基于PN532的自助收費式飲水機控制系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著生活節(jié)奏的加快及社會化管理的完善，為節(jié)約水資源，便于飲水消費的收費管理，自助收費式飲水機的應(yīng)用也越來越普遍。自助收費式飲水機是在原有飲水機的基礎(chǔ)上， 增加用水計量及自動收費功能。常見的自助收費式飲水機有投幣式、接觸式IC 卡式和非接觸式（感應(yīng)式）IC 卡式。前兩種飲水機成本高、故障率高，因而應(yīng)用較少，感應(yīng)式 IC 卡飲水機克服了上述缺陷，因而應(yīng)用較為廣泛。

1 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)的控制核心為STC11F32XE 單片機，P0 口作為數(shù)碼管的位選和段選，P1 口作為鍵盤掃描輸入，P2 口作為控制繼電器和冷熱水指示接口，P3口作為單片機和PN532 通信接口。自助收費式飲水機控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對IC 卡的注冊、充值以及計費管理等功能，以實現(xiàn)“先充值、后消費”的收費管理模式，用以解決學(xué)校等公共場合飲水機收費管理難和用水浪費的問題?；赑N532 自助收費式飲水機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

自助收費式飲水機控制系統(tǒng)包括IC 卡管理系統(tǒng)及飲水機計費控制系統(tǒng)。IC 卡管理系統(tǒng)和飲水機計費控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖基本相同，唯一的區(qū)別是IC 卡管理系統(tǒng)不包括電磁閥控制電路。IC 卡管理系統(tǒng)實現(xiàn) IC 卡注冊、密碼設(shè)定與修改、充值等管理功能。傳統(tǒng)發(fā)卡管理系統(tǒng)大多是通過計算機管理，其優(yōu)點是升級方便、操作簡單、維護方便，缺點是成本較高， 而本設(shè)計則基于單片機實現(xiàn) IC卡管理，具有成本低、免維護等優(yōu)點。計費控制系統(tǒng)實現(xiàn)對已注冊IC卡進行識別、讀取卡號、驗證卡片密碼、冷熱水切換、根據(jù)純凈水價格與飲水機中水流速更改計費值、顯示卡內(nèi)余額及計費標準等功能。相對而言，本系統(tǒng)設(shè)計更有優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)部分硬件電路設(shè)計

自助收費式飲水機控制系統(tǒng)硬件主要由單片機最小系統(tǒng)、鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、IC卡讀寫、電磁閥控制、電源及報警等電路組成。單片機最小系統(tǒng)電路主要由單片機、復(fù)位電路及振蕩電路等組成。本設(shè)計選用宏晶科技的STC11F32XE單片機，該單片機是新一代 8051單片機，其指令代碼與 8051完全兼容，其處理速度是普通 8051的 8～12倍。除了具備低功耗和處理速度快的特點外，STC11F32XE還具有較強的抗干擾能力，為飲水機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性創(chuàng)造了條件。另外該單片機可通過ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程）方式進行程序修改，且具有 32KBFlashROM，1280B SRAM和 29KBE2PROM，便于自助收費式飲水機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理以及密碼存儲和修改 [1]?？紤]到該系統(tǒng)要求的按鍵較多，包括數(shù)字鍵 0 ～9，及“充值 /更改金額”鍵“、密碼更改”鍵及“注冊”鍵，故采用 4×4矩陣式按鍵，以節(jié)省I/O資源。

2.1 PN532模塊電路

NFC 技術(shù)是近距離高頻無線電通信技術(shù)，它基于無線電射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)， 其工作原理與 RFID 類似， 都采用電磁感應(yīng)耦合技術(shù) [2,3]。PN532 芯片是NXP 公司推出的一款低電壓、體積小、成本低、高度集成的非接觸式讀 / 寫卡NFC 芯片。它包含 80C51 微控制器內(nèi)核，工作頻率為 13.56 MHz，支持ISO14443A/14443B和ISO18092 協(xié)議，最遠讀寫距離可達 10 cm，接收來自天線的信號并對該數(shù)據(jù)根據(jù) ISO14443 規(guī)定的幀格式進行處理 [4]。PN532 的功能框圖如圖 2 所示。

本系統(tǒng)設(shè) 計采用 40 腳的 HVQFN 封裝 PN532 芯片。STC11F32XE 單片機通過PN532 芯片完成對卡片內(nèi)存儲器的讀寫，完成自助收費式飲水機控制系統(tǒng)的充值和收費管理。PN532 復(fù)位后通過控制管腳上的邏輯電平識別微控制器指令， PN532 芯片收到STC11F32XE 單片機發(fā)送的命令后，根據(jù)非接觸式射頻卡協(xié)議格式通過天線及其匹配電路向附近發(fā)出一組固定頻率的調(diào)制信號（13.56 MHz）進行讀寫卡片?？煞奖愕刈x寫 Mifare1 S50、S70 等卡片，有 HUS（全雙工串行總線）、I2C（雙線式串行總線）和 SPI（串行總線）三種通信方式可供選擇，可與各種類型MCU 進行通信 [5]。本系統(tǒng)設(shè)計選用STC11F32XE 作為控制芯片，綜合考慮采用 SPI 通信方式較為方便。PN532 模塊電路主要由PN532 芯片及其匹配天線和總線接口電路組成[6]。PN532 模塊電路如圖 3 所示。

2.2 閥門控制電路和顯示電路

本設(shè)計選用工作電壓為DC 12 V 的電磁閥，為使 5 V 單片機驅(qū)動12 V電磁閥，系統(tǒng)采用5 V繼電器實現(xiàn)電壓信號隔離， 并通過繼電器動作，實現(xiàn)閥門通斷控制。系統(tǒng)采用NPN 三極管驅(qū)動 5 V 繼電器，通過I/O 口的高低電平來控制繼電器的吸合與斷開，從而實現(xiàn)電磁閥上電與斷電。

考慮到本系統(tǒng)應(yīng)用在人員多，亮度較高的場所，而數(shù)碼管顯示具有清晰可見，且對外界環(huán)境要求低、亮度高、壽命長、成本低、容易編程實現(xiàn)等優(yōu)點，因此本設(shè)計采用四位一體的共陰極數(shù)碼管作為顯示部分。由兩片 74HC573 鎖存器驅(qū)動數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描顯示方式。為保證顯示清晰，需設(shè)置合適的數(shù)碼管顯示時間間隔。由于飲水機的消費功能要求數(shù)碼管即時顯示金額，故將顯示程序子程序內(nèi)置于中斷子程序。

3 軟件設(shè)計

為便于程序的調(diào)試與修改，程序采用模塊化設(shè)計方式。本系統(tǒng)軟件主要包括 ：主程序、PN532 讀 / 寫卡程序、計費程序、數(shù)碼管顯示程序和鍵盤掃描等程序。

3.1 主程序設(shè)計

IC 卡智能飲水機在工作過程中，程序執(zhí)行較為復(fù)雜，整 個工程中有多個子程序，程序運行時需要調(diào)用多個函數(shù)，主 要包括鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、讀 / 寫卡等函數(shù)。如在飲水 機消費功能中，在未檢測到有 IC 卡進入射頻天線有效范圍內(nèi) 時，數(shù)碼管只顯示扣費標準的工作模式標志。此時主要執(zhí)行按 鍵掃描程序和數(shù)碼管顯示程序，并可通過按鍵進行更改消費 等相關(guān)設(shè)定；當(dāng)檢測到有 IC 卡進入到射頻天線有效范圍內(nèi)時， 將進行卡片驗證，卡片驗證成功通過之后，將根據(jù)具體模式 來進行 IC 卡數(shù)據(jù)讀寫操作 ；當(dāng) IC 卡取走之后，消費系統(tǒng)將 恢復(fù)顯示當(dāng)前模式，繼續(xù)執(zhí)行鍵盤掃描程序。以 IC 卡智能飲 水機系統(tǒng)消費功能為例，其主程序流程圖如圖 4 所示。

3.2 讀 / 寫卡程序設(shè)計 

IC 卡（S50 卡）分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為 4 塊，即塊 0、 塊 1、塊 2 和塊 3。第 0 扇區(qū)中的塊 0 被用于存放廠商代碼且 無法更改，其他每個扇區(qū)的塊 0、塊 1、塊 2 均可作為數(shù)據(jù)塊， 塊 3 則作為控制塊。其中塊 3 包括密碼 A（6 字節(jié)）、存取控制（4 字節(jié)）、密碼 B（6 字節(jié)）。PN532 根據(jù)寄存器設(shè)置來調(diào)制發(fā)送 緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進而產(chǎn)生發(fā)送信號，并以 TX1、TX2 引腳驅(qū)動天 線產(chǎn)生電磁波的形式發(fā)送，IC 卡采用 RF 場的負載調(diào)制進行 響應(yīng)。同時天線檢測到 IC 卡響應(yīng)信號后，經(jīng)過天線匹配傳送 到 PN532，PN532 內(nèi)部接收緩沖器對其信號進行檢測、解調(diào)， 并根據(jù)寄存器的設(shè)置進行相應(yīng)處理，再將其數(shù)據(jù)發(fā)送至單片 機 [7]。感應(yīng)式 IC 卡讀寫電路的主要功能是對 IC 卡識別、讀 取卡片數(shù)據(jù)、對卡片數(shù)據(jù)修改等操作。讀 / 寫卡程序流程圖如 圖 5 所示。

4 系統(tǒng)測試 

本系統(tǒng)設(shè)計共 3 類卡片分別為用戶卡，具有充值和消費功 能 ；消費更改卡，具有更改飲水機固定消費金額功能 ；母卡， 具有 IC 卡管理器累計充值金額清零功能。 

4.1 用戶卡功能測試 

IC 卡管理器上電后顯示累計充值總金額。將用戶卡置于 IC 卡管理器感應(yīng)區(qū)，數(shù)碼管顯示卡片余額，按下“充值 / 更改 消費”鍵后，四位數(shù)碼管第 4 段均被點亮，提示輸入充值金額。 若輸入錯誤，按下取消鍵即可重新輸入，輸入完畢后，再次 按下“充值 / 更改消費”鍵確定充值金額。

 飲水機系統(tǒng)上電后顯示飲用水價格，飲水機出水有冷熱 水之分，可通過冷熱水切換鍵選擇，且必須在無卡消費情況 下切換（紅燈代表熱水，綠燈代表冷水）。選定冷熱水后，將 用戶卡置于飲水機感應(yīng)區(qū)，數(shù)碼管顯示卡內(nèi)余額，出水的同 時進行扣費，且實時顯示卡內(nèi)金額。本系統(tǒng)計費通過定時器計 時來實現(xiàn)?？鄢痤~的計算方法為 ：當(dāng)消費標準為 00.0x 元 / 秒時，即每 1 秒扣除 x 分錢并顯示用戶卡余額 ；當(dāng)消費標準為 00.xy 元 / 秒時，每 0.1 秒扣除 x 分錢，且當(dāng) 1 秒時間到，再 額外扣除 y 分錢。 

4.2 更改消費卡功能測試 

更改消費和充值操作基本相同，區(qū)別是通過消費更改卡 進行修改飲水價格。將更改消費卡置于 IC 卡管理器感應(yīng)區(qū)， 數(shù)碼管顯示當(dāng)前飲水價格，按下“充值 / 更改消費”鍵可更改 飲水價格。接著通過按下飲水機的冷熱水切換鍵更改設(shè)定目 標，選擇更改目標后，將更改消費卡置于飲水機感應(yīng)區(qū)即可 更改固定消費，數(shù)碼管顯示更改后的飲水收費標準。 

4.3 母卡功能測試 

將母卡置于 IC 卡管理器感應(yīng)區(qū)，IC 卡管理器累計充值 總金額被清零，數(shù)碼管顯示為零。 

4.4 其他功能測試 

當(dāng)按下 IC 卡管理器的注冊鍵時，四位數(shù)碼管第 7 段均 被點亮，提示注冊已準備就緒，將新用戶卡置于 IC 卡管理器 感應(yīng)區(qū)，即可完成注冊，蜂鳴器響一聲提示注冊完成，并顯 示卡片余額。注冊完成后可進行下一張新用戶卡片注冊，若不 需再注冊，按下取消鍵，即可退出注冊。 

本系統(tǒng)密碼為 6 位阿拉伯?dāng)?shù)字。按下 IC 卡管理器的密碼 更改鍵，四位數(shù)碼管各段均被點亮，提示進行更改密碼操作； 再次按下密碼更改鍵，四位數(shù)碼管第 4 段均被點亮，提示輸 入新密碼 ；輸入一位數(shù)字后，第四位數(shù)碼管短暫顯示所輸入的 數(shù)值，并立即恢復(fù)顯示，重復(fù) 6 次，密碼輸入完畢后，數(shù)碼管 將之前輸入的 6 個數(shù)字依次顯示，最后顯示 ok 提示密碼修改 完成 ；若密碼輸入出現(xiàn)錯誤，可按取消鍵取消當(dāng)前設(shè)定，繼續(xù) 執(zhí)行輸入密碼操作。

5 結(jié) 語

針對學(xué)校等公共場合飲水機收費自動化的需要，以 STC11F32XE 為微控制器，PN532 非接觸式射頻讀寫卡芯片 為信息采集單元，以 S50 卡為信息載體，結(jié)合了 RFID 技術(shù)， 設(shè)計了基于 PN532 的自助收費式飲水機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括 IC 卡管理系統(tǒng)及計費控制系統(tǒng)，并對該無線 RFID 讀卡系統(tǒng) 的軟硬件設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)架和程序流程做了詳細介紹，實現(xiàn)了 IC 卡注冊、密碼修改、充值和用水收費管理等功能。項目完 成后，在某高校宿舍和教室走廊應(yīng)用本系統(tǒng)，應(yīng)用結(jié)果表明 本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，便于管理和消費，解決了飲水機收費難和水 資源浪費的問題，提高了師生們的節(jié)約意識。