基于RFID的停车场计时计费系统设计

第二章系统硬件方案选择本章节着重介绍系统设计中所涉及到的硬件器件的对比与选择，通过综合的对比后选出本设计最合适的一种方案。2.1硬件方案的选择在硬件电路的搭建之前必须明确将要采用的设计方案，通过比较各个模块的原理、性能等，选择出最适合本设计的硬件模块，进而发挥器件的最大功效。2.1.1主控芯片的选择方案一：选用STC89C52单片机，使其作为本系统的主控芯片。该芯片是STC公司推出的一款具有低功耗、高性能特点的8位的CMOS微处理器，采用片上8K内存闪存进行编程，STC89C52单片机虽然是51单片机的升级换代芯片，但在核心上还是MCS-51内核，且在指令上与MCS-51完全兼容。STC89C52单片机与传统51单片机相比具有很大的优势，因为STC89C52单片机做了许多升级，增加了许多51单片机不具备的功能，比如该单片机自带的4k的EEPROM存储空间，在需要使用到掉电存储数据的时候就可以直接使用单片机内部的存储，不在需要在外接存储芯片进行存储。STC89C52单片机具有的开发简单、可在线编程下载、成本低是非常不错的选择。方案二：选用MSP430单片机，使其作为系统的主控芯片。美国德州仪器于20世纪90年代向市场推出了一款内部集成了具有不同功能的数字电路、模拟电路和微处理器的16位的混合信号处理器——MSP430系列微控制器，该芯片有两个优点，一是功耗超低，很节能，二是指令集很是精简，为编程控制带来了诸多便利。因此，在一些用电池进行供电的便携式仪器中MSP430单片机被广泛应用。MSP430不一定适用于许多特定应用，而且MAP430开发难度比较大、价格昂贵，相对于本设计来说对速度要求也不是很高，选择成本低，开发资源丰富，位寻址方便、快捷的单片机更为合适。方案三：选用PIC16F877A单片机，使其作为系统的主控芯片。Microchip公司曾开发了一款内部带有14位RISC指令系统的8位PICmicro芯片——PIC16F877A微控制器。而且正在其芯片的内部，集成了许多功能电路，如模拟/数字转换器、带电可擦可编程只读存储器、模拟比较器、带比较和捕捉功能的定时器／计数器、脉冲宽度调制输出，异步串行通信电路等，该单片机具有Flash程序内存功能，可反复擦写程序。但是开发成本高，难度相对大。综合上述的对比，考虑到资源的合理利用和成本以及开发的难易程度最终决定采用宏晶科技公司的STC89C52单片机作为主控芯片。2.1.2RFID卡的选择与论证就目前市面上较流行的各种磁卡、IC卡等，我们经常在银行和超市购物中使用条码、磁卡，在以前的公用电话中接触式IC卡使用频率比较高。由于接触式IC卡的芯片是外露的，所以在使用过程中易断裂，而非接触式IC卡的芯片和线圈被封装于卡片内部，对芯片保护性高，不易因水等液体损坏，在当今颇受欢迎，可靠性高。在这些卡片进行了一番的对比之后选在了目前流行最广，可靠性高，成本低的非接触式S50型的射频卡。2.1.3显示器件的选择方案一：选用LED数码管进行动态扫描显示。LED数码管的价格相对实惠，更适合显示数字和简单的字符。然而，如果我们使用动态扫描方法与单片机进行连接时会遇到一个比较棘手的问题，那就是会占用一定数量的CPU的I/O端口，而且单片机的I/O端口的输出电流不足以驱动数码管的显示工作，因此数码管就需要一个驱动电路放大电流，对数码管进行控制保证其正常工作。而且当使用数码管进行显示进行动态显示时，显示内容增加，电路焊接难度会增加。方案二：选用LCD1602液晶显示屏，作为系统显示器。LCD1602液晶可以同时显示两行包括字母、符号、数字或者自定义字符在内的32个字符。LCD1602液晶显示器中的每一个字符都是由5×7的点阵组成。它既可以采用并行数据传输也可以采用串行数据传输，体积小、功耗低，控制简单，但显示内容较少。方案三：选用LCD12864液晶显示屏。LCD12864带有一个中文字体库。在分辨率方面，LCD12864的显示分辨率是128×64的，在显示内容方面，它的中文字库内有16×16的点阵汉字8192个，16×8点的ASCII字符集128个。该显示器界面显示的灵活性，操作指令的简便性，既可完成中英显示，也可实现图形显示，这些特性为其构成友好的人机中英文和图形界面提供了条件。而且LCD12864显示屏工作时需要的电压更低，耗能更低，在硬件电路设计上更加紧凑，在显示程序上也更加简洁，这是其他同类型的点阵液晶显示器所不能比拟的。综合上述的描述，由于本设计显示内容比较大，所以最终选用LCD12864液晶显示。2.1.4时钟器件的选择方案一：选用单片机内部定时计数器实现式中。单片机内部的定时器进行计时的话如果在系统断电的情况下数据就会被清0而不能够继续的进行计时，而却定时器进行的计时精度有限，在短时间内精度还行，如果时间长了误差累计的越来越多时间也就偏差多了。虽然采用该方法可以节省电路的搭建也节省了成本，但是不能在系统掉电的情况下也正常的工作。方案二：选用DS1302时钟芯片实现时钟，DS1302是一终具有高性能，功耗低优点的实时时钟电路，自带RAM。由DALLAS公司推出以来，由于DS1302自身可以计算年，月，日，周，小时，分，秒，且能够进行闰年补偿，在2.5V—5.5V的电压下就进行工作等特点就被广泛应用于一些系统设计的时钟电路。综合上述的描述，由于设计要求稳定性准确性较高，最终决定采用DS130时钟芯片实现系统时钟。2.1.5数据存储芯片的选择方案一：通过使用单片机内部的EEPROM进行存储数据。STC89C52芯片内部自带了一个EEPROM，大小为4k，通过ISP/IAP技术对内部闪存进行读写以实现EEPROM，地址从2000H到2FFFH。在写入字节之前，必须将字节所在扇区的其他有效数据读入RAM以进行临时存储，并在将数据进行临时存储后将整个扇区的512字节的数据擦除，此时，扇区中的每一个地址的数据将由原来的数值全部都变为0XFF，对于需要写入EEPROM中的N个字节利用字节写入功能进行写入，通过字节写入功能将临时存储在RAM中的另外一些有用的EEPROM值写回EEPROM。方案二：选用专门的数据存储芯片AT24C02进行数据的存储。AT24C02是一种可在线读写的EEPROM芯片。它属于非易失性存储器，即断电后信息能够继续保存40年，读写次数可达10万次，在系统设计中通常用来保存系统产生的数据。AT24C02采用2K位串行CMOSEEPROM，内部含有256个8位字节。该器件允许两种写入方式，单个字节写入和页写入。综合考虑单片机内部EEPROM在存储数据时操作显得有点麻烦。最终决定采用AT24C02存储芯片来存储数据。2.1.6报警模块的选择方案一：选用有源蜂鸣器。有源蜂鸣器是广泛用于电子设备的一体化电子发声器，它由DC驱动并用作声音设备。适合其工作的信号是DC，通常标记为VDC，VDD等。它具有内部振动和驱动电路，可将恒定的直流电转换为特定频率的脉冲信号。有源蜂鸣器易于使用，但频率固定且具有单音。方案二：选用无源蜂鸣器。无源蜂鸣器在国标中通常被叫做声响器，在一些公司的生产应用中也被叫做讯响器，由于器件内部没有驱动其发声的振荡源，直流信号无法发出声音，必须由2k-5k方波驱动。无源蜂鸣器价格便宜，可以控制声音的频率。综合上述的描述，由于本设计对报警声音要求不高，所以最终选取的是操作方便，信号输入固定的有源蜂鸣器。2.2系统总体方案通过上述对各个模块介绍，本设计最终选择了STC89C52作为本设计的主控芯片，通过LCD12864进行实时显示人机交互信息，通过RC522读卡器进行读取卡信息进行停车，DS1302时钟芯片获取当前的日期、时间信息，并设立三个独立按键作为输入器件进入校准时间和设置收费标准。本设计的具体的系统方案如下图2.1所示。图2.1系统的总体设计方案第三章系统硬件电路设计本章节主要介绍本设计中各个部分电路的设计原理。通过各个模块的功能描述了解其工作原理以及在设计的中作用。3.1STC89C52单片机系统设计3.1.1STC89C52的概述STC89C52单片机是一款8位的CMOS微控制器，具有耗电低，性能优等优点，其包括两个数据存储器：片上程序存储器和随机存取数据存储器。在操作指令的构成上，兼容于MCS-51单片机；在引脚的构成上，又兼容于8052系列单片机。STC89C52单片机内部各功能器件如表3-1所示。表3-1STC89C52内部功能器件功能器件数量外部引脚40外部输入/输出（I/O）32外部中断端口2可编程的16位定时计数器16全双工的串行通信端口2读写端口2此外，通用微处理器和闪存的组合，尤其是通用微处理器和可重写闪存，使得开发成本非常低。3.1.2STC89C52单片机的最小系统单片机最小系统说的通熟易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统，接下来开始介绍51单片机最小系统必备的器件及其作用。（1）电源：这对于一个电子产品的话是必不可少，它提供能源给系统运作，在本设计中由于51单片机的工作电压在4.5~5.5V之间都可以正常工作所以我们采用了USB电源线连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。（2）晶振电路：XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，可以配置为使用带石英晶体的片上振荡器，或者器件由外部时钟直接驱动。在图3.1中，使用内部时钟模式，即内部振荡器可以通过使用内部振荡电路外部连接XTAL1和XTAL2引脚上的定时元件（石英晶体和两个电容）来产生自振荡。通常情况下晶体振荡器可以在1.2至12MHz的范围内选择，最高可达24MHz甚至更高，但随着频率增高，功耗也随之增大，本设计中使用的12M石英晶振。两个电容与晶体振荡器并联的大小对振荡频率影响很小，可用于频率微调。使用石英晶体振荡器时，可选择电容器20到40pF之间（此设计为30pF）;当使用陶瓷谐振器装置时，电容器应适当增加在30和50pF之间。通常选择30pF陶瓷电容器。图3.1晶振电路（3）复位电路：复位电路分为：上电自动复位和开关复位。图3.2所示的复位电路包括了这两种复位模式。当电源接通时，电容两端的电压不会迅速变化，此时，电容的负极连接到RESET，电压施加到电阻器，RESET输入高电平，芯片复位。然后加一个5V电源给电容充电，随着电阻两端的电压渐渐减小，直到几乎为0，芯片工作正常。复位按钮在电容器的两端并联连接，如果没有按下复位按钮，则实现上电复位，芯片正常工作后，可通过按下复位按键使REST引脚为高电平，实现开关复位。通常，只要RST引脚保持高电平至少10ms，单片机就能实现有效地复位。图3.2复位电路将晶振电路和复位电路连接到STC89C52的外围就构成了STC89C52单片机的最小系统，完整的STC89C52单片机的最小系统电路图如图3.3所示[1]。 图3.3STC89C52单片机最小系统3.2射频识别（RFID）的设计射频识别技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合（电感或电磁耦合）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的[2]。3.2.1RFID卡上个世纪90年代RFID技术兴起，非接触IC卡（RFID卡）也随之出现在人们的视野中，RFID卡的成功之处是它将RFID技术和传统的IC卡技术进行了完美的融合，在正常IC卡大小薄厚的卡片内部，内置了MCU的集成电路芯片和进行射频通信的天线。在卡片识别方式上用的兆段和磁感应技术，写器与卡片之间的信息通过半双工通信方式读写，同时，RFID卡具有高可靠性、强抗干扰性、应用范围广、使用方便等一系列优点。本设计采用的是飞利浦公司的MF1S50射频卡（Mifare1卡），其优秀的特性及RFID读写器的各种性能由其MF1S50系列核心模块决定。Mifare1卡内部嵌有高速的微控制器对数据传输等工作进行控制，IC微晶片，一副效率极高天线保证与读写器之间的识别工作能够高效率的进行。Mifare1卡内部没有电源，工作能量由读写器天线发送的无线电载波信号耦合到卡片上天线之后而产生的电能提供[3]。RFID卡的结构如图3.4所示图3.4RFID卡的结构3.2.2MF-RC522读写卡模块飞利浦公司曾生产过一款用于射频识别的Mifare非接触式读写芯——MF-RC522，该芯片的工作频率是13.56MHz。其内部发射器可以传输无线电载波信号，以驱动最大距离可达10cm的非接触式天线。MF-RC522支持ISO14443A和IEC14443A标准协议，可以应用于使用以上标准的多种场合。MF-RC522支持与SPI/ICC、串行UART等类型的微控制器直接相连，能够对环冗余校验码校验，还支持奇偶校验。对于数据的并串行的转换，是通过MF-RC522的数据处理进行处理的。微控制器向MF-RC522发送工作指令，芯片根据通信协议启动天线并向附近一定范围内发射13.56MHz的调制信号，当寻卡信号范围内的Mifare卡通过天线耦合接收后，对信号进行波形转换、整流滤波和电压调节、稳压等，卡片内的其它电路工作的电压是由处理后的信号激励卡片内部的LC谐振电路，使其产生共振，卡片内部的电压泵不断为其另一端的电容充电，使其两端的电压积攒可以驱动卡片内的电路。同时，数据信号发出指令对卡片进行数据的修改、存储等工作。MF-RC522为32引脚的VQFN封装，其引脚图如图3.5所示，各引脚分类及其功能如表3-2所示。图3.5MF-RC522引脚图表3-2MF-RC522引脚及其功能（1）电源引脚TVDD，TVSS为天线驱动提供电源DVDD，DVSS为数字部分提供电源AVDD，AVSS为模拟部分提供电源PVDD，PVSS管引电源VMID为天线部分提供内部参考电压（2）天线引脚TX1，TX2通过TX1，TX2向天仙输送13.56MHz的能量载波RX接收天仙耦合后的输入载波（3）晶振引脚OSCIN，OSCOUTRC522的13.56MHz晶振的输入、输出（4）复位引脚RSTDP引脚处于高电平时，RC522不工作，处于低电平时，RC522正常工作，当出现由高电平向低电平的跳变时，RC522复位。（5）信号接口SIGIN，SIGOUT信号输入、输出接口SDA串行数据线EA外部地址，用来编码IIC地址IICIIC使能IRQ中断请求，输出用来指示一个中断事件D0-D78位的双向数据总线AUX1，AUX2辅助输出3.2.3读写模块天线的设计射频识别模块通过电感耦合实现信号的传递，其天线在设计中必须保证有一个比较强的电磁场，可以产生交变磁通量向Mifare1卡提供能量保证卡片与读写卡模块之间的信息传递。因此，天线在设计上需满足以下几个要求：（1）为使磁通量达到峰值，使其有足够大电流流过天线线圈。（2）要有够用的带宽，尽可能地保证无失真地传送载波信号。（3）功率匹配，使交变磁通量产生的能量得到最大程度的利用。天线的LC谐振电路的输入阻抗是输入信号的电压与电流之比，输入阻抗包括电感部件和电抗部件，并且在设计时必须减小电抗部件对天线的干扰。尽量做到零电抗，即纯阻性，使电路实现谐振，其频率计算公式为：f=1L、C分别分别为天线的等效电感和等效电容。品质因数作为天线设计中的一个十分重要的参数，他能够对卡片与读写器之间的功率传输产生很大的影响，因为Q值越大通过天线线圈的电流强度越大。同时，天线的传输带宽B与品质因数Q成反比，所以，Q值如果设定过高，传输带宽将会变小，这将会导致Mifare1卡对调制带宽的接收能力减弱。品质因数Q的计算公式为：Q=2πfLcoil式中的Lcoil是天线的尺寸，Rcoil是天线的半径[4]。因此，计算天线的带宽B为：B=fQ通常情况下，最佳Q值为10—30，如果超过60，卡片对复位响应的识别会不准确。3.3.4MF-RC522整体电路与单片机接口电路在本设计中采用RC522模块通过SPI接口通讯方式，在该通讯方式下快速传输输了高达1228.8Kbit/s，高速模式下速率可达3400Kbit/s。MF-RC522整体电路及与单片机的连接电路图如下3.6所示。图3.6RC522电路、与单片机接口电路图3.3LCD12864液晶显示电路设计3.3.1LCD12864的概述LCD12864显示屏的汉字库内有8192个汉字，还有128个字符，可显示中英文和图形，采用直流电压驱动，工作电压为3.3.V到5V，可以同时显示128×64位的内容。LCD12864原理图如图3.7示。图3.7LCD12864原理图3.3.2LCD12864的工作原理LCD12864显示屏的各管脚及其功能如表3-3所示。表3-3LCD12864的各引脚及功能管脚号管脚名称电平管脚功能描述1-地VSS0V电源地2-+5VVCC3.0-+5V电源正3-中V0-对比度（亮度）调整（可接VCC）4-单1RS(CS)H/LRS=“H”，表示DB7——DBO为显示数据RS=“L”，表示DB7——DB0为显示指令数据5-单2R/W(SID)H/LR/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7—DB0R/W=“L”，E=“H一L”，DB7——DBO的数据被写到IR或DR6-单3E(SCLK)H/L使能信号7-单39DB0H/L三态数据线8-单38DB1H/L三态数据线9-单37DB2H/L三态数据线10-单36DB3H/L三态数据线11-单35DB4H/L三态数据线12-单34DB5H/L三态数据线13-单33DB6H/L三态数据线14-单32DB7H/L三态数据线15-单4PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16空NC-空脚17空/RESTH/L复位端，低电平有效18空VOUT-LCD驱动电压输出端19-+5VAVDD背光源正端（+5V）20-地KVSS背光源负端LCD12864操作时序图如图3.8示。图3.8LCD12864操作时序图3.4DS1302时钟电路设计3.4.1DS1302的概述DS1302是一款有很高性能且耗能较低的时钟芯片，由DALLS公司推出，可以完成从秒级到年级的计时，对于闰年也能计时。其工作电压为2.5V-5.5V，双电源供电，分为主电源和备用电源，而且具有给后备电源进行涓流充电的功能。DS1302广泛应用于测量系统，因为它用于记录数据，尤其是记录具有特殊含义的数据点。DS1302时钟芯片实物图如图3.9示。图3.9DS1302时钟芯片实物图3.4.2DS1302的工作原理在主电源Vcc2关闭的情况下，后备电源Vcc1也能为芯片供电，保证系统时钟功能的正常运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电，当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电，X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振[5]。复位片选线RST的所处高低电平将影响数据的传送，RST置于高电平时，数据的传送将被初始化，此时允许对DS1302进行操作，当RST置于低电平时，数据传送将被停止。DS1302读/写操作时序如图3.10示图3.10S1302读/写操作时序对于和日历和时钟有关的数据，都存在DS1302内部专门的寄存器中，DS1302内部总共有12个寄存器，其中7个用来存储这些BCD码形式的数据。日历、时间寄存器及其控制字见表3-4。表3-41302的日历、时间寄存器写寄存器读寄存器Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit080H81HCH10秒秒82H83H10分分84H85H12/24010时时AM/PM86H87H0010日日88H89H00010月月8AH8BH00000星期8CH8DH10年年8EH8FHWP0000000本设计中在RST端口,I/O端口和SCLK端口分别接入了10K的上拉电阻，这是由DS1302的数据通讯方式和STC89C52单片机的引脚特性决定的，DS1302数据引脚是双向通信，单片机的弱上拉将不足以翻转电平可能导致通信不成功。DS1302具体的电路图如图3.12示。图3.12DS1302电路图3.5AT24C02的介绍3.5.1AT24C02的概述AT24C02是一个串行的COMSEEPROM，有2K的存储大小，其先进的CMOS技术实际上大大降低了器件的功耗。该芯片具有8字节的页写缓冲器，还具有特殊的写保护功能。AT24C02通过IIC总线接口来进行操作。AT24C02芯片实物图如图3.13所示。图3.13AT24C02芯片实物图3.5.2AT24C02的工作原理AT24C02的存储容量为2Kb，内容分成32页，每页8B，共256B，操作时有两种寻址方式:芯片寻址和片内子地址寻址[6]。（1）芯片寻址：AT24C02的芯片地址为1010，其地址控制字格式为1010、A2、A1、A0、R/W。其中A2，A1，A0可编程地址选择位。R/W是芯片读/写控制位。（2）片内子地址寻址：芯片寻址可对内部256B中的任一个进行读/写操作，其寻址范围为00~FF，共256个寻址单位[7]。AT24C02读/写操作时序图如图3.14所示。图3.14AT24C02读/写时序图在本设计中，仅使用一个AT24C02芯片，因此三个引脚A0，A1和A2直接连接到GND，WP写保护引脚通常连接到GND，便于读/写操作。并且SDA和SCL分别连接到单片机的两个引脚。具体的电路图如图3.15所示。图3.15AT24C02电路图3.6蜂鸣器电路的设计蜂鸣器选用5V电磁式有源蜂鸣器，单片机的I/O口提供的电压不足以驱动蜂鸣器发声，所以要利用三极管开关电路来驱动，本处采用的PNP型的8550三极管，当基极与1K电阻串联与的I/O端口连接。当I/O端口输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器响起。当I/O端口输出高电平时，三极管关闭，蜂鸣器不响。蜂鸣器电路如下3.16所示。图3.16蜂鸣器电路3.7独立按键电路的设计本设计中设置有按键电路，通过几个独立按键进行人机交互。按键通过一点连接单片机的I/O口一端连接电源地。这样设计是因为单片机的I/O在悬空没有作为输出的情况下是默认高电平的，在按键没有按下则相当于该I/O处于悬空状态。当按下后I/O口的电平就会被拉低，这样单片机只需要进行循环的检测I/O口是否有出现低电平就可以判断是否有按键按下，当然这种按键是金属解除的方式所以会有抖动纹波的情况，所以在程序中需要适当的加上短暂的延时消抖。具体电路如图3.17所示。图3.17独立按键电路三个按键的功能分别为：第一个按键：进入/退出设置。第二个按键：设置时，对应参数加1。第三个按键：设置时，对应参数减1。3.8系统硬件测试系统硬件电路的测试主要是检测电路是否出现漏焊、短路、断路、虚焊、一些具有方向的元件是否方向弄错、电路设计错误等情况[8]。对于漏焊、元件方向弄错，检测方法是将实物电路板对照着PCB图的线路，检查每一个元件和导线在实物上是否有出现。如果发现没有或者对不上的情况下需及时的重新对照确定漏焊时及时的补焊[9]。对于短路、断路、虚焊这些情况采用数字万用表。将数字万用表打到二极管档位，然后通过红表笔和黑表笔碰一起，万用表会发出鸣叫警示。根据这个原理就可以用来检测短路、断路、虚焊。在需要检测的元件或导线的两端用两根表笔检测，如果导通蜂鸣器会鸣叫，如果断开蜂鸣器不叫。根据我们所需要检测的情况，与检测到的现象结合比对，就能检测出线路是否存在问题。第四章系统软件设计4.1软件开发环境的介绍本文所需要的程序语言是C语言，该语言是要在KeilμVision4平台是进行编程从而完成是实现的。Keil是目前MCS-51单片机较常使用的一种编程软件。Keil软件中包含了C编译器、宏汇编、连接器、库管理和软件仿真的试验器。它包含了一整套完整的开发时需要用到的一切。Keil是根据一个集成开发环境从而把其中的各个部分结合一起使用。C语言相比汇编而言，在结构、功能、结构等功能上都更加优异，并且十分适合初学者使用，Keil软件需要在WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统下运行，不论使用哪种编程语言，keil以其简便的操作和强大的软件仿真功能都使他无疑都是最好的选择。