基于51單片機的非接觸式ic卡讀卡器畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電源模塊 該 電源按常規設計，為系統工作提供所需電源，其輸入為 220V、 50Hz 交流電，輸出電壓等級為177。 5V，電路原理圖如圖 所示。該部分主要采用 78 系列穩壓器，結構簡單，調整方便，輸出電壓紋波小。當所需電流超過穩壓器標定值時，可采用外接功率管的方法來擴大輸出電流。市電交流 220V 經變壓器降壓為交流 6V，經過全橋整流輸出直流電流，再經過 1000μ F 的電解電容濾波，除去整流后的交流成分，送至各三端穩壓器， 輸出需要的電壓。經過各三端穩壓器穩壓后，在 LM7805 輸出端輸出 +5V 直流電壓， LM7905 輸出的端輸出 5V直流電壓。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 4 J u n 2 0 08 S he e t o f F i l e : F : \張月峰 \張月峰畢業設計 \模塊論述 \ 6 66 6 6 \單元電路 \ B A C K U P ~ 1 . D D BD r a w n B y:1234B R I D G E 1V i nGNDV o ut12 3L M 7 90 5T0220V～V i n1GND2V o ut3L M 7 80 5Port1C11 00 0 μ FPort2C52 20 μ FC62 20 μ FC21 00 0 μ F 圖 177。 5V 直流穩壓電源 顯示模塊 本系統的人機接口部分采用 LCD 顯示、 3 2 矩陣式鍵盤，用來實現對 IC 卡的操作和系統設置等功能。 LCD 型號為 ACM1602A，該字符型液晶顯示模塊由字符型液晶顯示屏，具有字符發生器 ROM 可顯示 192 種字符，有 64 個字節的自定義字符 RAM，可自定義 8 個 5 8點陣字符或四個 5 11 點陣字符。 在此系統中采用 LCD分屏顯示，每一屏第一行的 首地址是 80H，第二行的首地址是 0C0H；每行寫入 16 個字節，每屏寫入二行（第一行為系統的時間，第二行為卡片的信息）。 ACM1602A集成度高，其內部已經帶有驅動電路，所以不用再為其設計驅動電路，由于 1602 是一個并口器件所以占用單片機的接口資源較多，為節省單片機接口資源使用了一個 74HC595 進行串口轉并口，使 1602 與單片機進行間接連接， LCD 與單片機的連結圖如圖 所示。 7 圖 LCD 顯示電路 系統時鐘模塊 刷 卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統提供一個準確可靠的時鐘，用 3V 備用電池保證在系統掉電時也能正常走時，在此選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片 DS1302。 (1)時鐘芯片介紹 DS1302 是美國 DALLAS 公司開發的具備功耗低、接口容易串行實時時鐘芯片。在本設計中 使用的 DS1302 為 8 腳 DIP 封裝形式，其中 1 腳和 8 腳為電源電壓引腳，單電源供電時接 8 腳，雙電源供電時，主工作電源接 1 腳，備份電源接 8 腳。 2 腳和 3 腳為 晶振引腳； 5 腳 RST 為復位端，若其被置為低電平，則中止所有數據傳送， I/O 腳變為高阻態，系統復位； 6 腳 I/O 為數據輸人 /輸出端； 7 腳 SCLK 為串行時鐘輸入端，所有地址 /命令字節和數據字節都是在時鐘的同步控制下從 I/O 腳串行輸入輸出的。 DS1302 通過 SCLK、 I/O、RST 三根線與外部進行同步串行通信。 (2)DS1302 與單片機的 連接 在本設計中采用單片機的 與 DS1302 進行數據通信，以提供系統所需的時鐘，其連接方法如圖 所示。 8 圖 DS1302 與單片機接口電路 存儲模塊 在 本設計中采用串行 E2PROM 芯片 AT24C64 作數據 存儲器。 AT24C64 是 ATMEL 公司生產的采用 I2C 總線標準常用的串行 E2PROM 存儲芯片，其支持 I2C 總線數據傳輸協議，64K（ bit）存儲器容量，用兩根線與 CPU 構成串行接口。 AT24C64 一般具有兩種寫入方式，一種是字節寫入方式，還有一種是頁寫入方式。 AT24C64 的讀操作有當前地址讀、隨機讀、多字節讀三種方式。 AT24C64 其主要管腳功能描述如下： SCL，串行時鐘。這是一個輸入管腳，用于產生器件所有數據發送或接收的時鐘； SDA，串行數據 /地址。這是一個雙向傳輸端，用于傳送地址和所有數據的發送或 接收； A0、 A A2，器件地址輸入端，這些輸入端用于多個器件并聯時設置器件地址。 AT24C64 其主要管腳功能如下： 在系統中采用單片機的 、 口與 AT24C64 進行連接，其與單片機的接口接法電路如圖 所示，由于本系統中采用到的 AT89S52 單片機不具備 I2C 總線接口，因此采用軟件法加以解決。 9 圖 AT24C64 與單片機接口電路 MFRC500讀寫模塊 MFRC500 介紹 PHILIPS 公司的 MFRC500 是應用于 IC 系列中的一員。該讀卡 IC 系列利用先進的調制和解調概念，完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。 MFRC500 支持 IS014443A 所有的層，其功能框圖如下 : 圖 MFRC500 的功能框圖 MFRC500 內部包括并行微控制器接口、雙向 FIFO 緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。 MFRC500 外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線、電源等。 MFRC500 的并行微控制器接口自動檢測連接的 8 位并行接口的類型。它包含了一個雙向 FIFO 緩沖區和一個可配置的中斷輸出，這樣就為連接各種 MCU 提供了很大的靈活性，即使使用非常低成本的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數據處理部分執行數據的并行 串行轉換 [。狀態和控制部分允許對器件進行配置以使性能調節到最佳狀態。模擬電路包含 一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發送部分，這使得最大操作距離可達 100mm，接收器可以檢測到非常弱的應答信號。 MFRC500 管腳如 所 10 示。 圖 MFRC500 管腳圖 該器件為 32 腳 SO 封裝，器件使用了 3 個獨立的電源以實現在 EMC 特性和信號解耦方面達到最佳性能。 MFRC500 具有出色的 RF 性能并且模擬和數字部分可適應不同的操作電壓，其驅動、模擬、數字部分分別使用單獨電源供電。 表 天線連接管腳 為了驅動天線， MFRC500 通過 TXl 和 TX2 提供 的能量載波。根據寄存器的設定對發送數據進行調制得到發送的信號。智能卡采用 RF 場的負載調制進行響應。天線拾取的信號經過天線匹配電路送到 RX 腳， RC500 內部接收器對信號進行檢測、處理，然后將數據發 送到并行接口由微控制器進行讀取。 表 MFRC500 并行口控制管腳 天線模塊的設計 為 了同非接觸式智能卡通信，讀卡器內必須有能發射和接收射頻信號的天線。天線用于產生磁通量，而磁通量用于向應答器提供電源并在閱 讀器和應答器之間傳送信息。因此，對讀卡器天線的構造有了三個基本的要求： 11 1)使天線線圈的電流 i1 最大，用于產生最大的磁通量； 2)功率匹配，以最大程度地利用產生磁通量的可用能量； 3)足夠的帶寬，以無失真地傳送數據調制的載波信號。 (1)天線尺寸和讀寫距離 由 于 MFRC500 是低功耗設計，因此卡和天線之間的耦合系數必須符合一定的值，卡和天線之間的耦合系數不能低于 。天線一般設計為三圈，可以設計為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于 之間。表 給出了卡和天線的耦合系數為 時的天線大小和讀寫距離關系表。 表 天線大小和讀寫距離關系表 根據技術指標以及尺寸等方面的要求，要本設計中讀寫器天線參數如下 : 天線形狀：方形天線 天線圈數：三圈 幾何尺寸： 65mm 54mm 天線導體直徑： 1mm (2)EMC 電路及接收電路 EMC 電路：射頻識別系統的工作頻率為 ，是由一個石英晶振產生的，同時它還產生更高頻率的諧波，為了確保能夠有效抑制三次，五次和更高次的諧波對信號的干擾作用，需要有一個低通濾波器來濾除這些高次諧波。 接收電路： MFRC500 內部的信號接收部分使用由子載波的雙邊帶調制出的信號，為了減少干擾，在地和 VMID 間接了一個電容，接收部分需要在 Rx 和 VMID 腳之間接一個電阻分壓結構。另外，在天線線圈和分壓器之間串一 個電容會獲得質量更高的信號。濾波器與接收電路的電路原理圖如圖 所示。 圖 EMC 及接收電路 (4)天線電路圖 天線電路圖如圖 所示。 12 圖 天線電路 圖中電容 C2A_a、 C2A_b、 C2A_a、 C2A_b、（通稱 C2）的值是由天線的電感值決定的，且需要根據天線的形狀進行調整。 C2 電容的大小嚴格影響讀卡器的性能，這就需要在確定了卡的類型之后在實際的使用環境中進行試驗，確定不同的 C2 值，使讀卡器具有最好的性能表現。 RC500 有一個內部信號驅動管腳 AUX，當讀卡器 發出某一指令時，可以使用示波器觀察該引腳的輸出信號，不斷改變卡與讀卡器之間的距離和 C2 值，示波器輸出不同的波形，根據不同的波形即可確定讀卡器最好性能的 C2 值。在本課題設計中，根據天線的參數進行試驗，得到的最終 C2 值如表 所示。 表 C2 電容值表 (5)天線的品質因數和匹配電阻 用 于電感耦合式射頻識別系統的天線，其特征值是諧振頻率 f0 和品質因數 Q。較高的品質因數 Q 值會使天線線圈中的電流強度大，由此改善對應答器的功率改善情況。與之相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質因數成反比例變化，選擇的品質因數過高會導致帶寬縮小從而明顯地減弱應答器接收到的調制邊帶。 MFRC500 與 AT89S52 連接圖 M FRC500 與 AT89S52 連接圖如圖 所示，圖中單片機 AT89S52 作為控制核心，主要完成數據采集、處理、存儲及控制電路工作； MFRC500 支持不同的微控制器接口，一個智能的自動檢測邏輯可以自動適應系統總線的并行接口。圖中使用信號 NCS 選擇芯片。對于MFRC500，若要使用獨立的地址和數據總線與微控制器相連，必須將 ALE 腳連接到 DVDD，若使用復用的地址和數據總線與控制器接口，必須將 ALE 腳連到微控制器的 ALE 信號。在本設計中，該讀寫器采用地址數據總線復用方式與微控制器相連。在對 MFRC500 進行讀寫操作時，若要使用 NWR 和 NRD 與微控制器相連，則這兩個引腳應該連接到微控制器的讀寫管腳上。圖中使 AT89S52 的 WR 和 RD 管腳分別與 MFRC500 的 NWR 管腳和 NRD 管腳相 13 連來控制讀寫使能； MFRC500 工作頻率由石英晶體而產生，同時與 OSCIN 管腳相連可作為外部時鐘； 管腳與 MFRC500 的 IRQ 管腳相連用以接收中斷請求；由圖可以看出，本系統采用中斷（ INT0）工作模式，即 MCU 利用 MFRC500 提供中斷信息對其進行控制。另外，根據系統的需要，可以采用查詢方式對 MFRC500 進行 操作。 圖 MFRC500 與 AT89S52 連接圖 通信模塊 本 智能卡讀寫器采用 RS232 標準來實現讀卡器和上位機之間的通信，能實現 RS232 通信協議的芯片很多，其中 MAXIM 公司生產的 MAX232 是一款比較優良 的 RS232 通信芯片。選取它的主要依據在于：單 5V 電源供電，與讀卡器里其它芯片的工作電壓相同；符合所有EIA/232E 標準；多路輸入輸出。 MAX232 其引腳功能說明如表 所示。 表 MAX232 引腳說明 在硬件電路連接上采 用三線制（ RXD、 TXD、 GND）軟握手的零 MODEM 方式，即將PC 機和單片機的發送數據線（ TXD）與接收數據（ RXD）交叉連接，二者的地線（ GND）直接相連，而其它信號線、如握手信號均不用，而采用軟件握手，這樣既可以實現預定的任 14 務又可以簡化電路設計、節約成本。 MAX232 與 AT89S52 的電路連接如圖 所示。 圖 MAX232 與 AT89S52 的連接圖