湛曉雪,郭獻(xiàn)章,高茂菊,馮秀霞,趙明強(qiáng),雷志強(qiáng)

(東北大學(xué)秦皇島分校 a.資源與材料學(xué)院;b.實(shí)驗(yàn)教育中心;c.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

?

基于RC522的公寓智能洗衣機(jī)控制器設(shè)計(jì)

湛曉雪a,郭獻(xiàn)章b,高茂菊a,馮秀霞a,趙明強(qiáng)c,雷志強(qiáng)c

(東北大學(xué)秦皇島分校 a.資源與材料學(xué)院;b.實(shí)驗(yàn)教育中心;c.控制工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

摘要：利用高速M(fèi)CU C8051F500單片機(jī)作為微處理器，并以philips公司的RC522射頻芯片為核心設(shè)計(jì)了控制器. 該控制器能實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)的刷卡定時(shí)使用，并能方便用戶隨時(shí)查看帳戶余額. 控制器通過檢測設(shè)備工作的電流判斷設(shè)備的工作情況，從而根據(jù)需要切斷設(shè)備的電源，也可以根據(jù)客戶需求進(jìn)行少許改動(dòng)以實(shí)現(xiàn)多種需求. 通過實(shí)例展示，說明了該控制器的實(shí)用性與可靠性.

關(guān)鍵詞：RC522；智能洗衣機(jī)；電流檢測；Mifare卡

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的不同專業(yè)及不同的專業(yè)知貯備水平，利用物理實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)條件，因勢利導(dǎo)，使低年級(jí)的本科生也能發(fā)揮自己的特長，用所學(xué)致所用，不但培養(yǎng)了良好的科研動(dòng)手能力和科研素養(yǎng)，而且增進(jìn)了學(xué)習(xí)興趣. 東北大學(xué)秦皇島分校實(shí)驗(yàn)教育中心在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情成立了多個(gè)學(xué)生科研興趣小組，3年來做出發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型專利12項(xiàng)，以下是自控小組的成果之一，展示了這種教學(xué)模式的活力與成功之處.

隨著射頻技術(shù)及非接觸式IC卡的發(fā)展，非接觸式IC卡[1]已經(jīng)廣泛應(yīng)用于洗衣機(jī)、門禁系統(tǒng)、醫(yī)療、企業(yè)、校園一卡通、公路交通費(fèi)管理系統(tǒng)等領(lǐng)域. 目前有些公寓和學(xué)生宿舍洗衣房仍用人工管理，使用的是普通非刷卡洗衣機(jī)，學(xué)生需先去洗衣房交費(fèi)并由宿管人員啟動(dòng)非刷卡冼衣機(jī)進(jìn)行清冼. 一段時(shí)間后宿管人員會(huì)定期與財(cái)務(wù)進(jìn)行結(jié)算. 該過程需要人工登記，效率低而且不易實(shí)現(xiàn)對宿管人員的監(jiān)督. 非刷卡洗衣機(jī)價(jià)格雖然便宜，但是已經(jīng)不能滿足這種需求了. 市面流通的可刷卡洗衣機(jī)價(jià)格較貴，而且當(dāng)該刷卡洗衣機(jī)報(bào)廢后，其刷卡系統(tǒng)也就跟著報(bào)廢，不可再次利用.

針對上述情況，本文設(shè)計(jì)了基于MFRC522芯片和C8051F500單片機(jī)的可多次利用的刷卡控制器，并以伊萊克斯洗衣機(jī)為例，通過控制洗衣機(jī)的電源實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)的控制. 控制器檢測通過洗衣機(jī)電源的電流即可獲知洗衣機(jī)工作與否，進(jìn)而控制洗衣機(jī)的電源. 每次刷卡控制器會(huì)設(shè)定50 min倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)為零，控制器也會(huì)控制繼電器斷開洗衣機(jī)的電源，實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)的有效控制. 采用12232液晶顯示洗衣機(jī)每次刷卡后的剩余使用時(shí)間和相應(yīng)中文信息，人機(jī)界面更直觀方便；選用ACS712霍爾電流傳感器可以有效檢測各種波形的電流(包括電隔離的)，降低成本，提高控制器的靈敏度和可靠性.

1控制器硬件構(gòu)架

如圖1所示，控制器整體結(jié)構(gòu)主要包括：電源模塊、微控制器模塊、射頻基站模塊、電流檢測模塊、繼電器模塊、液晶顯示模塊、報(bào)警提示模塊. 控制器電路板采用雙層PCB板，PCB板的主要功能是提供機(jī)械上的支撐以及對封裝好的固態(tài)器件、電阻器、電容器和電感等進(jìn)行多電平連接[3]. 采用雙層板可合理地在正反面放置器件，便于器件之間的導(dǎo)線連接，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.

圖1　系統(tǒng)硬件構(gòu)架圖

1.1電源模塊

電源模塊為控制器各模塊提供電源. 其中，MTW3-S5H AC/DC轉(zhuǎn)換模塊為控制器的單片機(jī)、繼電器、電流檢測模塊、液晶報(bào)警提示模塊提供電源. AC/DC模塊得到的5 V再經(jīng)穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3輸出，變?yōu)?.3 V電壓，為RC522射頻模塊供電.

1.2微控制器模塊

C8051F系列單片機(jī)具有高速流水線結(jié)構(gòu)、大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為1～2時(shí)鐘周期、高性能模擬外設(shè)、MCU時(shí)基選擇多樣化等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，因此選用帶SPI總線的8位單片機(jī)C8051F500作為主控芯片. 該單片機(jī)工作電壓為1.8～5.25 V，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，速度可達(dá)50 MIPS(時(shí)鐘頻率為50 MHz時(shí)). 內(nèi)部有可編程速率高達(dá)200 kb/s的12位ADC轉(zhuǎn)換器. 不用外接AD轉(zhuǎn)換器就能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換. 內(nèi)部含有4 352字節(jié)RAM(256+4096 XRAM)，64 kB Flash滿足編程需要. C8051F500有4個(gè)16位定時(shí)器，支持UART、SMBBus和高速SPI接口. 內(nèi)部振蕩器為24 MHz，精度為±0.5%. 使用內(nèi)部晶振時(shí)，處理速度及精度均能達(dá)到控制器的要求.

1.3射頻基站模塊

MFRC522是Philips公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低功率、低成本、體積小的非接觸讀寫芯片[6]. 它支持ISO/IEC 14443A/Mifare[7]協(xié)議，無需額外的有源電路，MFRC522[5]的內(nèi)部發(fā)射機(jī)就能夠驅(qū)動(dòng)讀寫器/寫入器天線與ISO/IEC 14443A/Mifare協(xié)議卡通信. MFRC522射頻電路如圖2所示，其中TX和RX接PCB天線. RC522的工作頻率為13.56 MHz，它可以在有效的發(fā)射空間內(nèi)形成13.56 MHz的交變電磁場，為處于發(fā)射區(qū)域內(nèi)的非接觸式IC卡提供能量[7].

射頻芯片工作頻率為13.56 MHz，該頻率的波長大約為22 m，除了金屬材料外，該頻率的波長可以穿過大多數(shù)的材料[8]，考慮到安全性及可靠性，將控制器放置在塑料殼里. IC卡貼在控制器外殼表面即可實(shí)現(xiàn)與控制器的無線通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對IC卡的讀寫及信息顯示等功能.

圖2　MFRC522射頻電路圖

1.4電流檢測模塊

本控制器選用ACS712霍爾電流傳感器作為電流檢測傳感器. ACS712霍爾傳感器是利用霍爾原理制成的檢測電流的裝置，它的突出優(yōu)點(diǎn)是能檢測各種波形的電流，而且是電隔離的，輸出為電壓信號(hào)，非常適合檢測工頻電[9].

根據(jù)洗衣機(jī)的工作特性，其工作電流小于4 A，所以選擇量程為-5 A≤Ip≤+5 A的ACS712電流傳感器. ACS712能檢測交流電流和直流電流，輸出信號(hào)反映輸入信號(hào)的真實(shí)波形，靈敏度為185 mV/A，滿足本控制器的使用要求.

ACS712的典型應(yīng)用電路如圖3所示，輸入信號(hào)是50 Hz的交流電，ACS712輸出端為以2.5 V為基準(zhǔn)的正余弦電壓信號(hào)，且Vout=2.5+0.185Ip. 考慮輸入信號(hào)的頻率以及采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)定單片機(jī)每20 ms采集100個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)算法找出1個(gè)周期采集數(shù)據(jù)的最大值Vmax. 再根據(jù)Vout=2.5+0.185Imax即可算出洗衣機(jī)工作電流的最大值Imax，以此來判斷設(shè)備的工作情況.

圖3　ACS712典型應(yīng)用電路圖

1.5繼電器模塊

繼電器用來控制洗衣機(jī)電源的接通與斷開. 在洗衣機(jī)停止使用或達(dá)到刷卡設(shè)定的最長時(shí)間后，控制器會(huì)及時(shí)關(guān)閉洗衣機(jī)的電源. 以此來實(shí)現(xiàn)對洗衣機(jī)的有效控制.

1.6液晶顯示模塊

本控制器使用12232液晶作界面顯示，如圖4所示，該液晶內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣，方便顯示漢字，人機(jī)界面更直觀. 在洗衣機(jī)運(yùn)行過程中，液晶顯示洗衣機(jī)每次刷卡后卡的剩余次數(shù)和卡號(hào)，以及倒計(jì)時(shí)時(shí)間等.

圖4　液晶顯示效果圖

1.7報(bào)警提示模塊

報(bào)警提示電路圖如圖5所示. 本報(bào)警不需要語音提示，用蜂鳴器發(fā)音提示即可. 在查詢卡的剩余次數(shù)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出2聲短促的響聲，在刷卡洗衣時(shí)， 蜂鳴器發(fā)出長響1聲. 在洗衣機(jī)正常洗完衣服后，蜂鳴器會(huì)發(fā)出長響響聲. 該控制器選擇有源蜂鳴器，配合簡單有效的三極管驅(qū)動(dòng)電路，通過單片機(jī)I/O口就能控制其發(fā)聲.

圖5　報(bào)警提示電路圖

2控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1主程序功能設(shè)計(jì)

本控制器的程序開發(fā)環(huán)境為Uvision 3 IDE，它是基于Windows系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，支持所有的Keil 8051工具，很適合作為C8051f500的開發(fā)環(huán)境[10]. 控制器的主程序流程圖如圖6所示：首先系統(tǒng)進(jìn)行I/O口、定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換、全局變量等的初始化，之后一直處于尋卡和電流檢測狀態(tài).

第一次刷卡時(shí)，控制器為驗(yàn)卡狀態(tài)，此時(shí)液晶顯示IC卡的剩余次數(shù)(IC卡的使用次數(shù)不會(huì)減1)，顯示過IC卡的剩余次數(shù)后，由驗(yàn)卡狀態(tài)變成刷卡狀態(tài)，如果卡片在設(shè)定時(shí)間(3 s)內(nèi)離開刷卡區(qū)，卡片會(huì)由刷卡狀態(tài)變成驗(yàn)卡狀態(tài)；如果卡片在設(shè)定時(shí)間(3 s)內(nèi)沒有離開，程序進(jìn)入第二次尋卡，此時(shí)控制器變?yōu)樗⒖顟B(tài)，IC卡的次數(shù)會(huì)減1，同時(shí)液晶顯示IC卡的剩余次數(shù)，之后由刷卡狀態(tài)變成驗(yàn)卡狀態(tài). 刷卡后，液晶顯示本次使用洗衣機(jī)的剩余時(shí)間，并且開始倒計(jì)時(shí). 另外控制器在洗衣機(jī)工作時(shí)也可隨時(shí)查看IC卡的剩余使用次數(shù)，即控制器可以在任意時(shí)刻查看IC卡的信息，方便管理人員隨時(shí)查看.

控制器工作時(shí)，控制器實(shí)時(shí)檢測洗衣機(jī)電源線經(jīng)過電流i，該電流值i小于設(shè)定閾值(0.8 A)便啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)期間若電流值i大于設(shè)定閾值，則定時(shí)器清零，重新計(jì)時(shí). 計(jì)時(shí)時(shí)間大于4.5 min(該時(shí)間參量是根據(jù)伊萊克斯洗衣機(jī)的工作特性得出的)，斷開繼電器，切斷洗衣機(jī)的電源. 若洗衣機(jī)剩余使用時(shí)間倒計(jì)時(shí)為零，則控制器控制繼電器斷開洗衣機(jī)的電源.

圖6　系統(tǒng)流程示意圖

2.2對IC卡的操作

如圖7所示，相關(guān)的操作流程為：

1)復(fù)位請求. 卡上電復(fù)位后，讀寫器向卡片發(fā)出請求命令.

2)防沖撞. 在同一時(shí)刻讀寫器天線有效范圍以內(nèi)可能存在多張非接觸式IC卡，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇1張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式，該過程會(huì)返回被選卡的序列號(hào).

3)選擇卡片. 選擇被選中的卡的序列號(hào)，并同時(shí)返回卡的容量代碼.

4)三重秘鑰驗(yàn)證. 選定卡片后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號(hào)，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在3次秘鑰驗(yàn)證之后才可以對卡片進(jìn)行讀寫等操作(在選擇另一區(qū)時(shí)，必須進(jìn)行另一區(qū)秘鑰的驗(yàn)證).

5)讀寫操作. 讀寫1個(gè)塊，加減值操作.

6)恢復(fù). 將存儲(chǔ)器段內(nèi)容移到數(shù)據(jù)寄存器.

7)傳送. 將內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫到值存儲(chǔ)器段.

圖7　對IC卡操作流程圖

3產(chǎn)品試制和系統(tǒng)調(diào)試

從方案設(shè)計(jì)到產(chǎn)品試制，再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試最后完成具有便于管理和監(jiān)控的智能洗衣機(jī)控制器，產(chǎn)品功能效果如圖8所示.

圖8　產(chǎn)品功能效果圖

1)采用基于MFRC522芯片和C8051F500單片機(jī)的控制器實(shí)現(xiàn)電源集中管理，電源通過控制器連接到洗衣機(jī)，檢測洗衣機(jī)的工作電流即可獲知洗衣機(jī)與否工作，可在洗衣機(jī)不工作時(shí)及時(shí)切斷電源，刷卡設(shè)定50 min倒計(jì)時(shí)也能對洗衣機(jī)進(jìn)行有效的控制.

2)利用12232液晶顯示洗衣機(jī)每次刷卡后的剩余使用時(shí)間，方便快捷；另外選用ACS712霍爾電流傳感器可以有效檢測各種波形的電流(包括電隔離的)，可在洗衣機(jī)不工作時(shí)及時(shí)切斷電源，提高了可靠性和工作效率.

4結(jié)束語

物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)中的重要一環(huán)，但如果不能結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展、學(xué)生的興趣點(diǎn)及學(xué)生的能力水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c內(nèi)容的探索與創(chuàng)新，則很難利用學(xué)生早在中學(xué)時(shí)就已經(jīng)熟知的內(nèi)容提起學(xué)生的興趣. 而學(xué)生在通過自己設(shè)計(jì)與動(dòng)手做出能夠解決生活中小難題的創(chuàng)新產(chǎn)品的過程中，對大學(xué)物理中的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容有了新的興趣和認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)態(tài)度就會(huì)十分努力(如本文所述控制器所涉及到的電學(xué)部分)，同時(shí)也會(huì)關(guān)注規(guī)范操作和基本能力的訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)效率也會(huì)更高.

參考文獻(xiàn)：

[1]李裕華，李舫，孫明. 自裝IC智能卡機(jī)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2005:5.

[2]楊振野. IC卡技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006:144-147.

[3]文光俊，謝甫珍，李建. 無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010:378.

[4]張培仁，孫力. C8051F系列單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2013:11-15.

[5]陳陽，陳中華，張海濤，等. 基于C8051微控制器的光電信號(hào)自動(dòng)掃描與采集系統(tǒng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2009,29(3):21.

[6]陸永寧. 非接觸IC卡原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006:230-239，427-472.

[7]韓愛麗，李亞. 基站芯片RC522的1443A讀卡器設(shè)計(jì)[J]. 新器件新技術(shù)，2006(12):35.

[8]鄭和喜，陳湘國，郭澤榮，等. 物聯(lián)網(wǎng)原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010:10.

[9]黃玉蘭. 物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別(RFID)核心技術(shù)詳解[M]. 2版. 北京：人民郵電出版社，2002:172.

[10]張?zhí)旆? 51單片機(jī)C語言開發(fā)詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008:95-96.

[責(zé)任編輯：郭偉]

Intelligent washing machine controller based on RC522

ZHAN Xiao-xuea， GUO Xian-zhangb， GAO Mao-jua，F(xiàn)ENG Xiu-xiaa， ZHAO Ming-qiangc， LEI Zhi-qiangc

(a.School of Resource and Material; b.Laboratory Education Center; c.School of Control Engineering，Northeast Universityat at Qinhuangdao， Qinhuangdao 066004, China)

Abstract:Using high-speed MCU C8051F500 microcontroller and Philips RC522 RF chip, an intelligent washing machine controller was designed. The controller could realize the timing of the use of a washing machine card, and could facilitate the users to view their balance. The controller could determine the working condition of the machine through current sensing device and power off the machine when needed. The controller could also be slightly modified to achieve a variety of functions according to customer’s demand.

Key words:RC522; intelligent washing machine; current detection; Mifare card

中圖分類號(hào)：TP368.2;TM925.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)05-0034-05

作者簡介：湛曉雪(1993-)，女，東北大學(xué)秦皇島分校資源與材料學(xué)院材料成型專業(yè)2013級(jí)本科生.指導(dǎo)教師：郭獻(xiàn)章(1970-)，男，河北魏縣人，東北大學(xué)秦皇島分校實(shí)驗(yàn)教育中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，博士，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué).

收稿日期：2016-01-05；修改日期：2016-03-07

資助項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金(No.N120423003);東北大學(xué)秦皇島分校校內(nèi)科研基金