基于单片机的IC卡水表的设计学士学位论文 推荐.docx

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基于单片机的IC卡水表的设计学士学位论文推荐

基于单片机的IC卡水表的设计

摘要

智能IC卡水表是一种集计量功能和控制功能为一体的水量计量装置，是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、对用水量进行计量并能进行用水数据传递及结算交易的新型水表。

该水表的研发从根本上改变了自来水公司传统的工作方式，形成了先买卡充值再用水的服务模式，有效的避免了水费的流失、为降低自来水公司经营成本提供了先进的管理手段，解决了长期困扰供水行业的水费拖欠问题，更重要的是使公民的用水观念和供水部门的管理方式发生了根本改变。

本次设计的智能IC卡水表系统利用单片机AT89C51作为主要芯片，完成了充值、扣费、复位等功能。

显示部分采用LCD12864液晶显示器，能够支持汉字和数字输出，简单明了。

键盘采用矩阵键盘模块，输入方便。

IC卡采用了西门子公司的SLE4442逻辑加密卡。

设计结果表明，此系统设计容易，结构简单，造价低廉，维修方便。

本文详细介绍了系统的整体原理，分析了系统的硬件及软件设计，并制作了实物。

关键词：

单片机；IC卡；智能水表

Abstract

TheintelligentICcardwatermeterisakindofwatermeteringmeasuringfunctionandcontrolfunctionsofthedevice,istheuseofmodernmicroelectronictechnology,modernsensortechnology,'（newwatermetercardtechnologyofthewatermeteringandcanusedatatransferandsettlementoftransactions.Researchanddevelopmentofthewaterchangewatercompanythetraditionalworkingwayfundamentally,formedthecardtobuywaterservicemode,inordertoavoidwaterloss,providesadvancedmanagementmethodtoreducethewatercompanyoperatingcost,solvetheproblemofarrearsoflong-termproblemsinwatersupplyindustrywater,moreimportantistomakeafundamentalchangeintheconceptofwateruseandwatersupplydepartmentsofcivilmanagement.

ThedesignoftheintelligentICcardwatermetersystemusingsinglechipmicrocomputerAT89C51completerecharge,feededuction,resetfunctions.ThedisplaypartusingLCD12864liquidcrystaldisplay,cansupportChinesecharactersandthedigitaloutput,simpleandclear.Thekeyboardusingmatrixkeyboardinputmodule,convenient.ICcardusingSLE4442logicencryptioncardSiemensltd.Resultsshowthat,thissystemiseasytodesign,simplestructure,lowcost,convenientrepair.Thispaperintroducestheprincipleofthewholesystem,discussesthehardwareandsoftwaredesignofthesystemandcreatethephysical.

Keywords:

microcomputer；ICcard；Intelligentwatermeter

1绪论

1.1课题背景

科学技术发展的脚步越来越快，加快了资源的消耗，特别是人们日常生活必不可少的淡水资源。

淡水资源对国家的发展也是极为重要的，但是，我国是世界上人均淡水资源最为匮乏的几个国家之一。

目前在我国600多个城市中有将近400个城市出现了供水不足的现象。

节约水资源我们可以采取两方面的措施，一是加大力度研发和推广节水新技术；二是对用水进行更加科学的管理。

目前我国大部分城市居民使用自来水，都是在区域性水站供水基础上，逐步发展成为以单位住宅区或以楼栋、单元为一户由自来水公司抄表收费的。

此方式存在着工作量大，收费周期比较长，收费相对困难，效率低下等缺点。

这种经营模式已经跟不上社会发展的脚步了。

因此在某种意义上来说，加强用水科学管理成为了当前的首要任务。

随着社会经济的发展和人们生活水平的逐步提高，智能化电子产品已逐步深入到每户家庭，由此我们提出了IC卡智能水表的方案。

1.2传统水表

传统水表经历了慢长的发展时间，它对改善人们生活、促进科技进步起到了无法估量的作用。

直到现在依然被作为供水公司的主要经营模式。

1.2.1传统水表的主要结构

传统水表主要是由硬件构成的，采用固定方式确定的，这也是其能实现的功能比较单一。

此种水表只具有统计流量和指针显示用水量的功能，传统水表一般都具有输入信号接口、内部处理电路和实时显示三大部分。

1.2.2传统水表的主要特点

传统水表的主要特点就是自成体系，自我包容，用户无法对其进行更改。

传统水表的功能也比较单一，它只具流量的采集和机械指针显示用水量这鞋比较简单的功能。

而且，一台普通传统水表有相对独立的特性，因此不能与其他的水表设备进行互相通信，而且传统水表的局限性很大，只能用于现场测量，测量结果不能处理、存储、显示。

另外，传统水表还存在无法升级换代，开发周期过长、经费投入过大等缺点。

随着科技水平不断的发展提高，人们对传统水表也提出了更高的要求：

测量精度更高、可靠性好，自动化测量、实现智能化、小型化、使用更加的灵活方便、能够方便的进行升级，还要能同时对测量数据进行处理、存储和显示，必须要具有和其他设备进行数据通讯的功能。

这些新的高要求不但促使着要对传统水表进行不断地改进和发展，也必然会产生一种新型的水表——智能水表。

1.3智能IC卡水表

IC卡智能水表是一种利用现代传感技术、现代微电子技术、智能IC卡技术对用水量进行精确计量并将用水数进行据传递以及结算的新型水表。

1.3.1智能IC卡水表的主要特点

和传统水表相比，IC卡智能水表具有以下几个特点，也可以说是优点。

（1）以有效的解决一些技术上的问题。

随着水资源的日益紧张，国家将会逐步实行阶梯式水价等较为复杂的用水管理模式，这样可以有效地控制用水量，但是同时也对供水交易系统提出了更高的技术要求。

如果采用传统水表是无法解决这个难题的，而采用IC卡智能水表会很容易的解决这些问题。

（2）改变了老旧的抄表收费模式。

这种模式的改变其意义是巨大的。

国内城市规模在快速的扩大，居民户数也在迅速的增加，供水部门的工作量也会不断的加大。

继续采用传统水表将很难完成这项任务。

因此大规模采用智能IC卡水表技术已成为发展的必然，通过IC卡进行交易和结算，用户可以自主的决定交费的时间和金额，增大了用户的自主性，这是传统水表所不具有的。

（3）部门来说，可以实现先交费再供水的用水模式。

采用传统水表收取水费的做法需要很大的工作量，不仅效率低，而且费时费力，还可能遇到用户欠缴、迟缴或漏缴水费等问题。

供水部门也会因“先供水后收费”的经营模式而造成资金压力，更为重要的是，随着社会的发展，人们的家庭安全意识和隐私意识也随之增强，这就使得入户抄表和上面收费的做法逐渐受到抵制。

而使用智能IC卡进行交易结算，就可以轻易的解决这些可能引起纠纷的问题。

（1）的飞速发展，供水行业也必将需要更高的科技技术进行供水管理。

如果继续采用传统水表，这个跨越基本是无法实现的，而采用IC卡智能水表，将为运用计算机技术进行现代化管理奠定一个技术基础。

（2）统水表相比，IC卡智能水表具有成本低、可靠性高、使用寿命长及安全性好等优点，也不用担心高故障率问题。

IC卡智能水表的以上优点，这会使IC卡智能水表逐渐被社会所接受并成为一种基本的配置。

1.4IC卡的发展历史

IC卡是集成电路卡IntegratedCircuitCard的英文简称，有的国家内也将其称之为智能卡、智慧卡、微芯片卡等等。

我国在1993年正式启动以电子货币应用为重点的“金卡工程”。

于20世纪70年代诞生的IC卡，因其具有智能性及便于携带的特点开始在我国普及、发展，其发展势头相当强劲，成为我国开拓更广阔的电子市场的主要因素，从另一个方向带动了经济的增长。

虽然IC卡在我国的应用发展已经很快了，但是，目前我国IC卡的应用领域还远远不够广泛，应用深度也远不及发达国家。

随着智能卡行业的迅速发展和逐步成熟以及国家对智能卡行业的大力支持，国内IC卡的生产和应用展现出了突飞猛进的发展势头。

现在IC卡已广泛应用于金融、社会保障、交通、电信、旅游、商贸、以及银行账户管理等领域。

最早的关于IC卡的设想是由日本人提出的。

1969年12月本的有村国孝提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并在1970年获得该项的专利权，但那时叫ID卡IdentificationCard而不是IC卡。

第二代IC卡是由法国的罗兰·莫雷诺RolandMoreno在1974年发明的带集成电路芯片的塑料卡片，并且取得了该项的专利权，这就是早期IC卡发展过程。

第三代IC卡是法国布尔Bull公司在1976年研制出世界第一枚真正意义上的IC卡。

第四代，在1984年由法国的PTT与国际电工委员会的联合技术委员会联合为之制订了一系列的国际标准、规范，在某些意义上极大的推动了IC卡的发展。

本次设计，我要通过对SLE4442卡的应用来实现一个简单的IC卡智能水表的设计，为我们的日常用水提供方便。

1.5研究内容

在IC卡插入水表后后，系统通过LCD12864显示金额，利用键盘输入可以选择充值还是用水，开启用水功能后能实现1元/s扣除金额，操作完成后LCD12864可以实时显示余额，并且可以通过加密码（111111）来进行充值。

本次设计主要完成内容如下：

（1）基于AT89C51单片机完成IC卡智能水表的设计

（2）用PROTEL软件完成电路原理图的绘制

（3）利用KEIL设计软件的程序

（4）制作出实物

2IC卡水表的整体设计

2.1系统的功能说明

IC卡智能水表系统座位供水公司收费的终端，根据不同的使用环境应该具有以下功能：

（1）消费阶段就是能够实现扣费用水功能，属于正常使用阶段。

IC卡插入智能水表之后，系统能够读取IC卡内的金额并进行显示，按下消费键系统会自动开启用水功能，智能水表会将卡内的金额按1元/s扣除，显示器实时显示可用余额。

（2）充值阶段，按下充值键再输入密码后可用按键输入充值的金额，充值完成后智能水表自动将此次充值金额加入卡中。

并通过显示屏显示IC卡中充值后的余额。

2.2系统总体方案设计

本水表电路的硬件设计原则是在低功耗的前提下，实现多功能。

系统硬件电路由IC卡读写电路、液晶显示控制电路、脉冲提取电路、安全保护电路、记忆单元电路、通信接口电路组成，以AT89C51为核心控制芯片，完成整个水表信号的读、写处理，监控水表工作的功能。

该CPU芯片内置4K的程序存储器，有32个多功能的I/O口，具有多个可编程的中断I/O口和数据串行通信口。

并且，该芯片功耗低，特别适用于水表控制线路多、功能全、功耗低的要求。

它能方便地读取IC卡的数据控制液晶显示器的工作，同时还可以将水表的数据存入E2ROM进行永久保存并可通过串口送至表外的数据终端，大大地提高了该水表的智能化的功能

根据所述智能水表的功能特点，智能水表系统需要完成数据的输入、显示和处理三种功能，整个系统的结构框图如图2.1所示

图2.1系统的结构框图

由系统的总体结构框图可以看出，IC卡智能水表系统主要包含控制系统、键盘输入模块、IC卡接口模块、报警模块和复位模块组成。

通过这些模块的协调工作可以完成智能水表的相应功能。

2.2.1IC卡选择

1、根据IC卡的读写特点，可以将IC卡分为两大类，一类是接触型IC卡另一类是射频卡。

下面来说明一下两种IC卡的特点：

（1）射频IC卡表面上没有金属触点而是在卡的内部设置了天线，射频卡处在读卡器一定距离内时，读写卡器就可以通过发射射频信号对IC卡进行读写操作。

（2）接触型的IC卡的表面上有6个或8个金属触点，只有在IC插入读写器内后，金属触点与读卡器进行接触，在微处理器的控制下才能够完成的读写操作。

2、根据IC卡的内部结构，又可以将IC卡分为存储卡、逻辑加密卡和CPU卡三大类。

我们只介绍存储卡和逻辑加密卡。

（1）存储卡的容量跨度很大可以从几十字节到几千字节不等。

存储卡有很多优点，例如：

操作便捷、快速读写，长时间存储信息等等。

但是存储卡不具备加密功能，因此存储的数据可能很容易地被读出，所以这种卡的安全性较差。

（2）逻辑加密卡的内部设有逻辑加密电路，因此只有在输入密码正确后才能进行数据的改写，否则只能读取数据而不能对数据进行改写。

由于具有较高的安全性，这种卡常常被用于对信息保密性要求较高的领域，涉及到金融等方面非常适合选用这种IC卡。

综合两种IC卡的特点，IC卡智能水表系统选用西门子SLE4442逻辑加密型IC卡进行数据的存储和身份的识别。

2.2.2键盘选择

单片机系统中经常使用的键盘大致可以分为以下两种。

（1）独立型按键的一脚通过电阻接电源或者接地，而另一脚接到单片机的I/O口上。

在按下按键和没有按下按键时I/O口电平刚好是相反的。

独立型按键的特点就是按键电路配置灵活，识别按键的状态比较简单，编写程序也相对简单，但是独立型的每一个按键需要独自占用一个I/O口，会使I/O口的利用率下降，如果按键数量很少，或者单片机有很多I/O口剩余的时候是可以采用这种设计的。

（2）矩阵式键盘由行线和列线所构成的。

按键位于行线和列线的交叉点上，一个4*4的矩阵式行列线结构就可以构成一个含有16个按键的矩阵式键盘。

将按键放置在行线和列线的交叉点上，按键开关的两端分别接到行线和列线上，平时当没有按键操作的时候，列线将会处于高电平状态；而当有按键按下时，行列线就会导通，列线的电平也会由此连接在一起，每个按键的操作与否控制着该按键所在行列线的电平变化，这样行列线配合起来进行适当的处理，就可以确定按键的位置。

与独立式键盘相比，矩阵式键盘的优势在于可以节省很多I/O口，适用于按键数量较多的场合。

综合考虑实际使用的情况即IC卡水表的设计情况，本设计刷完数据输入采用矩阵式键盘进行。

由于有0到9十个数字键，再加一些功能键，因此采用4*4矩阵键盘。

2.2.3显示器的选择

有两种可供选择的显示器，一种是HJ1602液晶显示屏，一种是LCD12864液晶显示屏。

HJ1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符，但是只能显示字母、数字和符号；LCD12864液晶显示屏显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形。

总结：

在编程和使用方面，两者难度比较近似，原理也相差不多，都是写指令、写数据、写地址、等等。

但是12864液晶屏显示更加全面，相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能，也更加符合本次设计所需，因此我们选择LCD12864液晶显示屏作为本次设计的显示器。

3系统各模块硬件电路设计

本次设计的IC卡水表系统硬件主要由以下几个部分组成：

（1）AT89C51单片机作为主控制电路

（2）SLE4442智能IC卡，及插卡电路

（3）LED指示电路

（4）矩阵键盘输入电路

（5）LCD12864液晶显示电路

（6）报警电路

（7）5V的电源电路

3.1Protel电路原理图设计软件

在设计硬件电路之前我们需要了解将要使用的protel制图软件。

ProtelAdvanced　Schematic，即高级电气原理图用于进行电子产品的电学设计。

完成整个电子产品设计过程中电工、电子学阶段设计，包括功能设计、逻辑设计、电路设计。

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。

在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。

想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。

2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。

AltiumDesigner6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。

AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

这款最新高端版本AltiumDesigner6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。

AltiumDesigner6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。

Protel99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。

Protel99是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。

所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

Protel99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel98大体相同，新增加了一些功能模块。

Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。

Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么”帮助。

按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。

现在可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。

所有Protel99设计文件都被储存在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。

在Protel99中与设计的接口叫设计管理器。

使用设计管理器，可以进行对设计文件的管理编辑、设置设计组的访问权限和监视对设计文件的访问。

组织设计文件过去组织和管理40个或更多的原理图、PCB、Gerber、Drill、BOM和DRC文件，要花费几天的时间，而Protel99把设计文件全部储存在唯一的设计数据库。

在设计数据库内组织按分层结构文件夹建立的文件显示在右边的个人安全系统设计数据库有一文件夹叫设计文件，这个文件夹中是主设计文件（原理图和PCB），还有许多的子文件夹，包括了PCB装配文件、报告和仿真分析。

这里对在设计数据库中创建文件夹的分层深度没有限制。

设计数据库对存储Protel设计文件没有限制你能输入任何类型的设计文件进入数据库，如在MSWord书写的报告、在MSExcel准备的费用清单和AutoCAD中制的机械图。

简单双击设计数据库里的文件图标，在适当的编辑器打开文件，被更新的文件自动地保存到设计数据库。

MSWord和Excel文件可以在设计管理器中直接编辑。

提示：

在文件夹上单击右键会显示浮动菜单，然后选择在设计数据库新建文件。

在综合设计数据库中用Protel99的设计管理器管理设计文件是非常轻松的。

设计管理器的工作就象MSWindows的文件管理器一样，可用它来导航和组织设计数据库里文件。

使用设计管理器在设计数据库创建分层结构的文件夹，使用标准文件操作命令来组织这些文件夹内设计文件。

设计管理器的心脏就是左边的导航面板。

面板显示的树状结构是大家熟悉的Protel软件特性。

在Protel99中，这个树不仅仅显示的是一个原理图方案各文件间的逻辑关系，它也显示了在设计数据库中文件的物理结构。

在导航树中活跃的文件夹是PCB装配文件夹。

如同Windows文件管理器，设计管理器在右边显示这个文件夹的内容。

Protel常用操作：

（1）调用画图工具View－》Toolbars－》Customize

（2）在移动元件时按空格可旋转元件

（3）找元件时要参照对元件库的描述，Converter含有AD、DA等

（4）将文件直接放在数据库根目录下

电气连接网络表是把设计结果向其他EDA工具传输的最主要数据形式。

ADV、SCH包含两个独立的编辑器，即电气原理图编辑器和电气图形符号库编辑器。

1、电气原理图编辑器（Schematic　Sheet　Editor）电气原理图编辑器是Adv　Sch软件包中主要处理器，用于制作、编辑、检查和打印符合电气设计方案的信息，包括图纸、图表及设计数据文件。

编辑器中含有：

生成电气连接关系网络表、进行电气设计规则检查、制作出设计报告和打印高质量图纸等一系列设计活动所需的软件工具。

2、电气图形符号库编辑器（Schematic　Library　Editor）电气图形符号库编辑器简称库编辑器是ADV、SCH软件包中另外一个文件处理器，用于制作、编辑和管理元器件的图形符号库。

库编辑器的基本操作和功能大致和原理图编辑相同，只是附加了专用于制作元件和进行库管理所需的工具。

3、设计特点：

（1）强大和完备的设计、表达能力

（2）良好的开放性

（3）强大的设计自动化功能　

（4）丰富而又灵活的编辑功能　

（5）在线式编辑及完善的库管理　

（6）原理图和PCB图之间动态连接　　

（7）满足国际化设计要求　

（8）完备的输出系统

3.2单片机部分

适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。

（1）单片机的CPU是否有相对应的处理能力

（2）单片机片内是否有系统设计所需的外接口

（3）单片机是否有系统所需要的