界点震动产生的错误识别的问题，改设计还可以避免磁铁的影响，因为在监测到两管闭合时，就会认为是外磁发生干扰，会停止计数，并会通过报警提示相关人员。3.2流量监测电路3.3阀门驱动电路图3.3阀门驱动电路图阀门电路设计如上图所示，简单的分析下电路的构造设计原理，电路有两个输入控制端口，当连接端口P1.0输入高电平信号时，P1.1端口为低电平状态，图中的Q678三极管元件会通电导通，进入工作状态，Q452是停滞状态，电机模块的正负端，分别输入低电平和高电平，这样的信号状态，会使得电机发生反转，直到阀门关闭到位，依据此原理逻辑，当两端电平为高电平和低电平的时候，电机会正装，知道阀门开启到位，这里有个细节点要引起重视，当阀门处于临界点时候，通常情况会出一个相反电流，这时候会影响系统判定的准确性，我们设计加入一个成并联转改的二极管来就行防护规避，保护水表系统的稳定，例如在电磁阀门正向归位的时候，产生的反向电流会由二极管D1D2引导释放，电机启动时候电路会比平常更高，需要加入一个高容电动来提供能量供给，电机启动后开始运行，这个时候电流会以较低的状态平稳流通，但当阀门开到位或者关到位时，电流又会出现短时间的上浮，如果出现时间跨多较长，上浮的电流有可能会对电路进行破坏，所以阀门到位的检测灵敏度、及时性要重点设计，响应时间必须迅速，在软件程序设计上也需要针对性进行调整，最大程度的防护电流过载烧毁电路的情况发生。3.4IC卡信息识别模块IC卡通信识别模块，要求读写识别精准快速，避免出现误差，导致使用上出现错误，尤其在金额数字信号识别上不能出现任何差错，该系统拟定的识别模块分为两个重要部分。一是由AT89C51对MFRC500进行控制与通信，MFRC500驱动外围电路对Mifare1卡进行读写操作。二是读写模块的天线部分的设计及其与射频读写芯片的连接。该系统主要由AT89C51、MFRC500、看门狗以及RS-232通信模块组成，MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员，系统的工作方式是先由AT89C51控制MFRC500驱动天线对misfire卡进行读写操作，然后与PC之间进行通信，并把数据传给上位机，结构图下图所示。图3.4IC卡信息识别系统下面对电路图进行简单的原理分析，MFRC500有两个发送信号端口，分别是TX1和TX2，在设计上采用的是中心抽托设计的方式，这样能够有效的解决电路运行时的信号干扰问题，系统的工作功率设计有一振荡器来提供，石英材质无论从经济性、稳定性都能很好的胜任，其在导通的时候会产生高次谐波，针对这种情况需要在发送信号的端口加入低通的滤波器，如图中所示，滤波器的组成结构有：L0和CO，系统也必须匹配天线系统，天线作为无线信号的接收端，收到目标信号后会由天线匹配电路，将信号发送至RX端口，使用内部产生的电势作为RX管脚的输入，并且还需要RX和VMID引脚之间连接一个分压器。当然我们还需要考虑到各类元件运行产生的干扰问题，引入一个电容到VMID引脚口，并且直接到地。3．5IC卡识别电路3.5通信模块要达成设计好的水表系统智能通信功能，需要确定与上位机的通信机制，本设计主要采用RS-458与上位机连接实现数据信息通信，SN75176芯片是作为收发器实现RS-485DE电平转换，SN75176芯片的结构环境里面加入了缠粉驱动器和差分接收器，其中驱动器和接受其的功能参数需要做一定了解，这是支撑收发功能核心元件，具体参数如下：驱动器输入D使能DE输出ABHHHHLHLL×L三态三态接收器差分输入VID使能RE输出RVID≤0.2VLH-0.2V＜VID＜+0.2VL×VID≤-0.2VLL×H三态最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。下面我们就简单介绍一下RS-485。RS-485:由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。例如，RS-485也采用平衡传输方式，也要在传输线连接终接电阻等。RS-485可采用二线与四线的连接方式。当采用二线制时，可实现真正的多点双向通信。当采用四线制时，RS-485和RS-422一样，只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备，其余为从设备。无论采用二线还是四线的连接方式，RS-485总线都支持最多接入32个串口接收节点。RS-485共模输出电压为-7~+12V；RS-485接收器最小输入阻抗为12kQ；RS-485兼容RS-422，因此RS-485驱动器可在RS-422网络中使用。RS-485最大传输距离约为1219m，最大传输速率为10Mbit/s。我们对元件有了充分了解，就需要设计通信之间的电路图，下面给出通信模块电路设计图。图3-6通信模块电路设计图3.6显示电路1. 显示电路是表达系统处理信息后的结果，用于使用者查阅水表使用情况，针对于此，系统的显示电路模块选择了3位8段LED数码管作为显示元件，液晶显示模块：LCD1602显示器是由若干个点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。该液晶的位与位之间有一个点距的距离，同样的行与行之间也有一个点距的距离，来分隔两个相邻的字符，这样的设计便于用户查看数据，水表系统的信息显示包含相对较多的信息内容，字符信息显示清晰度、数字内容排列序列是反应实时数据的技术功能要求，该型号的显示器可以完成显示模块的硬件支撑功能。数码管的驱动芯片是常见的MAX7219，MAX7219集成了多种功能，例如BCD译码器功能、多路扫描功能、段位驱动功能，内部集成8X8位的SRAM，这种静态元件用于存储显示器的相关信息。在电路连接方面，AT89C51单片机的引脚接口连接也很简单，其中P3.5、P3.6、P3.7作为连接口，分别连如显示模块的DIN数据输入口、LOAD锁定输入口、CLK时钟输入口。具体的电路结构图如下图所示。图3-7显示电路图3.7报警电路报警电路的设计相对简单，主要用于系统识别后出现一定情况进行报警提示的功能，用来提醒使用者某个指标的异常，在电路设计上按照常规报警模块来进行设计，主要基于晶体管和扬声器，例如蜂鸣器，单片机的P1.6作为连接端口，直接对应晶体管的导通，进行信号输出的控制，当晶体管导通时，扬声器发出报警。如果出现温度异常，无法匹配预设比对数值的时候，单片机主控系统会发出信号指令，借由上诉原理，激发报警电路运行发生报警提示。图3-8报警电路图3.8电源电路电源功能电路，需要考虑实际使用，必须保证电源电路的稳定性和持续性，家用水表一般都是接入220V交流电，针对于此，我们匹配220V的交流电源对应的电磁感染滤波器，减小电网接入产生噪声干扰的影响，并且加入电源的变压器，对电压进行转换，同时接入整流滤波器和稳压器7805。按照系统设计的要求，设定输入电压为5V，在低功耗的基础保证系统稳定运行。图3-9电源电路图3.9智能水表的整体电路图智能水表的整体电路图3.10如下所示：图3.10智能水表整体电路

第四章智能水表的软件设计为了实现智能水表流量采集、信息显示、阀门控制等功能，软件设计主要有:主程序、初始化模块、IC卡设备模块、LED显示模块等、阀门控制模块等，针对每个模块都有程序管理编程，经过单片机的核心控制，统一协调每个模块的功能实现，最终完成智能水表系统的设计成型。4.1智能水表的设计思路前文介绍了硬件系统设计的思路和细节要点，硬件功能结合软件程序，才能实现孵化箱智能系统的执行，软件的设计逻辑要求严密，必须要对系统执行逻辑有清晰的认识，结合算法进行编程，将程序写入单片机，单片机会按照程序语言的指令控制各种信息，编写程序的步骤设计了主程序、初始化程序、显示子程序等。4.2智能水表的主程序主程序作为智能水表的主控软件程序，发挥着重要作用，当系统启动的时候，首先需要完成各种模块对应端口的初始化操作，调节各类参数指标，初始化程序主要控制内部存储初始、特殊功能寄存器参数设置、LED显示模块运行参数设置。在该系统里面我们采用的是中断机制，主程序将会比对中断参数设定，更具数值对应的吻合与否，判断出系统的运行状态，是否需要做相应的调整。程序执行操作周期性的扫描，当没有出现中断信号指令的时候，系统整体进入半待机的工作状态，此时的系统功耗很低，电源能量主要维持核心基础模块运行，这样能够极大的节约能源消耗，保证水表系统的使用耐久度。当中断信号指令发出，系统开始整体运行，对中断信号的模块进行处理，以此循环。4.3智能水表的子程序单片机的子程序分为以下几个模块，初始化模块、水量计量模块、卡处理模块、阀门处理模块、显示模块。每个模块逐一运行，占用全部的资源，中断程序尽量做到最小的堆栈、最大的RAM利用率。每个模块都可以独自处理事物，更加方便独立编程、调试、测试。在单片机的调控下智能水表的的操作按照以下图所示步骤进行，如图4-1。图4-1各模块程序流程图依次是水量事件处理程序、卡事件处理程序、显示事件处理程序、阀门事件处理程序之后返回水量时间处理检测是否处理完毕，完毕之后既是完成了智能水表的工作流程，进入低功耗模式，等待被中断唤醒。4.3.1初始化模块初始化是对内部存储器单元清零，将特殊功能寄存器设置初值、液晶显示设置等。接下来进入到主循环，判断电源、电压是不是没有错误的，要是所有都正常就打开阀门供水。要是有低电压出现，系统就会提示欠压，蜂鸣器就会发出报警，以提醒用户更换新的电池；当剩余水量即将用尽时，系统也会报警，以便提醒用户充值，要是用户没有及时的充值，当剩余水量为零的时候，阀门就会关闭。初始化模块的功能：1）完成对单片机中各功能模块的控制寄存器初始化设置；2）完成对单片机I/O口的初始化设置；3）判断RAM数据的可靠性；4）调用状态检测程序对水表状态进行初始化设置。4.3.2流量监测模块流量监测模块主要功能：1）确认有效地流量脉冲；2）依据剩余的水量判断对用水量不足时关闭阀门，而且作为报警关闭阀门标志位；3）对实际的用水量进行处理；水量计量模块程序流程图如图4-3。图4-3水量计量模块程序流程图4.3.3IC卡处理模块IC卡处理模块的主要功能：1）判断IC卡是否为本装置相应的卡；2）判断IC卡的密码正确与否；3）根据卡类型与设置信息进行相对应的操作。在设计中，不同类别的IC卡有着不一样的认证方式，同一类的IC卡在不同的阶段也有着不一样的认证方式，所以认证的过程很是复杂，因此在设计中单独设计了一个对卡进行认证的功能子程序。程序流程图如图4-4。图4-4IC卡处理模块程序流程图4.3.4LCD显示模块子程序在智能水表设计系统中的显示模块和单片机采用间接方式相连接。显示模块是一个慢显示的器件，因此在执行每一条指令之前，要确认好模块的忙标志位为低电平，表达不忙的意思，若不是如此，此指令失效。要显示字符的时候，要先输入显示字符的地址，告诉模块显示字符的地方在哪里。4.3.5阀门模块根据智能水表的状态与其他模块的设定，来判断阀门是不是动作，同时监控动作的过程，当不可以一次到位时候，可以连续且有条件的4次动作，来保证动作的可靠性。当接连的5次动作不能发挥作用的时候，设置为阀门损坏的标志，以保障阀门的问题不会变大。4.4智能IC卡水表通信过程与协议4.4.1非接触IC卡与读卡器的通信过程非接触式IC卡与读卡器的交易过程，实际上就是IC卡和读卡器之间的数据交换和对IC卡内EEPROM存储器中的数据进行处理的过程。在数据交换过程中，为了确保卡和读卡器之间数据的同步及数据能被正确接收、识别，需要建立系统的通信协议。在交易的过程中，非接触式IC卡遵守通信协议，根据接收的指令，在有限状态机的控制下执行一个工作过程，从而完成所需要的功能。接下来就分别介绍读卡器与IC卡之间的通信协议、MFRC500的命令集及卡对指令的执行过程。4.4.2通信协议非接触式IC卡与读卡器之间采用半双工的通信方式进行通信，使用13.56MHz高频电磁波作为载波，数据以106kbit/s进行传送。在非接触式IC卡与读卡器之间的异步通信中，采用了起止位同步法的帧结构，有以下3种帧结构。（1）复位请求指令的帧结构:起始位、7个数据位和停止位(不包括奇偶校验位)。（2）标准的帧结构:起始位、n个字符(每个字符为8位数据位，还有1位奇偶校验位)和停止位。（3）防冲突指令的帧结构:标准指令结构包括7个字节长度的数据，分为两部分，读卡器传输给IC卡的数据为第一部分，包括一字节的选卡操作码(SEL)、一字节的有效位个数(NVB，有效位个数确定其后读卡器发出的卡序列号的数据位的个数)和卡序列号(UID，在0位到40位之间)，第一部分数据最小长度为16位，最大长度为55位；IC卡返回给读卡器的数据为第二部分，是IC卡返回的卡序列号(读卡器发出)的剩余部分，第二部分数据最大长度为40位，最小长度为1位。当这两部分以字节为单位分开时，第一部分的最后一位后加一位奇偶校验位。4.5MFRC500的命令集与内部寄存器4.4.1MFRC500的命令集MFRC500的状态由可执行特定功能的命令集决定，这些命令可通过将相应的命令代码写入Command寄存器来启动，处理一个命令所需要的变量和数据主要通过FIFO缓冲区进行交换。对MFRC500的命令集的介绍可参考相关手册。4.4.2MFRC500的内部寄存器MFRC500共有64个寄存器，8个寄存器为一页，每页的第一个寄存器为页寄存器，其地址分别为0x00、0x08、0x10、0x18、0x20、0x28、0x30、0x38。命令寄存器可用于启动或停止命令执行，通过写入相应命令码至命令寄存器来实现，其所需变量和数据主要由FIFO缓冲器交换。FIFO数据寄存器是内部64字节FIFO缓冲器中的数据输入与输出端口，输入输出数据流在FIFO缓冲器中完成转换，可以并行输入输出。Interrupt寄存器是中断请求标志寄存器，当中断产生时，需要由该寄存器的相关标志位来判断中断的类型。4.5非接触IC卡的指令流程非接触式IC接收到读卡器的指令后，经过指令译码，在有限状态机的控制下进行数据处理，并返回相应的处理结果。非接触式IC卡与读卡器之间的一个完整的交易过程。(1)初始化系统的初始化包括单片机的初始化和对MFRC5