毕业设计（论文）基于AT89C51单片机的智能IC卡煤气表控制装置设计

1、摘摘 要要 随着信息社会的到来，人类所拥有的信息种类和数量呈爆炸性增长，ic 卡， 一种方便安全可靠的高技术，高附加值的信息载体便应运而生。ic 卡技术以其广 泛的应用领域和巨大的产品市场成为近几年来我国信息产业的一大特点。与此同 时，我国燃气收费管理长期以来都是以人工抄表为主，存在着工作量大、收费时 间长、收费困难、效率低、易出错的问题，为了减少燃气收费管理中人力、物力 的浪费，减少不安全因素，进行了“智能煤气表的研究” 。这既是 ic 卡技术实际 应用的进一步探索，也是燃气收费管理方式的改革。 本设计对智能 ic 卡煤气表控制装置的组成、功能及技术要求进行了理论上的 分析和技术上的应用研究

2、。设计依据低成本，高可靠性的原则完成了以下工作： 1. 软件设计中均采用模块化设计结构，完成了燃气表的计费功能以及故障的 查询和处理。 2.采用性价比较高的 at89c51 单片机作为控制装置的核心，控制装置的硬件 电路实现了脉冲采集、数据存储、电磁阀驱动控制、ic 卡读写、电源监测及声音 报警和等功能。 3.本文用 visual basic6.0 成功地实现了对 ic 卡的管理以及煤气收费系统的 管理。数据库软件具有建立用户档案、销售、写卡、统计、查询等功能。 关键词：关键词： ic 卡技术 煤气表 at89c51 单片机 abstractabstract with the coming o

3、f information society, human beings have the amount and type of information in the explosive growth, ic card, a convenient safe, reliable and high technology and high value-added information carrier will come into being. ic technology with its extensive applications and great products market in chin

4、a has become a feature of the information industry. meanwhile, chinas gas charges administration have long been mainly on artificially meter, there are big workload and charging time is long, difficult charging, the efficiency is low, the error-prone problems, in order to reduce gas fee manpower and

5、 material resources in the management of the waste and reduce the safety factor, smart meiqibiao research. this is both practical application of ic card technology explore further, also is the reform of fuel gas fee management mode. technical requirements makes a theoretical analysis and technical a

6、pplication research. design basis low cost, high reliability principle completed the following job: 1. the software design is all adopt modular design structure, completed the gas meter charging functions and fault inquiries and processing. 2. the ratio of higher at89c51 as control device, the core

7、of the hardware circuit implementation control device of pulse acquisition, data storage, electromagnetic valve driving control, ic literacy, power monitoring and voice alarm and etc. function. 3. this article with the visual basic6.0 successfully realized the management of ic card and gas fee syste

8、m management. database software has build user archives, sales, write cards, statistics, inquiry, and other functions keywordskeywords： ic technology gas meter at89c51 micro-controller 目目 录录 第第 1 1 章章 摘摘 要要.1 1 1.1 智能 ic 卡的作用和地位.1 1.2 研制智能 ic 卡煤气表控制装置的目的和意义.2 1.3 ic 卡在中国的应用与发展.3 第第 2 2 章章 智能煤气表硬件的设计

9、智能煤气表硬件的设计.4 2.1 硬件总体结构.4 2.2 at89c51 单片机简介.5 2.2.1 at89c51 的引脚结构.5 2.2.2 内部结构.8 2.2.3 外围电路.9 2.3 at24c02 的应用.10 2.3.1 at24cxx 介绍.10 2.3.2 at24c02 的简介.11 2.3.3 i2c 总线特性的简介.14 2.3.4 at24c02 在智能煤气表中的应用.15 2.4 8155 的简介.15 2.4.1 8155 的结构.16 2.4.2 8155 的引脚及功能.16 2.4.3 8155 的工作原理.17 2.5 led 显示电路的设计.19 2.5

10、.1 led 显示器结构与原理.19 2.5.2 led 显示器与显示方式.20 2.6 耗气量计数电路的设计.22 2.6.1 霍尔效应.22 2.6.2 计数电路的设计.23 2.6.3 霍尔元件的材料及结构特点.23 2.7 可燃气报警电路的设计.24 2.7.1 传感器.24 2.7.2 探测报警电路.24 2.7.3 调试.25 2.8 电源电路的设计.25 2.8.1 电源变压器.26 2.8.2 单相整流电路.27 2.8.3 滤波电路.29 2.8.4 稳压电路.30 2.9 防作弊电路的设计.31 第第 3 3 章章 智能煤气表软件的设计智能煤气表软件的设计.32 3.1 流

11、程图.32 3.2 软件抗干扰技术.33 第第 4 4 章章 收费管理软件设计收费管理软件设计.36 4.1 开发平台及开发选用的语言.36 4.1.1 visual basic 概述.36 4.1.2 access 的介绍.38 4.2 收费管理中心主机软件流程图.42 4.2.1 收费管理中心各部分功能的简介.43 4.2.2 用量查询程序.44 4.2.3 报表输出程序.46 4.2.4 用气信息及断气控制功能.47 4.2.6 ic 卡智能煤气表充值系统源程序代码.48 总总 结结.54 致致 谢谢.55 参考文献参考文献.56 附录附录 1 1：智能煤气表原理图：智能煤气表原理图.5

12、7 附录附录 2 2：智能煤气表程序清单：智能煤气表程序清单.58 第第 1 1 章章 摘摘 要要 1.11.1 智能智能 icic 卡的作用和地位卡的作用和地位 随着社会的进步和现代化程度的不断提高，人类所拥有的信息种类和数量 都在成倍增加，人们每天都要处理许多与个人有关的信息，如购物、打电话、 交水费、电费、燃气费、到银行存款取款等，这样就需要携带多种票证、现金、 单据，给人们带来极大的不便和不安全感。于是，人们开始寻求一种具有支付、 查询、密码查验等多功能及携带方便、安全可靠的“卡” 。ic 卡就是随着计算 机技术、微电子技术和信息化技术的发展应运而生的一种现代社会重要的信息 载体和交易

13、工具。 ic 卡又被称为集成电路卡(integrated circuit card)，它是将集成电路 芯片镶嵌于塑料基片之中，并被封装成卡片的形式，其外形与普通信用卡完全 相同，尺寸大小符合 iso7816 标准。ic 卡具有突出的 3s 特点，即 standard(国 际标准化)、smart(灵巧智能化)和 security(安全性)。因而发展迅速，被广泛 地应用于移动数据计算场合，如银行、电信、交通、广播电视、公用事业等领 域。ic 卡不仅改进了现有多种卡的使用方法和功能作用，它还不断开创新的应 用领域。虽然 ic 卡本身并不创造任何价值，但是，如果将 ic 卡和其它设备组 成系统就能够提

14、供非常丰富的服务功能。把这些功能与生产或流通领域有机地 结合起来，将出现令人意想不到的奇迹，创造出巨大的经济和社会效益。我国 的金融和非金融产业部门都己认识到发展 ic 卡产业对加速我国国民经济信息化 的重大作用。因此，与国外有关公司合作，引进制卡、读卡设备及应用的先进 技术，成立了有关集团、公司、以加速我国应用和发展 ic 卡的应用和发展。 在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 卡已成为势

15、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。1993 年 6 月，政府提出了全民推行使用信用卡，以 减少大量的现金流通，加强国家对经济的宏观调控，实施以“电子货币”工程 为重点启动的卡基础应用系统工程，即“金卡”工程。有关专家预计，ic 卡必 将在世界范围内逐步取代磁卡等卡种，在金融、电信、保险、公共福利事业等 领域大量的应用，并正在我国实施的“金卡”

16、工程中扮演着重要角色。 1.21.2 研制智能研制智能 icic 卡煤气表控制装置的目的和意义卡煤气表控制装置的目的和意义 ic 卡的使用与其应用系统是密切相关的。一方面，采用 ic 卡可以使系统 的运作更富创造性，另一方面，应用系统又会不断地对 ic 卡提出新的要求，促 使其功能更加完善。因此，怎样把 ic 卡与实际应用有机地结合起来，充分发挥 ic 卡的优越性，一直是 ic 卡技术的一个重要课题，智能 ic 卡燃气表控制系统 就是 ic 卡技术的一种实际应用。 我国大规模发展燃气化工程是从七十年代开始的，与世界发达国家相比， 不论是从燃气普及率上，还是从燃气的计量、收费和管理上，都有很大的

17、差距。 更突出的问题是，我国燃气化工程一次性投资很大，燃气经营多处于微利润或 亏损，除了政策性亏损外，其中计量供销差和收费管理漏洞是各地煤气公司普 遍存在的重要亏损原因。所以国家每年要投入大量资金来弥补亏损，这就给国 家增加了相当大的负担，也使城市燃气事业的自身发展缺乏活力。目前，随着 国家开发大西北“西气东输”计划的正式启动，对燃气管理的进一步规范提出 了更高的要求。此外，国家的“金卡工程” 的深入开展为新型的智能 ic 卡预 付费燃气表的研制提供了十分广阔的应用前景。我国各地已研制了电子卡、磁 卡、光卡和 ic 卡的智能燃气表，这些技术的共性就是把卡作为信息载体，作为 “开”表的钥匙。因为

18、 ic 卡除了在价格上暂时比其它几种卡稍贵一些(光卡除 外)，ic 卡的技术性能等指标均高于其它卡。鉴于 ic 卡的优点，ic 卡与燃气表 的结合是未来发展的一种趋势。 随着 ic 卡技术的不断发展以及国内相关行业服务意识的提高，在与居民用户日 常 生活相关的计量表计中使用 ic 卡技术己经得到了迅速的推广和广泛的应用。目 前在电表、水表、燃气表及暖气热力表中都开始采用 ic 卡作为抄表收费、控制 以及数据管理的媒介，使得 ic 卡表已经成为当前国内应用技术发展的一个亮点。 此外，从燃气表的管理模式和收费方式上看，我国采用智能 ic 卡燃气表装置是 可行的。 1.31.3 icic 卡在中国的

19、应用与发展卡在中国的应用与发展 我国的信用卡正跳过磁卡发展阶段而直接进入 ic 卡时代，国内先后组建华 旭、华鑫集团公司等，出现了一批科研及生产、经营单位。96 年 10 月，国内 第一张用芯片设计、研制到卡片制作生产全部国产化的中华 ic 卡顺利通过技术 鉴定，哈尔滨工业大学微电子中心与航天金卡电子公司联合研制成功的 hwz 201 型 ic 卡也在 96 年年底鉴定，该逻辑加密型 ic 卡芯片用 1 微米以 cmos 与 eeprom 工艺小批量生产，据称一年内可提供 10 万张 ic 卡。另外，上海贝岭微 电子有限公司也从美国引进了 1.2 微米 eeprom 关键技术，制造 ic 卡芯

20、片。目 前，国内引进 ic 卡后部装配生产线较多，它们采用国外芯片，生产能力未充分 发挥，97 年研制出加密算法，ic 卡操作系统 cos，着手开发智能 ic 卡，其 cpu 芯片拟先用国外芯片，而操作系统采用国产的，国内 ic 卡应用市场发展迅猛， 截止 98 年 6 月，7 家银行共有发卡机构 2023 个，发卡量 2040 万张，存款余额 670 多亿元，特约商户 18 万多家，取现网点 24 万多个，自动柜员机 atm 7 万 多台。 目前国内 ic 卡的应用已跳出单一的银行业务与传统的信用功能，与其它产 业联袂发展，它的付费功能，可用于交电费、水费、燃气费、电话费、车船费， 甚至医疗

21、费、保险费、纳税等。我国目前正按多种使用要求开发 ic 卡新品种， 以便最大限度地发挥 ic 卡的各种功能和作用。 第第 2 2 章章 智能煤气表硬件的设计智能煤气表硬件的设计 2.12.1 硬件总体结构硬件总体结构 at89c51 at24co2(1) at24co2(2) 浓度检测电路 计量机构脉冲发生 报警显示电路 电机驱动电路 阀门 电源切换电路 图 2-1 硬件总体结构 如图 2.1 所示，系统采用了 at89c51 单片机作为核心，ic 卡采用了 at24co2 卡，其中 at24co2（1）为 ic 卡内存储芯片，at24co2（2）中存储用户 信息。浓度检测电路、计量机构、报警

22、显示电路、电源切换电路、电器驱动电 路等构成了煤气表系统。 2.22.2 at89c51at89c51 单片机简介单片机简介 2.2.12.2.1 at89c51at89c51 的引脚结构的引脚结构 从应用的角度来看，at89c51 单片机具有集成度高、系统结构简单、系统 扩展方便、可靠性高、处理功能强、处理速度高、容易产品化等特点。图 2.2 是 at89c51 双列直插封装方式的引脚结构图。 at89c51 运用了 atmel 公司的高密度非易失存储器技术，与工业标准的 80c51 的指令和管脚排列兼容。芯片内可下载的 flash 存储器可通过 spi 串行 接口或通过通用的非易失存储器编

23、程器对其进行系统内的重新编程。通过将可 下载的 flash 存储器与通用的 8 位 cpu 相结合，at89c51 成为一种许多嵌入式 应用系统中低成本，灵活性好的单片机。如图 2-2。 图 2-2 at89c51 单片机引脚配置图 其主要特点如下：与 mcs-51 产品兼容，4k 字节可系统内重复编程的 flash eprom，128 字节的内部 ram，操作电压为 4v 至 6v，32 路可编程 i/o，2 个 16 位计数器/定时器，5 个中断源，可编程的 uart 串行接口。 下面分别叙述这些引脚的功能： （1）电源：at89c51 单片机正常工作时，其 40 脚(vcc)接+5v 电

24、源，20 脚 (vss) 接地。 （2）外接晶体引脚 xtal1,xtal2。 xtal1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反 相放大器的输人端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此 信号直接接到内部时钟发生器的输人端。 xial2 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相 放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 （3）控制或与其他电源复用引脚 rst；ale/prog；和/vpp。psenea rst 复位输人端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电 平将使单片机复位。 ale/;当访问外部存储器时，ale

25、地址锁存允许的输出用于锁存地址prog 的低位字节。即使不访问外部存储器，ale 端仍以不变的频率输出。此频率为 振荡器频率的 1/6 周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟， 或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。在对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲 prog。如 果需要的话，通过对专用寄存器 sfr 区中 8eh 单元的 d0 位置数，可禁止 ale 操 作。该位置数后，只有在执行一条 movx 或 movc 指令期间，ale 才会被激活。 另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该设定禁止 ale

26、 位为 无效。 程序存储允许，输出是外部程序存储器的读选通信号。当 at89c51psen 由外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次 psen 有效即输出 2 个脉冲。但 在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 psen 信号将不出现。 /vpp 外部访问允许端。要使 cpu 只访问外部程序存储器地址为 00c0h-ea ffffh 则端必须保持低电接到 gnd 端。然而要注意的是，如果保密位 lbi 被ea 编程，复位时在内部会锁存 ea 端的状态。当端保持高电平（接 vcc 端）时，ea cpu 则执行内部程序存储器中的程序。在 flash 存储器编程期间，该引脚也用 于施加

27、 12v 的编程允许电源 vpp（如果选用 12v 编程） 。 （4）输人/输出引脚 p0.0-p0.7，p1.0-p1.7，p2.0-p2.7，p3.0- p3.7。 1.p0 口 p0 口是多功能口，即可作为地址/数据总线使用，又可作为普通 i/o 口使 用。 p0 口作为地址/数据总线时，控制线为高电平，用来输出外存储器地址的 8 位 d0d7，因此 p0 口进行分时复用操作。 p0 端口是一个 8 位漏极开路型双向 1/0 端口。作为输出口用时，每位能以 吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 输人，对端口写 1 时，又可作高阻抗输人端用。 在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的

28、地址（低 8 位)数据 总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 端口接收指令字节;而在校验程序时，则输出指令字 节。验证时，要求外接上拉电阻 2.p1 口 pl 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/0 端口。pl 口的输出缓冲器可 驱动 4 个 ttl 输人。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位， 这时可用作输人口。pl 口作输人口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外 部信号拉低的引脚会输出一个电流 iil。在对 flash 编程和程序校验时，pl 口 接收低 8 位地址。 3.p2 口 p2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/

29、0 端口。 p2 口的输出缓冲器可驱动吸收或输出电流方式)4 个 ttl 输人。对端口写 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输人口。p2 作输人口 使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 iil。在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器时，如执行 movx dptr 时，p2 口送出高 8 位地址。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，如执行 movx r1 指令时，p2 口引脚上的内容就是专用寄存器 sfr 区中 p2 口寄存器的内 容，在整个访问期间不会改变。在对 flash 编程时和程序校验期间，p2 口也接 收高位地址和一些

30、控制信 号。 4.p3 口 p3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 1/0 端口。p3 口的输出缓冲器可驱 动（吸收或输出电流方式）4 个 ttl 输人。对端口写 1 时，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电位，这时可用作输人口。p3 口作输人口使用时，因为有内部 的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 iil。p3 口也是准双 向口，在作第 二功能使用时，相应的口锁存器必须为“1” 。 对并行口进行读写时有两种操作：一是锁存器，二是读引脚。 1读引脚的指令是绝大部分的并行口作为操作数的数据指令。 2读锁存器指令执行器如下操作，读入锁存器的值，改写，然后再写入。 在 at89c5

31、1 中，p3 端口还有一些复用功能。复用功能如表 2-1 所列。 表表 2-12-1 p3p3 各端口引脚与复用功能表各端口引脚与复用功能表 端口引脚复用用能 p3.0 rxd(串行输入口) p3.1 txd（串行输出口） p3.2 int0（外部中断 0） p3.3 int1（外部中断 1） p3.4 t0（定时器 0 的外部输入） p3.5 t1（定时器 1 的外部输入） p3.6 wr（外部数据存储器写选通） p3.7 rd（外部数据存储器读写通） 2.2.22.2.2 内部结构内部结构 at89c51 单片机内部集成口多达 8 个部件： 1.数据存储器（ram）：片内为 128 个字节

32、（单元） ，片外最多可扩展至 64k 字 节 2.程序存储器（rom/eprom）：有 4k 的 eprom。 3.中断系统：有 5 个中断源，两个中断优先级 4.定时器/计数器：两个 16 位的定时/计数器，具有四种工作方式。 5.串行口：1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。 6.p0 口、p1 口、p2、p3 口：为 4 个并行的 8 位 i/o 口。 7.特殊功能寄存器（sfr）：共有 21 个，用于对片内各个功能模块进行管理、 控监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 ram 区域。 8.处理器（cpu）：为 8 位的 cpu，而且内含一个位处理器，不仅可以处理

33、字节 数据，还可以进行多位变量的处理。 2.2.32.2.3 外围电路外围电路 1.复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。复位可分为上电复位和外部复位 两种方式。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:19-jun-2005sheet of file:c:docum ents and settingsadministratorba ckup11.ddbdrawn by: 30pf 30pf 12mh z xtal 2 xtal 1

34、上电复位是指单片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位 或由手动复位。本系统采用上电复位方式。复位电路如图 2-3。 上电瞬间，由于电容 c 两端电压不能突变，所以电容正极电压为低，单片 机 reset 脚保持高电平。随着电容正极电压的逐渐上升，reset 脚的电压逐渐 下降。只要合理选择 r、c 的值使 reset 脚上高电平的保持时间超过两个机器周 期，就可以使单片机可靠复位。 2.时钟电路 单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内 的时 钟产生有两种方式:内部时钟方式和外部时钟方式。 本课题采用内部时钟方式(如图 2-4 所示)，片内高增益反相放大器

35、通过 xtali 和 xtal2 外接作为反馈元件的晶体(呈感性)与电容组成的并联谐振回路 构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。at89c51 工作的时钟频率 范围为 0 到 24mhz.本课题选择 12mhz 的石英晶振与 30pf 的电容构成并联谐振 电路。 图 2-3 复位电路 图 2-4 时钟电路 1 a2 ao 7 8gnd a12 3 6 5 4 vcc scl test sda 2.32.3 at24c02at24c02 的应用的应用 2.3.12.3.1 at24cxxat24cxx 介绍介绍 at24cxx 系列采用低功耗 coms 工艺制造，内部设有高压泵电路，可

36、以单电 压工作，具有擦除/写入 10 万次和数据保留 100 年的高可靠性，提供双线串行 接口，支持 iso/ice78163 同步协议，便于与各种微机系统进行接口，使用方 便。另外，对存储器在芯片中的数据，还可通过软件的方法利用各种算法进行 加密处理，从而提高安全性，扩大器件的应用范围。 at24cxx 含 24c01/24c02/24c04/24c08/16,它们分别提供 1k/2k/4k/8k/16k 位串行 e2prom，内部组态为 128/256/512/20488 位，支持 8 字节（1k，2k） 、 16 字节（4k，8k，16k）页面写入方式。如将这些芯片的输入地址引脚 a2、

37、a1 和 a0 按 照表 2-2 所示进行硬件接地后，便可用于 ic 卡中。 表表 2-22-2 at24cxxat24cxx 用于用于 icic 卡的硬件连接卡的硬件连接 at24cxx0102040816 接地引脚a2,a1,a0a2,a1.a0a2,a1a2无 2.3.22.3.2 at24c02at24c02 的简介的简介 1.at24c02 引脚简介，如图 2-5。 （1）a2，a1，a0 接地引脚 （2）gnd 模拟地 （3）sda 数据引脚 （4）scl 时钟引脚 （5）vcc 电源引脚 （6）test 测试端 图 2-5 at24c02 引脚图 2.at24c02 的卡模块触点

38、（图 2-6）及功能设置（表 23） 。 图 2-6 卡模块触点图 表表 2 23 3 功能设置功能设置 引脚 卡触点 符号 功能 1 c1 vcc 操作电压 5v 2 c2 nc 复位 3 c3scl 串行时钟线 4 c4 nc 未用 5 c5 gnd 地 6 c6 nc 未用 7 c7 sda 串行数据线 8 c8 nc 未用 3.at24c02 卡工作状态 at24c02 卡工作时的总线时序如图 2-7 所示。scl 和 sda 两总线平时通过一 个电阻上拉为高电平，sda 总线上的数据仅在 scl 低电平时间周期内可能改变。 scl 高电平周期期间数据的改变表示“开始”或“停止”两种状

39、态：当 scl 处 于高电平时，sda 由高电平转向低电平表示一个“开始”状态必须在其他操作 之前执行，而“停止”状态则终止所有操作。除了以上两种状态外，at24c02 卡与外界的通讯还需要另外一个状态，那就是“确认（ack） ”：总线上的任何 接收数据设备必须将 sda 总线置于低电平以确认它成功的收到了每个字节（所 有的地址和数据都是以 8 位码串行输入、输出 at24c02 卡） ，该确认是在每个字 节之后，第九个时钟周期时发生。at24c02 卡也通过在收到每个地址或数据码 之后置 sda 于低电平的方式确认。为了正确地访问 at24c02 卡，外部数据传送 设备必须在发出“开始”状态

40、之后，随即给出一个 8 位地址码，称为器件寻址 码。该码高四位为 1010，这在 at24c02 系列所有芯片中都是一样的。接下来 3 c1 c7 c8 c6 c5 c4 c3 c2 vcc nc sda nc gnd nc scl nc 位依次是 a2，a1 和 a0，它们与芯片各自的输入地址引脚硬件连接相对应，未 作硬件连接的引脚所对应位用于页面寻址。最后 1 位是读、写操作选择位，该 位为 0（低电平）时激发写操作，为 1（高电平）时激发读操作。 4.at24c02 的读写方法 at24c02 具有写字节和写页面两种写操作方式。图 2-8 所示为写字节方式， 该 方式在器件寻址和确认之后

41、跟随一个数据寻址码，卡片在收到该寻址码后通过 sda 发出确认，并随时钟输入 8 位数据码，同样，收到数据之后卡片再次发出 确认，数据传送设备必须用停止状态来终止写操作。这时，卡片进入一个内计 时固定存储器写入周期，在该写周期内，所有输入都被禁止，直至写操作完成。 图 2-7 at24c02 卡总线时序 at24c02 的读操作分为立即地址读取、随机地址读取和顺序地址读取三种 方式。随机读取方式式需要一个“空”字节序列来加载数据地址，一旦器件寻 址码和数据寻址码随时钟输入，并被确认，传送设备必须产生另一个开始状态。 通过送出一个读、写选择位处于高电平的器件寻址码去激发一次立即寻址读取， 卡片确

42、认器件地址，并随时钟串行输出数据。数据的读取不通过确认应答，而 通过产生一个停止状态来应答。 图 2-8 写字节操作 2.3.32.3.3 i i2 2c c 总线特性的简介总线特性的简介 i2c 双向二线制串行总线协议定义：只有在总线处于“非忙”状态时，数据 传输才能被初始化。在数据传输期间，只要时钟线为高电平，数据线都必须保 持稳定，否则数据线上的任何变化都被当作“启动”或“停止”信号。i2c 串行 总线支持所有 nmos、cmos, 工艺制造的器件，通过两根线（sda-串行数据线， scl串行时钟线）再连接到总线之间传递信息，根据地址识别每个器件，根据 器件的功能可以工作在发送接收方式，

43、对于发送器和接收器而言，在进行数据 传递时可以认为时主器件或从器件。主器件是启动在总线上传的数据并产生时 钟信号以允许传送的器件，这时能寻址的器件即认为时从器件。 1.总线非忙状态（a 段）：数据线 sda 和时钟线 scl 都保持高电平。 2.启动数据传输（b 段）：当时钟总线 scl 为高电平状态时，数据线 sda 由高电平变为低电平的下降沿被认为时“启动”信号。只有出现“启动”信号 以后，其他的命令才有效。 3.停止数据传输（c 段）：当时钟线scl 为高电平状态时，数据线 sda 由低电平变为高电平的上升沿被认为时“停止”信号。随着“停止”信号的出 现，所有的外部操作都结束。 4.数据

44、有效（d 段）：在出现“启动”信号以后，在时钟线为高电平时数 据线是稳定的，这是数据线的状态就表示要传送的数据。数据线上的数据改变 必须在时钟线为低电平期间完成，每位数据占一个时钟脉冲宽度。每个数据的 传输都是由“启动”信号开始，结束语“停止”信号。在“启动”与“停止” 信号之间传输的数据字节数由微机处理机确定，并且从理论上设字节数没有限 制。起始（s） ，停止(p)都是由 scl 高电平期间 sda 的跳变决定的。sda 电平下 拉时启动 i2c 总线，上拉时停止使用总线。在启动 i2c 总线后，对应 scl 高电 平期间 sda 上的数据有效，对应 scl 低电平期间允许 sda 上的数据

45、更迭。 5.应答信号：每个正在接收数据的 e2prom 在接到一个字节的数据后，通常 需要发出一个应答信号，微处理机必须产生一个与这个应答相联系的额外的时 钟脉冲。在应答时钟脉冲周期内，时钟脉冲为高电平，数据线必须下拉成稳定 的低电平。微处理机对 e2prom 完成的最后一个字节不产生应答位，但是应该给 e2prom 一个结束信号。在这种情况下，e2prom 应该结束数据线的高电平状态， 而使微处理机能够 产生“停止”信号。但是，如果正在进行内部定时编程周期，那么将不产生应 答位。 2.3.42.3.4 at24c02at24c02 在智能煤气表中的应用在智能煤气表中的应用 at24c02（1

46、）为 ic 卡内存储芯片，该芯片是一种具有 i2c 总线结构的串行 e2prom，容量为 256 字节。用气前，用户持卡向煤气公司购买煤气，由煤气公 司写卡机把所购煤气量编码加密后写入 ic 卡中。然后插入家中煤气表 ic 卡插 槽内，由 at89c51 对该卡进行解码和核对工作，并读取购气量。卡中的密码信 息经某种算法得到且每次不同，内容完全相同的两次插卡操作，其后面一次将 被视为非法，这样可防止通过复制 ic 卡进行窃气的行为。同时，表内记录的累 积已耗用气量被写入 ic 卡中，供气插卡时煤气公司的计算机管理系统查对，发 现累积已耗用气量比累积购气量大的情况，即进行调查。在插槽中插入 ic

47、 卡时， 触动 k2 闭合，引起中断，且 p1.5 由高变低供该中断服务程序查询确认是1int ic 卡插入。表内非易失性内存芯片与 ic 卡内芯片一样，即 at24c02（2） 。煤气 表中诸如累积已耗用气量、结余气量、购气次数等重要数据都存在 at24c02（2）中，这样可克服由充电电池长期维持 ram 中信息所潜在的不可靠 性。at24c02 仅有 8 条引脚，串行通信只用两根口线，做成 ic 卡时外界连线少， 作为非易失性内存更是比采用并行 e2prom 减少许多连线，pcb 布线更简洁，体 积更小。ic 卡煤气表中所需存取的重要数据少，且数据存储速度要求不太高， 故这种小容量的串行

48、e2prom 非常适用。at24c02 是 i2c 总线结构器件，这就要 求 at89c51 通过编程使其 p1.0 和 p1.1 完全遵循 i2c 总线时序及 at24c02 的数 据传送格式，去分别等效串行数据线 sda 和串行时钟线 scl，从而实现两者的 通信。 2.42.4 81558155 的简介的简介 8155 芯片内具有 256 个字节的 ram,两个 8 位、一个 6 位的可编程 i/o 口和 一个 14 位计数器，与单片机的接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。 2.4.12.4.1 81558155 的结构的结构 按照器件的功能，8155 可由下列三部分组成； 1.

49、随机存储部分 容量为 2568 位的静态 ram。 2.i/o 接口部分 （1）端口 a：可编程 8 位 i/o 端口 pa0pa7。 （2）端口 b：可编程 8 位 i/o 端口 pb0pb7 （3）端口 c：可编程 6 位 i/o 端口 pc0pc5 3.计数器/定时器部分 是一个 14 位的二进制减法计数器/定时器 2.4.22.4.2 81558155 的引脚及功能的引脚及功能 如图 2-9 所示，8155 具有 40 条引脚线，采用双列直插式封装。 图 2-9 8155 引脚图 1.ad7ad0（8 条） ad7ad0 是地址/数据总线，与单片机的 p0 口相连，用于分时传送地址/

50、数据信息。 2.i/o 总线（22 条） pa7pa0 为通用 i/o 线，用于传送 a 口上的外设数据，数据传送方向由写 入 8155 命令字决定的；pb7pb0 通用 i/o 线，用于传送 b 口上的外设数据，数据 传送方向也由 8155 命令字决定。pc5pc0 制线，共有 6 条，在通用 i/o 方式 下，用作传送 i/o 口数据，在选用 i/o 方式下，用作传送命令/状态信息。 3.控制总线（8 条） reset：复位输入线，在 reset 线上输入一个宽大于 600ns 的正脉冲 8155 立即处于复位状态，a、b、c 三口也定义为输入方式。 和 io/:为 8155 片选输入线，

51、若=0，cpu 选中本 8155 工作；否则，cemce 本 8155 不工作。io/为 i/o 端口或 ram 存储器的选通输入线；若 io/=0，mm 则 cpu 选中 8155 的 ram 存储器工作。若 io/=1，则 cpu 选中 8155 片内某一m 存储器。 和：是 8155 的读/写命令输入线，为写命令线，当=0 和rdwrrdwrrd =1 时，8155 处于读出数据状态：当=1 和=0 时，8155 处于写入数据wrrdwr 状态。 ale:为允许地址输入线，高电平有效，若 ale=1，则 8155 允许 ad7ad0 上地址锁存到地址锁存器；否则，8155 的地址锁存器处

52、于封锁状态。 timerin 和：timerin 是计数器输入线，输入的脉冲上跳沿用timerout 于对 8155 片内的 14 位计数器减 1，为计数器输出线，当 14 位的计timerout 数器减为 0 时就可以在该引线上输出脉冲或方波，输出脉冲的形状与所选的计 数器工作方式有关。 4.电源线（2 条）vcc 为+5v 电源输入线，vss 接地。 2.4.32.4.3 81558155 的工作原理的工作原理 8155 的结构框图见图 2-10。这里主要介绍它的三组 i/o 端口电路及 14 位 二进制减法器的工作原理。 1.8155i/o 端口工作原理 8155 的三组 i/o 端口电

53、路的工作方式，均由可编程的命令寄存器的内容所 规定，而其状态可由读出状态寄存器的内容而获得，上面已经叙述，8155 的命 令寄存器和状态寄存器分别为各自独立的 8 位寄存器。在 8155 的器件内部，从 逻辑上来说，只允许写入命令寄存器和读出状态寄存器的内容。而实际上，读 命令寄存 的内容及写入状态寄存器的操作实际不允许、也不可能实现的。因此完全可将 命令 寄存器和状态寄存器的地址合用一个地址通道，以减少器件占用通道地址；同 时将两个寄存器简称为命令/状态寄存器，有时以 c/s 寄存器来表示。 图 2-10 8155 结构框图 (1) 8155 的命令字格式。命令寄存器由 8 位组成，每一位都

54、能锁存。其 中低 4 位（03）用来定义 pa、pb 和 pc 口的工作方式；当 pc 用作控制 pa 或 pb 端口工作时，第 4、5 两位分别用来允许和禁止 pa 和 pb 的中断；而最高两 位（第 6、7 两位）则用来定义计数器/定时器的工作方式。利用输出指令，可 以把命令寄存器的各位编码打入其中。 (2)8155 状态字格式。状态寄存器为 8 位，各位均可锁存，其中最高位为 任意位，第 6 位用于指定转换接口的状态，另一位用作指示计数器/定时器的状 态之用。通过 c/s 寄存器的操作（即用指令系统的输入指令） ，可读出状态寄存 器的内容。 2.8155 计数器/定时器工作原理 8155

55、 的定时器是一个 14 位的减法计数器，它能对输入定时器的脉冲进行 计数，在达到最后计数值时，有一个矩形波或脉冲输出。 为了对定时器进行程序控制，首先装入计数长度。由于计数长度为 14 位， 因 每次装入长度只能是 8 位，所以必须分两次装入。装入计数长度寄存器的值为 2h3ffh。而第 14、15 位用来规定定时器的输出方式。 2568 静态 ram a b c 计 时 器 pa0-pa7 pb0-pb7 pc0-pc5 mio/ ce rd wr timerout timerin rest ale ad0-ad7 应该注意，硬件复位信号的到达，会使 8155 计数器停止计数，只有 c/s

56、寄 存器发出启动定时器命令为止。 单片机可以和 8155 直接连接，不需要任何外加电路，对系统增加 256 个字 节的 ram、22 位 i/o 线及一个计数器。在同时需要扩展 ram 和 i/o 口及计数器 的单片机应用系统中选用 8155 时特别经济的。8155i/o 口可以外接打印机、 a/d、d/a、键盘等控制信号的输入输出。8155 的定时器可以作为分频器或定时 器。 2.52.5 ledled 显示电路的设计显示电路的设计 单片机应用系统中，显示器是最常用的输出设备。特别是 led（发光二极 管显示器）和 lcd（液晶显示器） 。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片 机接口方便。

57、本设计采用的是 led 显示电路。 2.5.12.5.1 ledled 显示器结构与原理显示器结构与原理 led 显示块是单片机应用产品中常用的廉价输出设备。它是由发光二极管 显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段 led 数码管。当 发光二极管导通时，相应的一个点或一段发光，控制不同组合的二极管导通， 就能显示出各种字符。这种显示块有共阴和共阳两种接法，如图 2-11 所示。共 阴极 led 显示块的发光二极管阴极共地，如图中（a）所示当某个发光二极管的 阳极为高电平时，发光二极管点亮。共阳极 led 显示快的发光二极管阳极并接， 如图中（b）所示。7 段发光二极管再加上一个

58、小数点位，共计 8 段。 七段显示块与单片机接口非常容易。只要将一个 8 位并行输出口与显示快 的发 光二极管引脚相连即可。8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的 数字或字符。通常将控制发光二极管的 8 位字节数据称为段选码。共阳极与共 阴极的段选码互为补偿。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:21-jun-2005sheet of file:c:documents and settingslenovodatu3.ddbdrawn by: a b c d e f g dp a b c d e f

59、 g dp vcc 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:21-jun-2005sheet of file:c:documents and settingslenovodatu3.ddbdrawn by: a bf c g d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds? dpy_7-seg_dp （a） (b) (c) （a）共阴极 （b）共阳极 （c）管脚配置 图 2-11 七段 led 显示器 2.5.22.5.2 ledled 显示器与显示方式显示器与显示

60、方式 在单片机应用系统中使用 led 显示块构成 n 位 led 显示器。n 位 led 显示 器有 n8 根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段 选线控制字符选择，位选线控制显示位的亮、暗。led 显示器有静态显示和动 态显示两中方式。 1.led 静态显示方式 led 显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极连接在一起接地或 +5v；每位的段选线（adp）与一个 8 位并行口相连。如图 2-12 所示该图表示 了一个四位静 led 显示电路。该电路每一位可独立显示，只要在该位的段选线 上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于每一位由一个 8 位输 出口控制