基于51单片机的公交ic卡系统设计.doc
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1、本科论文目 录摘 要IAbstractII引 言11 总体方案设计31.1 方案选择31.2 硬件选择31.3 系统工作原理41.4 总体方案确定52 系统硬件电路设计62.1 主控模块电路设计62.2 电源电路设计82.3 显示电路模块设计82.4 报警模块电路设计102.5 RC522刷卡模块102.6 独立按键模块设计112.7 硬件电路原理图113 系统软件设计133.1 系统软件编程环境介绍133.2 整体软件设计流程概述144 系统的焊接与调试164.1 电路焊接164.2 电路的调试174.3设计实物测试18结 论19参考文献20附录1 硬件原理图22附录2 源程序代码23致 谢
2、29本科论文摘 要刷卡消费已经是我们消费的一种主流方式,刷卡购物、刷卡乘车为了使IC卡能更好的服务于大众,给人们的出行带来便捷,我设计了一款基于51单片机的公交IC卡系统。该系统以STC89C51单片机作为主控系统,硬件设计系统由单片机及其最小系统、LCD1602液晶显示屏、RC522刷卡模块和独立按键系统等来组成1。把射频技术作为系统的核心技术,利用无线通信结合数据访问技术,将飞利浦公司的一个分公司恩智浦研发出来的NXP Mifare1芯片作为传输信息的途径,通过连接数据控制中心的系统,以实现在不接触的情况下完成消息的互相传递。结果表明,通过单片机作为控制器的IC卡读写系统在公交收费领域上的
3、应用有了非常显著的变化。这套系统有着安全系数高、功能多、使用方便的特点,可以独立完成注册、充值和消费等功能,真正解决了公交行业在城市交通方面的一系列复杂、繁琐的问题,有着很大的的市场前景及应用。关键词:单片机; 射频技术; IC卡; LCD1602AbstractCredit card consumption is already a mainstream way of our consumption. Credit card shopping, credit card ride . In order to make the IC card better serve the public an
4、d bring convenience to peoples travel, I designed a bus based on 51 single chip microcomputer IC card system.The system uses STC89C51 single-chip microcomputer as the main control system. The hardware design system consists of single-chip microcomputer and its minimum system, LCD1602 liquid crystal
5、display, RC522 card swiping module and independent key system. Taking radio frequency technology as the core technology of the system, using wireless communication combined with data access technology, the NXP Mifare1 chip developed by NXP, a branch of Philips, was used as a way to transmit informat
6、ion. In the case of contact, complete the transfer of messages.The results show that the application of the IC card reading and writing system using the single-chip microcomputer as the controller in the field of bus toll collection has changed significantly. This system has the characteristics of h
7、igh safety factor, multiple functions, and easy to use. It can independently complete functions such as registration, recharge, and consumption. It truly solves a series of complex and cumbersome problems in the public transport industry in urban transportation. Market prospects and applications.Key
8、words: single chip microcomputer; radio frequency technology; IC card; LCD1602引 言回顾这几年,随着时代的进步与科技的发展,不论是在我们的生活中,还是在我们的工作中,科技的发展和运用在我们身边随处可见。同样的,单片机凭借着强大的数据处理能力和微小的体积在生活中的应用也变的越发的广泛,家庭生活中用的电器、工作中用到的工作设备还有实验室里的精密仪器,这些无一不是靠着单片机来实现的,价格低廉而功能强大的优点让它成为设计嵌入式系统方案的第一选择。IC卡的全称为集成电路卡,IC卡是一个由聚氯乙烯(PVC)或者聚氯乙烯酸酯(PV
9、CA)材料制作而成的塑料卡片形状的外形2,里面安装插入一个集成电路芯片,按照ISO7816的标准设计了它的外形和尺寸,通常情况来说,我们把存储卡芯片和微处理卡芯片都叫做集成电路芯片。目前我们经常接触到的IC卡有两种,分别是接触式的和非接触式的IC卡。接触式的IC卡根据接触的地方从系统中获得能量并且读取卡内的数据;而非接触式IC卡不需要接触,只需要通过线圈射频的感应就可以完成接触时IC卡一样的功能,所以我们又把它称为射频卡。无线射频识别技术因为有了很长一段时间的发展,所以技术也很先进,在生活当中有着随处可见的用途,此技术往往是通过体积较小的的无线收发器作为标签来对某一个物品做暗号,我们把做暗号的
10、这个物品叫做“对象”3。标签上存储着跟此对象有关的一些数据及信息。无线收发器通过无线电波将这些数据发射到附近的识读器,然后识读器对这些数据进行一定的收集和一定的处理,可以通过计算机和互联网处理和传输这些数据。目前来看,在社会上出现频率较高的就是我们上文提到的接触式IC卡。它的特点是存储量较大,保密安全性较强(可以设置多重密码,还可以设置认证),还可以将一张IC卡用作多个用途。但是,接触式IC卡也有一些缺点,例如它的读写操作速度相对来说很慢,在实际操作中也不是那样的便捷,每次使用的时候想要完成读取工作必须把卡正确地插入到读写器的插口中才可以,这样来看,不管是在车上还是在工作中等需要每天使用刷卡的
11、地方使用就很不方便,需要非常多的时间,并且刷卡工具的机体外部和IC卡的触脚每天都要露在空气中,很容易就造成故障和搞脏,从而造成两者之间接触但是却不能识别。非接触式IC卡的产生是根据射频电磁感应这一原理,它的数据传输只需将卡片放在读写器附近一定范围之间就能完成之间的信息互通,不需要两者接触4,使用中有着使用简单、操作方便、不容易故障的特点。非接触式IC卡由芯片和感应天线组成,安装在标准的PVC卡片内,它的芯片及天线都没有露在空气中。它成功的将射频技术和IC卡联系到一起,是世界上最近几年发展起来的一项新成果,成功解决了卡中没有电源和不需要接触这两大难题5。本次设计中公交IC卡系统的大多数功能通过单
12、片机来控制及操作来实现的,控制系统是以硬件设计的工作原理和软件设计的工作流程两大部分组成。硬件电路包括单片机电路、刷卡电路模块、屏幕显示电路、独立按键电路、蜂鸣器电路和电源电路等组成6,单片机控制电路采用51系列单片机,用户的输入指令通过单片机转换处理,发送到各个外部电路信号来完成IC卡的注册、充值还有消费等一系列功能,安全指数高、实际用途广、操作快速、使用便捷这几大特点,真正解决了公共行业在城市服务中繁琐等一系列的收费问题,在现在的生活当中,IC卡在现代社会中有着相当大的作用,对于我们学习和理解单片机的使用,是一种难得的实践机会,为以后的正式进入社会后奠定基础。设计不仅具有实用价值,更重要的
13、是能够实践和经验积累的内在意义。本设计注重基础知识和实际情况的紧密结合,并且对学生的独立思考和分析问题的能力进行进一步的培养,加深学生对知识的理解,为以后的工作和学习打下坚实的基础。1 总体方案设计1.1 方案选择根据公共交通发展的要求不断提升,经过多年的经营管理,城市公交系统已经越来越完善。与传统的手动售票相比,通过使用非接触式IC卡为实现城市公交车的售票系统提供了更加先进的技术。结合计算机、互联网等现代技术,以IC卡做为存储卡片,为用户提供一个更加完善的售票系统。根据上面的分析,做出以下两种设计方案进行对比。(1) 方案一本设计的主控制器选用复杂可编程逻辑器件CPLD,它可以完成各种复杂功
14、能,这些功能属于大型集成电路的范围,并且同时具有高密度,小尺寸,特别稳定和广泛的I/O资源的优势,同时需要对功能延伸也比较容易。由于它使用多行输入和输出方法,并且系统的处理效率得到了很明显的提高,所以更适合作为大型控制器的核心。但本设计功能的实现并不是十分复杂,且从成本的角度考虑,放弃了方案一。(2) 方案二本设计的控制系统使用单片机。单片机将各种功能集中组合在一个芯片上,功能很多,但是体积依然很小。内部总线结构用于减少芯片之间的连接并使其有耐用性和在恶劣环境工作的能力。由于其体积不大,方便采取屏蔽电磁波或密封措施,因此适合在状况较差的环境下工作7。此外,该单片机具有广泛的指令,功率损耗小和所
15、需电压小的特点,适用于可随身携带产品的制造,易于扩展,具有高耐用性、价格便宜和使用价值高的特点,并且可以实现预期的功能。经过对比单片机操控简单,性能稳定并且价格低廉,符合本设计的要求,因此选用方案二。1.2 硬件选择1.2.1 IC卡的选择与传统接触式IC卡相比,非接触式IC卡具有以下优点:(1) 错误率低:卡与刷卡模块之间没有机械接触,可防止在读写接触时出现各种错误。(2) 操作简便,快速:由于非接触式通讯,读卡器可以在1厘米至5厘米的范围内操作卡。(3) 互不干扰:非接触式IC卡中有快速防干扰功能,能够保证卡片之间不存在数据互通。(4) 加密信息完善:每张IC卡在离开生产地前就被商家将IC
16、的编号设置好,他人无法再修改此编号,所以每一张卡的序列号都是只有一个的;并且在刷卡的同时,IC卡和读卡器属于双向验证,互相检测对方的合法性,不会出现错误的情况。1.2.2 显示电路模块的选择方案一:使用带有汉字库的LCD液晶显示器完成显示。12864显示屏是此系统的最佳设计。但是我们考虑到系统的价格方面,带有汉字的LCD液晶显示屏价格偏高。 使用该解决方案不可避免地会增加设计成本。所以此设计当前不使用此方案。方案二:1602液晶可以显示32个字符,分为两行显示,每行16个字符8,液晶模块内部的存储器存储了很多的字和字符,这些字和字符足够完成我们的日常使用,使用它时,我们可以直接编译和编写软件程
17、序以在特定时间运行。这种以英语显示相关信息的显示器类型实用且操作简单价格合理,所以非常适合本设计。1.2.3 按键模块的选择方案一:矩阵按键,接口适合按键较多且不使用专用键盘芯片的情况9。按键成矩状,由行和列组成,这种键盘价格便宜并且使用起来很方便。但是由于一些设计的要求,按键会有一系列问题,需要进行消抖、按键重复等处理。方案二:独立按键,独立按键的每个按键都需要一个I/O口,并且每个键都是单独工作,不会影响对其他按键的造成影响。独立按键的结构不复杂,电路配置也很灵活,由于我们的设计需要的按键较少,所以该解决方案的使用不仅节省资源、方便,而且可以满足本设计的要求。1.3 系统工作原理本课题采用
18、的方案系统原理为:通过MFRC522刷卡模块来识别IC卡完成刷卡,刷卡模块的内部主要安装了一片专门读取和操作IC卡的芯片,它是一个小型的读写设备中的主要元器件。当刷卡模块工作时,不间断的向外发射出13.56MHz的固定频率电磁波,IC卡的内部也有一个谐振电路,谐振电路的频率和刷卡模块发射出来的电磁波相同10,由于二者频率相同,所以当IC卡靠近刷卡模块时,谐振电路会产生共振现象,这样就使电容里面有了电荷。电容里的电荷被电容另一端单向导电的电子泵送到了其他电容里面储存。等到电容器里够2V后,此电容就充当电源的作用,为卡上的其他电路提供工作电压,将数据传输到单片机中11,系统处理完后,卡上收到的信息
19、将传输到1602显示屏上,与此同时,LED灯和蜂鸣器也随之工作。系统原理框图如图1.1所示。图1.1 系统原理框图1.4 总体方案确定通过上面的描述及对比,系统设计方案如下:系统的主控制器选择STC89C51单片机,RC522刷卡模块作为读写设备,还有LCD1602液晶显示及独立按键等组成IC卡消费充值系统。当刷卡模块检测到卡片时,单片机通过刷卡模块将收集到的信息及数据呈现在液晶屏上12,操作按键就可以进行充值和消费,主要功能将在本设计完成之后实现:(1)显示:LCD1602液晶可以显示出卡内的序列号和剩余钱数等信息;(2)按键:通过按键可以完成注册信息、设置金额、销卡等功能;(3)读卡速度:
20、RC522仅需0.5s即可读取到卡内信息,识别距离为5CM之内。2 系统硬件电路设计2.1 主控模块电路设计2.1.1 STC89C51单片机在本次设计中,主控制器应该选用单片机,根据设计系统的要求,其应该具有计算功能的CPU、随机访问内存RAM、只读存储器ROM、多个I/O端口还有中断系统、计时器/计数器等13。所以决定选用STC公司研发出的单片机,具有价格划算,功能较多,耐用性强,适用场合多的特点。选取的单片机除了具备兼容性好,编写程序简单,价格适中,稳定性好等优点,还有重要的一点就是芯片资料详备,以便在遇到任何软硬件问题时可以得到解决。因此综合考虑来看,STC89C51单片机更为适合作为
21、本系统的处理核心。其原理图如图2.1所示。图2.1 单片机原理图2.1.2 复位电路复位电路系统是保证单片机设备正常运行的关键,也是单片机设计及制造过程中不能回避的关键。复位电路的主要功能就是满足上电复位要求,单片机的供电电压值误差值不能超过5%,合理的电压值应介于4.55.2V范围内。单片机电路本质上为基于时间序列的数字电路,在具体使用中必须结合时钟稳定信号才能正常工作,因此,单片机的电压处于合理范围内,单片机才能正常工作。复位电路原理图如图2.2所示。图2.2 复位电路原理图2.1.3 晶振电路由于单片机需要时间序列来处理每个事件,因此需要时钟晶体振荡器电路,为系统的稳定运行提供保证。整个
22、系统处理信号和其它各部分运行也是一个频率,晶振电路就是为它们提供一个稳定的振荡频率,使系统各部分保持同步。使用XTAL1和XTAL2,它们通过外部时钟设备直接进行操作。通常情况下,晶体振荡器可以选在在1.212MHz之间,甚至可以超过24MHz,但频率越高,功率的消耗也越多。本系统中用到的晶振是12MHz,因为经常用到的晶振就是12MHz,本设计主要是采用外部时钟方式的配合方法14,电容器帮助石英晶体振荡器启动,电路可以正常工作。晶振电路原理图如图2.3所示。图2.3 晶振电路原理图2.2 电源电路设计本系统电源处输入模块采用针孔式供电接口,针孔外部接电源负极,针头内部接电源正极,针头另一端使
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- 基于 51 单片机 公交 ic 系统 设计
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