论文IC卡节水控制器.docx

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论文IC卡节水控制器

IC卡淋浴节水控制器

一：

IC卡淋浴节水控制器产生的背景：

人类赖以生存的环境和资源早已成为一个沉重的话题，环境的破坏和资源的浪费每时每刻都在持续，已经对人类的可持续性发展形成明显的制约，因此在全球范围提出环境保护和资源节约的战略势在必行。

中国本身属于水资源匮乏的地区，节约水资源就更加重要。

在日常人们生活中，水资源的使用是不可缺少的一项，如：

洗浴、洗衣、吃饭、饮水等。

人们对于水资源的节约意识到现在依然是非常淡泊（或没有可行的解决方案），浪费依然是一个严重的社会问题。

水资源的节约已成为了国家水资源管理的一项重大行政举措，将节约的观念深深地映到每个的思想里，养成节约用水从我作起和水资源节约是全人类的责任等观念，让每个人在习惯上形成人人节约、时时节约、处处节约的用水观念。

二：

IC卡淋浴节水控制器概述：

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Mifare1S50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。

从产品的实际出发，在设计时考虑到环境的不同，设计了不同的型号，按照网络结构分类：

有联网型、脱机型，按照计量方法分类：

按时间计费、按流量计费。

三：

IC卡淋浴节水控制器系统产品展示：

四：

基于非接触式IC卡的节水控制器总体方案及硬件设计

1）总体方案

组成：

由下图的系统框图可以看出，水控器主要以AT89C51主控MCU（MicroControlUnit）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。

操作原理：

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）水控器硬件设计

IC卡节水控制器硬件功能介绍：

节水控制器由机房或变电处的变压器（220V变为12V）统一供电，每台变压器可以为20到40台节水控制器供电（根据变压器的功率不同带动的节水控制器数量也不同），距离要求在500米以内。

节水控制机和节水阀是直流24V的安全电压，没有高压和交流电压，保证使用者的安全。

电磁阀采用低功耗线圈，保证以较低电流工作。

防水措施

　　节水控制器外壳使用防水材料设计，数据线的出入口使用防水接头，在底盖和上盖之间使用石棉先压在结合处的槽内。

主板和芯片用防水蜡敷设，布线要求和装修同步进行，将线路走在墙内最好，起到安全的作用，如果无法改造墙体，可以利用管道布线。

阀门选择

电磁阀：

主要用于公寓浴室或者公共浴室等的地，价格低廉，开关速度快，容易被破坏。

电动阀：

用于开水房、电茶炉、浴室等环境，价格较贵，但使用寿命长，不容易被破话；

注意：

电磁阀应用场所：

80度以下的温水或凉水。

电动阀的应用场所：

80度---100度的开水。

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CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes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>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TYPEA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：

1.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）。

2.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。

3.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。

4.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所示:

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。

EMC低通滤波器由L0和C0组成。

Mifare系统在13.56MHz频率下操作。

该频率由一个石英晶振产生用于驱动MFRC500以及作为驱动天线的13.56MHz能量载波的基频。

这样除了产生13.56MHz的发射功率而且会发射更高的谐波。

国际EMC条例定义了在广播频段中发射功率的幅值。

因此，必须对输出信号进行适当的滤波。

接收电路由R1、R2、C3、C4组成。

使用了内部产生的VMID电势作为RX脚的输入电势。

为了提供一个稳定的参考电压，还必须在VMID脚接一个对地的电容C4。

读卡器的接收部分在RX和VMID脚之间连接了一个分压器。

天线线圈和分压器之间使用了一个串接电容。

EMC低通滤波器和接收电路的元件取值见下表1：

天线匹配电路由C1、C2a、C2b组成，这里设计成一个直接匹配天线的匹配电路，各元

件的取值决定于天线的电气特性和环境的影响。

对天线线圈的电感量的精确计算是不可行的。

可以通过下面的公式来估算，天线一般设计成环形或者矩形。

式中，I1为导体环一圈的长度；D1为导线直径或者PCB板上导体的宽度；K为天线形状因素（环行天线K=1.07，矩形天线K=1.47）；N1为圈数。

表1EMC滤波器和接收电路元件的取值

3>.软件设计方案

IC卡节水控制器软件功能介绍

　　节水控制管理系统具有五大功能模块，卡片管理、设备管理、数据处理、查询/报表统计、系统管理。

其基本内容如下：

　　1、卡片管理模块：

卡片浏览、开户、补卡、销户、存款、卡片修复、消费修正、挂失等功能，能够完成卡片的所有操作，对停止使用的卡片进行销户、金额不足时加款、对消费金额错误时可以进行修正、卡片报错时可以进行修复、卡片丢失实时挂失及解挂等系列的功能。

　　2、设备管理模块：

设备检查、设备监控、设备分配、设置时间、设置参数、下载挂失、设备初始化、模式管理等功能。

检查设备是否和网络连通、监视设备运行状况和收费情况、对洗浴节点分配，将系统设置参数下载到控制器上。

　　3、数据处理模块：

上载数据、监控数据、数据备份、数据整理、数据导出等功能。

完成对节水控制器数据的上载和处理。

　　4、查询/报表统计：

现金收入、卡金/先进收支、消费报表、人员信息、开户信息、存款信息、挂失信息、坏卡信息、销户信息、卡片修复信息、个人消费记录、登陆记录等功能，完成财务结算和管理所需求查询和报表打印。

　　5、系统管理模块：

数据初始化、参数设置、部门设置、身份设置、分组设置、站点设置、收费标准设置、收费方式设置、权限设置等。

可以对系统密码方案、卡片类型等选择，对收费标准的确认。

对于脱机使用的客户可以利用参数卡的模式将不同的收费标准下载到节水控制器上，同时利用参数卡定期对节水控制器的维护和参数修改，收费标准要根据客户的具体环境和现场水压决定。

控制器采用的是Mifare1S50型非接触式IC卡，这里将IC卡设置成用户卡和管理员卡两种。

用户卡即为买水用卡；而管理员用卡用于对水控器进行参数设置和读取消费额。

管理员卡在使用前要在装有系统管理软件的PC机上进行设置，在IC卡的一个分区内写有管理员特征码，用于区分卡类型。

总体流程图如图3所示：

系统初始化包括了单片机的初始化、读24C01A操作、显示处理、以及MFRC500初始化。

其中读24C01A操作是为了显示单价的需要，MFRC500的初始化即对MFRC500的内部寄存器进行设置。

当有IC卡靠近读写器时，先读取系统识别码（判断该卡是否适用于该系统），然后判断卡类型并进入相对应的用户卡或管理员卡处理流程。

在用户卡以及管理员卡处理流程中考虑长期使用可能出现坏卡，因而设置有写卡累计次数限制流程，如果写卡累计6次仍不能成功则退出并报警。

读写器与IC卡通讯流程图如下图4所示：

首先上电对MFRC500进行复位与初始化，当有IC卡靠近读写器的读写范围之内时，读写器向IC卡发出请求命令，此时IC卡的ATR（复位应答信息）将启动，并将IC卡中的2BIC卡类型传送给读写器，建立IC卡与读写器的第一步通信联络。

如果读写器天线工作范围内有多张IC卡，防冲突模块将启动。

读写器首先与每一张卡进行通讯，取得每一张卡的序列号，卡的序列号都是唯一的，根据IC卡的序列号来选定一张IC卡进行操作，未被选择的IC卡处于等待状态。

序列号存储在IC卡的block0中，共5B，其中有1B为序列号的检验字节（CRC码）。

完成了上述两个步骤以后，读写器还必须对IC卡进行选择，读写器将收到从被选中的IC卡传送出的容量字节（存储于bl