基于单片机IC卡门禁系统的设计与实现(3)

2 系统的硬件设计

整个系统硬件电路由：单片机最小系统、4X4键盘模块、LCD1602液晶显示模块、IC卡读卡模块、电子锁门禁继电器驱动模块、数据存储模块等组成。系统硬件电路设计如下：

2.1 单片机最小系统设计

2.1.1 STC89C52单片机介绍

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 2.1.2 52最小系统电路设计

52单片机最小系统一般有：52单片机、电源模块、复位电路、时钟电路构成。 （1）复位电路设计

单片机的复位分为上电自动复位和按钮手动复位两种。

上电复位电路：由22uf电解电容和10K电阻构成。原理是上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。

按键手动复位电路：电路由按键、10K电阻、1K电阻、22uf构成。原理是首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST

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依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。

这里我们采用按键复位来实现，电路图如下。

图2.1 复位电路

（2）时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机所需要的时钟信号，单片机在时钟信号的控制下各部件之间同步协调工作。根据产生的方式不同，分为内部和外部两种时钟电路。 在51芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，在引脚XTAL1和XTAL2上输出3V左右的正弦波，这就是单片机的振荡电路，如图3.5所示。

图2.2 系统时钟电路

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通常，电容C1和C2取30pf左右，主要作用是帮助振荡器起振，晶体的振荡频率范围是1.2～12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。在通常应用情况下，STC89C52使用振荡频率为6MHz或12MHz。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这是，外部的脉冲信号时经过XTAL2引脚注入，其连接如图3.5所示，由于XTAL2端逻辑电平不是TTL的，故需要外接一个上拉电阻，外接信号应为时钟频率低于12MHz的方波信号。

2.2 IC卡原理及驱动电路设计

2.2.1 Mifare射频卡技术参数

（1）容量为8K位（bits）=1K字节（bytes）EEPROM

（2）分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位 （3）每个扇区有独立的一组密码及访问控制 （4）每张卡有唯一序列号，为32位 （5）具有防冲突机制，支持多卡操作

（6）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 （7）数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次 （8）工作温度：-20℃~50℃(湿度为90%) （9）工作频率：13.56MHZ （10）通信速率：106 KBPS

（11）读写距离：10 cm以内（与读写器有关） 2.2.2 IC卡内部结构介绍

M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63，存贮结构如下图所示：

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密码A 存取控制 密码B 密码A 存取控制 密码B ∶ ∶ ∶ 0 扇区15 1 2 3 数据块 数据块 数据块

60 61 62 63

数据块 数据块 数据块 控制块 数据块 数据块 数据块 控制块

0 1 2 3 4 5 6 7

块0 扇区0 块1 块2 块3 扇区1 块0 块1 块2 块3

密码A 存取控制 密码B 控制块

图2.3 IC卡存储结构图

（2）第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

（3）每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

数据块可作两种应用：

用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。

（4）每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：

A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码A（6字节） 存取控制（4字节） 密码B（6字节）

（5）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，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下：

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块0： C10 C20 C30 块1： C11 C21 C31 块2： C12 C22 C32 块3： C13 C23 C33

三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如 进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例：

对块0的控制：

bit 7 6 5 4 3 2 1 0 字节6 字节7 字节8 字节9

存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示：

bit 7 6 5 4 3 2 1 0 字节6 字节7 字节8 字节9

C23_b C13 C22_b C21_b C20_b C13_b C33_b C12_b C32_b C11_b C31_b C10_b C30_b C20_b C10_b C30_b C10 C30 C20 C12 C32 C11 C31 C10 C30 C33 C23 C22 C21 C20

2.2.3 IC卡读写过程

非接触式IC卡的读写过程：通常由非接触式IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。非接触型IC卡本身是无源体， 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， 与其本身的L/C产生谐振， 产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等， 并返回给读写器。由非接触式IC卡所形成的读写系统， 无论是硬件结构， 还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式， 都使数据读写过程更为简单。

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