基于单片机的公交车IC卡操作系统的设计

摘 要
伴着电子科技及通讯学科的高速成长，信息化时代已经到临，海量的智能型产品已经陆续为人们所用。其中公交IC卡越来越成为大众所关注的应用产业。很多公众场所譬如公交系统已经陆续使用了智能IC卡系统作为自己的消费管理系统，这样大大简化了用户的操作流程，同时也提高了其服务质量。因此对公交车IC卡操作系统的研究变得尤为紧要。
本文利用 STC 公司的 STC89C52 型单片机芯片驱动整个系统，将PHILPS公司的S50卡当作其信息的载体，同时以NXP公司的MFRC522芯片作为IC卡读写核心。整个系统能够实现和模拟公交车IC卡刷卡系统的流程和功能，同时了解和学习了射频识别的相关知识。整个系统的电路主要包含单片机的最小系统电路、MFRC522读写模块、与上位机的通讯模块以及一些外围的基本电路。整个设计最终达到预期目标和要求。
关键词: STC89C52，MFRC522，射频识别，公交IC卡

第二章 总体设计

2.1 总体方案的设计与实现
2.1.1 主要设计的内容
1.乘客可以通过公交车上面的刷卡机器来进行日常乘车的刷卡消费，或者是通过公交充值室里面的刷卡机由专人对其IC卡进行充值；乘客在乘车刷卡的时候，在刷卡的同时自动减去1元钱的车费，同时将余额写入乘客的IC卡中，当IC卡里的余额小于10元钱时，刷卡机能发出声光警报来告诉乘客尽快去充值。并具备自动统计营收功能和与上位机的通讯功能。
2.能够自动连续的对多个IC卡进行刷卡，能够识别非本公交系统中的IC卡，同时发出相应的警报提示。
3.能够对整个系统的各个电路有深刻的理解和认识，自主设计出整个设计的硬件电路图和软件流程图。
2.1.2 系统的总体设计
公交车IC卡操作系统作为一个多模块，多功能的庞大的体系，整个体系须要多个模块电路来支撑。本设计主要能够实现能对IC卡进行消费和充值的功能，支持液晶电路进行实时状态显示和蜂鸣器电路的声光报警，同时还能够与上位机进行通信。基于上述功能的描述和设计内容 设计出了如图2.1的基于单片机的公交车IC卡操作系统的总体设计图。图2.2为整个系统功能实现的流程图设计。

图2.1总体设计框图

图2.2 系统整体流程图

第三章 系统硬件电路的设计

3.1 单片机最小系统模块
3.1.1 主控芯片
本设计中使用的主控芯为STC89C52，STC89C52是STC公司制造的一类能耗很低但是却具有很高地性能的CMOS8bit的MCU。STC89C52使用51内核，但在其基础上做了很多改进。STC89C52拥有8 位CPU 和SPI Flash。下面是STC89C52的引脚图和实物图。

图3.1 STC89C52RC引脚图

图3.2 STC89C52RC实物图
STC89C52单片机芯片有四组通用的八为相互I/O口，其中P0口也当作地址总线和数据总线地复用接口，分时复用为地址总线地低八位和数据总线，一般需要外接上拉电阻；P2口也作为地址总线的高八位；P3口除了作为I/0口之外还有第二功能。
3.1.2 复位电路
单片机CPU上电的一瞬间如果直接工作可能会导致CPU指令执行发生错误，这时便需要单片机的复位电路。单片机的复位电路是为了在单片机CPU通电的一瞬间保持一小段时间的复位状况。STC89C52单片机的复位信息是由单片机的9号管脚（RST）输送给单片机内部的Schmitt trigger当中。只有当整个单片机处于正常的工作时序时，这时如果给RST管脚加上一个维持2个以上的机器周期时长的高电平，单片机的CPU便可以达到复位。
如下图所示为本次设计的单片机的复位电路。当通电的一剎时，由于此时可以看作交变电流，故 C11可以当作导线，此时的电源电压全都负载在R13上，使得RST管脚变为高电平，开始复位。随着时间的推移，C11开始充电，电压开始慢慢的加在C11上，当C11充电完成，其两端的电压可以看作5V，这时，RST管脚的电压便成为低电平，复位完成。通过控制C11和R13的参数，可以控制整个复位持续的时间。添加按键是为了达到手动复位的效果，当按键按下时，由于R60阻值远小于R13，相当于之前的上电时的情景。

图3.3 单片机复位电路
3.1.3 晶振电路
单片机工作是需要时钟电路提供工作所需的时序，本设计采用的是单片机的内部时钟方式。如下图在MCU的19脚跟20脚之间连上由11.0592MHz的晶体振荡器和20pF的电容构成的电路，这样能够与MCU内部的硬件模块一起形成一个稳固的自发振荡器，达到振荡产生时序的效果。

图3.4 单片机晶振电路

第四章 系统软件功能的设计

4.1 主程序的设计
公交车的IC卡操作系统作为一个繁杂的代码实施过程，不仅需要主函数的实施，同时还需要调用各个子函数来辅助主函数的实施。开机之后，系统进行初始化，在还没有寻到IC卡时显示器上显示开机界面，当寻卡成功后，进行防冲撞处理并选定卡片、验证卡片和密码成功后显示卡号，之后便可以根据按键扫描到的按键进行具体的按键功能处理。主程序流程如图所示。

图4.1 主函数流程图
4.2 键盘程序的设计
4.2.1 按键检测函数
本系统采用4*4的矩阵按键，其引出的8条导线连在单片机P2口上。按键检测的流程如图所示。

图4.2 按键检测函数流程图

第五章 系统仿真与调试

5.1 仿真软件
本系统在软件上进行仿真时用仿真软件为Proteus，Proteus软件是由Lab Center Electronics公司推出的一个电子设计自动化（EDA）软件。该软件不仅能够像其他仿真软件一样进行仿真，而且它能够对单片机进行很好的软件仿真，同时还能够建立仿真模型并进行PCB的设计。它能够支撑多种单片机的仿真，除了传统的51、52系列的单片机，它还囊括了像HC系列 、PIC系列、AVR、ARM、和MSP430等，2010年又新增了像 Cortex和DSP 系列的单片机。在软件编译器方面，它也能支持 IAR、Keil以及 MPLAB等多种编译软件。
5.2 软件仿真流程
由于读卡芯片MFRC522在Proteus上无法仿真，故在软件仿真时利用一个独立键代替IC卡读取和写入过程，仿真整体电路图如下：

图5.1 整体电路图

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