单片机的IC卡智能水表控制系统的设计
【 key words 】： SCM; IC Card ; Liquid crystal display; Smart meter目录
引言 1
一、智能水表方案设计 2
（一）单片机的方案选择 2
（二）IC卡读写模块的选择 2
（三）显示模块的选择 2
1.LED显示屏 3
2.LCD显示屏 3
（四）电源电路的选择 3
1.开关电源 4
2.线性稳压电源 4
（五）IC卡智能水表系统方案 4
二、系统各模块硬件电路设计 5
（一）单片机电路设计 5
（二）IC卡读写电路设计 7
（四）电源电路设计 9
（五）电磁阀控制电路设计 9
（六）脉冲提取电路设计 9
（七）报警电路设计 10
三、系统软件设计 11
（一）软件设计思路 11
（二）各控制程序的设计 11
1.主程序设计 11
2.IC卡读写程序设计 13
四、系统调试 15
（一）硬件调试 15
1.元件清单 15
2.硬件调试步骤 16
（二）软件调试 17
1.开发环境Keil 17
2.程序下载 18
结论 20
附录1：硬件原理图 23
附录2：程序代码 24
引言
传统的自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，之后由用户去收费点缴纳费用。这样的收费方式需要大量人员抄表、费时、费力、效率很低，经常就会出现用户不缴费、迟缴水费 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
等问题。为了彻底的解决这些问题，本设计在研究国内外智能水表发展现状的基础上，设计出了一个基于51单片机的IC卡智能水表控制系统。本水表使用STC89C52为中央控制单元，使用流量传感器检测用水量，运用IC卡读写及加密技术，实现购水与用水量的管理。
本文完成了系统的硬件电路设计和软件的设计。硬件电路采用模块化设计，包括IC卡接口电路、用水量检测电路、电磁阀驱动电路、报警电路、LCD显示电路等，详细介绍了各单元的工作原理；系统软件采用C语言编制，给出了具体的程序流程图。
系统具有插卡智能别、身份验证、掉电保护、自动供停水、水量信息显示、电磁阀门智能开关控制、防干扰、防拆卸等功能。
一、设计（研究）内容：
1. 根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；
2. 根据系统需要，合理选择单片机，分析各类单片机的特性和功能；
3. 对非接触IC卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；
4. 应用LCD显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量；
5. 介绍了流量传感器的应用技术，选择出流量采集的最佳方案；
6．对整个系统的软、硬件进行了仔细的分析，设计相关硬件电路图、软件流程图，编写单片机程序。
二、课题任务具体要求及预期成果：
1. 用水管理功能：当用户插入有效IC卡时，系统将剩余水量与购买水量相加，并且将余额数值存入到芯片以防丢失；当用户开始用水的时后，系统将剩余水量与使用的水量自动相减，并且存入到芯片以防丢失。
3. 显示功能：采用LCD显示，可以查询出用水总量及可用剩余水量。
2. 自动供停水功能：当剩余水量为0时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。
4. 报警功能：当剩余水量减少到一定量时，报警并提示用户购水。
6. 防拆卸功能：当智能水表被强行拆卸时，水表内的防拆卸开关被触发，单片机立即关闭阀门，防止用户恶意偷水。
一、智能水表方案设计
智能水表电路的硬件电路主要由单片机，IC卡读写模块，液晶显示模块，电源模块，电磁阀控制电路，脉冲提取电路和报警电路组成。下面重点讨论主要模块的选型论证：
（一）单片机的方案选择
在嵌入式领域中有多种微处理器可以选择，比如FPGA、DSP、单片机、ARM等，在这些处理器中单片机的价格最低，性能适中。本设计的单片机要求功耗低、成本低、I/O口在16个左右，综合成本、开发的难易程度考虑，选用性价比较高的51单片机，它是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，其代表型号有ATMEL公司的AT89系列等，Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司也有许多兼容的产品，它广泛应用在我们身边的各种智能家电，工业控制器上。
宏晶公司的STC89C52单片机是一款功耗低、性能高的CMOS 8位单片机，他有8K的可编程Flash ROM，与8051单片机的引脚和指令完全兼容，而且有8K字节的闪存，256字节的内存，32位输入输出接口，另外还有看门狗定时器，2个数据指针，3个16位的定时、计数器， 6向量的中断，TTL串口。完全可以满足本设计功能和性能的要求。
（二）IC卡读写模块的选择
IC卡，也称智能卡。它的内部有一个微型芯片嵌入在符合ISO 7816标准的卡基中，有的做成卡片，有的做成钥匙扣的形状。IC卡与读写器之间连接有接触式和非接触式两种。
1.接触式IC卡
接触式IC卡核心是集成电路芯片，是利用先进的集成电路制造技术将一个微芯片集成在卡片内。其开发与制造技术比磁卡复杂得多。IC卡与读写器之间的通讯方式为接触式。主要用于银行的电子钱包，电信的手机SIM卡等。
2.非接触式IC卡
非接触式IC卡又称射频卡，成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。主要用于公交、电信、银行、车场管理等领域。主要的功能包括安全认证，电子钱包，数据储存等。
本设计选用技术较先进的MF522-AN非接触式IC卡读写模块，该芯片是NXP 公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，广泛应用于智能仪表和便携式手持设备研发。
（三）显示模块的选择
常用的单片机显示电路分为LED显示屏和LCD显示屏两大类：
1.LED显示屏
是由7个LED数码管组成，数码管由多个LED封装在一块塑料基板上，像一个“8”字，引线在内部连接，用管脚引出它们的字段和公共电极。这些字段由a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管需要显示的段加上电压，这些特定的段就会发光，然后我们就可以看到需要显示的字样了。例如：需要显示一个“1”字，那么应当是a亮b亮，其它段不亮。LED数码管有不同的尺寸和亮度，另外还有共阳数码管和共阴数码管之分。常用的数码管可以显示的数字和字符是0-9、A-F。
LED数码管可以分为静态式显示和动态式显示两类驱动方式：
静态显示：将数码管的每一个段码都分别与单片机的IO口相连，它的的优点是编程较为简单，显示的亮度较高，缺点就是占用单片机的I/O端口过多，例如驱动3个数码管的话则要3×8=24个I/O口进行驱动，一个51单片机可用的I/O端口才32个呢，所以应用时一般要加译码驱动器来驱动，增加了硬件成本。
引言 1
一、智能水表方案设计 2
（一）单片机的方案选择 2
（二）IC卡读写模块的选择 2
（三）显示模块的选择 2
1.LED显示屏 3
2.LCD显示屏 3
（四）电源电路的选择 3
1.开关电源 4
2.线性稳压电源 4
（五）IC卡智能水表系统方案 4
二、系统各模块硬件电路设计 5
（一）单片机电路设计 5
（二）IC卡读写电路设计 7
（四）电源电路设计 9
（五）电磁阀控制电路设计 9
（六）脉冲提取电路设计 9
（七）报警电路设计 10
三、系统软件设计 11
（一）软件设计思路 11
（二）各控制程序的设计 11
1.主程序设计 11
2.IC卡读写程序设计 13
四、系统调试 15
（一）硬件调试 15
1.元件清单 15
2.硬件调试步骤 16
（二）软件调试 17
1.开发环境Keil 17
2.程序下载 18
结论 20
附录1：硬件原理图 23
附录2：程序代码 24
引言
传统的自来水用户的用水量管理依靠人工抄表，之后由用户去收费点缴纳费用。这样的收费方式需要大量人员抄表、费时、费力、效率很低，经常就会出现用户不缴费、迟缴水费 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
等问题。为了彻底的解决这些问题，本设计在研究国内外智能水表发展现状的基础上，设计出了一个基于51单片机的IC卡智能水表控制系统。本水表使用STC89C52为中央控制单元，使用流量传感器检测用水量，运用IC卡读写及加密技术，实现购水与用水量的管理。
本文完成了系统的硬件电路设计和软件的设计。硬件电路采用模块化设计，包括IC卡接口电路、用水量检测电路、电磁阀驱动电路、报警电路、LCD显示电路等，详细介绍了各单元的工作原理；系统软件采用C语言编制，给出了具体的程序流程图。
系统具有插卡智能别、身份验证、掉电保护、自动供停水、水量信息显示、电磁阀门智能开关控制、防干扰、防拆卸等功能。
一、设计（研究）内容：
1. 根据设计要求，提出几种方案，对它们进行了全面的论证；
2. 根据系统需要，合理选择单片机，分析各类单片机的特性和功能；
3. 对非接触IC卡技术做了简明扼要的分析，并对其软件的读写原理进行了详细的讨论；
4. 应用LCD显示技术，可随时查询累计用水总量、可用水量；
5. 介绍了流量传感器的应用技术，选择出流量采集的最佳方案；
6．对整个系统的软、硬件进行了仔细的分析，设计相关硬件电路图、软件流程图，编写单片机程序。
二、课题任务具体要求及预期成果：
1. 用水管理功能：当用户插入有效IC卡时，系统将剩余水量与购买水量相加，并且将余额数值存入到芯片以防丢失；当用户开始用水的时后，系统将剩余水量与使用的水量自动相减，并且存入到芯片以防丢失。
3. 显示功能：采用LCD显示，可以查询出用水总量及可用剩余水量。
2. 自动供停水功能：当剩余水量为0时，自动关闭阀门；购水后，阀门开启。
4. 报警功能：当剩余水量减少到一定量时，报警并提示用户购水。
6. 防拆卸功能：当智能水表被强行拆卸时，水表内的防拆卸开关被触发，单片机立即关闭阀门，防止用户恶意偷水。
一、智能水表方案设计
智能水表电路的硬件电路主要由单片机，IC卡读写模块，液晶显示模块，电源模块，电磁阀控制电路，脉冲提取电路和报警电路组成。下面重点讨论主要模块的选型论证：
（一）单片机的方案选择
在嵌入式领域中有多种微处理器可以选择，比如FPGA、DSP、单片机、ARM等，在这些处理器中单片机的价格最低，性能适中。本设计的单片机要求功耗低、成本低、I/O口在16个左右，综合成本、开发的难易程度考虑，选用性价比较高的51单片机，它是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，其代表型号有ATMEL公司的AT89系列等，Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司也有许多兼容的产品，它广泛应用在我们身边的各种智能家电，工业控制器上。
宏晶公司的STC89C52单片机是一款功耗低、性能高的CMOS 8位单片机，他有8K的可编程Flash ROM，与8051单片机的引脚和指令完全兼容，而且有8K字节的闪存，256字节的内存，32位输入输出接口，另外还有看门狗定时器，2个数据指针，3个16位的定时、计数器， 6向量的中断，TTL串口。完全可以满足本设计功能和性能的要求。
（二）IC卡读写模块的选择
IC卡，也称智能卡。它的内部有一个微型芯片嵌入在符合ISO 7816标准的卡基中，有的做成卡片，有的做成钥匙扣的形状。IC卡与读写器之间连接有接触式和非接触式两种。
1.接触式IC卡
接触式IC卡核心是集成电路芯片，是利用先进的集成电路制造技术将一个微芯片集成在卡片内。其开发与制造技术比磁卡复杂得多。IC卡与读写器之间的通讯方式为接触式。主要用于银行的电子钱包，电信的手机SIM卡等。
2.非接触式IC卡
非接触式IC卡又称射频卡，成功地解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。主要用于公交、电信、银行、车场管理等领域。主要的功能包括安全认证，电子钱包，数据储存等。
本设计选用技术较先进的MF522-AN非接触式IC卡读写模块，该芯片是NXP 公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，广泛应用于智能仪表和便携式手持设备研发。
（三）显示模块的选择
常用的单片机显示电路分为LED显示屏和LCD显示屏两大类：
1.LED显示屏
是由7个LED数码管组成，数码管由多个LED封装在一块塑料基板上，像一个“8”字，引线在内部连接，用管脚引出它们的字段和公共电极。这些字段由a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
当数码管需要显示的段加上电压，这些特定的段就会发光，然后我们就可以看到需要显示的字样了。例如：需要显示一个“1”字，那么应当是a亮b亮，其它段不亮。LED数码管有不同的尺寸和亮度，另外还有共阳数码管和共阴数码管之分。常用的数码管可以显示的数字和字符是0-9、A-F。
LED数码管可以分为静态式显示和动态式显示两类驱动方式：
静态显示：将数码管的每一个段码都分别与单片机的IO口相连，它的的优点是编程较为简单，显示的亮度较高，缺点就是占用单片机的I/O端口过多，例如驱动3个数码管的话则要3×8=24个I/O口进行驱动，一个51单片机可用的I/O端口才32个呢，所以应用时一般要加译码驱动器来驱动，增加了硬件成本。
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