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IC卡智能水表设计--本科毕业设计(论文).docx
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1、天 津 大 学 网 络 教 育 学 院本科毕业设计(论文)题目:IC卡智能水表设计摘 要本文主要以智能IC卡水表系统为研究对象,研究了基于单片机的智能水表的设计。首先提出射频IC智能水表系统的设计方案; 其次对系统硬件电路结构进行了设计; 再次介绍了系统软件设计原则以及控制流程。该智能水表以低功耗、低电压、高性能的8 位单片机AT89C51为核心,以防干扰性能极高的双干簧管为流量传感器,另外本设计还有可显示状态字的LED 显示屏以及报警模块,剩余水量到报警值或为零时,门阀驱动电路运作,自动关阀中断供水。采用射频读写芯片,当IC 卡贴近感应区时,通过读卡芯片读入所购水量并和水表内剩余水量累加,并
2、写入射频卡水表内存储器。本设计可以改善传统水表功能单一的缺点,测量精度更高,功能更强,可靠性更好。关键词:智能水表; 射频IC卡; AT89C51; 目 录第一章绪论1第二章系统分析及设计方案22.1系统设计技术指标22.2系统主要硬件2第三章 硬件设计33.1AT89C51单片机的介绍33.1.1中断系统83.2流量传感器93.3阀门驱动电路103.4读写模块113.5通信模块133.6电路显示153.7报警电路153.8电源电路16第四章 软件设计174.1设计思路174.2主流程图184.3 protues仿真19参考文献21附 录22致 谢28天津大学网络教育学院本科毕业设计(论文)第
3、一章 绪论水资源短缺现象日益严重,加强用水科学管理是当前首要任务。长期以来,我国城镇居民都是先用水后交费,采用人工抄表、按户收费的方式。传统水表主要结构由硬件构成,以相对固定形式确定下来,所实现的功能较单一。因此研制一种低功耗、计量精确方便的智能水表显得极为重要。随着科学技术的发展,智能IC卡水表渐渐走入了人们的生活。1997年第一个代码预付水表产生了;1998年射频卡水表研究成功;1999年新一代的接触式IC卡水表(采用逻辑加密卡)及CPU卡水表研制成功:2000年TM卡水表产生了;2001年具有防水功能的接触式IC卡水表研制生产。20世纪90年代初期,中国各地对水表计量精度等级达到A级就满
4、足了,而美国普遍要求相当于国际标准的C级。近年来世界性共同倾向对水表的质量要求提高,向工业发达国家靠近,如乌拉圭国家要求速度式C级计量精度等级,澳大利亚要求D级。中国市场上,速度式水表从B级到C级,容积式从C级到D级,纯净水用户指定要求D级水表。我国的传统水表必须进行改进才能适应社会和经济的发展。测量精度高、功能强、可靠性好,智能化,小型化、使用灵活方便成为研究本课题的重要方向。1 2 3本文以智能IC卡水表系统为研究对象,首先提出射频IC智能水表系统的设计方案; 其次对系统硬件电路结构进行了设计; 再次介绍了系统软件设计原则以及控制流程。该智能水表以美国ATMEL 公司生产的一种低功耗、低电
5、压、高性能的8 位单片机AT89C51为核心,以双干簧管为流量传感器,另外本设计还有可显示状态字的LED 显示屏以及报警模块,剩余水量到报警值或为零时,门阀驱动电路运作,自动关阀中断供水。采用射频读写芯片,当IC 卡贴近感应区时,通过读卡芯片读入所购水量并和水表内剩余水量累加,并写入射频卡水表内存储器。21第二章 系统分析及设计方案本文以智能IC卡水表系统为研究对象,研究了基于单片机的智能水表的设计。了解智能IC水表系统的工艺过程,对被控对象进行整体分析,设计整体系统方案;根据智能IC水表系统的特点,完成系统的硬件设计;在硬件设计基础上,完成系统软件部分的设计,包括主程序、初值设定子程序、LE
6、D 显示子程序等。2.1系统设计技术指标(1) 实现智能水表精确测量,达到 1 级精度要求的方法。此处涉及到水量计量芯片的选择、CPU 的选择、软件算法的构架、PCB 布局等影响测量精度因素的研究。 (2)实现水表智能化管理的具体方法。涉及到的研究内容有:数据存储的方法、系统通过 RS485 与上位机通信实现方法、系统通过红外与其他设备通讯的实现方法。 (3)实现系统供电电源的方法。此处涉及到交流电源转直流稳压电源的研究。2.2系统主要硬件单片机的最小系统、流量传感器、显示电路、电源模块、报警电路、门阀驱动电路、读写模块等,系统的结构如图2-1所示。 AT89C51单片机报警电路显示电路电源模
7、块读写模块流量传感器门阀驱动通信模块图2-1第三章 硬件设计单片机的最小系统、流量传感器、显示电路、电源模块、报警电路、门阀驱动电路、读写模块等。3.1AT89C51单片机的介绍AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器,俗称单片机而在众多的51系列单片机中,要算ATMEL公司的AT89C51更实用,也是一种高效微控制器,因为它不但和8051指令、管脚完全兼容,而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种工艺的存储器,用户可以用电的方
8、式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。AT89C51提供以下标准功能:4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM,32 个I/O 口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51是一种CMOS八位微处理器,而且在其片种能重复写入/擦除
9、1000次,数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容,可完全代替MCS-51系列单片机,而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。只要程序长度小于4k,四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且写入时间仅10毫秒,仅为8751/87C5的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。AT89C51芯片提供三级程序存储器锁定加密,提供了方便而可靠的硬加密手段,能完全保
10、证程序或系统不被仿制。AT89C51有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的,当外围器件仍然处于工作状态时,CPU可根据工作情况适时地进入睡眠态,内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限,振荡器停止振时,CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变,直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围且在振荡器稳定振荡后,通过硬件复位、掉电模式可终止。图3-1AT89C51有40引脚双列直插(DIP)形式。其与80C51引脚结构基本相同,其逻辑引脚图如图3-1。其引脚功能叙述如下:电源和晶
11、振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出,输入到内部时钟发生器。(当使用外部振荡器时,XTAL1接地,XTAL2接收振荡器信号)RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输
12、出可在SFR8EH地址上置0。此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。I/O(4个口,32根)P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器(ROM、RAM)时,作地址和数据分时复用。在程序校验期间,输出指令字节(需加外部上拉电路)。P0口8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻。P1口8位双向I/O口,P1口缓冲
13、器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。P2口8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2
14、口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。串行口P3.0RXD(串行输入口),输入。P3.1TXD(串行输出口),输出。中断P3.2INT0外部中断0,输入。P3.3INT1外部中断1,输入。定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入,输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入,输入。数据存储器选通P3.6WR低电平有效,输出,片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效
15、,输出,片外存储器读选通。控制线(共4根)输入:RST复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号,低电平有效。在编程时,其上施加21V的编程电压。输入、输出:ALE/PROG地址锁存允许信号,输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出,可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间,作输入,输入编程脉冲(PROG)。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频
16、率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。输出:PSEN片外程序存储器选通信号,低电平有效。在从片外程序存储器取址期间,在每个机器周期中,当PSEN有效时,程序存储器的内容被送上P0口(数据总线)。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。2.1.3AT89C51系列单片机的功能单元1并行I/O接口:单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。51系列共有4个8位的并行I/O口,分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器,一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上,它们已被归入专用寄存器之列,并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时,低八位地址和数据由P0口分时传送,高八
17、位地址由P2口传送。定时器/计数器 定时器/计数器(timer/counter)是单片机中的重要部件,其工作方式灵活、编程简单,使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。C51系列包含有两个16位的可编程定时器/计数器,分别称为定时器/计数器T0和定时器/计数器T1;C51部分产品中,还包含有一个用做看门狗的8位定时器。定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器,基本功能是加1功能。在单片机的定时器T0或T1中,当一个定时器发生由0到1的跳变时,计数器增1,即为计数功能;在单片机内部对机器周期或其分频进行计数,得到定时,这就是定时功能。单片机中,定时功能和计数功能的设定和控制都是通
18、过软件来进行的。定时器/计数器内部结构及其原理:由定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器 TCON组成。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关,因为 C51系列单片机的一个机器周期由12个振荡脉冲组成,所以,计数频率fc=fosc/12。当定时器/计数器设置为定时工作方式时,计数器对内部机器周期计数,每过一个机器周期,计数器加1,直至计满溢出。当定时器/计数器设置为计数工作方式时,计数器对来自输入引脚T0(P3.4)和T1(P3.5)的外部信号计数,外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平,若前一个机器周期采样值为1,后一个机器周期采样
19、值为0,则计数器加1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生1到0的负跳变后,于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中的,可见,检测一个由1到0的负跳变需要两个机器周期,所以最高检测频率为振荡频率的1/24。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制,但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。振荡器XTAL1和 XTAL2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。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。当输入至内部时钟信号时要通过一个二分频触发器,而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。芯
20、片擦除整个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管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中,代码阵列全被写“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。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。4 5 63.1.1中断系统中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断
21、系统大大提高了系统的效率。C51系统有关中断的寄存器有4个,分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP;中断源有5个,分别为外部中断0请求 INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求 TF1和串行中断请求R1或T1。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器 IP和顺序查询逻辑电路共同决定,5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。中断的特点是分时操作,实时处理和故障处理。简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片AT89C51的中断系统中要用到的中断类型。外部中断源AT89C51有INT0和INT1两条外部中断请求
22、输入线,用于输入两个外部中断源的中断请求信号,并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请求信号。AT89C51究竟工作于哪种中断触发方式,可由用户对定时器控制寄存器TCON中 IT0和IT1位状态的设定来选取。AT89C51在每个机器周期的S5P2时对INT0、线上中断请求信号进行一次检测,检测方式和中断触发方式的选取有关。若 AT89C51设定为电平触发方式(IT0=0 或IT1=0),则CPU检测到INT0、INT1上低电平时就可认定其上中断请求有效;若设定为边沿触发方式(IT0=1 或IT1=1),则CPU需要两次检测INT0、INT1线上电平方能确定其上中断请求是否有
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