单片机实例分享，射频卡流量监控系统

回想以前，学校浴室的收费标准是1.5元/次，每次可以持续洗一个小时，但是很多人洗澡的时间并不是很长，根本用不了一个小时，于是浪费水的情况便时有出现。我经常看到有些同学在浴室里洗衣服，所以这样的收费方式有滋生学生浪费习惯的弊端。为此我想到了通过改进浴室管理方案，修改计费方式，从而遏制大学生的浪费行为，这个系统可先在饮水机上进行测试。

我所在学校使用的“一卡通”是一张 IC 卡，用它可以到图书馆借书、到食堂就餐，学校还能通过IC卡获得使用者的详细信息等。我设想也可以利用IC卡对淋浴流量管理，每秒或者每几秒读取一次流量器的数据，再经过计算然后扣费，如果某个同学一直开启喷头，那么他一卡通内的钱也会随着流量的增加被更多地扣除。

(1)存储容量大。磁卡的存储容量大约在200个字符;IC卡的存储容量根据型号不同，小的有几百个字符，大的有上百万个字符。

(2)安全保密性好，不容易被复制，IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。

(3)IC卡具有数据处理能力。在与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠;而磁卡则无此功能。

(4)使用寿命长,可以重复充值。

(5)IC卡具有防磁、防静电、防机械损坏和防化学破坏等能力，信息保存年限长，读写次数在数万次以上。

(6)IC卡能广泛应用于金融、电信、交通、商贸、社保、税收、医疗、保险等方面，几乎涵盖所有的公共事业领域。

设计思路

通过单片机对流量计、射频卡、电磁阀等实施控制。单片机会按照流量，对射频卡内的信息进行修改(修改余额信息，对其他信息无影响)，单片机访问流量计的频率大约为3s访问一次，也就是，单片机每3s扫描一次流量计的数据，同时进行运算费用，然后修改射频卡内的信息(修改余额)。余额不足会通过12864液晶显示器显示。整个系统的设计框图如图19.1所示。

图19.1 整个系统同的设计框图

本系统的主控采用STC12C5A60S2单片机，该单片机是增强型51单片机，ROM高达61KB,运算速度是普通51单片机的8倍。STC12C5A60S2兼容51单片机的指令、引脚，而且该单片机具有A/D转换功能、高速低功耗、抗干扰等特点。电磁阀采用12V六分管通水电磁阀，直流持续式工作模式，工作压力在0.02～0.8MPa，介质温度在1～85℃。并且导体与非导体之间应能承受AC2500V电压，1min不击穿以及产生飞弧等现象。流量计采用六分管高精度水流量传感器，频率F=26×Q(Q表示流量，单位为L/min)，内径3.0mm，流量范围0.5～5L/min。射频卡采用RFID读卡模块和EHUOYAN IC卡。

本系统的设计分为3个具体实施阶段。

第一个阶段，如图19.2所示，识别IC卡，读取IC卡信息，检查余额，满足条件后打开电磁阀，准备读取流量计数据。如果余额不足，则产生提示。

图19.2 第一阶段

射频卡相关知识

IC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷;在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。

IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦式可编程只读存储器集成电路芯(EEPROM)来存储数据信息的。

作为电子货币的IC卡，其上记录有大量重要信息，安全性是很重要的，作为IC卡应用系统开发者必须为IC卡系统提供合理有效的安全措施，以保证IC卡及其应用系统的数据安全。影响IC卡及应用系统安全的主要方式有：使用用户丢失或被窃的IC卡，冒充合法用户进入应用系统，获得非法利益;用伪造的或空白卡非法复制数据，进入应用系统;使用系统外的IC卡读写设备，对合法卡上的数据进行修改，改变操作级别等;在IC卡交易过程中，用正常卡完成身份认证后，中途变换IC卡，从而使卡上存储的数据与系统中不一致;在IC卡读写操作中，对接口设备与IC卡通信时所作交换的信息流进行截听、修改，甚至插入非法信息，以获取非法利益，或破坏系统。常用的安全技术有:身份鉴别和IC卡合法性确认、指纹鉴别技术、数据加密通信技术等。这些技术采用可以保证IC卡的数据在存储和交易过程中的完整性、有效性和真实性，从而有效地防止对IC卡进行非法读写和修改。总体上，IC卡的安全包括物理安全和逻辑安全两方面。

物理安全包括：IC卡本身的物理特性上的安全性，通常指对一定程度的应力、化学、电气、静电作用的防范能力;对外来的物理攻击的抵抗能力，要求IC卡应能防止复制、窜改、伪造或截听等。常采用的措施有：采用高技术和昂贵的制造工艺，使之无法被伪造;在制造和发行过程中，一切参数严格保密;制作时在存储器外面加若干保护层，防止分析其中内容，即很难破译;在卡内安装监控程序，以防止处理器或存储器数据总线和地址总线的截听。

常用的逻辑安全措施有：存储器分区保护，一般将IC卡中存储器的数据分成3个基本区：公开区、工作区和保密区;用户鉴别，用户鉴别又叫个人身份鉴别，一般有验证用户个人识别PIN、生物鉴别。

卡片有着16个扇区，每个扇区包含4个数据块，每个数据块具有16byte的存储容量。扇区被定义为扇区0～扇区15，数据块被分为数据块0～数据块3，整个卡共有64个数据块。

每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。

第二个阶段，如图19.3所示，首先采集流量计数据，然后流量计产生的脉冲通过单片机计数。目前市场上常见的流量计是1L水共输出450个脉冲。1L水的质量是1kg，一个脉冲大概是2.2g水，利用单片机对脉冲数进行计数，每过一个脉冲扣除一定费用(单价×2.2即可)。实时监测IC卡内余额，如果余额不足，则触发单片机中断，等待关闭电磁阀，延迟1min后关闭电磁阀。

图19.3 第二阶段

第三阶段，如图19.4所示，监测IC卡状态，如果未识别到IC卡，则关闭电磁阀(防止使用者不关喷头直接拔卡)。

图19.4 第三阶段

制作过程

表19.1 制作所需材料

制作所需材料见表19.1，整个系统的电路图和PCB如图19.5所示。

图19.5 电路图和PCB图

PCB图是外加工的，需要注意的是，图中长方形白色框体是射频卡模块，尺寸可根据购买的射频卡模块尺寸进行修改。焊接电路板时，遵循“先贴片后插件，先低后高，先小后大”的原则，这样做会让你事半功倍，按照电路图焊接完成并通电之后的的系统可以进行简要的操作(见图19.6～图19.9)。

图19.6 驱动12864，没有用户，等待模式

图19.7 读到卡了，显示姓名、学号、钱包

图19.8 随着流量计脉冲个数增长，单片机进行计费，同时进行扣款操作，操作完毕显示当前余额

图19.9 用户移走卡，蜂鸣器长鸣一声，提示卡已移走

简单的测试之后，下位机就制作完成了，接下来就是进行上位机的编写，上位机(改变姓名、充值、初始化等操作依赖于模块)是用于改变射频卡信息的PC软件，我使用C#语言编写，第一次编写上位机软件，虽然界面很普通，但是功能还是比较完备的(见图19.10～图19.12)。

图19.10 没选择串口前所有的都是灰色表示不可操作

图19.11 选择串口后，按钮可操作更改框可以进行改写

此制作需要用到的射频卡通信设备(此设备需要和上位机搭配使用)如图19.13所示，设备上面黄色的纸是打印的，然后用双面胶贴上去，内部使用一个USB转TTL模块以及一个射频卡读写卡模块。

图19.12 单击读卡按钮后的显示

图19.13 此制作需要用到的的射频卡通信设备

程序部分

按照设计的流程图编写程序，由于程序过多，我不一一附上，只截取部分进行说明。下列程序是本制作要用到的命令数组、处理数组、显示数组等程序，也是上位机和下位机都需要的部分，需要注意的地方是，数组的个数和串口发送与接收命令的长度一定要搭配，否则会出错。比如某个命令的返回值的数组大小为10，如果我们在写串口中断处理函数的时候，没注意接收的个数，写成了9，那么处理函数会一直等待最后一个数，才满足跳出函数的条件，当然，你可以写个报错的函数，调试完成后关闭它。

//search card and get card serial number

uchar xdata ComSearchCard[5] = {0xAA,0xBB,0x02,0x20};// 寻卡，返回AA BB 06 20 92 BF 72 59 20

//read block No.x

uchar xdata ComReadBlock[13] = {0xAA, 0xBB, 0x0a, 0x21, 0x00, 0x08, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};// 读哪一块，第6位就是0x0几

//read block No.8

//uchar ComReadBlock6[13] = {0xAA, 0xBB, 0x0a, 0x21, 0x00, 0x06, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};

// write block No.8 with 0x01 to 0x0f

uchar xdata ComWriteBlock[29] = {0xAA, 0xBB, 0x1a, 0x22, 0x00, 0x08, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,//0xff 是密码

0x02, 0x00, 0x01, 0x01, 0x00, 0x07, 0x00, 0x01,//

0x04, 0x02, 0x04, 0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};// 要写的数据

//initialize block No.8 as a purse

uchar xdata ComIntiPurse[17] = {0xAA, 0xBB, 0x0e, 0x23, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,0xff, 0xff, 0x00, 0x00};//初始化钱包。分区5为钱包

//read purse value of block No.5

uchar xdata ComReadPurse[13] = {0xAA,0xBB,0x0a, 0x24, 0x00, 0x05,0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};// 读取分区5的钱包 返回4字节的数据

// purse in block No.5 increase with value“2”

uchar xdata ComIncrPurse[17] = {0xAA,0xBB,0x0e, 0x25, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, //增加钱包的余额

0x01, 0x00, 0x00, 0x00};//要增加的值

// purse in block No.5 decrease with value“1”

uchar xdata ComDecrPurse[17] = {0xAA,0xBB,0x0e, 0x26, 0x00, 0x05, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff,//扣费

0x01, 0x00, 0x00, 0x00};//要减少的值

提取数据的数组：

uchar xdata user_block8[12]={0}; //学号(8位)

uchar xdata user_card[4]={0}; //卡号

uchar xdata user_cash[4]={0}; //现金

uchar xdata user_name[6]={0}; //姓名

程序中有一个举足轻重的“指令选择”函数，由于程序太长，就不附上，有兴趣的朋友可以到我的QQ群下载。这个函数是一个带返回值的函数，整个系统的命令都由这个函数发出。下面的解释一目了然，以后如果需要升级本系统，在这个函数内部添加命令即可。

指令选择入口函数：

输入：j 1～8

输出：1或0

功能概述：

a. 确认返回数组的正确性(数组最后一个数据的异或校验以及数组的长度)。

b. 序号说明：

(1)寻卡，返回射频卡序列号;

(2)读取某个模块的值，返回16位数值;

(3)写某个模块，返回成功命令;

(4)初始化钱包，即定义制定射频卡分区为钱包返回成功命令;

(5)读取钱包的值;

(6)增加钱包的值;

(7)减少钱包的值;

(8)返回增加、减少后钱包的值。

由于这个制作的初步设想是在学校里使用的，因此价格基本稳定，就没有给管理员权限使用输入设备更改资费。更改资费需要改动源代码，当然，做成产品肯定需要设计输入设备，由于本次制作的用户就是我，所以就简化了。

更改资费的程序段如下：

EX0 = 0;

countflag = 0;//脉冲标志清零

feetemp = 0x01;//这里是扣的金额

feecount = feecount + feetemp;//计算使用总额，需要显示也可以显示的

ComDecrPurse[12] = feetemp;//写入扣钱金额

j = Command_choic(7);//100个脉冲减少一分钱

关于脉冲个数与消费金额关系的问题，在外部中断里去修改一下就好了，建议大家使用宏定义，直接在顶部修改。

count++;

if (count == 1) //这里更改脉冲个数

{

countflag = 1;

count = 0;

}

注：之所以使用双串口单片机是有原因的，因为一边要和模块通信，一边要打印出来数据观察是否正确，所以要使用两个串口，当然，此制作我用串口2与模块通信，这也是为什么用12C5A60S2的原因。

流量管理系统制作好了，现在就试着将它搭建到饮水机上进行测试。总的来说，就是先断开饮水机的水管，把电磁阀和流量计串连进去，再连接上即可。但连接的时候需要用一些胶布，以防止漏水，并避免饮水机发生漏电危险。

总结

此制作的射频卡读取模块，使用的是串口协议，它的所有命令都是以“AA BB”开头，最后一位数据是前面除开头以外的异或结果，串口收数据的时候本来就不知道收多长，这个版本的模块没有解决这个问题。例如，寻卡的命令是“AA BB 02 20 22”，“AA BB”为开头，22是前面02和20的异或结果。因此推荐大家使用其他协议，其他协议可以自己规定头和尾，检测的时候非常方便，当然也纯属个人意见。

单片机实例分享，反射式红外测速仪DIY

常用的测速方法

常用的测速传感器可输出脉冲信号，只要通过频率电压或电流转换就能与电压、电流输入型的指针表和数字表匹配。频率电流转换的方法有阻容积分法、电荷泵法和专用集成电路法，前两种方法在磁电转速仪中也有运用。专用集成电路大多数是阻容积分法、电荷泵法的综合。目前，常用的专用集成电路有LM331、AD654和VF32等，转换精度在0.1%以上;但在低频时，这种转换就无能为力。采用单片机或FPGA做F/D和D/A转换，转换精度在0.5%～0.05%，量程从0～2Hz到0～20kHz，频率低于10Hz时反映时间也会变长。

在显示精度、可靠性、成本和使用灵活性上有一定要求时，就可直接采用脉冲频率运算型测速仪。频率运算方法有定时计数法(测频法)、定数计时法(测周法)和同步计数计时法。测频法在测量上有±1的误差，低速时误差较大。测周法也有±1个时间单位的误差，在高速时，误差也很大。同步计数计时法综合了上述两种方法的优点，在整个测量范围都达到了很高的精度，万分之五以上精度的测量转速仪表基本都采用同步计数计时法。

反射式红外测速仪的设计

这里我们介绍一款实用的反射式红外测速仪的设计与制作。

反射式红外测速仪在测量物体运转速度时，首先向被测物体发射出红外线脉冲，利用被测物体表面的反射能力(可在被测物体表面粘贴白色的反射纸等)，使红外接收器收到光脉冲信号，然后通过光电转换电路将光脉冲信号转变为电脉冲信号，电脉冲信号通过放大和处理后，输入到单片机的计数控制门，与内部的标准表秒脉冲信号相比较，经运算后，通过显示器将被测物体运动的旋转速度显示出来。

红外探头的测量距离根据实际需要，可设计成近距离和远距离两类。近距离的探头可采用小功率发光管和光敏受光管。如果是远距离的测量，探头就可采用中、大功率的发光二极管或者是合适的激光二极管。

1.系统设计方案

图26.1为反射式红外测速仪的系统构成方框图，由单片机控制器、38kHz载频振荡器、红外线发射/接收电路、8×2点阵字符型液晶屏及工作电源等组成。

图26.1 反射式红外测速仪的系统构成方框图

2.转速测试原理

转速测试原理见图26.2。进入测试状态后，38kHz的载频振荡器起振工作，驱动红外发射管向外发射红外载频信号。单片机首先检测信号的边沿，当一个脉冲的下降沿到来时(图中A点)，计数器开始对脉冲计数，同时，单片机还启动定时器进行测试计时。当定时器计时到1000ms时(图中B点)，单片机发出一个准备结束本次测试的信号，这时程序又开始检测信号的下降沿，当下降沿到来时(图中C点)，单片机对脉冲的计数cnt及对测试时间的计时time完成。此时根据公式：转速=(cnt/time)×60000即可算出此时的转速。当计时到1300ms时(图中D点)，单片机输出显示，将测得的转速显示到液晶屏上。此次测试、显示完成后，又进入下一次的测试、显示，周而复始。

图26.2 转速测试原理

测速仪常用于电机、电扇、纸张、塑料、化纤、洗衣机、汽车、飞机、轮船等制造业中。依据对转速检测原理的不同，测速仪可分为以下几种类型。

离心式测速仪：利用离心力与拉力的平衡来检测转速，是最传统的机械式测速工具，测量精度一般在1～2级。

磁性测速仪：利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，通过旋转力与游丝力的平衡来检测转速。

电动式测速仪：电动式测速仪由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。磁性表头与小型交流电动机同轴连接在一起，小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，并驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速。

闪光式测速仪：闪光式测速仪可发出频率可调的脉冲闪光，利用人眼视觉暂留的原理对转动物体进行测速。除了检测转速(往复速度)外，还可以观测循环往复运动物体的静像。

电子式测速仪：电子式测速仪是以现代电子技术及计算机技术为基础而设计的，一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。

3.电路设计

反射式红外测速仪的电路如图26.3所示。单片机选择Atmel公司的ATmega48，负责整个测试系统的运行。IC2及阻容元件组成了38kHz的载频振荡器，其载频经VT1放大后驱动红外发射管IR向外发射红外线。IC4为38kHz的一体化红外接收头，它负责红外线的接收、放大及解调，它将解调出的脉冲信号送入单片机进行计数处理。IC5为液晶显示模块，使用了8×2的点阵字符型液晶屏(带背光)，形体较小，用于显示测试得到的转速。

图26.3 反射式红外测速仪电路图

整机供电使用9V积层单池，经稳压器IC5稳定为5V后，供单片机工作。笔者实际制作的发射、接收组件如图26.4所示，使用热熔胶固定。制作完成的样机上的液晶屏、电源开关及按键如图26.5所示，按键SB目前没有使用，作为备用，整机照片如图26.6所示。

图26.4 发射、接收组件

图26.5 液晶屏及控制按键

图26.6 反射式红外测速仪整机照片

主函数

void main(void)//主函数

{

uchar temp;//定义单字节无符号局部变量

float count,time,x;//定义浮点型局部变量

Delay_nms(400);//延时400ms，等待电源稳定

init_devices();//初始化单片机

InitLcd();//初始化液晶模块

display1();//液晶屏显示欢迎界面

Delay_nms(2000);//等待2s

display2();//液晶屏显示工作界面

DisFlag=1;//测速显示标志置1

while(1)//无限循环

{

WDR();//看门狗喂狗指令

if(DisFlag==1)//如果测速显示标志为1

{

time=(float)tx;//整数转成浮点数

count=(float)cx;

x=count/time;x=x*30000;//数学计算

DisVal=(uint)x;

/******将测得的4位转速值存放于显示缓冲区*******/

disx[3]=(DisVal/1000)%10;

disx[2]=(DisVal/100)%10;

disx[1]=(DisVal%100)/10;

disx[0]=DisVal%10;

/**********在液晶屏上显示转速值*********/

DisplayOneChar(4,1,disx[3]+0x30);

DisplayOneChar(5,1,disx[2]+0x30);

DisplayOneChar(6,1,disx[1]+0x30);

DisplayOneChar(7,1,disx[0]+0x30);

/**此次显示完成后，相关变量初始化，准备进入下一次的测试**/

DisFlag=0;WorkTime=0;

DisTime=0;

EndFlag=0;Start=0;cnt=0;

}

else//否则如果测速显示标志为0则进行脉冲取样

{

do{

temp=PIND&0x04;WDR();JS=1;//等待下降沿后下一次测试

if(Counter>1500)

{Counter=0;JS=0;DisFlag=1;cx=0;goto END;}

}while(temp==0x04);

BeginFlag=1;Start=1;GICR=0x40;

//重开INT0中断

END:;

}

}

}

4.软件设计

程序主要分为主控程序、液晶屏驱动程序和头文件三大部分，这样设计速度快、结构完善，并且也便于整个程序的装配。程序使用ICC7.14C集成开发环境编译。限于篇幅，这里仅介绍一下主函数，完整程序可以到QQ群下载。

调试与应用

本机唯一需要调整的是红外发射电路的38kHz载频，它关系到红外测速仪的使用灵敏度及可靠性。整机检查无误后通电，用一个10kΩ的多圈可调电位器代替R6，用示波器或频率计测R7电阻的任一端，细调电位器，使频率为38.000kHz，越准确越好。调好后，取下电位器，测出其阻值，用一个同阻值的固定电阻代替电位器，焊在R6位置。整机其他部分全是数字信号处理，因此只要器件良好，就无需调整了。

红外发射管需要套一个直径5mm的黑色热塑套管，并且与红外接收头稍微隔开一点距离安装，防止发射出的红外光直接进入红外接收头。当然也不能离开太远，以免降低接收灵敏度。

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