基于MFRC522的熱量表預(yù)付費(fèi)模塊設(shè)計(jì)[圖]

摘要：介紹了熱量表中基于MFRC522的預(yù)付費(fèi)模塊的組成及工作原理，提出了預(yù)付費(fèi)功能的硬件電路和軟件控制流程設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)IC卡電路和驅(qū)動(dòng)電磁閥的電源控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗、高效率，為解決熱力公司收費(fèi)難、提高居民節(jié)約意識(shí)創(chuàng)造了條件。

隨著我國(guó)科技、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家能源政策的調(diào)整，“集中供暖、分戶計(jì)量”的模式成為城鎮(zhèn)供暖系統(tǒng)中的首選模式，因而熱量表在供暖系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于此種模式的熱計(jì)量收費(fèi)涉及到千家萬(wàn)戶的直接利益，用熱情況復(fù)雜，從而造成了熱力公司收費(fèi)比較困難。MFRC522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(yīng)用于13.56 MHz的非接觸式通信系統(tǒng)中。本文設(shè)計(jì)的基于MF RC522的熱量表預(yù)付費(fèi)模塊，是以射頻IC卡作為信息的載體來(lái)存儲(chǔ)所購(gòu)買熱量，熱量表讀取卡中數(shù)據(jù)后再把卡中數(shù)據(jù)清零，實(shí)現(xiàn)了“先購(gòu)熱、后用熱”的消費(fèi)模式，為解決供暖收費(fèi)難、提高居民節(jié)約意識(shí)和提高資源利用率創(chuàng)造了條件。

1 預(yù)付費(fèi)模塊組成及工作原理

熱量表是用于測(cè)量并顯示水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)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(jì)算出系統(tǒng)所釋放的熱量。預(yù)付費(fèi)模塊就是為實(shí)現(xiàn)“先購(gòu)熱、后用熱”而設(shè)置的，基于MFRC522的預(yù)付費(fèi)模塊如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：當(dāng)需要讀卡操作時(shí)，先由按鍵電路把單片機(jī)從低功耗模式喚醒，單片機(jī)收到有效讀卡信息后打開(kāi)射頻卡讀寫(xiě)電路的電源，對(duì)進(jìn)入射頻場(chǎng)的IC卡請(qǐng)求應(yīng)答，當(dāng)判斷有本系統(tǒng)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(duì)所購(gòu)熱值和現(xiàn)有熱值進(jìn)行存儲(chǔ)，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(hào)、本次購(gòu)買熱量和熱量表現(xiàn)有熱量等信息。若讀取IC卡之前熱量表中的熱值為0,讀取后現(xiàn)有熱值大于0,則打開(kāi)閥門(mén)控制電路的電源，執(zhí)行打開(kāi)供暖管道進(jìn)水口的操作，當(dāng)微處理器檢測(cè)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(tǒng)對(duì)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(dāng)熱量表中的現(xiàn)有熱值等于0 KJ時(shí)，系統(tǒng)將打開(kāi)閥門(mén)控制電路的電源，執(zhí)行關(guān)閉供暖管道的進(jìn)水閥門(mén)操作，當(dāng)微處理器檢測(cè)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(shè)計(jì)

熱量表預(yù)付費(fèi)模塊的硬件主要由微處理器、IC卡讀寫(xiě)電路、閥門(mén)驅(qū)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(duì)微處理器的低功耗性能提出嚴(yán)格要求。MSP430F149是TI公司推出的16位超低功耗單片機(jī)，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(shù)據(jù)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(shè)置成UART方式或者SPI方式，5種節(jié)能模式非常適合用在超低功耗的產(chǎn)品中使用。因此選用MSP430F149作為本系統(tǒng)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(duì)IC卡的識(shí)別、讀取卡中數(shù)據(jù)、對(duì)卡中數(shù)據(jù)清零等操作，該電路主要由MFRC522基站芯片及其匹配天線組成。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下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A所有的層，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，可與各種類型的MCU進(jìn)行通信。

MSP430F149具有SPI接口，因此在本系統(tǒng)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(yīng)用電路。該電路主要由電源控制電路、低通濾波電路、接收電路和天線匹配電路組成。本設(shè)計(jì)天線采用直接匹配天線方法。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(dāng)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(tǒng)功耗。低通濾波電路(L1,C17;L2,C20)是為抑制系統(tǒng)電路中由石英振蕩器產(chǎn)生的高階諧波而設(shè)置的，接收電路(R25,R26,C13,C14)用于接收返回信號(hào)，其中電阻、電感、電容的取值采用推薦值。天線匹配電路(C15, C18,C19;C23,C22,C21)的作用是將天線調(diào)諧到最優(yōu)，具體取值的時(shí)候要根據(jù)所設(shè)計(jì)的天線的長(zhǎng)寬和天線的電感來(lái)綜合考慮選取電容的值。

2.3 閥門(mén)驅(qū)動(dòng)接口電路