公交智能收费系统的设计_毕业设计

石家庄铁道学院毕业设计

公交智能收费系统的设计（B）

Design of Intelligent Charging System in Public Transportation（B）

电气与电子工程分院

专业电子科学与技术

毕业设计评语及成绩

毕业设计任务书

毕业设计开题报告

摘要

公交智能收费系统要求实现读卡、收费、LED显示、时钟电路和计算机的通讯功能，其中读卡过程（即自动识别用户的过程）是整个系统的重要部分，本设计对读卡器的设计作详细介绍。

采用PHILIPS公司的Mifare卡作IC卡，制作的IC卡读写器可以实现制卡、售卡、自动收费等功能，公交IC卡读写器以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了1片Mifare卡专用的读写处理芯片--MMM微模块，单片机采用89C52。P1口与串行器件24C64和显示、报警电路连接；P0口与MMM微模块相连，用作数据线；P2口用作时钟电路连接；P3口用于读写控制和中断。程序主要包括IC卡读写操作程序、键盘扫描程序、显示程序、存储器读写程序和通信程序。在读写器中，单片机与PC 机之间的通信主要由TC232来实现。读写器中，单片机程序可采用C语言进行编程。C语言有功能丰富的库函数，运算速度快、编译效率高、可移植性好、软件的可读性强，便于改进和扩充。

本设计所研究的技术和方法不仅对于公交智能收费系统有着重要的作用，而且在其他各领域如校园卡、考勤卡等也具有广泛的应用价值。

关键词：单片机非接触式IC卡读写器串口通信

Abstract

The public transportation intelligence charge system request realizes reads the card, the charge, the LED demonstration, and computer's communication function, reads the card process (i.e. automatic diagnosis user's process) is overall system's important part, this design reads and compares the card design to make the detailed introduction.

Used PHILIPS Corporation's Mifare card to make the IC card, the manufacture IC card reader-writer may card, automatic charge functions and so on realize the system card, sell, the public transportation IC card reader-writer take the radio frequency recognition technology as the core, in the reader-writer mainly uses 1 piece of Mifare card special-purpose read-write to process the chip--The MMM micro module, the monolithic integrated circuit uses 89C52. P1 mouth and serial component 24C64 and demonstration, alarm circuit connection; The P0 mouth and the MMM micro module is connected, serves as the data line; The P3 mouth uses in the read-write control and the interrupt. The procedure mainly includes the IC card read-write operation procedure, the keyboard scanner program, the display sequence, the memory read-write procedure and the signal procedure. In the reader-writer, monolithic integrated circuit and the PC machine between correspondence mainly realizes by TC232. In the reader-writer, the monolithic integrated circuit procedure may use the C language to carry on the programming. The C language has the function rich storehouse function, the operating speed is quick, the translation efficiency is high, the probability is good, software's readable, is advantageous for the improvement and the expansion.

This design studies the technology and the method not only have the vital role regarding the public transportation intelligence charge system, moreover in other various domains like campus card, the timecard and so on also has the widespread application value.

Key words:Monolithic Non-contact type Reader-writer Serial communication

目录

第1章绪论 (1)

1.1 公交智能收费系统现状及发展趋势 (1)

1.1.1 概述 (1)

1.1.2 现状 (2)

1.1.3 发展 (2)

1.2 本文研究的内容 (3)

第2章MCU功能简介 (4)

2.1 MCU的功能概述 (4)

2.2 89C52的接口介绍 (4)

2.2.1 I/O口介绍 (4)

2.2.2 89C52的功能口介绍 (5)

第3章MCM外围模块简介 (11)

3.1 读卡模块简介 (11)

3.1.1 概述 (11)

3.1.2 特性 (11)

3.1.3 应用 (12)

3.2 时钟模块的简述 (12)

3.2.1 引脚功能及结构 (12)

3.2.2 DS1302的控制字节 (13)

3.2.3 数据输入输出(I/O) (13)

3.2.4 DS1302的寄存器 (13)

3.2.5 编程方法 (14)

3.3 I2C总线的简述 (14)

3.3.1 I2C总线的特点： (14)

3.3.2 I2C的基本操作： (15)

3.3.3 系统存储器的概述 (17)

3.4 RS--232 概述 (17)

3.5 显示模块的概述 (19)

3.6 系统中看门狗的功能 (19)

3.6.1 电源电压监视 (19)

3.6.2 复位 (20)

3.6.3 看门狗定时器 (20)

第4章系统总体设计方案 (21)

4.1 主程序系统 (21)

4.2 读/写卡程序设计 (22)

4.2.1 Mifare卡的操作步骤： (24)

4.2.2 操作指令时序 (24)

4.3 显示电路概述 (28)

4.4 存储器概述 (29)

4.5 监控电路概述 (30)

4.6 上、下位机通信设计 (31)

4.7 时钟电路 (32)

4.8 蜂鸣器模块概述 (32)

5.1 结论 (34)

5.2 展望 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

附录 (37)

第1章绪论

公交车现在已成为城市的主要交通工具，收费时既有人工收费也有的采用了智能收费系统收费。使用智能收费系统首先是便利，其次是快捷，第三是有利于减少现金流通。公交智能收费系统在公交系统的应用大大推动了非接触式IC卡的发展。国外已有众多实力强的公司已涉足这方面的技术。中国虽起步较晚，但发展迅速。公交车IC卡作为非接触式的卡，操作方便，可靠性更高，寿命更长，发展潜力巨大。

公交车收费系统的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用中非常方便、快捷，不易损坏。因此，除了用在公交系统，在门禁、校园、企事业等人事管理、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。

1.1 公交智能收费系统现状及发展趋势

公交收费系统很多是采用接触式IC卡，卡在读写器上经常拔插造成的磨损导致接触不良，从而引起数据传输错误，并且卡与读写器之间的磨损也大大缩短了卡和读写器的使用寿命。随着技术发展，公交收费系统逐渐被射频技术取代，即使用非接触式IC卡。读写器以射频识别技术为核心，当射频卡靠近读写器时，受读写器发射的电磁波激励，卡片内的LC谐振电路产生共振并且接收电磁波能量。当射频卡接收到足够的能量时，就将卡内存储的识别资料以及其他数据以无线电波的方式传输到读写器并且接受读写器对卡内数据的进一步操作。在环境复杂的公交车上，这种收费系统将会有很大前景。

1.1.1 概述

公交智能收费系统结构复杂，环节较多，因此，公交非接触IC 卡的读写器至少应包括公交售卡机、公交车载机和公交制卡机三个读写器。本文主要介绍公交车载机读写器的设计，它主要由MMM微模块、单片机、显示、存储器、时钟电路和监控电路以及与PC机通信的TC232串行通信接口电路等部分组成。

Mifare卡专用的读写处理芯片(MF RC500)，它是一个小型的最大操作距离达100mm的Mifare读/写设备的核心器件，其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞机制[9]。

读写器是放在收费现场的，这种读写器的软件在编写时，只允许用户读卡

片，并具有自动收费的功能。

1.1.2 现状

如今，接触式IC卡在人们的日常生活中得到了普遍的应用。在接触式IC卡的普及过程中，逐渐发现了许多的弊端：卡在读写器上经常拔插造成的磨损导致接触不良，从而引起数据传输错误，并且卡与读写器之间的磨损也大大缩短了卡和读写器的使用寿命；另外，接触式IC卡的通讯速率较低，再加上插拔卡的动作延误，造成每一笔交易需要较长时间的等待。

越来越多的应用除了对非接触卡的接口提出了要求，还对传统非接触卡的应用开发提出了进一步的要求。原来非接触卡的指令比较简单，功能比较少。要完成一个复杂的操作如建立一个文件需要对非接触卡的数据结构十分了解而且要编写许多条指令。特别是非接触卡中存放的许多资料是比较敏感的，如金额之类，在对这些资料进行读写时，如果发生意外使操作中断，如何正确恢复资料是一个很头痛的问题，这需要很高软件技巧。所有这些大大阻碍了非接触卡的应用开发。

公交收费系统中非接触式IC卡是应用潜力最大的领域之一。我国一些城市自2O03年开始也采用非接触式IC卡电子车票管理系统。但在很多城市中并没有普及。其中有人们不了解公交卡优势原因，也有收费系统做的不太理想的原因，如公共汽车环境恶劣系统不稳定等。

1.1.3 发展

国际ISO组织正在确定两个主要的非接触卡标准，一个是以菲利蒲、西门子公司为代表的TYPE A，一个是以摩托罗拉、意法半导体公司为代表的TYPE B。两者各有优缺点。

以菲利蒲、西门子公司为代表的TYPE A。这种标准是目前广泛运用的一种标准，即MIFARE标准。它与TYPE B的区别主要是卡与读写器的通讯调制方式。MIFARE采用的是一种间断是调制方式，即当表示信息―1‖时，有信号传到卡，当表示信息―0‖时没有信号传到卡，当然这个间隔是相当短的，不会影响到卡的正常工作。这种方式的优点是信息区别明显，受干扰的机会少，不容易误操作。缺点是在需要持续不断的提供能量到非接触卡时，能量有可能会出现波动。

在公共汽车上干扰很大，打卡时间又必须非常快，误信号出现的机率越小越好，从这个方面来说，采用TYPE A相对来说适合一些。另外，由于受国情限制，公交在短期内采用非接触CPU卡的机会不大，一般采用非接触逻辑加密卡。在使用非接触逻辑加密卡的过程中，由于卡里没有CPU在工作，对能量的持续性要求并不是很强，所以TYPE A可以很好地工作。

我国引进的射频IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare和ATMEL公司的Temic卡。制作的IC卡读写器可以实现制卡、售卡、自动收费等功能，具有安全、实用、方便、快捷、可靠性高的特点，解决了城市公共交通服务行业既频繁又琐碎的收费管理问题，有广泛的应用前景[1]。

在我国应用最广的就是Mifare系列非接触式IC卡。每年超过几亿张的IC 卡发卡量，使我国成为世界IC卡应用发展最快的国家之一。根据估测，近年来所售出的非接触式IC卡的50％是使用在公共交通领域。

1.2 本文研究的内容

本课题研究的是公交智能收费系统（B），主要介绍IC卡读写终端程序的设计，它以非接触式通信为基础。

本设计以射频技术为基础，通过单片机编程来控制MF RC500进行读写卡的操作，并把卡中的信息与当前时钟信息一同存入存储器中，显示模块显示出卡的扣除费用信息等，蜂鸣器在操作正确时鸣叫。DS1232是监控芯片，它能防止程序跑飞。在存储器所存信息满了之后，就通过TC232与上位机连接，把信息发送到PC机。

第2章MCU功能简介

2.1 MCU的功能概述

MCU采用单片机89C52，是因为89C52开发简单，运行稳定。89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器和256字节的RAM，比51多一倍。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[2]。

2.2 89C52的接口介绍

图2-1 89C52的引脚图

2.2.1 I/O口介绍

P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写―1‖时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序

和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写―1‖时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2-1所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表2-1 P3口的特殊功能

端口引脚第二功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INT0（外中断口0）

P3.3 INT1（外中断口1）

P3.4 T0（定时/计数器0）

P3.5 T1（定时/中断器1）

P3.6 WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 RD（外部数据存储器读选通）

2.2.2 89C52的功能口介绍

RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置―1‖，ALE操作将无效。这一位置―1‖。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

中断寄存器：各中断允许位在IE寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE 中设置。AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP 寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。

T2CON：定时器/计数器2控制寄存器

表2-2 内容及位地址

复位值：0000 0000B

T2CON地址为0C8H

位可寻址

TF2 EXF2 RLCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2

7 6 5 4 3 2 1 0

表2-3 T2CON的控制位及功能

串行口控制寄存器：

SCON是一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制。其单元地址为98H，位地址为98H-9FH。

表2-4 SCON内容及位地址

位序D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位地址9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 位名SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0、SM1是串行口工作方式选择位。

表2-5 SMO、SM1状态

SM0 SM1 工作方式功能描述波特率

0 0 方式0 8位同步移位寄存器Fosc/12

0 1 方式1 10位UA TR 可变

1 0 方式

2 11位TARR Fosc/64

1 1 方式3 11位UATR 可变

REN：接收允许控制位。由软件置位以允许接收，又由软件清0来禁止接收。

TB8: 是要发送数据的第9位。在方式2或方式3中，要发送的第9位数据，根据需要由软件置1或清0。例如，可约定作为奇偶校验位，或在多机通信中作为区别地址帧或数据帧的标志位。

RB8：接收到的数据的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若（SM2）=0，RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8为接收到的第9位数据。

TI：发送中断标志。在方式0中，第8位发送结束时，由硬件置位。在其它方式的发送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的办法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。

RI：接收中断标志位。在方式0，当接收完第8位数据后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位（例外情况见于SM2的说明）。RI置位表示一帧数据接收完毕，可用查询的办法获知或者用中断的办法获知。RI也必须用软件清0。

电源控制寄存器：PCON寄存器主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设的专用寄存器，单元地址为87H，格式如下：

表2-6 PCON的位内容

位序D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

位名SMOD / / / GF1 GF0 PD IDL

最高位SMOD是串口波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口波特率加倍。系统复为时SMOD=0。

波特率选择：

方式1和方式3

定时器T1作为波特率发生器，其公式如下：

(2-1)

T1溢出率= T1计数率/产生溢出所需的周期数

式中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时，T1计数率为fosc/12;当工作于计数器状态时，T1计数率为外部输入频率，此频率应小于fosc/24。产生溢出所需周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值有关。当时钟频率选用11.0592MHZ时，取易获得标准的波特率，所以很多单片机系统选用这个看起来―怪‖的晶体震荡器就是这个道理。

中断：

AT89C52 有6个中断源：两个外部中断（INT0 和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。如下表所示，IE.6位是不可用的。对于AT89C52，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。

定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，

这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0 和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2 的标志位TF2 在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来[3]。

表2-7 中断允许控制寄存器（IE）

第3章 MCM外围模块简介

3.1 读卡模块简介

3.1.1 概述

读卡模块采用Philips公司为Mifare卡设计的专用读卡芯片MF RC500。MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。

MF RC500支持ISO14443A所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线（可达100mm）。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶＆CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。

3.1.2 特性

高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码；

缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线；

近距离操作（可达100mm）；

用于连接13.56MHz石英晶体的快速内部振荡器缓冲区；

时钟频率监视；

软件实现掉电模式；

并行微处理器接口带有内部地址锁存和IRQ线；

易用的发送和接收FIFO缓冲区；

支持防冲突过程；

唯一的序列号；

片内时钟电路；

支持MIFARE PRO和ISO14443A（透明模式且T = "CL"）；

支持MIFARE Clasic；

支持MIRFARE有源天线；

适合于高安全性的终端[6]。

3.1.3 应用

MF RC500支持不同的微控制器接口。一个智能的自动检测逻辑可以自动适应系统总线的并行接口。使用信号NCS选择芯片。要使用独立的地址和数据总线与微控制器相连，必须将ALE脚连接到DVDD。若使用复用的地址和数据总线与微控制器接口，必须将ALE脚连接到微控制器的ALE信号。

若要使用RNW和NDS（取代NWR和NRD）与微控制器相连，微控制器的RNW必须连接到管脚NWR，而NDS必须连接到NRD[15]。

3.2 时钟模块的简述

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

3.2.1 引脚功能及结构

RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc≥2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK始终是输入端。

图3-1 DS1302的引脚图