非接觸式IC卡節(jié)水控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

非接觸式IC卡節(jié)水控制器（簡(jiǎn)稱水控器或水控機(jī)），就是采用非接觸式IC卡讀寫器控制出水，對(duì)用水實(shí)行無(wú)人收費(fèi)管理]。它是一種集計(jì)量功能及控制功能為一體的裝置，是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、非接觸式IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并能進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型裝置。有水龍頭流水的場(chǎng)所都可以利用控制器達(dá)到節(jié)水的目的。如：浴室、集體和個(gè)人公寓、開(kāi)水房等場(chǎng)所。該裝置采用國(guó)內(nèi)最常見(jiàn)的Philips公司生產(chǎn)的Mifare1 S50非接觸式IC卡作為通訊卡，具有體積小、攜帶方便、防水防潮、堅(jiān)固耐磨等優(yōu)點(diǎn)，并且能方便的配合售飯機(jī)、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等一起使用，構(gòu)成校園一卡通、企業(yè)一卡通系統(tǒng)。

2.基于非接觸式IC卡的節(jié)水控制器總體方案及硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

由圖1的系統(tǒng)框圖可以看出，水控器主要以AT89C51主控MCU為核心，輔以射頻接口模塊、流量計(jì)量模塊、水控接口模塊、開(kāi)關(guān)電源電路、數(shù)碼顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、蜂鳴器報(bào)警電路等組成。

圖1非接觸式IC卡節(jié)水控制器系統(tǒng)框圖

只要在讀卡器讀卡范圍內(nèi)有IC卡，則通過(guò)單片機(jī)控制射頻接口電路對(duì)IC卡進(jìn)行操作，判斷IC卡的類型（用戶卡或管理員卡），根據(jù)卡內(nèi)的信息內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理，并根據(jù)需求通過(guò)水控接口電路來(lái)控制電磁閥的狀態(tài)（開(kāi)或關(guān)），系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中的有關(guān)信息通過(guò)數(shù)碼顯示電路顯示出來(lái)或?qū)⒂嘘P(guān)數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。另外水表在用水的過(guò)程中通過(guò)流量傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)，單片機(jī)接收脈沖信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理然后對(duì)IC卡進(jìn)行相應(yīng)的扣款處理并通過(guò)數(shù)碼顯示電路顯示有關(guān)信息，并在用水的過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若IC卡的余額過(guò)低則通過(guò)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。水控器的各部分協(xié)調(diào)運(yùn)作從而可以實(shí)現(xiàn)用水的自動(dòng)化管理。

2.2 水控器硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 MCU模塊

水控器的核心MCU模塊選用內(nèi)置功能強(qiáng)大，且具有高性價(jià)比的AT89C51單片機(jī)，它是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。另外MCU的外接電路，如：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用AT24C01A作為非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（用于存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)和消費(fèi)數(shù)據(jù)，如水價(jià)、累計(jì)消費(fèi)等）。

數(shù)碼顯示電路可采用74HC164驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示。為了降低裝置的功耗和發(fā)熱，采用了開(kāi)關(guān)電源作為供電電源，可選用L4962E/A的降壓型PWM控制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路，它具有輸出電壓可調(diào)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)和軟啟動(dòng)功能。報(bào)警電路將蜂鳴器與MCU基本I/O口相連主要實(shí)現(xiàn)余額不足報(bào)警等功能。水控接口電路利用AT89C51單片機(jī)的基本I/O口輸出控制信號(hào)，經(jīng)放大后用以控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。來(lái)自流量傳感器的水流信號(hào)經(jīng)前置電路處理后，轉(zhuǎn)換為一系列可供測(cè)量的電壓脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)可由單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行捕獲并由中斷服務(wù)程序?qū)崟r(shí)記錄，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理可以準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成用戶的耗水量，進(jìn)而通過(guò)將耗水量轉(zhuǎn)換成用戶所要支付的金額并控制射頻接口模塊對(duì)IC卡進(jìn)行扣款操作。

2.2.2射頻接口模塊

該模塊主要由MFRC500芯片及其天線電路組成。

1）MFRC500簡(jiǎn)介

MFRC500是Philips公司于2000年給出的應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，符合ISO/IEC1443標(biāo)準(zhǔn)中TYPE A協(xié)議的規(guī)定，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。它具有以下一些特點(diǎn)：

?內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(可達(dá)100mm)。
?接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答信號(hào)。
?數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶CRC）；此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。 方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，這樣給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。