基于RC522的公寓智能洗衣機控制器設計

湛曉雪,郭獻章,高茂菊,馮秀霞,趙明強,雷志強

(東北大學秦皇島分校 a.資源與材料學院;b.實驗教育中心;c.控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

?

基于RC522的公寓智能洗衣機控制器設計

湛曉雪a,郭獻章b,高茂菊a,馮秀霞a,趙明強c,雷志強c

(東北大學秦皇島分校 a.資源與材料學院;b.實驗教育中心;c.控制工程學院，河北 秦皇島 066004)

摘要：利用高速MCU C8051F500單片機作為微處理器，并以philips公司的RC522射頻芯片為核心設計了控制器. 該控制器能實現對洗衣機的刷卡定時使用，并能方便用戶隨時查看帳戶余額. 控制器通過檢測設備工作的電流判斷設備的工作情況，從而根據需要切斷設備的電源，也可以根據客戶需求進行少許改動以實現多種需求. 通過實例展示，說明了該控制器的實用性與可靠性.

關鍵詞：RC522；智能洗衣機；電流檢測；Mifare卡

在大學物理實驗教學中，根據學生的不同專業及不同的專業知貯備水平，利用物理實驗室的基礎條件，因勢利導，使低年級的本科生也能發揮自己的特長，用所學致所用，不但培養了良好的科研動手能力和科研素養，而且增進了學習興趣. 東北大學秦皇島分校實驗教育中心在物理實驗教學中，為激發學生學習熱情成立了多個學生科研興趣小組，3年來做出發明專利2項，實用新型專利12項，以下是自控小組的成果之一，展示了這種教學模式的活力與成功之處.

隨著射頻技術及非接觸式IC卡的發展，非接觸式IC卡[1]已經廣泛應用于洗衣機、門禁系統、醫療、企業、校園一卡通、公路交通費管理系統等領域. 目前有些公寓和學生宿舍洗衣房仍用人工管理，使用的是普通非刷卡洗衣機，學生需先去洗衣房交費并由宿管人員啟動非刷卡冼衣機進行清冼. 一段時間后宿管人員會定期與財務進行結算. 該過程需要人工登記，效率低而且不易實現對宿管人員的監督. 非刷卡洗衣機價格雖然便宜，但是已經不能滿足這種需求了. 市面流通的可刷卡洗衣機價格較貴，而且當該刷卡洗衣機報廢后，其刷卡系統也就跟著報廢，不可再次利用.

針對上述情況，本文設計了基于MFRC522芯片和C8051F500單片機的可多次利用的刷卡控制器，并以伊萊克斯洗衣機為例，通過控制洗衣機的電源實現對洗衣機的控制. 控制器檢測通過洗衣機電源的電流即可獲知洗衣機工作與否，進而控制洗衣機的電源. 每次刷卡控制器會設定50 min倒計時，倒計時為零，控制器也會控制繼電器斷開洗衣機的電源，實現對洗衣機的有效控制. 采用12232液晶顯示洗衣機每次刷卡后的剩余使用時間和相應中文信息，人機界面更直觀方便；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控制器硬件構架

如圖1所示，控制器整體結構主要包括：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械上的支撐以及對封裝好的固態器件、電阻器、電容器和電感等進行多電平連接[3]. 采用雙層板可合理地在正反面放置器件，便于器件之間的導線連接，增加系統的穩定性和可靠性.

圖1　系統硬件構架圖

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轉換模塊為控制器的單片機、繼電器、電流檢測模塊、液晶報警提示模塊提供電源. AC/DC模塊得到的5 V再經穩壓芯片LM1117-3.3輸出，變為3.3 V電壓，為RC522射頻模塊供電.

1.2微控制器模塊

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

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]協議，無需額外的有源電路，MFRC522[5]的內部發射機就能夠驅動讀寫器/寫入器天線與ISO/IEC 14443A/Mifare協議卡通信. 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，它可以在有效的發射空間內形成13.56 MHz的交變電磁場，為處于發射區域內的非接觸式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現與控制器的無線通信，進而實現對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，它的突出優點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，非常適合檢測工頻電[9].

根據洗衣機的工作特性，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，輸出信號反映輸入信號的真實波形，靈敏度為185 mV/A，滿足本控制器的使用要求.

ACS712的典型應用電路如圖3所示，輸入信號是50 Hz的交流電，ACS712輸出端為以2.5 V為基準的正余弦電壓信號，且Vout=2.5+0.185Ip. 考慮輸入信號的頻率以及采集數據的準確性，設定單片機每20 ms采集100個數據，根據算法找出1個周期采集數據的最大值Vmax. 再根據Vout=2.5+0.185Imax即可算出洗衣機工作電流的最大值Imax，以此來判斷設備的工作情況.

圖3　ACS712典型應用電路圖

1.5繼電器模塊

繼電器用來控制洗衣機電源的接通與斷開. 在洗衣機停止使用或達到刷卡設定的最長時間后，控制器會及時關閉洗衣機的電源. 以此來實現對洗衣機的有效控制.

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，該液晶內置8 192個16×16點漢字庫和128個16×8點ASCII字符集圖形點陣，方便顯示漢字，人機界面更直觀. 在洗衣機運行過程中，液晶顯示洗衣機每次刷卡后卡的剩余次數和卡號，以及倒計時時間等.

圖4　液晶顯示效果圖

1.7報警提示模塊

報警提示電路圖如圖5所示. 本報警不需要語音提示，用蜂鳴器發音提示即可. 在查詢卡的剩余次數時，蜂鳴器發出2聲短促的響聲，在刷卡洗衣時， 蜂鳴器發出長響1聲. 在洗衣機正常洗完衣服后，蜂鳴器會發出長響響聲. 該控制器選擇有源蜂鳴器，配合簡單有效的三極管驅動電路，通過單片機I/O口就能控制其發聲.

圖5　報警提示電路圖

2控制器軟件設計

2.1主程序功能設計

本控制器的程序開發環境為Uvision 3 IDE，它是基于Windows系統的開發平臺，支持所有的Keil 8051工具，很適合作為C8051f500的開發環境[10]. 控制器的主程序流程圖如圖6所示：首先系統進行I/O口、定時器、AD轉換、全局變量等的初始化，之后一直處于尋卡和電流檢測狀態.

第一次刷卡時，控制器為驗卡狀態，此時液晶顯示IC卡的剩余次數(IC卡的使用次數不會減1)，顯示過IC卡的剩余次數后，由驗卡狀態變成刷卡狀態，如果卡片在設定時間(3 s)內離開刷卡區，卡片會由刷卡狀態變成驗卡狀態；如果卡片在設定時間(3 s)內沒有離開，程序進入第二次尋卡，此時控制器變為刷卡狀態，IC卡的次數會減1，同時液晶顯示IC卡的剩余次數，之后由刷卡狀態變成驗卡狀態. 刷卡后，液晶顯示本次使用洗衣機的剩余時間，并且開始倒計時. 另外控制器在洗衣機工作時也可隨時查看IC卡的剩余使用次數，即控制器可以在任意時刻查看IC卡的信息，方便管理人員隨時查看.

控制器工作時，控制器實時檢測洗衣機電源線經過電流i，該電流值i小于設定閾值(0.8 A)便啟動定時器計時，計時期間若電流值i大于設定閾值，則定時器清零，重新計時. 計時時間大于4.5 min(該時間參量是根據伊萊克斯洗衣機的工作特性得出的)，斷開繼電器，切斷洗衣機的電源. 若洗衣機剩余使用時間倒計時為零，則控制器控制繼電器斷開洗衣機的電源.

圖6　系統流程示意圖

2.2對IC卡的操作

如圖7所示，相關的操作流程為：

1)復位請求. 卡上電復位后，讀寫器向卡片發出請求命令.

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

3)選擇卡片. 選擇被選中的卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼.

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

5)讀寫操作. 讀寫1個塊，加減值操作.

6)恢復. 將存儲器段內容移到數據寄存器.

7)傳送. 將內部數據寄存器的內容寫到值存儲器段.

圖7　對IC卡操作流程圖

3產品試制和系統調試

從方案設計到產品試制，再進行系統調試最后完成具有便于管理和監控的智能洗衣機控制器，產品功能效果如圖8所示.

圖8　產品功能效果圖

1)采用基于MFRC522芯片和C8051F500單片機的控制器實現電源集中管理，電源通過控制器連接到洗衣機，檢測洗衣機的工作電流即可獲知洗衣機與否工作，可在洗衣機不工作時及時切斷電源，刷卡設定50 min倒計時也能對洗衣機進行有效的控制.

2)利用12232液晶顯示洗衣機每次刷卡后的剩余使用時間，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)，可在洗衣機不工作時及時切斷電源，提高了可靠性和工作效率.

4結束語

物理實驗是大學物理教學中的重要一環，但如果不能結合新技術的發展、學生的興趣點及學生的能力水平進行實驗模式與內容的探索與創新，則很難利用學生早在中學時就已經熟知的內容提起學生的興趣. 而學生在通過自己設計與動手做出能夠解決生活中小難題的創新產品的過程中，對大學物理中的相關章節內容有了新的興趣和認識，學習態度就會十分努力(如本文所述控制器所涉及到的電學部分)，同時也會關注規范操作和基本能力的訓練，其學習效率也會更高.

參考文獻：

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

[2]楊振野. IC卡技術及其應用[M]. 北京：科學出版社，2006:144-147.

[3]文光俊，謝甫珍，李建. 無線通信射頻電路技術與設計[M]. 北京：電子工業出版社，2010:378.

[4]張培仁，孫力. C8051F系列單片機原理與應用[M]. 北京：清華大學出版社，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自動掃描與采集系統[J]. 物理實驗，2009,29(3):21.

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

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

[8]鄭和喜，陳湘國，郭澤榮，等. 物聯網原理與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2010:10.

[9]黃玉蘭. 物聯網射頻識別(RFID)核心技術詳解[M]. 2版. 北京：人民郵電出版社，2002:172.

[10]張天凡. 51單片機C語言開發詳解[M]. 北京：電子工業出版社，2008:95-96.

[責任編輯：郭偉]

Intelligent washing machine controller based on RC522

ZHAN Xiao-xuea， GUO Xian-zhangb， GAO Mao-jua，FENG 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：TP368.2;TM925.33

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)05-0034-05

作者簡介：湛曉雪(1993-)，女，東北大學秦皇島分校資源與材料學院材料成型專業2013級本科生.指導教師：郭獻章(1970-)，男，河北魏縣人，東北大學秦皇島分校實驗教育中心高級實驗師，博士，研究方向為工程力學.

收稿日期：2016-01-05；修改日期：2016-03-07

資助項目：中央高校基本科研業務專項資金(No.N120423003);東北大學秦皇島分校校內科研基金