探讨非接触式IC卡智能水控器设计事项

　　引言
　　
　　随着社会经济的发展，国民经济依赖水资源的程度越来越高，而水资源紧缺却日益严重。在校园内，当代学生又大多数缺乏独立生活的能力，对能源的节约意识不够强，常会出现公共用水浪费现象。因此如何既能保障学生的正常用水，同时又避免不必要的浪费，已经成为学校后勤管理服务所关注的焦点。本文研究的基于非接触式IC卡智能水控器既可以有效提高学生的节水意识，同时又能适应目前校园智能化管理的发展趋势。
　　
　　1、智能水控器原理
　　
　　非接触式IC卡智能水控器以射频识别技术为核心，这里非接触式IC卡采用的是PHILIPS公司的Mifare1卡。系统工作时，其智能水控器的内部读卡芯片相连的天线线圈会不断向外发射一组13．56MHz固定频率的电磁波，当Mifare1卡靠近时，卡内的LC串联谐振电路产生共振，从而使电容充电而产生电荷。当电容充电达到2V时，该电容就作为电源为卡上的其他电路提供工作电压，这样就可将卡内数据发射出去或接收水控器的数据并保存。
　　
　　智能水控器应用于已采用校园一卡通系统的学校，安装在有水流水的场所。当用户将卡放置到水控器卡感应区，读卡芯片就会获取卡上的信息，并将相关数据发送回单片机，由单片机控制数码管显示用户余额，再对余额进行判断看是否大于单位扣费金额，若余额足够则控制电磁阀打开，出水，流量传感器将流经的水转换成电脉冲信号输入单片机，之后单片机通过预设费率将用水量转换成金额并进行扣费，数码管动态实时显示用户当前金额。当卡拿走后，单片机自动关闭电磁阀，停止供水，水控器随即进入待机状态，仅显示当前时间和水温。卡消费信息可通过上位机软件发送指令来查询。
　　
　　2、智能水控器硬件设计
　　
　　根据功能设计要求，智能水控器硬件电路主要包括主控模块、射频模块、电磁阀控制模块、流量计量模块、显示模块等。智能水控器硬件结构框图如图1所示。
　　
　　2．1主控模块
　　
　　主控模块由单片机及其外围电路组成。通过综合考虑存储器容量、I／O口数量、开发费用等因素，本设计中的单片机芯片选择了宏晶科技公司开发的8位微处理器STC11F16XE。STC11F16XE指令代码*兼容传统8051，其速度快8-12倍，且价格低。这种处理器的片内有16kbytes的可反复擦写100000次以上的FLASH只读程序存储器，足够装载程序，无需拓展。内含1280字节RAM，有32k字节EEPROM，可以保存系统需要的特定参数，即使掉电后也能操持数据，因此大大减少了电路的复杂性和降低开发成本。片上zui多有40个I／O，每个I／O口驱动能力均可达到20mA，可以满足系统多模块接口要求。其内部电路还引进了看门狗功能，抗*力强。
　　
　　STC11F16XE芯片周围着射频、电磁阀控制、流量计量、温度传感、时钟、显示、通信等功能模块，是整个水控系统电路的控制核心。单片机端口与其它模块的接口电路如图2所示。
　　
　　2．2射频模块
　　
　　与Mifare1卡配套对应读写装置有卡读写组件和读卡芯片。因产品小型化设计要求，只考虑采用读卡芯片。由于本设计采用并行接口进行数据传送，因此将射频模块读卡芯片确定为MFRC500。
　　
　　MFRC500是一个小型的、zui大操作距离达10厘米的Mifare卡射频基站。其功能包括调制、解调、产生射频信号、安全管理和防冲撞机制。MFRC500内部结构可分为射频区和接口区：射频区内含调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还含有与射频区相连的收／发器、64B的数据缓冲器、存放3套寄存器初始化文件的EEPROM、存放16套密钥的只写存储器以及经过三次验证和数据加密的密码机制、防冲撞处理的防冲撞模块和控制单元。
　　
　　MFRC500根据其寄存器的设定对发送数据进行调制，首先得到发送信号，之后通过由天线驱动引脚TX1和TX2驱动的天线以13．56MHz的电磁波形式发送出去。与此同时，在其射频范围内的Mifare卡采用RF场的负载调制进行响应。天线接收到卡片的响应信号后，再经过天线匹配电路送到MFRC500的接收引脚RX，zui后由芯片内部的接收器对接收信号进行解调、译码，并根据寄存器的设定进行处理后，将数据发送到并行接口D0-D7由单片机读取。
　　
　　2．3电磁阀控制模块
　　
　　本设计中采用5V双稳态电磁阀对水流通断进行控制。由于单片机I／O口驱动能力有限，且电磁阀会对单片机产生较大干扰，需增加驱动电路。考虑到使用组合三极管，但这种由分立元件组成的电路制作麻烦，且成功率不高，因此采用了集成芯片L9110，从而使外围器件成本降低，提高了整机可靠性。L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大集成电路器件，其电源电压范围较宽，为2．5V-12V，每个通道具有800mA的连续电流输出能力，峰值电流能力可达1．5-2．0A。它与TTL／CMOS输出电平相兼容，具有良好的抗干扰性，可直接连接单片机。
　　
　　2．4流量计量模块
　　
　　本设计流量计量模块主要是在普通水表上加装传感器件，并进行流量信号的采集和处理。经对比，光电传感器和霍尔传感器虽然灵敏度高又无触点，但功耗都较高，增加系统供电复杂性，且易受电源干扰。而干簧管传感器仅在接触的瞬间有极小的消耗，但其物理结构存在着缺陷，会影响数据采集精度。故采用了双干簧管传感器，两干簧管以一定角度安装在水表计数转盘附近，磁铁安装在水表计数盘上。当计数盘转动，磁铁旋转靠近干簧管时，簧片触点吸合；磁铁远离时，簧片触点断开，发出一脉冲信号。当计数盘旋转一周，两干簧管均有一脉冲信号，且两信号相位差与两干簧管安装的角度一致，此时，单片机累记一次水量。这种设计可以有效减少因供水管道问题引起的计量误差，且可以防止强磁干扰智能水控器正常工作。
　　
　　2．5显示模块
　　
　　本系统待机状态下显示当前时间和水温，刷卡用水时需要显示消费余额和温度，因为这些参数都仅需要显示数字，从产品成本角度考虑，只需要采用LED数码管显示即可。设计采用八位七段数码管显示，待机时数码管前两位用于显示当前水温，后六位用于显示时间；刷卡工作时前两位用于显示当前水温，而后六位为当前IC卡的余额，可到分。另外还需要四个按键对时间进行调整，确保走时准确。为节省单片机端口，设计中采用了串行通讯方式驱动专门的数码管芯片HD7279。该芯片是一片具有串行接口的，无需外围元件便可直接驱动8位共阴式数码管以及扫描64键矩阵键盘（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片。其内部含有BCD译码器，可直接接受BCD码，并且具有识别多种指令的能力，如消隐、闪烁、左移、右移，段寻址等。
　　
　　2．6时钟模块
　　
　　时钟模块选择了典型串行实时时钟芯片DS1302，温度检测模块采用了DS18B20集成温度传感器，通信模块采用RS232串行通讯实现水控器与上位机之间通信，报警模块电路主要由PNP三极管和蜂鸣器构成，由于篇幅有限，这里不再详述。
　　
　　3、智能水控器软件设计
　　
　　确定硬件电路后，必须有软件的支持才能实现功能运行，而且软件的设计在很大程度上直接影响智能水控器运行的性能。本设计采用C51语言编写程序，该程序按功能设计要求，采用模块化设计方法，包括主程序，卡操作功能程序，数据显示功能程序，电磁阀控制功能程序，消费处理功能程序，数据存储功能程序，数据上传功能程序。而每个功能程序由若干函数组成。其中主程序包括了单片机的初始化，显示缓存，MFRC500初始化等系统初始化程序，主程序流程图如图3所示。
　　
　　4、智能水控器技术参数
　　
　　根据本文的设计研制出的样机除实现功能外，还参考中华人民共和国城镇建设行业标准CJ／T133—2001《IC卡冷水水表》，将样机放置于温度为5℃-110℃，相对湿度为5％-75％，大气压力为86kPa-106kPa的试验环境中进行了主要参数测试。
　　
　　测试显示：非接触式IC卡智能水控器可以连续正常运行，正常工作电压值为9V，静态功耗约为0．5W，zui大的动态功耗将近1W，与基表显示误差小于±0．5％。
　　
　　5、结束语
　　
　　本文主要论述了非接触式IC卡智能水控器的设计。按照智能水控器设计要求，采用STC11F16XE为主控芯片，结合射频读卡芯片MFRC500及电磁阀控制等外围接口电路完成整体设计。这种样机可正常显示当前时间、水温，并能正常进行用水消费控制，还可将用户消费信息保存，并上传至上位机。技术参数测试结果表明：该设计方案可行，系统运行稳定，可以满足计量准确要求。