非接触式IC卡节水控制器的设计与实现

1.引言 

    非接触式IC卡节水控制器（简称水控器或水控机），就是采用非接触式IC卡读写器控制出水，对用水实行无人收费管理]。它是一种集计量功能及控制功能为一体的装置，是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、非接触式IC卡技术对用水量进行计量并能进行用水数据传递及结算交易的新型装置。有水龙头流水的场所都可以利用控制器达到节水的目的。如：浴室、集体和个人公寓、开水房等场所。该装置采用国内最常见的Philips公司生产的Mifare1 S50非接触式IC卡作为通讯卡，具有体积小、携带方便、防水防潮、坚固耐磨等优点，并且能方便的配合售饭机、门禁系统、考勤系统等一起使用，构成校园一卡通、企业一卡通系统。 

2.基于非接触式IC卡的节水控制器总体方案及硬件设计 

2.1 总体方案 

    由图1的系统框图可以看出，水控器主要以AT89C51主控MCU为核心，辅以射频接口模块、流量计量模块、水控接口模块、开关电源电路、数码显示电路、数据存储电路、蜂鸣器报警电路等组成。 

图1非接触式IC卡节水控制器系统框图 

    只要在读卡器读卡范围内有IC卡，则通过单片机控制射频接口电路对IC卡进行操作，判断IC卡的类型（用户卡或管理员卡），根据卡内的信息内容进行相应的处理，并根据需求通过水控接口电路来控制电磁阀的状态（开或关），系统运作过程中的有关信息通过数码显示电路显示出来或将有关数据记录到数据存储器中。另外水表在用水的过程中通过流量传感器发出脉冲信号，单片机接收脉冲信号进行运算和处理然后对IC卡进行相应的扣款处理并通过数码显示电路显示有关信息，并在用水的过程中进行实时监控，若IC卡的余额过低则通过蜂鸣器发声报警。水控器的各部分协调运作从而可以实现用水的自动化管理。 

2.2 水控器硬件设计 

2.2.1 MCU模块 

    水控器的核心MCU模块选用内置功能强大，且具有高性价比的AT89C51单片机，它是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术，兼容标准MCS-51指令系统。另外MCU的外接电路，如：数据存储器采用AT24C01A作为非易失的数据存储（用于存储设置参数和消费数据，如水价、累计消费等）。数码显示电路可采用74HC164驱动数码显示。为了降低装置的功耗和发热，采用了开关电源作为供电电源，可选用L4962E/A的降压型PWM控制开关稳压集成电路，它具有输出电压可调、过流保护、过热保护和软启动功能。报警电路将蜂鸣器与MCU基本I/O口相连主要实现余额不足报警等功能。水控接口电路利用AT89C51单片机的基本I/O口输出控制信号，经放大后用以控制电磁阀的开启与关闭。来自流量传感器的水流信号经前置电路处理后，转换为一系列可供测量的电压脉冲信号，这些脉冲信号可由单片机的定时器进行捕获并由中断服务程序实时记录，经过计算处理可以准确转换成用户的耗水量，进而通过将耗水量转换成用户所要支付的金额并控制射频接口模块对IC卡进行扣款操作。 

2.2.2射频接口模块 

    该模块主要由MFRC500芯片及其天线电路组成。 

    1）MFRC500简介 

    MFRC500是Philips公司于2000年给出的应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。利用了先进的调制和解调概念，符合ISO/IEC1443标准中TYPE A协议的规定，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。它具有以下一些特点： 

    内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达100mm)。
    接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答信号。
    数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶&CRC）；此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法用于验证MIFARE系列产品。 方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。
    射频接口模块的硬件电路设计图如下图2所示。 

图2 射频接口模块硬件电路图

    2）单片机与MFRC500接口电路设计 

    单片机与MFRC500的接 口采用 了独立 读/写选通 复用地 址总线 的接口模 式，将MFRC500的并口(P0~P7)与单片机的P0口连接，片选信号NCS与P2.7相连，MFRC500的中断与单片机的INT1相连，复位脚RSTPD与单片机的P1.2相连。另外该模式下MFRC500的A2、A1、A0分别与GND、VCC、VCC相连，保证 A2、A1、A0的输入电平分别为低、高、高。 

    3）天线电路设计 

    天线电路由4个部分组成，即EMC(电磁兼容性)低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线。