非接觸式IC卡節水控制器的設計與實現

1.引言

非接觸式IC卡節水控制器（簡稱水控器或水控機），就是采用非接觸式IC卡讀寫器控制出水，對用水實行無人收費管理]。它是一種集計量功能及控制功能為一體的裝置，是一種利用現代微電子技術、現代傳感技術、非接觸式IC卡技術對用水量進行計量并能進行用水數據傳遞及結算交易的新型裝置。有水龍頭流水的場所都可以利用控制器達到節水的目的。如：浴室、集體和個人公寓、開水房等場所。該裝置采用國內最常見的Philips公司生產的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、堅固耐磨等優點，并且能方便的配合售飯機、門禁系統、考勤系統等一起使用，構成校園一卡通、企業一卡通系統。

2.基于非接觸式IC卡的節水控制器總體方案及硬件設計

2.1 總體方案

由圖1的系統框圖可以看出，水控器主要以AT89C51主控MCU為核心，輔以射頻接口模塊、流量計量模塊、水控接口模塊、開關電源電路、數碼顯示電路、數據存儲電路、蜂鳴器報警電路等組成。

圖1非接觸式IC卡節水控制器系統框圖

只要在讀卡器讀卡范圍內有IC卡，則通過單片機控制射頻接口電路對IC卡進行操作，判斷IC卡的類型（用戶卡或管理員卡），根據卡內的信息內容進行相應的處理，并根據需求通過水控接口電路來控制電磁閥的狀態（開或關），系統運作過程中的有關信息通過數碼顯示電路顯示出來或將有關數據記錄到數據存儲器中。另外水表在用水的過程中通過流量傳感器發出脈沖信號，單片機接收脈沖信號進行運算和處理然后對IC卡進行相應的扣款處理并通過數碼顯示電路顯示有關信息，并在用水的過程中進行實時監控，若IC卡的余額過低則通過蜂鳴器發聲報警。水控器的各部分協調運作從而可以實現用水的自動化管理。

2.2 水控器硬件設計

2.2.1 MCU模塊

水控器的核心MCU模塊選用內置功能強大，且具有高性價比的AT89C51單片機，它是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術，兼容標準MCS-51指令系統。另外MCU的外接電路，如：數據存儲器采用AT24C01A作為非易失的數據存儲（用于存儲設置參數和消費數據，如水價、累計消費等）。

數碼顯示電路可采用74HC164驅動數碼顯示。為了降低裝置的功耗和發熱，采用了開關電源作為供電電源，可選用L4962E/A的降壓型PWM控制開關穩壓集成電路，它具有輸出電壓可調、過流保護、過熱保護和軟啟動功能。報警電路將蜂鳴器與MCU基本I/O口相連主要實現余額不足報警等功能。水控接口電路利用AT89C51單片機的基本I/O口輸出控制信號，經放大后用以控制電磁閥的開啟與關閉。來自流量傳感器的水流信號經前置電路處理后，轉換為一系列可供測量的電壓脈沖信號，這些脈沖信號可由單片機的定時器進行捕獲并由中斷服務程序實時記錄，經過計算處理可以準確轉換成用戶的耗水量，進而通過將耗水量轉換成用戶所要支付的金額并控制射頻接口模塊對IC卡進行扣款操作。

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簡介

MFRC500是Philips公司于2000年給出的應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。利用了先進的調制和解調概念，符合ISO/IEC1443標準中TYPE A協議的規定，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。它具有以下一些特點：

?內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線(可達100mm)。
?接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應答信號。
?數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶CRC）；此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗證MIFARE系列產品。 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/終端的設計提供了極大的靈活性。