基于非接觸式IC卡的智能水控器設計

摘要：為適應校園智能化管理發(fā)展趨勢，文中介紹了一種基于非接觸式IC卡的智能水控器設計方案。該設計通過對STC11F16XE單片機、MF RC500讀卡芯片、雙干簧管傳感器、L9110電機驅(qū)動芯片等器件的綜合運用，可以實現(xiàn)刷卡流水，并能按流量實時扣費功能，從而有效提高學生節(jié)水意識。文中重點闡述了該智能水控器的硬件電路設計和軟件思路。實驗結果表明，該設計方案可行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以滿足計量準確要求。
關鍵詞：非接觸式IC卡；智能水控器；STC單片機；MF RC500

0 引言
    隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國民經(jīng)濟依賴水資源的程度越來越高，而水資源緊缺卻日益嚴重。在校園內(nèi)，當代學生又大多數(shù)缺乏獨立生活的能力，對能源的節(jié)約意識不夠強，常會出現(xiàn)公共用水浪費現(xiàn)象。因此如何既能保障學生的正常用水，同時又避免不必要的浪費，已經(jīng)成為學校后勤管理服務所關注的焦點。本文研究的基于非接觸式IC卡智能水控器既可以有效提高學生的節(jié)水意識，同時又能適應目前校園智能化管理的發(fā)展趨勢。

1 智能水控器原理
    非接觸式IC卡智能水控器以射頻識別技術為核心，這里非接觸式IC卡采用的是PHILIPS公司的Mifare 1卡。系統(tǒng)工作時，其智能水控器的內(nèi)部專用讀卡芯片相連的天線線圈會不斷向外發(fā)射一組13．56MHz固定頻率的電磁波，當Mifare 1卡靠近時，卡內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電而產(chǎn)生電荷。當電容充電達到2V時，該電容就作為電源為卡上的其他電路提供工作電壓，這樣就可將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收水控器的數(shù)據(jù)并保存。
    智能水控器應用于已采用校園一卡通系統(tǒng)的學校，安裝在有水龍頭流水的場所。當用戶將卡放置到水控器卡感應區(qū)，讀卡芯片就會獲取卡上的信息，并將相關數(shù)據(jù)發(fā)送回單片機，由單片機控制數(shù)碼管顯示用戶余額，再對余額進行判斷看是否大于單位扣費金額，若余額足夠則控制電磁閥打開，出水，流量傳感器將流經(jīng)的水轉(zhuǎn)換成電脈沖信號輸入單片機，之后單片機通過預設費率將用水量轉(zhuǎn)換成金額并進行扣費，數(shù)碼管動態(tài)實時顯示用戶當前金額。當卡拿走后，單片機自動關閉電磁閥，停止供水，水控器隨即進入待機狀態(tài)，僅顯示當前時間和水溫?？ㄏM信息可通過上位機軟件發(fā)送指令來查詢。

2 智能水控器硬件設計
    根據(jù)功能設計要求，智能水控器硬件電路主要包括主控模塊、射頻模塊、電磁閥控制模塊、流量計量模塊、顯示模塊等。智能水控器硬件結構框圖如圖1所示。

2．1 主控模塊
    主控模塊由單片機及其外圍電路組成。通過綜合考慮存儲器容量、I／O口數(shù)量、開發(fā)費用等因素，本設計中的單片機芯片選擇了宏晶科技公司開發(fā)的8位微處理器STC11F16XE。STC11F16XE指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，其速度快8-12倍，且價格低。這種處理器的片內(nèi)有16kbytes的可反復擦寫100000次以上的FLASH只讀程序存儲器，足夠裝載程序，無需拓展。內(nèi)含1280字節(jié)RAM，有32k字節(jié)EEPROM，可以保存系統(tǒng)需要的特定參數(shù)，即使掉電后也能操持數(shù)據(jù)，因此大大減少了電路的復雜性和降低開發(fā)成本。片上最多有40個I／O，每個I／O口驅(qū)動能力均可達到20mA，可以滿足系統(tǒng)多模塊接口要求。其內(nèi)部電路還引進了看門狗功能，抗干擾能力強。
    STC11F16XE芯片周圍聯(lián)系著射頻、電磁閥控制、流量計量、溫度傳感、時鐘、顯示、通信等功能模塊，是整個水控系統(tǒng)電路的控制核心。單片機端口與其它模塊的接口電路如圖2所示。

2．2 射頻模塊
    與Mifare 1卡配套對應讀寫裝置有卡讀寫組件和專用讀卡芯片。因產(chǎn)品小型化設計要求，只考慮采用讀卡芯片。由于本設計采用并行接口進行數(shù)據(jù)傳送，因此將射頻模塊讀卡芯片確定為MF RC500 。
    MF RC500是一個小型的、最大操作距離達10厘米的Mifare卡射頻基站。其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防沖撞機制。MFRC500內(nèi)部結構可分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接；接口區(qū)有與單片機相連的端口，還含有與射頻區(qū)相連的收／發(fā)器、64B的數(shù)據(jù)緩沖器、存放3套寄存器初始化文件的EEPROM、存放16套密鑰的只寫存儲器以及經(jīng)過三次驗證和數(shù)據(jù)加密的密碼機制、防沖撞處理的防沖撞模塊和控制單元。
    MFRC500根據(jù)其寄存器的設定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制，首先得到發(fā)送信號，之后通過由天線驅(qū)動引腳TX1和TX2驅(qū)動的天線以13．56MHz的電磁波形式發(fā)送出去。與此同時，在其射頻范圍內(nèi)的Mifare卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應。天線接收到卡片的響應信號后，再經(jīng)過天線匹配電路送到MFRC500的接收引腳RX，最后由芯片內(nèi)部的接收器對接收信號進行解調(diào)、譯碼，并根據(jù)寄存器的設定進行處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口D0-D7由單片機讀取。
2．3 電磁閥控制模塊
    本設計中采用5V雙穩(wěn)態(tài)電磁閥對水流通斷進行控制。由于單片機I／O口驅(qū)動能力有限，且電磁閥會對單片機產(chǎn)生較大干擾，需增加驅(qū)動電路?？紤]到使用組合三極管，但這種由分立元件組成的電路制作麻煩，且成功率不高，因此采用了集成芯片L9110，從而使外圍器件成本降低，提高了整機可靠性。L9110是為控制和驅(qū)動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，其電源電壓范圍較寬，為2．5V-12V，每個通道具有800mA的連續(xù)電流輸出能力，峰值電流能力可達1．5-2．0A。它與TTL／CMOS輸出電平相兼容，具有良好的抗干擾性，可直接連接單片機。
2．4 流量計量模塊
    本設計流量計量模塊主要是在普通水表上加裝傳感器件，并進行流量信號的采集和處理。經(jīng)對比，光電傳感器和霍爾傳感器雖然靈敏度高又無觸點，但功耗都較高，增加系統(tǒng)供電復雜性，且易受電源干擾。而干簧管傳感器僅在接觸的瞬間有極小的消耗，但其物理結構存在著缺陷，會影響數(shù)據(jù)采集精度。故采用了雙干簧管傳感器，兩干簧管以一定角度安裝在水表計數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，磁鐵安裝在水表計數(shù)盤上。當計數(shù)盤轉(zhuǎn)動，磁鐵旋轉(zhuǎn)靠近干簧管時，簧片觸點吸合；磁鐵遠離時，簧片觸點斷開，發(fā)出一脈沖信號。當計數(shù)盤旋轉(zhuǎn)一周，兩干簧管均有一脈沖信號，且兩信號相位差與兩干簧管安裝的角度一致，此時，單片機累記一次水量。這種設計可以有效減少因供水管道問題引起的計量誤差，且可以防止強磁干擾智能水控器正常工作。
2．5 顯示模塊
    本系統(tǒng)待機狀態(tài)下顯示當前時間和水溫，刷卡用水時需要顯示消費余額和溫度，因為這些參數(shù)都僅需要顯示數(shù)字，從產(chǎn)品成本角度考慮，只需要采用LED數(shù)碼管顯示即可。設計采用八位七段數(shù)碼管顯示，待機時數(shù)碼管前兩位用于顯示當前水溫，后六位用于顯示時間；刷卡工作時前兩位用于顯示當前水溫，而后六位為當前IC卡的余額，可精確到分。另外還需要四個按鍵對時間進行調(diào)整，確保走時準確。為節(jié)省單片機端口，設計中采用了串行通訊方式驅(qū)動專門的數(shù)碼管芯片HD7279。該芯片是一片具有串行接口的，無需外圍元件便可直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管以及掃描64鍵矩陣鍵盤(或64只獨立LED)的智能顯示驅(qū)動芯片。其內(nèi)部含有BCD譯碼器，可直接接受BCD碼，并且具有識別多種指令的能力，如消隱、閃爍、左移、右移，段尋址等。
2．6 時鐘模塊
    時鐘模塊選擇了典型串行實時時鐘芯片DS1302，溫度檢測模塊采用了DS18B20集成溫度傳感器，通信模塊采用RS232串行通訊實現(xiàn)水控器與上位機之間通信，報警模塊電路主要由PNP三極管和蜂鳴器構成，由于篇幅有限，這里不再詳述。

3 智能水控器軟件設計
    確定硬件電路后，必須有軟件的支持才能實現(xiàn)功能運行，而且軟件的設計在很大程度上直接影響智能水控器運行的性能。本設計采用C51語言編寫程序，該程序按功能設計要求，采用模塊化設計方法，包括主程序，卡操作功能程序，數(shù)據(jù)顯示功能程序，電磁閥控制功能程序，消費處理功能程序，數(shù)據(jù)存儲功能程序，數(shù)據(jù)上傳功能程序。而每個功能程序由若干函數(shù)組成。其中主程序包括了單片機的初始化，顯示緩存，MF RC500初始化等系統(tǒng)初始化程序，主程序流程圖如圖3所示。

4 智能水控器技術參數(shù)
    根據(jù)本文的設計研制出的樣機除實現(xiàn)功能外，還參考中華人民共和國城鎮(zhèn)建設行業(yè)標準CJ／T133—2001《IC卡冷水水表》，將樣機放置于溫度為5℃-110℃，相對濕度為5％-75％，大氣壓力為86kPa-106kPa的試驗環(huán)境中進行了主要參數(shù)測試。
    測試顯示：非接觸式IC卡智能水控器可以連續(xù)正常運行，正常工作電壓值為9V，靜態(tài)功耗約為0．5W，最大的動態(tài)功耗將近1W，與基表顯示誤差小于±0．5％。

5 結束語
    本文主要論述了非接觸式IC卡智能水控器的設計。按照智能水控器設計要求，采用STC11F16XE為主控芯片，結合射頻讀卡芯片MFRC500及電磁閥控制等外圍接口電路完成整體設計。這種樣機可正常顯示當前時間、水溫，并能正常進行用水消費控制，還可將用戶消費信息保存，并上傳至上位機。技術參數(shù)測試結果表明：該設計方案可行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以滿足計量準確要求。