【正文】 全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但由于單表內(nèi)設(shè)置單片機和后備電源，成本較高，推廣普及較慢。 由于各表輸出的總線只需掛接，可以減少分線制抄表方式大量煩瑣的布線、系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)以及后期使用過程中線路、系統(tǒng)維護等繁重勞動強度，也方便高層次設(shè)計如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、與其他系統(tǒng)（如安防、照明、空調(diào)、消防）共享開放式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，進而為用戶提供完善、綜合的配套服務(wù)。 智能 IC卡式水表系統(tǒng) 智能卡水表是在當(dāng)今智能卡技術(shù)與市場迅猛發(fā)展、單個智能卡及刷 卡機性能價格比日益提高的特定時期應(yīng)運而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、讀卡器、收費管理信息系統(tǒng)等組成。用戶須在供水部門指定售卡點，購水后刷卡方能使用。它具有有限用水量、解決用水收費糾紛的功能，這是其他抄表方式及普通水表上門抄表方式所不能比擬的，并且智能卡水表如同普通水表，無需鋪設(shè)管線及線路維護，安裝方便、維護簡單；另外，智能卡水表自帶數(shù)據(jù)采集模塊、電源部分、電磁閥（電動閥）控制，由智能卡讀入預(yù)購水量等信息，使用簡單，動作可靠，并且它的前期投資費用低，因此日益受到供水管理部門的青睞。 根據(jù)我國金卡工程的長遠 發(fā)展建設(shè)來看，單純地將普通機械式水表轉(zhuǎn)化成機械式 +電子式固然已邁出了重要的一步，但是還不夠完善，因為水表的計量預(yù)收費及管理自動化將是大勢所趨。未來信息技術(shù)的發(fā)展必將朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，作為樓宇自動化發(fā)展的方向的一個重要方面 |—— 智能化水表系統(tǒng)。因此如何設(shè)計合適的平臺，將自動抄表系統(tǒng)、遠程監(jiān)控報警系統(tǒng)、家居安防系統(tǒng)等無“縫隙”地與數(shù)據(jù)網(wǎng)及控制網(wǎng)連接起來，開發(fā)出能體現(xiàn)優(yōu)良的綜合性、互操作性、方便實際現(xiàn)場安裝維護的一體化智能系統(tǒng)將成為今后一段時期內(nèi)的熱點。 2. 智能水表的組成 7 本水 表電路的硬件設(shè)計原則是在低功耗的前提下，實現(xiàn)多功能，組成框圖如圖 21 所示。 系統(tǒng)硬件電路由 IC卡讀寫電路、液晶顯示控制電路、電磁閥控制電路、脈沖提取電路、安全保護電路、記憶單元電路、通信接口電路組成，以 AT89C51 為核心控制芯片，完成整個水表信號的讀、寫處理，監(jiān)控水表工作的功能。該 CPU芯片內(nèi)置 4K的程序存儲器，有 32個多功能的 I/O口，具有多個可編程的中斷 I/O口和數(shù)據(jù)串行通信口。并且，該芯片功耗低，特別適用于水表控制線路多、功能全、功耗低的要求。它能方便地讀取 IC 卡的數(shù)據(jù)，并控制電磁閥和液晶顯示器 的工作，同時還可以將水表的數(shù)據(jù)存入 E2ROM進行永久保存并可通過串口送至表外的數(shù)據(jù)終端，大大地提高了該水表的智能化的功能。 圖 21 硬件總體框圖 IC 卡讀寫電路 Mifare 1 射頻 IC卡 Mifare 1 射頻 IC卡的核心是 Philips公司制造的 Mifare 1 IC S50 系列微晶片，其內(nèi)部包括1KB高速 EEPROM、數(shù)字控制模塊和一個高效率射頻天線模塊。卡片本身不帶電池供電，工作時將卡片放在讀寫器的有效工 作區(qū)域，卡片讀寫器的天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上的天線提供電源能量，其電壓可達 2V以上，足以滿足卡片上的 IC電路供電需要。在信道保證和數(shù)據(jù)完整性方面， Mifare 1 標準還提供了信道檢測、存儲數(shù)據(jù)冗余校驗、三次傳遞認證以及防沖突機制等功能，保證了數(shù)據(jù)交換過程的安全。 Mifare 1 射頻 IC卡的主要性能指標如下。 （ 1） 1KB的 EEPROM，分為 16個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為 4塊，每塊 16B，以塊為存取單位。 （ 2）每個扇區(qū)有獨立的一組（ 2個）密碼及存取權(quán)限設(shè)置。 （ 3）每張卡有唯一的 32位序列號。 IC 卡讀寫電路 AT89C51 記憶單電路 通信接口電路 液晶顯示電路 通信插座 Ic 卡插座 8 （ 4）具 有防沖突機制、支持多卡操作。 （ 5）無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路。 （ 6）數(shù)據(jù)可保存 10年，可反復(fù)寫 10萬次。 （ 7）工作頻率為 。 （ 8） 106kbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。 （ 9）讀寫距離最大可達 10cm（取決于天線設(shè)計）。 （ 10）工作溫度范圍： 20 +50。 C。 RC522 讀寫模塊 MF RC522 是應(yīng)用于 非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是 NXP 公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀 寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。 作為 高集成讀寫卡系列芯片家族的新成員， MF RC522與 MF RC500 和 MF RC530 有不少相似之處，同時也具備諸多特點和差異。 它與主機間的通信采用連線較少的串行通信，可選取 SPI、 I2C 或串行 UART(類似 RS232)模式之一，有利于減少連線，縮小 PCB板體積，降低成本。 IC卡內(nèi)部框圖 ，如圖 22所示 圖 22 IC 卡內(nèi)部示意圖 MFRC522支持 SPI、 I2C、 UART接口； (2)64字節(jié)發(fā)送和接收 的 FIFO緩存； (3) 4頁，每頁 16個寄存器，共 64 個寄存器； 9 具有硬件掉電、軟件掉電、發(fā)送掉電三種節(jié)電模式； （ 5） 支持 ISO/IEC 14443 TypeA 和 MIFARE174。通信協(xié)議； RC522的接口引腳和讀寫器模塊的電源端，接地端，具體的功能定義如下： （ 1） OSCIN ：晶振輸入 （ 2） IRQ ：輸出，用來指示一個中 斷事件。 （ 3） SIGIN ：信號輸入。 （ 4） DVDD ：數(shù)字電源 （ 5） AVDD ：模擬電源 （ 6） AUX1 AUX2：輔助輸出 （ 7） OSCOUT ：晶振輸出 （ 8） SDA :串行數(shù)據(jù)線 其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示 圖 23 RC522基本結(jié)構(gòu)圖 IC 卡讀寫電路的原理及說明 IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖 ，總體原理圖見附錄 1。 單片機 AT89C51 是本設(shè)計的核心器件，它主要完成了對射頻卡（ MIFARE 1 卡）的讀寫操作。 RC522讀寫器對射頻卡 10 進行讀寫后通過串口電平轉(zhuǎn)換電路將 RS－ 232電平轉(zhuǎn)換為單片機所識別的 TTL電平，或者使用 USB轉(zhuǎn)接線通信，從而達到了使用 AT89C51單片機來控制射頻卡的讀寫過程。 圖 24 IC卡與單片機硬件連接結(jié)構(gòu)圖 硬件電路由單片機模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊和 RC522讀寫模塊 3部分電路組成，其工作原理分別如圖 2圖 25所示。 讀寫器與 M1卡交換數(shù)據(jù)的過程： 1）由讀寫器 MCU（微控制器）發(fā)送指令給 MCM， 2） MCM執(zhí)行指令并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號發(fā)送給卡； 3）卡接收到來自 MCM的指令后，按指令完成其內(nèi)部的各種處理，并回送應(yīng)答信號 /數(shù)據(jù)給 MCM； 4） MCM接收卡回送的射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給 MCU，讀寫器 MCU讀取 MCM接收到的應(yīng)答 /數(shù)據(jù)，即可完成與 M1 卡的數(shù)據(jù)交換。 單片機 AT89C51 串口電平 轉(zhuǎn)換電路 IC 卡讀寫器 報警電路 Mifare1 射頻卡 11 圖 25 RC522通信模塊 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊選用圖形液晶顯示模塊 LCD1602，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號的點陣型液晶模塊。它由若干個 5x7或者 5x11等點陣個點距的間隔，起到字符間和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為 16 2既可以顯示兩行，每行 16字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 電源模塊 在一般情況下，液晶器件的驅(qū)動需要兩種不同的電源電壓，一種是 +5V(工 作電壓 )，另一種是 10V(背景光對比度調(diào)節(jié)電壓 )。 所以，使用液晶模塊時， 使用 USB(+5V)電源供電， IC卡接受模塊需要 +。 3. 系統(tǒng)各模塊軟件電路設(shè)計 IC 卡讀寫軟件設(shè)計 M1卡交換數(shù)據(jù)的過程： 1）由讀寫器 MCU（微控制器）發(fā)送指令給 MCM， 2） MCM執(zhí)行指令并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號發(fā)送給卡； 3）卡接收到來自 MCM的指令后，按指令完成其內(nèi)部的各種處理，并回送應(yīng)答信號 /數(shù)據(jù)給 MCM； 12 4） MCM接收卡回送的射頻信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出給 MCU，讀寫器 MCU讀 取 MCM接收到的應(yīng)答 /數(shù)據(jù)，即可完成與 M1 卡的數(shù)據(jù)交換。 IC 卡讀寫操作步驟 1）激活 MCM 2） MCM軟復(fù)位 3）向 MCM下載密碼（ LOAD KEY），校驗傳輸密碼正確后可向 MCM的 KEYRAM寫入用戶自己設(shè)定的密碼，以上操作與卡無關(guān)。 4）請求應(yīng)答（ ANSWER TO REQUEST）：尋卡 5）防沖突（ ANTICOLLISION）：選擇唯一一張卡 6）選擇標記（ SELECT）：激活所選擇的卡 7）認證 （ AUTHENTICATION）：安全性 8）讀寫操作（讀、寫、加值、減值）： 交換數(shù)據(jù) （ READ/WRITE/INCREAMENT/DECREMENT） 停止（ HALT）：置 IC卡為停止模式，防止重復(fù)操作 MIFARE 卡操作步驟 單片機控制讀卡器 RC522，對非接觸 IC卡進行讀寫的程序流程圖，如圖 31所示。 圖 31 單片機對 IC卡操作流程圖 開始 復(fù)位應(yīng)答 防沖突機制 選擇卡片 三次相互驗證 加值 減值 寫塊 讀塊 中止 13 液晶顯示控制驅(qū)動器指令集 本設(shè)計采用的是 LCD1602 液晶顯示，掌握液晶顯示主要掌握指令集，主要的 指令集如 表 31。 清除顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 將 DDRAM填滿 20H,并且設(shè)定 DDRAM 的地址計數(shù)器 (AC)到 00H 功能設(shè)定 0 0 0 0 1 DL X RE X X DL=0/1： 4/8 位數(shù)據(jù) RE=1: 擴充指令操作 RE=0: 基本指令操作 讀取忙標志和地址 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0 讀取忙標志 (BF)可以確認內(nèi)部動作是否完成 ,同時可以讀出地址計數(shù)器 (AC)的值 寫數(shù)據(jù) RAM 1 0 數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù) D7—— D0 寫入到 內(nèi)部的 RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 讀 RAM的值 1 1 數(shù)據(jù) 從內(nèi)部 RAM讀取數(shù)據(jù) D7—— D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM) 表 31 LCD1602 部分 指令集 1602液晶顯示模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（ CGROM）已經(jīng)存儲了 160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的字符、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 A的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時模塊把地址 41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ A“。 因為 1602識別的是 ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如“ A” 4. 結(jié) 論 本次設(shè)計是通過 51單片機控制 RC522系列讀寫模塊對 Mifarel IC 智能卡進行讀寫操作，控制液晶顯示等模塊，設(shè)計出使用戶先買水后用水的一種智能化水表，使水費收取工作邁向自動化。其設(shè)計主要包括 IC卡讀寫、液晶顯示、記憶單元、電磁閥控制 4個模塊。實現(xiàn)單片機對 IC卡的讀寫控制，以及卡信息的調(diào)用，以及液晶對 IC卡信息 的顯示，包括卡號以及卡的類型，每刷一次卡使得 IC卡的金額減一。對于水表的控制在設(shè)計中弱化了，用一個 led燈來代替。 14 參考文獻 [1] [2] 姚存治 智能水表及集中抄表的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2021 [3] 周航慈 .單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù) .北京航大出版 社 .2021 [4] 楊振野 .IC 卡技術(shù)及其應(yīng)用 .科學(xué)出版社 .2021 [5] 趙文博 .單片機語言 C51 程序設(shè)計 .電子工來出版社 .2021 [6] : ACTIVE 3V to Multichannel RS232 Line 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