高速公路自动发卡控制器.docx
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高速公路自动发卡控制器
本科毕业论文
题目：
高速公路自动发卡控制器
设计
院（部）：
信息与电气工程学院
专业：
电气工程与自动化
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：
目录
摘要·································································Ⅲ
ABSTRACT····························································Ⅳ
1前言
1.1高速公路自动发卡机的背景和意义·······································1
1.2高速公路自动发卡技术的发展趋势·······································1
1.3高速公路自动发卡系统的方案探究和硬件设计要求·························2
1.4本文的主要研究内容和设计流程·········································2
2非接触式IC卡的介绍
2.1概述·································································4
2.2非接触式IC卡的技术原理··············································4
2.3收费介质的选择－非接触IC卡的优势····································4
2.4非接触式IC卡的应用···················································5
3硬件设计
3.1单片机模块设计·······················································7
3.1.1单片机的选择························································7
3.1.2单片机模块设计······················································8
3.2读写模块设计·························································9
3.2.1芯片选择····························································9
3.2.2电路设计···························································10
3.3存储模块设计························································12
3.4时钟模块设计························································13
3.5RS232控制接口设计···················································14
3.6电平控制接口设计····················································17
3.7电源模块设计························································19
3.8其他外围硬件设计····················································20
3.8.1指示灯设计·························································20
3.8.2语音设计···························································20
3.9自动发卡机机械结构简介··············································21
4软件设计
4.1自动发卡机整体模块设计··············································22
4.2RS232通讯模块设计···················································24
4.2.1PC机与单片机之间的通信设计········································24
4.2.2单片机与发卡机的通信设计···········································28
4.3读写模块设计························································30
4.4时钟模块设计························································32
4.5存储模块设计························································34
5系统调试····························································37
谢辞·································································38
参考文献·······························································39
附录·································································40
摘要
随着车辆数的不断增加，高速公路人力收费效率低的问题日益凸现，并影响到道路的畅通和正常运行。
本文设计了一种高速公路自动发卡设备，论文内容主要包括硬件和软件设计。
硬件部分以89C51单片机为核心，控制TCD-720M/800M发卡器实现射频卡片吞吐，配以RC500作为射频接口芯片和合适的天线设计实现对卡片的读写操作。
系统还扩展了DS1302、MAX232等芯片实现实时时钟、系统通讯等功能。
软件规划了系统主流程图，实现了各自程序的功能设计。
本系统可实现按键自动发卡，同时将实时信息写入卡片并计入系统非易失性存储器。
系统可以在很大程度上缓解交通压力，给高速公路工作人员收费带来很大的方便。
关键词：
89C51单片机；射频卡片；天线设计；非易失性存储器
DesignofAutomaticCardControllerExpressway
ABSTRACT
Withtheincreaseofthenumberofcars,efficiencyofHighwaytollisbecomingmorelow,anditaffectsthesmoothflowofroad.
ThispaperintroducesadesignofHighwayautomaticcardequipment,themaincontentsincludethedesignofhardwareandsoftware.Thehardwareparttakes89C51microcontrollerasthecore,whichcanachievethroughputofRFcardbycontrolcardsender.ThesystemusesRC500asRFchipwhichcanrealizereadandwriteprocess.ThispaperalsoextendstheDS1302，MAX232chiptorealizethereal-timeclock，systemcommunicationetc.Thesoftwaredesignofthemainflowchartwhichcanrealizeeachfunction.
Thesystemautomaticallysendsthecardwhenthebuttonispressed,whileinformationwillbewrittentothecard.Thesystemcaneasethetrafficpressureintheverygreatdegree,whichbringsgreatconveniencetothestaffcharge.
Keyword：
89C51microcontroller；RFcard；Antennadesign；non-volatilememorizer
1前言
1.1高速公路自动发卡机的背景和意义
近些年来，随着国民经济的发展和车辆数量的不断增加，高速公路收费站在车流量较大的情况下时常出现拥堵。
这不仅增加了收费站车辆的延误时间，而且增大了车辆的运行成本，还增加了汽车尾气的排放。
如何利用先进技术解决大车流量下高速公路出入口车辆堵塞，提高高速公路的通行效率，减少人力成本，降低收费员的劳动强度，已成为高速公路收费管理系统建设工作和社会各方面密切关注的焦点，国内福建、江西、四川、山东等省部分高速公路运营单位均先后尝试采用了IC通行卡自动发卡机收费技术，并收到了良好的效果。
相对于传统手工收费模式，采用IC无人值守自动发卡机在运营管理上的优势十分明显。
主要体现在：
（1）入口人员取消，节约人员费用。
每个入口车道可减少几名收费员，从而减少直接费用。
（2）自动完成发卡全部工作，发卡机完成读写、计数、发出动作，大幅度提高了效率，在减少相关配置人员的同时，也减少了卡的污损和丢失。
（3）降低管理成本，改善运营环境，提高管理水平。
IC卡在车道间直接周转，避免收费员与管理员之间的人工交接，减少了工作量，缩短了交班时间，系统通过设备管卡，避免了各种人为因素的影响，进而消除了丢卡、作弊的可能。
（4）实现车道间卡的直接周转，大量减少系统用卡量。
IC卡在车道间直接周转使用，当班可多次循环，加快卡的周转，提高利用率，节省大笔购卡费用，经济效益显著。
（5）服务质量客观，不受人为因素影响，卡机全天运转，不休息，不换班。
（6）成为现代化高速公路的靓丽风景，整洁规范，具有良好的窗口形象。
（7）取消收费亭、收费岛，可以绿化、美化环境。
（8）在加快高速公路入口通行能力的同时，可以将原入口的人员补充到新增出口，或者把主要精力放到闲置外场车流引导上，缓解通行压力。
1.2高速公路自动发卡技术的发展趋势
自动发卡装置是在高速公路快速发展需要的情况下应运而生，也是国家大力倡导的高速公路不停车收费发展过程中的一段和以后全自动收费的一个重要组成部分。
目前我省及全国都处于高速公路建设高峰时期，自动发卡装置在省内市场广阔，在省外
及全国推广，前景可观。
从收费管理工作本身来说，自动发卡装置对外起到一定的堵漏功能，对内节约开支也有其增收作用。
高速公路收费站自动发卡装置的开发应用，是社会发展的需要，是高速公路收费站必不可少的设备，也是符合科学发展观要求而应运而生的新产品。
1.3高速公路自动发卡系统的方案探究和硬件设计要求
本次设计基本思路构架如下：
车辆驶入入口车道，车道的到达线圈检测到车辆的驶入，同时语音提示司机按键取卡，发卡机把信息录入卡片，司机按自动发卡机上的发卡键后取卡，自动栏杆抬起，车辆驶过离开线圈后自动栏杆落下，车道控制机生成入口相关数据，完成发卡过程。
这次设计对硬件设计的基本要求：
·采用非接触式IC卡作为识别介质；
·内置232或485总线接口；
·内置时钟芯片；
·手动按钮发卡并完成卡片初始化；
·可使用通讯控制发卡器发卡；
·使用非易失性存储器存储发卡记录；
·可导出发卡记录
·工作状态指示。
1.4本文的主要研究内容和设计流程
针对目前大部分高速公路收费系统存在的系统收费介质落后或依靠人力导致高速公路运行欠流畅而且浪费人力资源的问题，本文提出了一种以非接触IC卡为收费介质，通过自动发卡机自动发卡的系统的设计与实现方法。
本系统所使用的技术对其它使用非接触IC卡为收费介质的其它交通收费系统也有一定的借鉴意义。
在这样的框架结构和设计思想的指导下，本文的主要研究内容是：
（1）针对现有大部分高速公路收费系统的不足之处，阐述一种以非接触IC卡为收费介质的新型自动发卡系统设计，提出设计方法。
（2）系统需要对自动发卡机设备的软硬件进行设计。
以非接触IC卡读写技术为核心，构建一种性能可靠，具有较高性价比的高速公路自动发卡系统，从而更好的提高高速公路运行的流畅性。
本次设计拟定研究流程为：
（1）确定设计方向，了解高速公路自动发卡机的使用情况，确定自动发卡机带来的效率，确定自动发卡机的设计方向。
（2）文献查阅，阅读国关于自动发卡技术的相关文献，IC卡读写技术资料，计算机数据库等书籍。
（3）完成设计，系统设计包括两方面：
一方面确定系统的硬件组成和工作流程；另一方面进行专用设备的软硬件设计。
（4）高速公路自动发卡系统软件编程、调试。
2非接触式IC卡的介绍
本课题的研究目的是设计一种以非接触IC卡为收费介质的高速公路自动发卡机，改变目前高速公路管理中管理系统成本过高、浪费人力，可靠性差、技术落后的局面，以先进的技术和较低的成本提高高速公路管理系统的整体水平和服务档次，从而达到提高高速公路收费效率和车辆行驶的畅通。
2.1概述
RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
RFID技术具有读写快、读写距离大且无需光学可视的特点，而且可以实现多目标和移动目标的识别。
RFID技术的这些优点，使其在工业自动化领域中得到了广泛的应用[1]。
2.2非接触式IC卡的技术原理
2.2.1工作原理
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IC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；在这个电荷的另一端，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它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据。
2.2.2发射原理
非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作。
二者之间的通讯频率为13.56MHZ。
非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:
一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作。
另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成一次读写操作。
读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域。
2.3收费介质的选择－非接触IC卡的优势
在这里对接触式IC卡和非接触式IC卡对比介绍：
接触式IC卡。
相对磁卡安全可靠（数据加密存储，加密读写），数据存储容量大，可以一卡多用，可靠性及寿命比磁卡高，读写机构比磁卡读写机构简单，造价便宜，维护较方便。
但是成本略高，由于触点外露而容易导致污染、损伤及静电损毁。
多次读写时会造成触点磨损损坏，卡本身寿命较低。
用户使用时需要将IC卡插入读卡器插卡口中才能实现读写过程，造成系统对卡的识别时间较长。
非接触IC卡。
与接触式IC卡相比较,非接触式IC卡具有以下优点：
（1）可靠性高。
非接触式IC卡与读写器之间无机械接触,避免了由于接触读写而产生的各种故障,既便于卡片的印刷,又提高了卡片的使用可靠性；
（2）操作方便、快捷。
由于非接触通信,读写器在100mm范围内就可以对卡片操作,所以不必插拔卡,而且非接触式IC卡使用时没有方向性,大大提高了每次使用的速度；
（3）防止冲突。
非接触式IC卡中有防冲突机制,能防止卡片之间出现数据干扰,可以“同时”处理多张非接触式IC卡,提高了应用的并行性,无形中提高了系统工作速度；
（4）可以适应于多种应用。
非接触式IC卡的存储器结构特点使它一卡多用,能应用于不同的系统,用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件；
（5）加密性能好。
非接触式IC卡与读写器之间采用双向验证机制和三次相互确认,卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件,而且具有传递数据加密,传输密码和访问密码保护。
除了上述优点,在一些条件恶劣,干扰很大的环境里,非接触式IC卡更具有突出的优点。
由于其完全封闭的封装形式,不仅可以防止由于粗暴插卡,非卡外物插入,灰尘和油污等导致接触不良,而且具有防水汽、防静电、防震动和防电磁干扰的优良特性。
2.4非接触式IC卡的应用
正是由于非接触式IC卡具有突出的特点及接触式IC卡所无法比拟的优越性,使得其在许多恶劣的环境和不适合接触式IC卡应用的条件下,有着极广泛的应用前景。
以下就简要介绍几种典型应用。
公路自动收费系统。
该系统在公路收费站设有寻呼器、自动跟踪摄像机及信息综合处理系统,汽车上装有非接触式IC卡作为公路付费卡,付费卡中存储着驾驶员信息、车辆信息、有关帐户或金额,该系统具体的工作过程为:
（1）汽车以一定速度驶入寻呼器工作区,付费卡接收到寻呼器的无线号；
（2）付费卡根据收到信号处理通行费用,将反馈信息发射给寻呼器；（3）寻呼器检查接收到的反馈信息进行判断,如果收费正常则放行,否则启动自动跟踪摄像机拍下该车牌照并将与其有关的信息一起传输到信息综合处理系统。
与现行的多数公路收费系统相比,该系统具有以下特点:
不停车收费加快了费速度提高了公路利用率;工作安全可靠;管理简单,统一收费,避免乱收费和现金交易;为今后的智能公路车辆管理系统打下了良好的技术基础。
公共汽车自动售票系统。
世界各国一直在寻找一种能较好地完成公共汽车自动售票的技术系统,通常接触卡收费系统的缺点为:
（1）收费速度太慢且因不能并行收费而导致上下车堵塞,这不仅使公共汽车公司因减少运营次数而蒙受不必要的损失,更使乘客怨声载道;；
（2）频繁的机械接触使车上读写设备非常易于损坏,造成维护费用过高和过于频繁,从而大大影响正常运营；（3）因为车辆晃动剧烈,经常造成收费误操作,甚至损坏收费卡或收费设备；（4）车辆内部环境较差,导致收费卡及收费设备经常不能可靠工作。
非接触式IC卡收费系统则能很好地解决以上问题,不仅具有防灰尘、防水汽、防震动、防静电、防电磁干扰等特性,而且其防冲突机制可以同时操作多张卡片,这在我国自然环境条件较差,车辆异常拥挤的情况下,更具有实际意义,不仅可使公共汽车公司完善管理机制,提高经济效益,还可以大大方便乘客。
门禁控制系统。
非接触式IC卡门禁控制系统就是利用非接触式IC卡代替传统钥匙进行身份识别,实现一个单位内部（或一个建筑内）的人员进出控制及其它人事管理的系统。
与个人密码式门控系统、磁卡门控系统、指纹门控系统相比,采用了当代较为先进的信息及电子技术,具有操作简单、安全性高、集中监控、成本适中、一卡多用等一系列优点,已成为现代企业加强管理的重要技术手段,是目前国际流行的“智能大厦”技术的重要组成部分。
除此之外,非接触式IC卡门控系统还可以用于加油站、停车场等场合的门控和收费系统,使用后可以极大地提高现代化管理水平。
除了以上的应用,非接触式IC卡还可应用在电子钱包、无票旅行系统、身份证卡、零售系统、工业自动化系统、设备管理自动化系统等。
非接触式IC卡自从出现以来,就成为IC卡技术的重要发展方向。
由于具有高可靠的数据传输和极强的防伪保密性,更好的应用环境适应性,读写设备简单,操作速度快等优点,其技术和应用发展十分迅速,当前在国内应用较少,但在国外已开始普及。
可以相信,随着大规模集成电路和制造工艺的发展开发工具的日渐成熟,非接触式IC卡必将在我国各个领域广泛应用。
3硬件设计
3.1单片机模块设计
3.1.1单片机的选择
这次高速公路自动发卡控制器的设计，选择了飞利浦公司的P89C51RD2单片机，P89C51RD2是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
下面为P89C51RD2单片机的引脚图：
图3.1P89C51RD2引脚图
P89C51RD2单片机的主要特点是：
·与MCS-51兼容；
·4K字节可编程闪烁存储器；
·寿命：
1000写/擦循环；
·数据保留时间：
10年；
·全静态工作：
0Hz-24MHz；
·三级程序存储器锁定；
·128*8位内部RAM；
·32可编程I/O线；
·两个16位定时器/计数器；
·5个中断源；
·可编程串行通道；
·低功耗的闲置和掉电模式；
·片内振荡器和时钟电路。
3.1.2单片机模块设计
1复位电路
P89C51RD2单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期中，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
下面是单片机复位电路的原理图：
图3.2单片机复位电路原理图
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，但由于上电自动复位电路比较简单方便，所以在此次试验中采用了上电自动复位方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
当电源VCC接通时只要电压上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
在单片机不能自动复位时，按动S1开关也可做到自动复位。
2振荡电路
单片机各功能不见得运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地工作的。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
P89C51RD2内部有一个用于构成震荡提的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。
振荡电路中电容典型值通常选择为30pF左右。
该电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体的振荡频率的范围在1.2~12MHz之间。
晶体的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快，但反过来运行速度快，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠地工作。
所以在此次试验中，我选用了22pF的电容跟12MHz的振荡频率。
下面为单片机震荡部分原理图：
图3.3单片机振荡电路原理图
3.2读写模块的设计
3.2.1芯片的选择
在读写模块的设计中，我选择了RC500芯片。
这里对RC500芯片做个简单的介绍：
RC500有32个引脚
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