基于单片机的公交车IC卡操作系统的设计毕业论文.docx
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基于单片机的公交车IC卡操作系统的设计毕业论文
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基于单片机的公交车IC卡操作系统的设计
摘要
伴着电子科技及通讯学科的高速成长,信息化时代已经到临,海量的智能型产品已经陆续为人们所用。
其中公交IC卡越来越成为大众所关注的应用产业。
很多公众场所譬如公交系统已经陆续使用了智能IC卡系统作为自己的消费管理系统,这样大大简化了用户的操作流程,同时也提高了其服务质量。
因此对公交车IC卡操作系统的研究变得尤为紧要。
本文利用STC公司的STC89C52型单片机芯片驱动整个系统,将PHILPS公司的S50卡当作其信息的载体,同时以NXP公司的MFRC522芯片作为IC卡读写核心。
整个系统能够实现和模拟公交车IC卡刷卡系统的流程和功能,同时了解和学习了射频识别的相关知识。
整个系统的电路主要包含单片机的最小系统电路、MFRC522读写模块、与上位机的通讯模块以及一些外围的基本电路。
整个设计最终达到预期目标和要求。
关键词:
STC89C52,MFRC522,射频识别,公交IC卡
DesignofBusICCardOperatingSystemBasedon
SingleChipMicrocomputer
Abstract
WiththerapiddevelopmentofElectronicScienceandCommunicationDisciplines,theinformationagehasarrivedandamassofintelligentproductshavebeenusedforhumanbeings.ThebusICcardapplicationindustryisbecomingmoreandmoreconcernedbythepublic.ManypublicplacessuchaspublictransportsystemhavebeenusingtheintelligentICcardsystemasitsownconsumptionmanagementsystem.Thisgreatlysimplifiestheuser'soperationprocess,butalsoimprovethequalityofitsservice.Therefore,theresearchonthebusICcardoperatingsystemhasbecomeparticularlyimportant.
Inthispaper,thewholesystemisdrivenbytheSTC89C52MCUofSTCCompany.UsingThePHILPSCompany’sS50cardasthecarrierofitsinformation.AtthesametimeusingNXPCompany’sMFRC522chipasthecoreofICcardreadingandwritingsystem.ThewholesystemcanrealizeandsimulatetheflowandfunctionofICcardsystem.Atthesametimetounderstandandlearntherelevantknowledgeofradiofrequencyidentification.Thecircuitofthewholesystemmainlyincludestheminimumsystemcircuitofthesinglechipmicrocomputer,MFRC522readingandwritingmodule,communicationmoduleofthehostcomputerandsomeperipheralcircuits.Theentiredesignwilleventuallyachievethedesiredobjectivesandrequirements.
Keywords:
STC89C52,MFRC522,RFID,BusICCard
前言
伴着半导体行业和电子科技、移动通信、计算机网络等技术的高速发展,单片机领域也获得了巨大的发展。
自20世纪80年代以来,由那时4bit、8bit的低速单片机,提升到而今三百兆的高速单片机,其成长历程一直受到众多电子爱好者的热切关注,虽然其格越来越低,但是其功能也愈发强大。
近两年,随着Apple公司和Samsung公司相继推出了自己的手机支付品牌ApplePay和SamsungPay,各大国产手机厂商也开始相继推出自己的手机支付平台以此抢占移动支付市场份额。
于是NFC这个词开始慢慢走向大众的视野。
NFC也叫近距离的无线通信,它是在射频识别技术(RFID)的基础上发展起来的。
二十世纪中叶,雷达的改良导致了射频识别技术思想的产生,并渐渐地开始推向广大的实用市场。
由于其传播信息的特性,射频识别便产生了自己最大的优点:
无接触识别。
它能透过空气、雨雪、污尘、涂漆等很难应用的极差条件来读取信息,且读取速率非常快,而且读取的时间大都不到一百毫秒。
射频识别技术作为目前的新兴学科,不仅包含了传统的通信理论,它更是结合了电子科学、集成电路、自动化理论、物理电子学等一系列学科。
我国目前正在大力普及射频识别技术,比如在城市交通刷卡系统、学校“一卡通”、公司考勤、门禁系统等方面有了一定的发展,但射频识别技术的发展和应用远不止于此。
目前在大数据时代和物联网工程的大环境下,射频识别标签技术可以作为其底层技术来加速大数据时代的普及,同时在安防、管理、追踪、物流、移动消费、世界“一卡通”等各个领域将会有长足的发展。
因此了解和学习该技术有了越来越多的社会需求和必然趋势。
第一章绪论
1.1设计的背景和意义
在单片机技术的应用普及和射频识别技术的飞速发展的大环境下,将射频识别技术和现代制卡工艺相结合,在微处理器单片机的控制下,智能公交IC卡呼之欲出。
由于社会壮大的步调急剧加速,都市的生齿数目也随之增加。
在这种情况下,公共交通已然成为了人们出行的首要选择,不但可以节能减排达到保护环境的目的而且不需要等待那拥挤的车流。
1.2设计的现状和发展
在公交车IC卡操作系统中应用到的一个重要部分就是RFID(射频识别)技术。
射频识别技术也叫做电子标签,从别称上我们便可知道它能够实现在不接触的条件下自动辨别,相当于给每个被测物体附上了电子标签。
射频识别技术在外国发展地比较领先,在很多发达国家目前都有比较先进且成熟的射频识别系统。
目前许多发达国家将射频识别技术应用于物联网产业,并有了很好的发展,Walmart和Metro等商品零售商也早已将射频识别技术应用于自己的货物管理系统中。
预计射频识别技术将在以后会呈现不同于现在的多种实用领域。
于此同时,在国内射频识别技术也取得了长足的发展,在超市和公共场所等传统应用领域也取得了很好的使用。
同时射频识别读卡器也产生了许许多多的版本,由于各个产品的射频识别能力不同,能够使用的范围大小也不尽相同。
但各个国产产品都有其共通的弊端,也是很多国产科技产品的共通弊端,即各个读卡器之间没有很大的差别,只有硬件配置的不同导致的产品性能上的差异,但大致上都是由单片机加上读卡器芯片的结构,然而却没有自己的核心竞争力,创新能力也不够。
1.3设计的目的与意义
RFID作为一种新兴的技术,也开始很快在全国普及。
RFID体系由非接触式的IC卡和IC卡读卡器以及主控模块构成。
利用IC卡来对出行及一些公众场所进行消费可以大大简化我们的工作流程,同时自动化消费很大程度上提高了我们的服务质量,也节省了因繁琐流程所浪费的时间。
况且由于IC卡的成本很小,也适合大面积的推广和使用。
因此,为了大家能更加方便快捷的乘坐公交车,学习并设计出一种公交车IC卡操作系统,对公交车的收费系统进行研究和改进,可以加速公交IC卡消费的普及。
通过本次毕业设计能够加深自己在课堂上学习到的电路和通信的相关知识,增强自身理论和实际相结合的能力,同时还能提高对小项目和小工程自主学习设计的过程和经验,使得我在今后的学习生活中拥有更加丰富的经验和核心竞争力。
第二章总体设计
2.1总体方案的设计与实现
2.1.1主要设计的内容
1.乘客可以通过公交车上面的刷卡机器来进行日常乘车的刷卡消费,或者是通过公交充值室里面的刷卡机由专人对其IC卡进行充值;乘客在乘车刷卡的时候,在刷卡的同时自动减去1元钱的车费,同时将余额写入乘客的IC卡中,当IC卡里的余额小于10元钱时,刷卡机能发出声光警报来告诉乘客尽快去充值。
并具备自动统计营收功能和与上位机的通讯功能。
2.能够自动连续的对多个IC卡进行刷卡,能够识别非本公交系统中的IC卡,同时发出相应的警报提示。
3.能够对整个系统的各个电路有深刻的理解和认识,自主设计出整个设计的硬件电路图和软件流程图。
2.1.2系统的总体设计
公交车IC卡操作系统作为一个多模块,多功能的庞大的体系,整个体系须要多个模块电路来支撑。
本设计主要能够实现能对IC卡进行消费和充值的功能,支持液晶电路进行实时状态显示和蜂鸣器电路的声光报警,同时还能够与上位机进行通信。
基于上述功能的描述和设计内容设计出了如图2.1的基于单片机的公交车IC卡操作系统的总体设计图。
图2.2为整个系统功能实现的流程图设计。
图2.1总体设计框图
图2.2系统整体流程图
2.2系统方案论证
以下选用这个系统中比较重要的器件进行方案论证,对于其他的外围电路选用比较普及而且成熟的器件。
2.2.1单片机的选择
本设计利用了单片机当作整个系统的主控中枢,因此在对单片机的抉择上需要尤为的慎重。
需要考虑到整个系统电路所需的负载和驱动,还有考虑到整个程序的编写大小是否满足需求,以及对这个设计经济能力的考虑,故有以下两种方案:
第一种方案是使用艾特梅尔公司的MCU:
AT89S52。
AT89S52单片机拥有强大的计算能力而且能够快捷地进行编程,它有着传统51单片机的小体积和低功耗的优点,而且成本较低但功能也足够强大。
但是它须要特地的编译器和仿真器,如此会导致其代码的运行速度变得迟缓而且会大大增加整个系统的研发资本。
第二种方案是采用STC公司的MCU:
STC89C52,该单片机是STC公司发行的一款全新的去干扰能力特强、运行速率快而且耗能非常低的单片机,其指令代码全部包含传统51系列的单片机,而且它能够支撑ISP(在系统可编译)和IAP(在应用可编译),并且不须要特地的编译器和仿真器,直接利用单片机的串行口引脚(P3.0、P3.1)就能够下载代码,可以非常方便地用于做各种实验,同时可以省去高昂的仿真器费用。
因此,结合以上陈述后选用方案二。
2.2.2读卡芯片的选择
因为近年来RFID科技的火爆成长,很多的集成电路厂商都投入到读卡器芯片的研究制作的行业之中,因而在读卡器芯片上便有了许多种取舍。
在此在很多可供挑选的芯片之中,着重遴选出两种目前来说比较广泛的读卡器芯片进行一一对比:
方案一为TI公司的TRF796013.56MHz的读卡器芯片。
它能够支撑ISO15693、ISO14443A/B和FeliCa通讯协议,其模拟电源和数字电源之间相互独立,通过调幅信号和模拟信号来输入接收解调,它能够通过并口或者是SPI的方式与微处理器芯片进行通信。
方案二为NXP公司的MFRC52213.56MHz的读卡器芯片。
它具备微小的体积,同时拥有低电压和低功耗的优点,与其低成本相反的是其拥有超高的性能,是目前射频读写器比较主流的读写芯片。
它能支撑13.56MHz下的全部的从动式无接触式的通讯协议,此外它还至此加密算法和差错检查,并且拥有飞快的通讯速率。
它能够依据相异的使用者的各种需要从而支撑SPI,IIC总线和UART接口地方式与微处理器直接通讯。
对比以上两种芯片的材料,最终选择方案二的MFRC522芯片作为本次设计系统的读卡器芯片。
2.2.3IC卡的选择
目前应用市场上存在两样类别的智能卡,一种是需要接触的,另一种是无需接触的。
当前最常用的需要接触的智能卡能够实现将银行卡和公交卡结合的一卡多用模式。
但是这种IC卡虽然拥有很大的存储量但是其读写效率非常低而且安全级别也不高。
它不仅操作麻烦,需要将IC卡插入读卡器的卡槽中才能使用,而且由于IC卡的芯片触电和读卡机的读卡触点裸露在空气中,很容易被污染,来自触点之间摩擦产生的静电可能会破坏IC卡触电导致IC卡的数据丢失和损坏。
IC卡的触点与读卡器触点之间频繁的摩擦和接触也会造成两者的磨损,而且需要接触工作的IC卡一般只有一面能够工作,另一面不能工作,而且还须要注意正确地插卡方向。
这样大大地增加了使用的不方便,同时在读卡速度上,须要接触的IC卡远不如无需接触的IC卡。
与须要接触的IC卡相对比,无需接触的IC卡除了有须要接触的IC卡存在的各个功能之外还存有多种功能,比如安全可靠、使用方便、同时能够防止多卡冲突,在IC卡的保存性方面也有很大的优势。
由无须接触的IC卡构成的公交车IC卡的操作系统,在很多方面都有着须要接触的IC卡无法企及的优势,以是在两者相比之下选用无须接触的IC卡。
第三章系统硬件电路的设计
3.1单片机最小系统模块
3.1.1主控芯片
本设计中使用的主控芯为STC89C52,STC89C52是STC公司制造的一类能耗很低但是却具有很高地性能的CMOS8bit的MCU。
STC89C52使用51内核,但在其基础上做了很多改进。
STC89C52拥有8位CPU和SPIFlash。
下面是STC89C52的引脚图和实物图。
图3.1STC89C52RC引脚图
图3.2STC89C52RC实物图
STC89C52单片机芯片有四组通用的八为相互I/O口,其中P0口也当作地址总线和数据总线地复用接口,分时复用为地址总线地低八位和数据总线,一般需要外接上拉电阻;P2口也作为地址总线的高八位;P3口除了作为I/0口之外还有第二功能。
3.1.2复位电路
单片机CPU上电的一瞬间如果直接工作可能会导致CPU指令执行发生错误,这时便需要单片机的复位电路。
单片机的复位电路是为了在单片机CPU通电的一瞬间保持一小段时间的复位状况。
STC89C52单片机的复位信息是由单片机的9号管脚(RST)输送给单片机内部的Schmitttrigger当中。
只有当整个单片机处于正常的工作时序时,这时如果给RST管脚加上一个维持2个以上的机器周期时长的高电平,单片机的CPU便可以达到复位。
如下图所示为本次设计的单片机的复位电路。
当通电的一剎时,由于此时可以看作交变电流,故C11可以当作导线,此时的电源电压全都负载在R13上,使得RST管脚变为高电平,开始复位。
随着时间的推移,C11开始充电,电压开始慢慢的加在C11上,当C11充电完成,其两端的电压可以看作5V,这时,RST管脚的电压便成为低电平,复位完成。
通过控制C11和R13的参数,可以控制整个复位持续的时间。
添加按键是为了达到手动复位的效果,当按键按下时,由于R60阻值远小于R13,相当于之前的上电时的情景。
图3.3单片机复位电路
3.1.3晶振电路
单片机工作是需要时钟电路提供工作所需的时序,本设计采用的是单片机的内部时钟方式。
如下图在MCU的19脚跟20脚之间连上由11.0592MHz的晶体振荡器和20pF的电容构成的电路,这样能够与MCU内部的硬件模块一起形成一个稳固的自发振荡器,达到振荡产生时序的效果。
图3.4单片机晶振电路
3.2MFRC522读写模块
3.2.1MFRC522芯片介绍
MFRC522读卡器芯片是NXP公司的运用在13.56MHz下的无须接触的通讯中的高度结合的读卡器芯片,它拥有领先的调幅和验波的技术,它能支撑13.56MHz下的全部的从动式无须接触的通讯协议,下图是它的功能结构图。
图3.5MFRC522的功能框图
MFRC522芯片可以支撑与微处理器径直地连接的多种插口类别,比如SPI、IIC总线和UART,它可以对微处理器当前的插口类别自动进行检测,从而选择一项合理的插口。
这种元件是32管脚的HVQFN的PCB,其管脚图和实物图如下两图所示。
图3.6MFRC522实物图
图3.7MFRC522引脚图
MFRC52芯片利用11脚和13脚加上外接的晶振电路来提供13.56MHz的传输射频波并以此驱动其天线。
通过其内部寄存器的功能对传送的指令产生调幅得到最终传输的信号。
MFRC522的天线连接管脚和串口描述如下两表:
表3.1天线连接管脚
表3.2MFRC522串行接口管脚描述
每当控制芯片进行复位后,MFRC522芯片也跟着重置它的接口类别同时检查此刻的控制芯片的接口类别,它按照主控芯片的主控管脚的电位来辨别出MCU的接口,它是从MFRC522芯片和MCU联接的管脚配合和一套内部专用的固定程序来达到的。
MFRC522接口类型的链接配置如下表:
表3.3MFRC522接口类型的链接配置
3.2.2S50卡功能介绍
下图是S50非接触式IC卡的功能结果框图,S50卡内部总体分为了两个模块:
RF-Interface射频接口电路模块部分和DigitalSection数字电路模块。
图3.8S50卡功能组成图
在RF-Interface电路中的波形变换部分,它可将读卡器芯片发送的13.56MHz的电波吸收,一部分送至调制解调模块,另一部分将正弦波信号转换为方波电压,然后对其整流滤波,并由压降调整电路对压降进行继续处置,最后产生电能提供其他的各电路。
对于数字电路模块在后面软件设计的时候会讲解,这里便不再复述。
3.2.3MFRC522模块工作原理
首先,MFRC522芯片利用天线向IC卡发送电磁波,IC卡的天线获得读卡器芯片发送的电磁波之后,便由自身内部的调幅验波电路对电波实施调幅和验波,被处置过的电波就发送到IC卡的内部的处理器对其进行识别和处置。
电波被IC卡处置好之后便又一次被IC卡利用其自身的天线发送反馈给MFRC522芯片,MFRC522芯片接受到反馈电波后对此类电波识别和判断,若两次电波的频率相同,则MFRC522芯片便能够对目标IC卡的内部的值实施读写处理了。
3.2.4读写模块电路
本次设计的MFRC522读写模块电路如图3.9所示,本模块的MFRC522芯片与单片机芯片STC89C52之间利用SPI的方式进行连接。
图3.9MFRC522射频模块电路(最右为单片机)
3.3显示电路模块
3.3.1LCD1602介绍
本设计采用LCD1602作为系统的显示核心,其中1602是指该液晶能够显示2排,每排能够显示16个字符。
LCD1602引脚图和实物图如下:
图3.10LCD1602实物图
图3.11LCD1602引脚图
3.3.2显示模块电路
LCD1602的数据端与P0口相接,同时P0口外接上拉电阻,整个显示模块的电路连接图如下图所示:
图3.12显示模块电路连接(左下角为单片机)
3.4矩阵键盘电路
本次设计采用4*4的矩阵按键,其硬件连接图如下:
图3.13矩阵键盘电路
其中各个按键的功能如下:
图3.14矩阵键盘按键功能
3.5报警电路
本系统采用蜂鸣器作为声音提示,于此在蜂鸣器发声的时候利用发光二极管的高亮来达到声光报警的效果。
其电路图如下,其中BUZZ端连接到单片机的P3.2口上。
图3.15声光报警电路
3.6电源模块
公交车刷卡机是由公交车上的直流稳压电源来供电,公交车直流稳压电源一般输出电压为DC8-35V。
为了满足单片机的5V供电和MFRC522的3.3V供电以及其他一些外接COMS供电的需求,故设计出如图3.16的电源模块:
图3.16电源模块电路
其中电源接口为GX16-2的二芯航空插座。
LM2575-5.0芯片为开关电源稳压芯片,能将直流电压稳定输出到5V,其最大工作电压是45V,最大的输出电流是1A;ASM1117-3.3芯片为直流稳压芯片,将前段稳压的5V电压稳定到3.3V输出。
3.7与PC机的通信电路
3.7.1USB接口
由于笔记本电脑小巧、轻便、易携带的特点,传统台式机的市场份额越来越少,这使得传统COM口远不如USB接口的普及。
故本设计抛弃了传统的COM口作为与PC机的通信接口,取而代之的是USB接口。
1994年,USB的最初版诞生,经历了多年的发展,现已经发展为V3.1的版本,成为了21世纪电脑中的标准扩展接口。
USB接口由于具有很快的传输速率,而且由于其接口灵活,插拔方便,目前已经支持几乎所有的外设。
3.7.2CH340USB转串口芯片
USB口不能直接与单片机通信,需要一个USB转串口芯片,CH340是一个USB转换成串口的芯片。
其引脚图如下:
图3.17CH340引脚图
通信模块原理图如图3.18,其中DP、DM两引脚为USB接口的信号输出引脚。
图3.18USB串口通讯转换电路
3.8存储器电路
本次设计内容中需要对IC刷卡机整天的营收进行统计,所以在设计中加入了存储器模块对营收数据进行储存。
存储器模块中选用了串行的E2PROM芯片24C64,其拥有64KB的存储容量。
每天工作后,需要把刷卡机拿到公交车调度管理中心把刷卡机里面的数据放入电脑中保存,以便于调用数据。
下图为存储器电路的接线图:
图3.19存储电路
3.9整体硬件电路
下图为本次毕业设计的全部硬件原理图,全部设计包含将STC89C52型MCU当作控制中枢的最小系统电路、将MFRC522芯片当作中枢的读卡模块、显示电路模块、矩阵键盘模块、报警电路、电源模块、和上位机的通讯模块、存储器模块等。
图3.20整体硬件电路
本设计针对上面设计的整体硬件电路图绘制出了其对应的PCB,下图为次本设计填充铜层后的的PCB板子。
图3.21整体电路的PCB图
第四章系统软件功能的设计
4.1主程序的设计
公交车的IC卡操作系统作为一个繁杂的代码实施过程,不仅需要主函数的实施,同时还需要调用各个子函数来辅助主函数的实施。
开机之后,系统进行初始化,在还没有寻到IC卡时显示器上显示开机界面,当寻卡成功后,进行防冲撞处理并选定卡片、验证卡片和密码成功后显示卡号,之后便可以根据按键扫描到的按键进行具体的按键功能处理。
主程序流程如图所示。
图4.1主函数流程图
4.2键盘程序的设计
4.2.1按键检测函数
本系统采用4*4的矩阵按键,其引出的8条导线连在单片机P2口上。
按键检测的流程如图所示。
图4.2按键检测函数流程图
4.2.2按键功能函数
当检测到按键后进行按键功能的判断,本系统矩阵按键中主要分为数字键(包括00键,清零键和退格键)、消费键、充值键、确定键。
当不一样的键按下后会实现不一样的操作,具体的流程如图所示。
图4.3按键功能函数流程图
4.3读/写卡程序设计
4.3.1S50卡数据存储结构介绍
S50卡的存储器划分十六块扇区,每块扇区划成4段。
其中0号扇区的第0段部分固定存储着产品原
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