公交充值消费系统设计

摘要：本课题选择的IC卡为Mifare1，在加上它的射频模块，形成非接触式IC卡。我们通过单片机与IC卡之间进行信息通信，但是要实现公交充值系统，还需要警示电路，串口通信电路等，这些电路连接起来形成电路模块，还需要软件的控制，当我们写完软件之后，需要对软件进行调试，最终再与计算机连接起来形成公交充值消费系统。

关键词：单片机;非接触式IC 卡;存储器卡Mifare1。

The design of bus recharge consumption system

Abstract：Due to the need of subject, we choose to non-contact IC card as the Mifare1RF module, combined with the formation of contactless IC card. Contactless IC card is simple to use and widely used. We through the information communication between MCU and IC card, but in order to realize the metro card system, also need the warning circuit, serial communication circuit, etc., these circuits connected to form circuit module, software control is needed, when we finish the software, need to debug software, finally to connect with the computer form a metro card consumption system.

Keywords: MCU;Non-contacting IC card; Mifare1.

目录

第一章 绪论.......................................3

第二章 系统方案的选择.............................4

2.1 IC卡的选择.....................................................4

2.2 读卡电路的选择..................................................6

2.3 系统方案框图...................................................7

第三章 系统的硬件设计..............................8

3.1射频识别系统的基本原理..........................................8

3.2单片机的最小系统................................................9

3.3串行电路设计...................................................12

3.4数码管显示电路设计.............................................14

3.5 系统原理图.....................................................16

第四章系统的软件设计.............................16

4.1设计思路与流程图...............................................16

4.2 对Mifare1的接口分析 ..........................................18

4.3具体程序代码及说明.............................................19

4.4 研究结果与分析.................................................29

第五章 期望与总结................................30

第六章 参考文献 ..................................31

第七章 毕业设计总结..............................32

第八章 附录......................................35

 

第一章绪论

随着世界科技水平的不断发展，对于方便的生活的智能化，人们提出了更高的质量要求。在人们的现实社会中，往往在密集人群中有固定的收费方式存在，这就需要IC卡了。比如：管理收费的人们生活的小区公共停车场，学校学生在校园消费模式，图书馆的上机收费模式等。在这样的消费模式下，人们更希望有在目前现金或支票消费下出现一种更简单直接的消费模式。

IC卡具有抗电磁波干扰能强力强、电路可靠性能高、耐潮湿环境、可以进行复位调试，重复的擦拭，反复的编程。保密性好、读写设备简单、便携等优点已经广泛应用于金融、医疗、电信、汽车等领域，是替代上述传统消费方式的新型介质。

针对上述需求本设计采用Mifare1存储卡，并以51单片机为核心控制IC卡的读写。同时以数码管作为显示模块，3×4键盘作为输入模块以实现用户对IC卡的各种操作。

IC卡又称为集成电路卡（Integrated Circuit Card），在某些国家或地区也称之为智能卡(smart card)、微电路卡(microcircuit card)等，在较为原始的磁卡的基础上发展起来的IC卡，它的最初设计理念是由日本人提出来的。1969年12月，日本的村国孝提出一种制造安全可靠的制作信用卡的方法，并于1970年获得专利，在那个时候还是叫ID卡(Identification Card)。随着时间的发展，在法国，有个叫做罗兰莫雷诺(Roland Moerno)的人发明了带集成电路芯片的塑料卡，在国家专利局申请了专利，并获得了专利。形成了早期的IC卡模型。在1976年，法国的布尔(Bull)公司研制出世界第一枚IC卡，标志着IC卡的形成。在IC卡早期的时候还是接触式的，在早期的肯定有很多缺点需要修改，比如：触摸时候表面容易磨损、程序读写的速率太慢、难以维护和管理，坏了只能丢弃、IC卡的硬件系统投入的资金等。随着信息服务业的产业化和科技化，在一些人群的密集地点，需要更高要求的具有一定安全性和方便性的IC卡。随着科技水平的不断提高，非接触式IC卡逐渐的发展起来，非接触式IC卡有很多优点:方便用户的使用、没有机械的磨损、容易管理和维护等，所以非接触IC卡成为了当今世界上最流行的卡，被内外界所看好。

IC卡的是一种集成电路的芯片,它是将具有加密的数据、存储和处理的数据集中的放在一个集成电路芯片的塑料外片上，并刻上商家的商标，就形成了目前生活中用到的IC卡。

单片机就是一个不带外部设备的微型计算机（MCU）。它具有高度的集成性，体积小，功能强悍，使用灵活，价格低等特点。单片机作为微型计算机一个重要的分支，应用广泛，发展迅速。尽管目前单片机种类繁多，但是属于最典型单片机为ATMEL的51系列。它的功能强悍，应用范围广，是本次课题的必备之选。

此课题需要对交通充值消费系统进行研究，为了更好地了解单片机原理，我们需要对系统的功能进行划分，最主要的是对IC卡进行研究和分析，了解IC卡的分类，原理以及构成。并制作方案。

针对上述需求本设计采用Mifare1存储卡，并以51单片机为核心控制IC卡的读写。同时以数码管用作为显示模块，3×4键盘作为输入模块以实现用户对IC卡的各种操作。

第二章系统方案的选择

2.1IC卡的选择

当今社会接触式IC卡的尺寸和外形有众多的标准，如是ISO/IEC7816和GB/T116649等标准，不同的标准在卡片的不同领域内的相互竞争，渗透。卡片类型多样性决定了读卡器选择的多样性，而在市场的多样性上需要对读卡器进行选择，即使同类型的功能应用，IC芯片类型的选择性也可能会是不同类型的，但是读卡器却在某一种类型的卡片只能进行一次性读取，不能读取其他芯片。所以在处理某一个功能应用时，必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费严重，这样的读卡器当然不能适应市场的需求，而且这需要对读卡器的读卡能力提出了更高的要求。设计出一种能读取多种类型卡片的读卡器，既是未来的发展趋势，也是市场应用基本的需求。

目前，举个例子来说：我们学校的校园一卡通已开始大范围的应用于学生的阅读器的系统中，对于这个庞大的系统，相关的一卡通对读卡器的功能要求越来越高，市场的定位越来越明确。除了对早先的IC卡号的读取之外，还需要能够对校园的一卡通进行更高层次的数据操作，通过串口线与计算机进行信息的通讯。为了方便用户的使用要求，非接触式IC卡的阅读器的设计与开发也快速的发展壮大起来。

根据其中的电路芯片的集成度，IC卡可在一般情况下可以分为以下的三种类型：

逻辑加密卡：在集成电路IC的卡中的具有逻辑加密区和EEPROM, 却保持着存储器卡芯片的价格优势，价格低廉，访问速度快。逻辑加密区中有互相认证的安全模块, 对IC进行读取时候，必须先验证每个IC卡的操作密码, 密码的验证即由互相认证安全模块来完成，是放在对IC卡中的进行数据的操作之前,而不是由阅读器完成之后操作。但是，如果在互相认证的安全模块中出现一个错误计数器,况且在连续出现三次验证密码失败之后, 则IC卡中数据将被自动被锁死, 该IC卡不能使用，直接丢弃掉。这类卡片是在银行金融系统中应用于在价格和数据安全上得到结合的IC卡，另外,这类卡还应用于一次性的用的较多的逻辑加密卡, 比如移动电话费的充值卡，游戏网卡等。

存储器卡：在集成电路IC卡中的集中为EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）, 它仅仅只有数据的存储能力, 却没有数据的处理能力。换句话说, 存储器IC卡与磁卡非常的类似。惟一存在的区别是存储的容量更大，但是也存在着与类似磁卡一样的缺乏安全性，没有任何的数据保障。因此, 一般应于用在对于安全性要求不太高的场合下, 比如健康卡，公交卡，所以我设计电路就用存储器卡。其存储容量一般1KB在到6KB之间。

CPU卡:CPU卡中的集成电路包括了随机存储器RAM，中央处理器CPU，EEPROM以及在固化的只读存储器ROM中的片内操作系统COS（Chip Operating System）。就像电脑一样，有着类似电脑的处理能力，它的处理器和内存, 不仅能够数据还能够对存储信息进行复杂深入的处理。由于CPU的存储容量大，有着强大的计算功能, 就可以进行复杂的加密以及解密的运算, 极大地提高了CPU卡的稳定性以及安全性, 因而可以有效地防止有假卡的存在, 其应用场合很多，比如：主要用于储蓄信用卡和银行卡等。

根据使用方法和信息交换方式, 卡可分为以下两种类型：

接触式IC卡：接触式IC卡是当前广泛使用的这一类型卡。在接触式的卡的左上面有一个封装好了的IC芯片, 上面大概有6到8个触点，这些触点与读卡器相连，进行信息交流。

非接触式IC卡：因为卡片是非接触式的，所以其集成电路没有与读卡器相互连接的触点, 而是在具有接触式IC卡触点之外的射频模块电路，其运用的是电磁感应原理进行交流，先广泛的应用于各种交通场合。

根据我们需要的方案要求，我们选择接触式存储器卡Mifare1外加射频模块形成非接触式的IC卡，因为现在大部分是运用了非接触IC卡，所以我们也选择非接触式IC卡，况且此卡市面上使用多，应用广泛，有安全性能高，存储容量大等优点。

由于 Mifare1 的读取距离较短，因此以前它仅适合执行一些增值/减值功能。虽然接触式智能卡也能完成这类任务，但非接触式智能卡使用起来更迅速、方便，几乎不需要维护读卡器，智能卡也不会磨损。所以需要用到射频模块来进行非接触式的响应。

Mifare1的芯片内部结构较为复杂，可分为射频接口、数字处理单元、EEPROM三部分。射频接口运用的是耦合变压器原理，通过天线实现无线的传输。数字处理单元是进行信号的处理。而EEPROM是用来存储数据的，数据的大小为32k。卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成。Mifare1的工作原理是读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，由于卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读卡器的发射频率相同，在电磁波的感应之下，LC谐振电路产生共振。其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0的卡片中。

2.2 读卡电路的选择

本设计的Mifare1存储卡的读卡器是MF RC522，其工作频率为13.56Mhz。容量为32K，电压在2.5V到3.3V之间；它的成本小，电压低。由I2C总线连接，与单片机之间进行通讯，读写次数很多，使用广泛。

它是一种非接触式的读卡器，支持ISO14443A标准。运用了调制器的原理对天线的信号进行有效的传输，是信号能够远距离的传输。它的数字处理部分有错误检测机制，主要的算法是奇偶校验和CRC算法。它是双向通信的机制，双向通信的速率可达到200多Kbit/S，工作温度在85度之内，电路内部有27.12MHZ的晶振，提供一定的频率。其无线射频模块如图1所示：

2.3  系统方案框图

我们再次介绍一下，第一，我们使用的是单片机来进行IC卡的核心控制。另外IC卡根据需求本设计我们采用了Mifare1存储卡，因为此卡安全可靠，对IC卡的读与写是通过51单片机来实现的，当然我们选用的是AT89C52单片机。同时，以数码管当作为显示模块，3×4键盘作为输入模块来实现用户对IC卡的充值，加密操作。所以下面我们会逐步介绍数码管和3×4矩阵键盘。

期望与总结

PHILIPS公司提出I²C总线，它成为了串行通信接口的规范，I²C使用两条数据线——串行数据线SDA以及串行时钟线SCL，通过单片机，连接在I²C总线上的设备都是进行双工通信，其效率高，运行速度快，在这次的课题设计中发挥着重要的作用。
论文详细介绍了基于单片机AT89C52和MAX232C以及Mifare1的简易IC卡读写器的设计工作。
由于本例选用的单片机AT89C52带I²C总线，所以对其I²C接口存储器件Mifare1的访问需通过模拟I²C总线方式来进行。所以设计的难点和重点是模拟I²C总线和IC卡可靠读写，对此要有所侧重。
通过本例的学习可以了解到I²C总线的基本原理，掌握单片机实现I²C接口设计的软硬件设计和实现。但是本次设计还有一些不足，对数码管没有使用背光源也没有设计省电模式提示。我希望产品能更加完善，有利于对单片机的深入的了解。

参考文献

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毕业设计总结

在本次毕业设计中，我的指导老师是黄从贵老师，在这里我表示对指导老师的感谢。首先，我们进行单片机系统的进行总体的规划，单片机系统机的工作过程、单片机控制系统功能、包括控制系统组成和控制系统技术指标。熟练了单片机的流程之后，我们开始进行硬件系统的设计与开发，学习C语言进一步掌握C语言，然后我们在学习一下电路原理，模拟电路以及数字电路。这样对电路有了更深层次的认识，可以开始设计自己所需的电路。再次学习有关单片机原理与接口技术的书籍，了解单片机，认识单片机，学会单片机编程；网上开始搜索下载AT89C52、数码显示管、点亮LED有关的技术资料，并学习消化这些资料，开始设计硬件系统控制原理，学会用Protel 99se绘图软件设计交通充值系统的原理图，并对交通充值系统的硬件进行了调试。接着，开始研究设计Mifare1芯片的控制方式和方法，对数码管显示的引脚进行了深入的研究；而后，规划出了交通充值系统软件的构想图，设计出了交通充值系统主控模块程序流程图以及各个功能模块的程序流程图，并且逐步开始对各个单片机的功能模块进行编辑、编译、连接、运行和测试控制程序，在这些天对单片机的编程过程中，我一边学习C51程序设计工作，一边熟悉Keil C51软件开发平台，又一边慢慢设计关于交通充值系统刷卡成功编程的控制程序；最后，对控制程序进行了完善C语言程序和调试修改。
在这次毕业设计中有进步的是一是提出了刷卡时会听到蜂鸣器的声音，这样可以提示刷卡成功，二是研究了单片机进行通讯的各种运行控制方式。
通过这次毕业设计，我慢慢体会到的是深刻认识到专业理论知识对指导实践工作的重要性和客观性，在我上大学期间，由于对专业理论认识的不够深入、不够扎实，不够全面而且也不懂单片机的用途，反正就知道有单片机的存在；另外是现有的知识技能是不能胜任实际工作的，而且实际的动手能力欠缺，有待加强，也没有目标性；再次是不知道对现有的课题知识要进行课题需求分析、论文课题总体规划和设计；最后一个但也是非常重要的是不清楚如何进行软件的结构化设计；虽然了解C语言编程，但是实际编程经验欠缺，缺少排除故障能力，不能顺利的进行调试。所以啊，对我们即将毕业的大学生们更需要与时代接轨，克服自己内在的不足，认真学习，迎接各种挑战，为自己创造美好的未来生活。
在进行对该课题的后续研究设计时，应该认真的重视单片机的特性研究，重视数码管的电路的研究，对IC卡的选择以及对射频技术的深入。在这次的课题研究中应该增加LED对IC的响应功能；增加无线传输功能。
在这篇毕业设计论文即将完成的时候，我突然意识到自己的校园生活即将画上一个完美的句号。当我踏上工作岗位进行实习的时候，我突然意思到很多知识不过完善，所以更要通过毕业设计来扩充我的知识面。在以前，我还是什么都不懂，对这个学校充满了好奇，当我踏进学校时，我感到特别的开心。后来随着时间的推移，我渐渐成熟了很多，对于这次毕业设计，我投入了大量的心血，感谢老师的陪伴，使能顺利的完成毕业设计。
我要感谢我存在的这个世界赋予我的认知和理解，感谢父母给了我机会认识并引导抚育我这个世界，感谢二十几年来成百上千的老师与朋友让我能够在正确的道路上走得更远并且激励我成为一个坚定信念不做并且让自己后悔事情的人。
回顾自己曾经的学习历程，感觉今天的生活与状态是由一系列的偶然与必然互相连接成的结果。在这个过程中自己承受了比别人更多的挫折，但也学到了更多的领悟，获得了比别人更大的成就。我体会了人生的酸甜苦辣，知道在很多情况下，在取得的成果之前是需要很长时间的累积，很有意思的是，我的这些感悟在大学的专业课学习的时候得到了理论上描述的一致。因为我的每一次成功的获得都比别人晚了许多，但也都是在最关键的时候比别人得到了更多的收获，也比别人体会到更多的付出后的充实。很庆幸自己在过去岁月中每一次困难抉择中做出的选择，以及在不断地激励中为目标而不断奋斗的坚持。
学无止境，无论每天往返于公司和宿舍，还是奔走于阶梯教室室与宿舍之间，作为一个职工或者学生，无时无刻不在接受新的知识、观点和理念。即便是创造出的社会价值，也仍需要不断补给养分。在这里，作为刚刚走出校园的人，我将牢牢的记在心理。
最后，真诚期望每一个已经出现在的老师，同学们能一起过的幸福，一起克服困难，紧接挑战，能够始终拥有美好幸福的生活状态、以及一颗热忱于探索未知和真理的心，同时也是对自己未来生活的期望。
踏着稳健的脚步，认真的面都一切。实事求是一种学习态度，我们要不怕困难、坚持不懈、能够吃苦耐劳，这是我在这次设计中收获的最大的收益。我想这是一次意志的磨练，对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。
在这次毕业设计中也使我和同学的关系更进了一步，同学们之间互相帮助，有什么不懂的大家慢慢在一起商量，听听不同的看法和意见，对我们更好的理解知识，获取知识，认识知识。所以在这里非常感谢帮助我的同学们。在此更要感谢我的导师和专业的单片机老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文的修改工作。在我的学业的完成和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从我的导师身上，我不仅学到了扎实的知识功底、宽广的专业知识，也学到了深刻的做人的道理。
在此，我再次对向我的指导老师黄老师和帮助我的同学们表示深深的感谢和最真诚的敬意。是你们，让我的毕业论文获得了圆满的成功，我也不会忘记你们对我的真诚付出。有你们的陪伴，我的生活也更加的精彩。