基于非接觸式IC卡的智能水控器設(shè)計(jì)

摘要：為適應(yīng)校園智能化管理發(fā)展趨勢(shì)，文中介紹了一種基于非接觸式IC卡的智能水控器設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)STC11F16XE單片機(jī)、MF RC500讀卡芯片、雙干簧管傳感器、L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片等器件的綜合運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)刷卡流水，并能按流量實(shí)時(shí)扣費(fèi)功能，從而有效提高學(xué)生節(jié)水意識(shí)。文中重點(diǎn)闡述了該智能水控器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足計(jì)量準(zhǔn)確要求。
關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡；智能水控器；STC單片機(jī)；MF RC500

0 引言
    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)依賴水資源的程度越來(lái)越高，而水資源緊缺卻日益嚴(yán)重。在校園內(nèi)，當(dāng)代學(xué)生又大多數(shù)缺乏獨(dú)立生活的能力，對(duì)能源的節(jié)約意識(shí)不夠強(qiáng)，常會(huì)出現(xiàn)公共用水浪費(fèi)現(xiàn)象。因此如何既能保障學(xué)生的正常用水，同時(shí)又避免不必要的浪費(fèi)，已經(jīng)成為學(xué)校后勤管理服務(wù)所關(guān)注的焦點(diǎn)。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(xué)生的節(jié)水意識(shí)，同時(shí)又能適應(yīng)目前校園智能化管理的發(fā)展趨勢(shì)。

1 智能水控器原理
    非接觸式IC卡智能水控器以射頻識(shí)別技術(shù)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(shí)，其智能水控器的內(nèi)部專用讀卡芯片相連的天線線圈會(huì)不斷向外發(fā)射一組13．56MHz固定頻率的電磁波，當(dāng)Mifare 1卡靠近時(shí)，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(dāng)電容充電達(dá)到2V時(shí)，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(yīng)用于已采用校園一卡通系統(tǒng)的學(xué)校，安裝在有水龍頭流水的場(chǎng)所。當(dāng)用戶將卡放置到水控器卡感應(yīng)區(qū)，讀卡芯片就會(huì)獲取卡上的信息，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送回單片機(jī)，由單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示用戶余額，再對(duì)余額進(jìn)行判斷看是否大于單位扣費(fèi)金額，若余額足夠則控制電磁閥打開(kāi)，出水，流量傳感器將流經(jīng)的水轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸入單片機(jī)，之后單片機(jī)通過(guò)預(yù)設(shè)費(fèi)率將用水量轉(zhuǎn)換成金額并進(jìn)行扣費(fèi)，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示用戶當(dāng)前金額。當(dāng)卡拿走后，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，停止供水，水控器隨即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，僅顯示當(dāng)前時(shí)間和水溫?？ㄏM(fèi)信息可通過(guò)上位機(jī)軟件發(fā)送指令來(lái)查詢。

2 智能水控器硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)功能設(shè)計(jì)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(jì)量模塊、顯示模塊等。智能水控器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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2．1 主控模塊
    主控模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成。通過(guò)綜合考慮存儲(chǔ)器容量、I／O口數(shù)量、開(kāi)發(fā)費(fèi)用等因素，本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)芯片選擇了宏晶科技公司開(kāi)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(jià)格低。這種處理器的片內(nèi)有16kbytes的可反復(fù)擦寫100000次以上的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，足夠裝載程序，無(wú)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?jǐn)?shù)據(jù)，因此大大減少了電路的復(fù)雜性和降低開(kāi)發(fā)成本。片上最多有40個(gè)I／O，每個(gè)I／O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)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(jìn)了看門狗功能，抗干擾能力強(qiáng)。
    STC11F16XE芯片周圍聯(lián)系著射頻、電磁閥控制、流量計(jì)量、溫度傳感、時(shí)鐘、顯示、通信等功能模塊，是整個(gè)水控系統(tǒng)電路的控制核心。單片機(jī)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)要求，只考慮采用讀卡芯片。由于本設(shè)計(jì)采用并行接口進(jìn)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(gè)小型的、最大操作距離達(dá)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(hào)、安全管理和防沖撞機(jī)制。MFRC500內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)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(chǔ)器以及經(jīng)過(guò)三次驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密的密碼機(jī)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(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，首先得到發(fā)送信號(hào)，之后通過(guò)由天線驅(qū)動(dòng)引腳TX1和TX2驅(qū)動(dòng)的天線以13．56MHz的電磁波形式發(fā)送出去。與此同時(shí)，在其射頻范圍內(nèi)的Mifare卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線接收到卡片的響應(yīng)信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼，并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口D0-D7由單片機(jī)讀取。
2．3 電磁閥控制模塊
    本設(shè)計(jì)中采用5V雙穩(wěn)態(tài)電磁閥對(duì)水流通斷進(jìn)行控制。由于單片機(jī)I／O口驅(qū)動(dòng)能力有限，且電磁閥會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生較大干擾，需增加驅(qū)動(dòng)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(jī)可靠性。L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(gè)通道具有800mA的連續(xù)電流輸出能力，峰值電流能力可達(dá)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(jī)。[!--empirenews.page--]
2．4 流量計(jì)量模塊
    本設(shè)計(jì)流量計(jì)量模塊主要是在普通水表上加裝傳感器件，并進(jìn)行流量信號(hào)的采集和處理。經(jīng)對(duì)比，光電傳感器和霍爾傳感器雖然靈敏度高又無(wú)觸點(diǎn)，但功耗都較高，增加系統(tǒng)供電復(fù)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(jié)構(gòu)存在著缺陷，會(huì)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(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤附近，磁鐵安裝在水表計(jì)數(shù)盤上。當(dāng)計(jì)數(shù)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鐵旋轉(zhuǎn)靠近干簧管時(shí)，簧片觸點(diǎn)吸合；磁鐵遠(yuǎn)離時(shí)，簧片觸點(diǎn)斷開(kāi)，發(fā)出一脈沖信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)盤旋轉(zhuǎn)一周，兩干簧管均有一脈沖信號(hào)，且兩信號(hào)相位差與兩干簧管安裝的角度一致，此時(shí)，單片機(jī)累記一次水量。這種設(shè)計(jì)可以有效減少因供水管道問(wèn)題引起的計(jì)量誤差，且可以防止強(qiáng)磁干擾智能水控器正常工作。
2．5 顯示模塊
    本系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下顯示當(dāng)前時(shí)間和水溫，刷卡用水時(shí)需要顯示消費(fèi)余額和溫度，因?yàn)檫@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(shè)計(jì)采用八位七段數(shù)碼管顯示，待機(jī)時(shí)數(shù)碼管前兩位用于顯示當(dāng)前水溫，后六位用于顯示時(shí)間；刷卡工作時(shí)前兩位用于顯示當(dāng)前水溫，而后六位為當(dāng)前IC卡的余額，可精確到分。另外還需要四個(gè)按鍵對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，確保走時(shí)準(zhǔn)確。為節(jié)省單片機(jī)端口，設(shè)計(jì)中采用了串行通訊方式驅(qū)動(dòng)專門的數(shù)碼管芯片HD7279。該芯片是一片具有串行接口的，無(wú)需外圍元件便可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管以及掃描64鍵矩陣鍵盤(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。其內(nèi)部含有BCD譯碼器，可直接接受BCD碼，并且具有識(shí)別多種指令的能力，如消隱、閃爍、左移、右移，段尋址等。
2．6 時(shí)鐘模塊
    時(shí)鐘模塊選擇了典型串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302，溫度檢測(cè)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(shí)現(xiàn)水控器與上位機(jī)之間通信，報(bào)警模塊電路主要由PNP三極管和蜂鳴器構(gòu)成，由于篇幅有限，這里不再詳述。

3 智能水控器軟件設(shè)計(jì)
    確定硬件電路后，必須有軟件的支持才能實(shí)現(xiàn)功能運(yùn)行，而且軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上直接影響智能水控器運(yùn)行的性能。本設(shè)計(jì)采用C51語(yǔ)言編寫程序，該程序按功能設(shè)計(jì)要求，采用模塊化設(shè)計(jì)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(fèi)處理功能程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能程序，數(shù)據(jù)上傳功能程序。而每個(gè)功能程序由若干函數(shù)組成。其中主程序包括了單片機(jī)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(shù)參數(shù)
    根據(jù)本文的設(shè)計(jì)研制出的樣機(jī)除實(shí)現(xiàn)功能外，還參考中華人民共和國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ／T133—2001《IC卡冷水水表》，將樣機(jī)放置于溫度為5℃-110℃，相對(duì)濕度為5％-75％，大氣壓力為86kPa-106kPa的試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行了主要參數(shù)測(cè)試。
    測(cè)試顯示：非接觸式IC卡智能水控器可以連續(xù)正常運(yùn)行，正常工作電壓值為9V，靜態(tài)功耗約為0．5W，最大的動(dòng)態(tài)功耗將近1W，與基表顯示誤差小于±0．5％。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文主要論述了非接觸式IC卡智能水控器的設(shè)計(jì)。按照智能水控器設(shè)計(jì)要求，采用STC11F16XE為主控芯片，結(jié)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(shè)計(jì)。這種樣機(jī)可正常顯示當(dāng)前時(shí)間、水溫，并能正常進(jìn)行用水消費(fèi)控制，還可將用戶消費(fèi)信息保存，并上傳至上位機(jī)。技術(shù)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以滿足計(jì)量準(zhǔn)確要求。