非接觸IC卡熱量表預付費模塊的設計與應用
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：張華強, 李玉峰, 張曉燕 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年05月17日
隨著(zhù)我國科技、經(jīng)濟的發(fā)展和國家能源政策的調整，“集中供暖、分戶(hù)計量”的模式成為城鎮供暖系統中的首選模式，因而熱量表在供暖系統中得到了廣泛的應用。但由于此種模式的熱計量收費涉及到千家萬(wàn)戶(hù)的直接利益，用熱情況復雜，從而造成了熱力公司收費比較困難。
MF RC522是Philips公司最新推出的一款非接觸式IC卡讀寫(xiě)基站芯片，應用于13.56 MHz的非接觸式通信系統中。本文設計的基于MF RC522的熱量表預付費模塊，是以射頻IC卡作為信息的載體來(lái)存儲所購買(mǎi)熱量，熱量表讀取卡中數據后再把卡中數據清零，實(shí)現了“先購熱、后用熱”的消費模式，為解決供暖收費難、提高居民節約意識和提高資源利用率創(chuàng )造了條件。
1 預付費模塊組成及工作原理
熱量表是用于測量并顯示水流經(jīng)熱交換系統所釋放或吸收能量的儀表，它通過(guò)采集入水口、出水口的溫度和水的流量，計算出系統所釋放的熱量。預付費模塊就是為實(shí)現“先購熱、后用熱”而設置的，基于MF RC522的預付費模塊如圖1所示。
系統工作原理：當需要讀卡操作時(shí)，先由按鍵電路把單片機從低功耗模式喚醒，單片機收到有效讀卡信息后打開(kāi)射頻卡讀寫(xiě)電路的電源，對進(jìn)入射頻場(chǎng)的IC卡請求應答，當判斷有本系統的IC卡后進(jìn)行通信，讀取卡中的熱量值，加到熱量表原有的熱量值中，對所購熱值和現有熱值進(jìn)行存儲，并把IC卡中的熱量值清零，同時(shí)在LCD顯示器中顯示IC卡號、本次購買(mǎi)熱量和熱量表現有熱量等信息[1]。
若讀取IC卡之前熱量表中的熱值為0,讀取后現有熱值大于0,則打開(kāi)閥門(mén)控制電路的電源，執行打開(kāi)供暖管道進(jìn)水口的操作，當微處理器檢測到閥門(mén)有效打開(kāi)后，關(guān)閉閥門(mén)控制電路的電源。系統對射頻場(chǎng)掃描一段時(shí)間后關(guān)閉射頻讀寫(xiě)模塊的電源。
當熱量表中的現有熱值等于0 KJ時(shí)，系統將打開(kāi)閥門(mén)控制電路的電源，執行關(guān)閉供暖管道的進(jìn)水閥門(mén)操作，當微處理器檢測到閥門(mén)有效關(guān)閉后，關(guān)閉閥門(mén)控制電路的電源。
2 硬件設計
熱量表預付費模塊的硬件主要由微處理器、IC卡讀寫(xiě)電路、閥門(mén)驅動(dòng)電路和按鍵及顯示電路等組成。
2.1 微處理器
由于熱量表是電池供電的儀器，1塊電池需要工作5年以上，這對微處理器的低功耗性能提出嚴格要求。MSP430F149是TI公司推出的16位超低功耗單片機，其供電電壓范圍是1.8~3.6 V,在休眠條件下工作電流只有0.8 μA，從休眠方式喚醒只需要6 μs；具有6個(gè)數據端口，P1和P2口全部可以做外中斷處理，2個(gè)串口通信模塊，且這兩個(gè)串口都可以通過(guò)軟件設置成UART方式或者SPI方式，5種節能模式非常適合用在超低功耗的產(chǎn)品中使用[2]。因此選用MSP430F149作為本系統的微處理器。
2.2 射頻IC卡讀寫(xiě)電路
射頻IC卡讀寫(xiě)電路的主要功能是完成對IC卡的識別、讀取卡中數據、對卡中數據清零等操作，該電路主要由MFRC522基站芯片及其匹配天線(xiàn)組成。MFRC522是Philips公司最新推出的一款非接觸式低功耗讀寫(xiě)基站芯片,該讀卡芯片完全集成了13.56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A所有的層[3]，可以方便地讀取 Mifare 1 S50、S70等卡片，具有三種接口方式：SPI模式、UART模式、I2C模式，可與各種類(lèi)型的MCU進(jìn)行通信。
MSP430F149具有SPI接口，因此在本系統中射頻基站芯片和微處理器的通信就采用SPI方式，采用如圖2所示的典型應用電路[4]。該電路主要由電源控制電路、低通濾波電路、接收電路和天線(xiàn)匹配電路組成。本設計天線(xiàn)采用直接匹配天線(xiàn)方法。
電源控制電路(R15,R16,R17,Q5,Q12)使射頻電路電源的通斷處于可控狀態(tài)，只有當需要讀卡時(shí)才給射頻IC卡電路供電，平時(shí)不需要讀卡時(shí)射頻IC卡電路的電源處于斷開(kāi)狀態(tài),以降低系統功耗。低通濾波電路(L1,C17;L2,C20)是為抑制系統電路中由石英振蕩器產(chǎn)生的高階諧波而設置的，接收電路(R25,R26,C13,C14)用于接收返回信號，其中電阻、電感、電容的取值采用推薦值。天線(xiàn)匹配電路(C15, C18,C19;C23,C22,C21)的作用是將天線(xiàn)調諧到最優(yōu)，具體取值的時(shí)候要根據所設計的天線(xiàn)的長(cháng)寬和天線(xiàn)的電感來(lái)綜合考慮選取電容的值。
2.3 閥門(mén)驅動(dòng)接口電路
閥門(mén)控制電路及低電壓電動(dòng)閥門(mén)配合IC卡讀寫(xiě)電路實(shí)現預付費功能，是預付費系統的執行機構，完成對供暖管道的開(kāi)、關(guān)控制操作。該電路采用單獨電源供電，單片機只需提供相關(guān)操作信號即可。主要由電源電路、驅動(dòng)電路和低電壓電動(dòng)閥門(mén)組成，如圖3所示。
低電壓電動(dòng)閥門(mén)選用天津珠峰閥門(mén)廠(chǎng)的電動(dòng)銅球閥，其熱水工作溫度是0~100 ℃，工作電壓是DC 3 V~6 V，閥門(mén)控制引出4根線(xiàn)，分別是開(kāi)閥線(xiàn)、關(guān)閥線(xiàn)、地線(xiàn)和反饋線(xiàn)，非常適合本系統。工作過(guò)程如下：當開(kāi)閥線(xiàn)和地線(xiàn)接通電源后，閥門(mén)自動(dòng)轉動(dòng)到全開(kāi)位置后內部自動(dòng)斷電；當關(guān)閥線(xiàn)和地線(xiàn)接通電源時(shí)，閥門(mén)自動(dòng)轉動(dòng)到全閉位置后內部自動(dòng)斷電；當執行閥門(mén)的開(kāi)閥或關(guān)閥時(shí)，反饋線(xiàn)會(huì )輸出高電平;當閥門(mén)開(kāi)到位或關(guān)到位時(shí)，反饋線(xiàn)輸出低電平，這樣用單片機控制就非常簡(jiǎn)單、高效。
閥門(mén)控制電路電源部分主要由電池和電源電壓檢測電路組成，電源采用3.6 V的電池供電。由于電機的最低工作電壓是3 V，所以采用3.1 V的電壓檢測芯片，當電源電壓低于3.1 V時(shí)，觸發(fā)單片機中斷,系統會(huì )關(guān)閉進(jìn)水閥，同時(shí)提示用戶(hù)更換閥門(mén)控制電路的電源。
驅動(dòng)電路主要控制閥門(mén)電機的轉動(dòng)方向，當需要開(kāi)閥或關(guān)閥操作時(shí)，打開(kāi)相應的電路即可。當檢測到閥門(mén)已打開(kāi)或已關(guān)閉后，關(guān)閉電路的電源，以降低功耗。如圖3所示,關(guān)閥電路(Q2，Q7，Q11)受CLO_M端控制，當CLO_M為高電平時(shí)，Q2、Q7、Q11導通，關(guān)閥端為高電平，開(kāi)閥端為低電平，執行關(guān)閥操作。當檢測到反饋端的電平變?yōu)榈蜁r(shí)使CLO_M端為低，切斷電源；開(kāi)閥電路(Q9、Q10、Q3)受OPEN_M端控制，工作過(guò)程和關(guān)閥過(guò)程類(lèi)似。
2.4 按鍵及LCD顯示電路
按鍵電路主要功能是完成把微處理器從低功耗模式喚醒并進(jìn)行讀卡操作。本系統的按鍵電路選用由1個(gè)電阻、1個(gè)電容和1個(gè)按鍵組成的簡(jiǎn)易鍵盤(pán)，按鍵電路的輸出端接到微處理器的具有邊沿中斷功能的端口，當按鍵按下時(shí)，觸發(fā)單片機中斷，執行讀卡操作。電路中的電阻是限流電阻，以防止電路中的電流太大損壞單片機的端口，電容的作用是消除按鍵抖動(dòng)。
LCD顯示模塊對卡號、現有熱量、本次所購熱量等信息進(jìn)行顯示?？紤]到系統的低功耗，選用LCD12864芯片，其電路如圖4所示。它可以在3 V電壓下工作，不僅能顯示英文字符，還能顯示漢字，做到了信息的全中文顯示。不開(kāi)啟背光，工作電流典型值也只有1.2 mA，在平時(shí)不顯示的時(shí)候關(guān)閉模塊電源，使顯示模塊消耗的能量很少，完全適合電池供電的低功耗系統。
3 軟件設計
軟件采用了模塊化設計，包括主程序和中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序如圖5所示。
主程序完成系統的初始化等操作后進(jìn)入低功耗模式等待中斷，按鍵中斷服務(wù)程序完成讀卡功能、開(kāi)關(guān)閥等操作。對于本預付費模塊，主要是按鍵中斷服務(wù)程序的設計。本按鍵中斷程序中，射頻卡開(kāi)啟的時(shí)間采用定時(shí)器來(lái)控制，這樣軟件操作更加合理、功耗小、執行效率高。
本文設計的熱量表預付費模塊以MFRC522為核心，結合電動(dòng)閥門(mén)實(shí)現了預付費功能。通過(guò)在軟件方面采用中斷方式，在硬件電路中加入電源控制端，使電源可控，因而降低了系統的功耗，實(shí)現了系統低成本、高效率，同時(shí)實(shí)現信息的全中文和標準量綱顯示。該模塊具有功耗低、運行穩定的特點(diǎn)，可以很方便地移植到其他系統中，進(jìn)而提升產(chǎn)品的性能，在實(shí)際應用中具有較高的參考價(jià)值。
