基于单片机的IC卡预收费水表系统硬件毕业设计论文.doc

基于单片机的ic卡预收费水表系统硬件设计xx 学 院 本科生毕业设计（论文）学院（系）： xx 专 业： xx 学 生： xx 指导教师： xx 完成日期 xx 年 x月xx学院本科生毕业设计（论文）基于单片机的ic卡预收费水表系统硬件设计 hardware design of pre-charges the water meter ic card system based on sing-chip 总 计： 26 页表 格： 2 个插 图 ： 15 幅xx 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的ic卡预收费水表系统硬件设计 hardware design of pre-charges the water meter ic card system based on sing-chip 学 院（系）： xx 专 业： xx 学 生 姓 名： xx 学 号： xx 指 导 教 师（职称）： xx 评 阅 教 师： 完 成 日 期： xx学院 nanyang institute of technologyiii 基于单片机的ic卡预收费水表系统硬件设计xx专业xx摘 要 本论文主要设计研究基于单片机的ic卡预收费水表系统硬件电路，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hardware design of pre-charges the water meter ic card system based on sing-chip electronic information engineering chang jingabstract: 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1 引言11.1 ic卡的相关知识11.2 ic卡的分类11.3 ic卡的历史11.4国内外的应用现状22 基于单片机的ic卡预收费水表硬件设计32.1预收费水表系统硬件组成32.2 at89c51单片机简介32.2.1 89c51单片机的基本组成32.2.2 89c51单片机引脚及其功能43 系统各模块硬件电路设计53.1 ic卡读写电路53.1.1 mifare 1射频ic卡53.1.2 h6152读写模块83.1.3 ic卡读写电路的原理及说明93.2 液晶显示电路123.2.1 液晶显示模块123.2.2 电源模块133.2.3 单片机模块153.3 记忆单元电路153.3.1 i2c总线简介153.3.2 at24c01简介163.3.3 硬件原理图173.4 电磁阀控制电路183.5 其它模块电路19结束语19参考文献20附录21致谢2323 1 引言1.1 ic卡的相关知识iso7816定义了ic卡芯片中点到卡左边沿距离为：15.06mm，到上边沿的距离为：23.89mm(8-pin)，22.62mm(6-pin)，宽度：85.72-85.74mm，高度：54.03-53.92mm，厚度：0.83mm。ic卡，又称“集成电路卡”、智能卡，英文名称“integrated circuit card”或“smart card”，是法国人roland morono 于1974年发明的，将具有存储、加密及数据处理能力的集成电路芯片模块封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料基中，便构成了ic卡。ic卡具有防磁、防静电、抗破坏性和耐用性强、防伪性好、存储数据安全性高（可加密）、数据存储容量大、应用设备及系统网络环境成本低、品种型号齐全、技术规范成熟等特点。正是由于ic卡具备诸多无可比拟的优点，因此在金融、税务、公安、交通、邮电、通讯、服务、医疗、保险等各个领域都得到了广泛的重视和应用。它作为一种新的高科技产品正在引起人们的广泛关注，其关键在于卡的应用，它标志着又一种新的信息处理手段的问世。未来多功能的卡的普及与应用将改变整个社会的生活方式，是人类全面迈向电子化时代的钥匙。在高科技产品日新月异且不断地伴随于人们生活要求的情况下，且在ic卡领域内又发展起了一项新技术非接触式ic卡，其在工作时将卡片靠近读写器表面即可完成卡中的数据的读写操作，它成功地将射频识别技术和ic卡技术结合起来，解决了无源和无接触这一难题。与接触式ic卡相比较，它具有可靠性高、操作方便快捷，安全防冲突、应用范围广、加密性能好等优点，因而它更受人们欢迎。1.2 ic卡的分类（1）按存储容量分：ic卡的存储量小的几十个bit，大到几十个k byte （2）按安全级别分：非加密存储卡、逻辑加密存储卡、cpu卡 （3）按连接方式分：接触式和非接触式 （4）按ic芯片厂家：德国siemens、法国gemplus、美国atmel、荷兰philips等1.3 ic卡的历史ic卡是集成电路卡（integrated circuit card）的英文简称，在有些国家也称之为智能卡等。将一个专用的集成电路芯片镶嵌于符合iso7816标准的pvc（或abs）塑料基片中，封装成外形与磁卡类似的卡片形式，即制成一张ic卡。当然也可以封装成纽扣、钥匙、饰物等特殊形状。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（identification card）。1970年，法国人罗兰德莫瑞诺（roland moreno）第一次将可进行编程设置的ic（integrated circuit）芯片放于卡片中，使卡片具有更多的功能。当时，他对这项技术的描述是：镶嵌有可进行自我保护存储器的片。这样就诞生了世界上第一张ic卡。1974年，法国的罗兰德莫瑞诺（roland moreno）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年法国布尔公司研制出世界第一枚ic卡。1984年，法国的ptt（posts, telegraphs and telephones）将ic卡用于电话卡，由于ic卡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（iso，international standardization organization）与国际电工委员会（iec，international electrotechnical commission）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。在此后的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信息安全技术等的发展，ic卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的应用。1.4国内外的应用现状美国是信用卡的发源地，磁卡应用在全世界占首位，从上世纪60年代起就开始发卡应用了。到了1988年，发卡量已经超过10亿张，人均约5张，消费金额达到4695亿美元。1993年仅美国两家最大的发卡公司visa和master的发行量即达到了6.6亿张，遍及全世界200多个国家和地区，消费额达到8250亿美元，电子收款机ecr的普及率约为400500台/万人。1987年，美国的atm机已达3台/万人。如今，美国已开始用ic卡取代磁卡，比较成功有应用有：校园ic卡、交通ic卡、军人身份证卡。在法国，ic卡诞生于法国，它是ic卡应用的先驱。据国际发明组织统计，1988年10月至1989年9月全世界ic卡硬件产业中，ic卡及读写器数量分别为4200万张和87700台，其中法国分别占98%和71%，处于世界领先地位。目前，法国ic卡不仅在数量上领先其它各国，而且其应用领域的多样化更为突出，如在金融、电信、医疗、保险、旅游、游戏和交通运输等各个领域都有ic卡的广泛应用。在其他欧洲国家更是如此，ic卡均得到广泛的应用。在我国，ic卡的发展在我国的起步较晚，但在ic卡行业里，我国是一个发展较快的国家之一。自1993年7月我国电子工业部协同银行、邮电及有关部委提出了命名为“金卡”的专项工程，总目标是：用10年左右的时间，在全国400个大中城市及部分经济发达县区推广使用卡基支付工具，在这些覆盖了3亿城市人口的地区，发卡总量要达到2亿张，年交易额达到1万亿元。整个“金卡”工程分为试点、推广和普及三个阶段。到2000年我国ic卡的出货量达到了2.3亿张，2001年为3.8亿张，2002年为4.13亿张，2003年为3.97亿张（由于sars影响导致电信和公交卡发行量减少），2004年达到了5.63亿张，2005年达到7.66亿张。可见，ic卡在我国的快速发展，目前已经有10余个部门和行业推广应用了ic卡。在各方面的努力下，ic卡相关产品得到迅速发展，如自动柜员机atm、销售点终端机pos；网络加密机和电子结算、转账、交换等大型应用软件系统等等。特别是国内在自主研究开发1c卡产品方面取得了长足进步。比如，我国已研制开发生产出ic卡操作系统、ic卡集成电路芯片生产设备，也完成了如模块生产、卡基与卡片制作、各类读写卡设备与机具的研发及产业化配套等，全面带动了我国电子信息产业的发展。2 基于单片机的ic卡预收费水表硬件设计2.1预收费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。ic卡座通信插座来自水量传感器去脉冲电磁阀at89c51脉冲提取电路电磁阀控制电路安全保护电路ic卡读写电路液晶显示电路通信接口电路记忆单元电路图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所示为单片机at89c51的引脚图。 图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。用作第二功能时如表1所示。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，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，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）3 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。3.1.2 h6152读写模块11 10 h201014x20 1j317j414图3 h6152基本结构示意图h6152的基本结构如图3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4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4 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5、图6、图7所示。图5 单片机模块图6 串口电平转换模块图7 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8所示。图8 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坏，在加液晶驱动电压v0/vee时需要比加逻辑电压vdd滞后50ms；在关电时，液晶驱动电压v0/vee需要比逻辑电压vdd提前50ms关断。gxm12864的引脚定义如表2所示。表2 gxm12864的引脚定义引脚名称引脚定义/csa、/csb片选1、2vss数字地vdd逻辑电源+5vv0对比度调节d/i指令数据通道r/w读/写选择e使能信号、高电平有效db0-db78位数据线rst复位信号vee液晶驱动电源a、k背光正电源端、背光接地端3.2.2 电源模块在一般情况下，液晶器件的驱动需要两种不同的电源电压，一种是+5v(工作电压)，另一种是-10v(背景光对比度调节电压)。所以，使用液晶模块时，需要设计专门的液晶电源电路。液晶电源电路的作用就是将电压转换成这两种电压信号输出，为液晶显示模块提供工作电压。本设计中系统采用电池供电，其输入电压为+3v，所以电源部分的设计要求为+3v输入，+5v和-10v双电压输出。max1677是双电压输出升压dc-dc变换器，它是一种专门为lcd提供电源的芯片，可以产生两种可调电压输出。其输入电压范围（0.7-5.5v）较大，可以依据不同系统提供的安装电池的空间和所需的不同电池电压与容量，灵活的选择电池的种类。电源模块电路如图9所示。图中，max1677的输入电压vin=3v，输出两路电压vout1和vout2，分别是+5v和-10v，+5v为系统电源，而-10v作为液晶显示模块的背光电源。图9 电源模块电路电路中的其他器件说明如下。l1、l2为coilcraft的do1608c-103表贴磁芯电感，电感值为10uh。d1、d2是反相耐压大于16v的肖特基二极管，也可选用具有相同耐压参数的其他型号二极管。电阻r11和r12的比值决定了主输出电压值vout（对应图中的vout1）需满足下面的公式： r11=r12*vout/1.25-1 （r12的取值范围为10-200千欧姆）电阻r14和r13的比值决定了lcd对比度输出的电压值vlcd(对应图中的vout2)需满足下面的公式： r14=r13*|vlcd|/1.25（v） （r14的取值范围为500-2000千欧姆）电阻r8和r7的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值vtrip需满足下面的公式： r8=r7*vtrip/0.614-1 (r7130千欧姆)当电池正常时，电池电压过低，输出引脚lbo输出保持高电平；一旦电池电压低于门槛电压，lbo引脚输出为低电平。如果不是用欠电压监测的话，只需要将第三引脚（lbi）接地即可。在原理图中，vin为电源电路的输入端，连接两节1.5v的电池形成便携式仪表的电源；vout1连接max1677的第16引脚，输出+5v的电压，作为系统的电源电压；vout2连接max1677的10引脚，输出-10v的电压，作为液晶显示模块的背光电源电压。3.2.3 单片机模块由于内部液晶控制器的存在，单片机可直接与gxm12864相连，不必使用其他的接口芯片。由于单片机采用atmel公司的at89c51,将液晶模块作为存储器的一部分，直接进行i/o操作。其工作原理图见附录2所示。at89c51的p0口直接与液晶模块的数据总线db0db7相连；p2口的0、1、3、5、6引脚分别和液晶模块的/csb、/csa、e、r/w、d/i相连，在单片机程序执行过程中，对它们作相应的控制。3.3 记忆单元电路3.3.1 i2c总线简介i2c总线，是inter integrated circuit bus的缩写，即“内部集成电路总线”。i2c总线是philips公司推出的一种双向二线制总线。目前，philips公司和其他集成电路制造商推出了很多基于i2c总线的外围器件。i2c总线包括一条数据线（sda）和一条时钟线（scl）。协议允许总线接入多个器件，并支持多主工作。总线中的器件既可以作为主控器也可以作为被控器，既可以是发送器也可以是接收器。总线按照一定的通信协议进行数据交换。在每次数据交换开始，作为主控器的器件需要通过总线竞争获得主控权，并启动一次数据交换。一个典型的i2c总线标准的ic器件，其内部不仅有i2c接口电路，还可将内部各单元电路划分成若干相对独立的模块，它只有二根信号线，一根是双向的数据线sda，另一根是时钟线scl。cpu可以通过指令对各功能模块进行控制，各种被控制电路均并联在这条总线上，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中，i2c总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器）。cpu发出的控制信号分为地址码和控制量（数据）两部分。地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。i2c总线接口电路如图10所示。图10 i2c总线接口电路i2c总线的器件分为主器件和从器件。主器件的功能是启动在总线上传送数据，并产生时钟脉冲，以允许与被寻址的器件进行数据传送。被寻址的器件，称为从器件。一般来讲，任何器件均可以称为从器件，只有单片机才能称为主器件。主、从器件对偶出现，工作在接收还是发送数据方式，由器件的功能和数据传送方向所决定。传统的单片机串行接口的发送和接收一般都分别各用一条线，而i2c总线则根据器件的功能通过软件程序使其工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器，而当其从主线上接收信息时，又成为接收器。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。i2c总线的控制完全由挂在总线上的主器件送出地址和数据决定，在总线上，既没有中心机也没有优先级。总线上主和从（即发送和接收）的关系取决于此时数据传送的方向。sda和scl都是双向线路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到电源端。连接总线器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能，当总线空闲时，两根线都是高电平。i2c总线上数据的传输速率在标准模式下可达100kb/s，在快速模式下可达400kb/s，在高速模式下可达3.4mb/s。连接到总线的接口数量只由总线电容是400pf的限制决定。3.3.2 at24c01简介 at24c01是美国atmel公司的低功耗cmos串行eeprom，它内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5v）、擦写次数多（大于10 000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。at24c01中带有片内寻址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的操作。所有字节都以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8字节的数据。图11为at24c01的引脚图。各引脚功能如下：图11 at24c01的引脚图scl:串行时钟。在该引脚的上升沿时，系统将数据输入到每个eeprom器件，在下降沿时输出。sda：串行数据。该引脚为开漏极驱动，可双向传送数据。a0a2:器件/页面寻址。为器件地址输入端。wp：硬件写保护。当该引脚为高电平时禁止写入，为低电平时可正常读/写数据。vcc：电源。一般输入+5v电压。vss：接地。3.3.3 硬件原理图记忆单元硬件原理图如图12所示。利用单片机at89c51与24c01进行i2c通信，实现对某一地址内数据的读/写校验操作。图12 记忆单元硬件原理图3.4 电磁阀控制电路 控制信号（来自cpu）电磁阀选用脉冲式电磁阀，为以色列bermad公司出品，其控制电路原理如图13所示。这种电磁阀在开启时只需在其控制线ab两端加一正向脉冲（幅度dc12v宽度大于20 ms），水阀一旦开启则会自动保持。当关断时则在ab两端加一反向脉冲，水阀就会关闭。因为这种电磁阀开启后不需给电磁阀持续供电，所以它的功耗非常低，因而特别适合用在ic卡水表中作为水表开启送水或欠费停水的执行单元。电路设计上采用多路模拟开关组合成一组双刀双掷开关，在at89c51的控制下，将正脉冲或负脉冲加到电磁阀的控制线ab两端。脉冲电磁阀vcc+vcc-a+b-图13 电磁阀控制电路图3.5 其它模块电路(1) 脉冲提取电路脉冲提取电路，用于提取ic卡水表的计量脉冲。可在原有的老式湿式水表加入磁针和干簧管，磁针随着用水的流动而旋转使得干簧管动作发出开关信号，作为计量信号。也可以利用干式磁传水表已有的开关信号输出，作为计量信号。(2) 安全保护电路安全保护电路，利用at89c51可编程的1/o中断口接到水表的外封装上实现保护。使封装完好时i/o线相当于接地，为低电平，一旦封装被非法打开，i/o线就不与地连接，其电平变为高电平，此时cpu将发生安全保护中断，立即关断电磁阀中断供水。这样就能有效地防止私拆或恶意破坏水表的事件发生。(3) 通信接口电路通信接口电路，利用at89c51的串行通信口，选用max2338芯片形成485接口电路。外部数据读取设备可通过水表的485接口，将水表的数据读出，实现自动抄表功能。结束语本课题是基于单片机的ic卡预收费水表系统的硬件设计是单片机应用的一个部分，由二个同学一起完成，在我们的共同努力下，共同完成了毕业设计课题。本人设计是以配合软件设计，完成的功能是通过51单片机控制德国acg公司的h6152系列读写模块对mifare1系列频卡进行读写操作。硬件电路由ic卡读写电路、液晶显示电路、通信接口电路、记忆单元电路、脉冲提取电路、电磁阀控制电路和安全保护电路7部分电路组成。整个过程中，从开始接到论文题目到系统电路的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。我的课题是关于ic卡的，现在ic卡的应用很普遍。它具有防磁、防静电、抗破坏性和耐用性强、防伪性好、存储数据安全性高（可加密）、数据存储容量大、应用设备及系统网络环境成本低、品种型号齐全、技术规范成熟等特点，使得它在生活中可以说无处不在。2004年，我国启动了第二长身份证换发工作，又为ic卡产业的发展带来了巨大的机遇，同时促进了ic卡在更广的社会生活领域内普及。然而，市场的