張華強(qiáng),李玉峰,張曉燕

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系，山東 威海264209）

隨著我國科技、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家能源政策的調(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存儲所購買熱量，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。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

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射頻卡讀寫電路的電源，對進(jìn)入射頻場的IC卡請求應(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，對所購熱值和現(xiàn)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、本次購買熱量和熱量表現(xiàn)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(xiàn)有熱值大于0,則打開閥門控制電路的電源，執(zhí)行打開供暖管道進(jìn)水口的操作，當(dāng)微處理器檢測到閥門有效打開后，關(guān)閉閥門控制電路的電源。系統(tǒng)對射頻場掃描一段時(shí)間后關(guān)閉射頻讀寫模塊的電源。

當(dāng)熱量表中的現(xiàn)有熱值等于0 KJ時(shí)，系統(tǒng)將打開閥門控制電路的電源，執(zhí)行關(guān)閉供暖管道的進(jìn)水閥門操作，當(dāng)微處理器檢測到閥門有效關(guān)閉后，關(guān)閉閥門控制電路的電源。

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卡讀寫電路、閥門驅(qū)動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(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個數(shù)據(jù)端口，P1和P2口全部可以做外中斷處理，2個串口通信模塊，且這兩個串口都可以通過軟件設(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[2]。因此選用MSP430F149作為本系統(tǒng)的微處理器。

2.2 射頻IC卡讀寫電路

射頻IC卡讀寫電路的主要功能是完成對IC卡的識別、讀取卡中數(shù)據(jù)、對卡中數(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[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，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)的天線的長寬和天線的電感來綜合考慮選取電容的值。

2.3 閥門驅(qū)動接口電路

閥門控制電路及低電壓電動閥門配合IC卡讀寫電路實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，是預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成對供暖管道的開、關(guān)控制操作。該電路采用單獨(dú)電源供電，單片機(jī)只需提供相關(guān)操作信號即可。主要由電源電路、驅(qū)動電路和低電壓電動閥門組成，如圖3所示。

低電壓電動閥門選用天津珠峰閥門廠的電動銅球閥，其熱水工作溫度是0～100℃，工作電壓是DC 3 V～6 V，閥門控制引出 4根線，分別是開閥線、關(guān)閥線、地線和反饋線，非常適合本系統(tǒng)。工作過程如下：當(dāng)開閥線和地線接通電源后，閥門自動轉(zhuǎn)動到全開位置后內(nèi)部自動斷電；當(dāng)關(guān)閥線和地線接通電源時(shí)，閥門自動轉(zhuǎn)動到全閉位置后內(nèi)部自動斷電；當(dāng)執(zhí)行閥門的開閥或關(guān)閥時(shí)，反饋線會輸出高電平;當(dāng)閥門開到位或關(guān)到位時(shí)，反饋線輸出低電平，這樣用單片機(jī)控制就非常簡單、高效。

閥門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(jī)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(dāng)電源電壓低于3.1 V時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)中斷,系統(tǒng)會關(guān)閉進(jìn)水閥，同時(shí)提示用戶更換閥門控制電路的電源。

驅(qū)動電路主要控制閥門電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)需要開閥或關(guān)閥操作時(shí)，打開相應(yīng)的電路即可。當(dāng)檢測到閥門已打開或已關(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(dāng)CLO_M為高電平時(shí)，Q2、Q7、Q11導(dǎo)通，關(guān)閥端為高電平，開閥端為低電平，執(zhí)行關(guān)閥操作。當(dāng)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；開閥電路(Q9、Q10、Q3)受OPEN_M端控制，工作過程和關(guān)閥過程類似。

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(tǒng)的按鍵電路選用由1個電阻、1個電容和1個按鍵組成的簡易鍵盤，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(dāng)按鍵按下時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)中斷，執(zhí)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(jī)的端口，電容的作用是消除按鍵抖動。

LCD顯示模塊對卡號、現(xiàn)有熱量、本次所購熱量等信息進(jìn)行顯示?？紤]到系統(tǒng)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(tǒng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，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(tǒng)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、開關(guān)閥等操作。對于本預(yù)付費(fèi)模塊，主要是按鍵中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)。本按鍵中斷程序中，射頻卡開啟的時(shí)間采用定時(shí)器來控制，這樣軟件操作更加合理、功耗小、執(zhí)行效率高。

本文設(shè)計(jì)的熱量表預(yù)付費(fèi)模塊以MFRC522為核心，結(jié)合電動閥門實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)功能。通過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(tǒng)的功耗，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低成本、高效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息的全中文和標(biāo)準(zhǔn)量綱顯示。該模塊具有功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以很方便地移植到其他系統(tǒng)中，進(jìn)而提升產(chǎn)品的性能，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的參考價(jià)值。

[1]王洪濤.非接觸式Mifare 1卡預(yù)付費(fèi)智能水表設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(1):63-65.

[2]雒濤,丁鐵夫.基于 MSP430F149的熱量表[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(16):3723-3725,3744.

[3]Philips Semiconductors.MFRC522 contactless reader IC date sheet.2005:11-118.

[4]陳保平,王月波.基于MFRC522的Mifare射頻卡讀寫模塊設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,11(2):230-232.