李 莎,郭媛媛

（商丘工學(xué)院 機械工程學(xué)院,河南 商丘 476000）

1 前言

如今，市場上所銷售的飲水機產(chǎn)品很大一部分都加入了智能化的元素。所以，產(chǎn)品智能化已經(jīng)成為飲水機產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的必然走向。射頻卡飲水機主要是應(yīng)用于飲水較多的公共場合特別是醫(yī)院、工廠、學(xué)校、公司而設(shè)計的高新技術(shù)節(jié)能產(chǎn)品，它能有效地克服飲水費用高、不衛(wèi)生和等水久的難題。另外，智能卡管理模式可節(jié)約用水；即便是在寒冷的冬季人們也可隨時喝到熱水；投資成本低，單價比瓶裝飲用水便宜。

此設(shè)計完成后可實現(xiàn)的功能是：當(dāng)人們需要飲水時，可以事先根據(jù)個人用水喜好選擇冷、熱水，在保證余額充足的前提下，只需要把水杯放在所選的冷、熱水水杯座上，如果卡權(quán)限已經(jīng)獲得允許，顯示模塊則顯示出卡號，與此同時，壓力開關(guān)閉合即繼電器動作將閥門打開，水杯自動加滿并計算飲水機流水量的多少，從射頻卡里扣除對應(yīng)的金額，實現(xiàn)出水動作。

2 硬件設(shè)計

主要控制模塊選擇STC89C52，在MCS-51核心結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，有所大量的升級改進。在電路設(shè)計中，主要是利用了單片機與復(fù)位電路、晶振電路、紅外（避障）傳感器模塊、射頻模塊以及1602液晶顯示模塊等構(gòu)成射頻識別卡智能飲水機控制系統(tǒng)。單片機是整個射頻卡智能飲水機控制系統(tǒng)的核心元件，通過程序的編寫和執(zhí)行，實現(xiàn)售水功能。

在市場上我們能常常觸碰得到的IC卡通常有2個類型：分別是接觸式的與免接觸式的。接觸式IC卡是一種把集在一起的電路芯片通過工業(yè)工藝技術(shù)嵌入到卡中的膠型卡片，出現(xiàn)伊始主要應(yīng)用在食堂飯卡、公用電話之類的領(lǐng)域，但接觸式IC卡讀寫操作速度比較慢，操作較為繁瑣，且由于芯片長時間被暴露出來，易壞且易折。免接觸式IC卡又叫射頻卡，是把集成電路芯片從卡的外部轉(zhuǎn)移到卡片內(nèi)部，解決了容易被損壞、折斷的問題，克服了嚴(yán)酷環(huán)境的影響。據(jù)此，本設(shè)計選用的是源于荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的MF1 IC S50射頻卡。它的性質(zhì)為比較通用的TYPEA類卡?？偣卜譃槭鶄€扇區(qū)，其中各個扇區(qū)都有唯一對應(yīng)的密碼和瀏覽權(quán)限，并且所有卡片有且僅有唯一相對應(yīng)序列號，具有快速防沖突機制，能夠解決數(shù)張卡片同時出現(xiàn)在刷卡（射頻）區(qū)域的難題，它獨一無二的存儲方式也為自身的性能加了不少分，卡片中沒有獨立的供電電源，天線部分也位于卡片的內(nèi)部，并且自身擁有非常好的加密性能。

選擇MF-RC522作讀卡芯片[1]，RC522是一種低成本，尺寸小且高性能的無線讀/寫卡集成模塊，因為其本身采用了特制的控制芯片以及新一代讀取器，所以此模塊設(shè)計的IC卡讀卡器幾乎都支持13.56MHz內(nèi)任何種類無線通信形式及條款,適用于各種基ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)。它能夠輕易地把驅(qū)動級部分和天線有效的連接在一起。MF-RC522 讀寫模塊主要由系統(tǒng)電路、SPI接口電路以及天線電路構(gòu)成。MF-RC522工作流程如下：

（1）由讀取器模塊借助天線部分向外部發(fā)送連續(xù)不斷的載波信號；

（2）在作業(yè)區(qū)域內(nèi)，逐漸靠近的射頻卡一旦收到讀取器發(fā)出的信號，立即就會被識別并通過射頻天線反饋至內(nèi)部電源再到卡從而完成卡的激活；

（3）射頻卡里的存取信號通過控制模塊，首先是被送至載波上等待處理，之后又借助天線到達到讀卡模塊；

（4）讀卡模塊把送達的存取信息先經(jīng)過解調(diào)和解碼操作，最終進入到單片機中；

（5）主控芯片分析卡的ID號所給出的信息完成與之相對應(yīng)的指令與控制。

選擇LCD 1602當(dāng)作系統(tǒng)的顯示模塊，1602作為一類可以顯示兩行且每行顯示十六個字符的液晶顯示模塊，顯示字跡清楚，價格便宜。按鍵形式選擇矩陣按鍵，這種鍵盤在一定程度上能減少很多I / O口浪費，與獨立鍵盤比較而言能夠節(jié)約資本，在按鍵使用量相對大時，實用性更強。

本設(shè)計使用紅外（避障）傳感器進行空杯檢測。紅外傳感器模塊具有小尺寸、性能好、幾乎不耗電且制造成本低的優(yōu)點，當(dāng)紅外射頭發(fā)出的紅外線遭到其他物體遮擋時，紅外線就會被反射回來再由紅外接收頭接收。通過運算放大器以及外圍器件構(gòu)成電壓比較器，從而實現(xiàn)對出水口有無容器的檢測。

采用流量繼電器實現(xiàn)出水流量的控制，與同類產(chǎn)品相比流量繼電器具有無彈簧裝置、無磁性元件、無水壓因素影響等特點，等到熱水箱內(nèi)的水加熱沸騰以后，紅外檢測系統(tǒng)如果檢測到出水口有水杯出現(xiàn)時，流量繼電器開關(guān)便會立刻打開。流量繼電器會對水流進行實時監(jiān)控，主要是用來控制流體的元器件。

采用蜂鳴器作為提示、報警電路，在規(guī)定的領(lǐng)域內(nèi)通過電流的大小直接決定了蜂鳴器響度的高低。由于蜂鳴器本身的頻率是隨機的且能夠借助程序來調(diào)節(jié),為確保蜂鳴器中有足夠的電流通過,因此設(shè)計中通過三極管使電流增大。

此外，單片機的外圍電路可分為復(fù)位模塊、振蕩模塊和擴展下載等部分。

3 軟件設(shè)計

射頻卡飲水機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三個部分：主程序設(shè)計、RC522讀/寫設(shè)計和讀卡模塊外圍電路設(shè)計。

主程序的執(zhí)行總過程整體上包含鍵盤掃描、液晶顯示及讀取卡片信息等部分。如果發(fā)現(xiàn)射頻卡通過MF-RC522天線的有效區(qū)域，此時系統(tǒng)變開始檢驗射頻卡和密碼，檢驗完成液液晶屏顯示出射頻卡中的信息，再根據(jù)持卡人操作指令執(zhí)行相對應(yīng)程序，射頻卡離開天線掃描范圍后，系統(tǒng)就會重新恢復(fù)到鍵盤掃描狀態(tài)。主程序流程圖如圖1所示。

M1射頻卡與讀寫器在完成了復(fù)位應(yīng)答，信道沖突處理，卡片的選擇、認(rèn)證及對數(shù)據(jù)塊的操作等過程后，才能對射頻卡實行詳細(xì)地讀/寫以及其他的操作。本設(shè)計選用1602液晶顯示屏作為顯示模塊，用來實時顯示射頻卡飲水機的工作狀態(tài)。設(shè)備上電以后液晶顯示屏立即被點亮，系統(tǒng)便進入初始化狀態(tài)。若系統(tǒng)檢測到K1鍵被按下，則顯示屏上顯示注冊/注銷畫面，此時可以通過K2、K3鍵的選擇完成新卡的注冊或者是舊卡的注銷；若系統(tǒng)檢測到K4鍵被按下，則顯示屏顯示菜單/選擇畫面，此時可以通過按壓K4鍵選擇操作對象，之后再通過按壓K2、K3鍵完成射頻卡的充值或者單價的調(diào)整；若系統(tǒng)檢測到有射頻卡靠近時，此時顯示屏顯示卡中的余額、售水單價、出水流量以及消費金額，接滿水杯射頻卡離開檢測范圍后，系統(tǒng)返回到初始狀態(tài)。

鍵盤掃描程序在整個射頻卡飲水機控制系統(tǒng)運行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)電源接通以后，系統(tǒng)便立即上電并進入到初始化狀態(tài)，此時鍵盤掃描程序便始終重復(fù)地對全部按鍵循環(huán)檢測，直到檢測到有按鍵被按下時，系統(tǒng)就會立即進到此按鍵與之相對應(yīng)程序中作業(yè)；倘若此按鍵沒被按下，程序就會緊接著去檢測下一個按鍵是否被按下，以此循環(huán)下去，從而完成各個按鍵與之相對應(yīng)的功能。

4 小結(jié)

該射頻識別卡智能飲水機需將水杯經(jīng)過復(fù)雜、特殊的加工工藝處理，把集成的IC卡芯片植入到水杯底部，將飲水機的射頻模塊放置在飲水機的水杯座下方，而緊貼著水杯座上方放置一個微觸壓力開關(guān)。與傳統(tǒng)的IC卡飲水機相比，功能上更趨于人性化、智能化。

[1]李樹良,施華莎.射頻(RF)卡原理與結(jié)構(gòu)[J].微處理機,2013,16(09):17-19.