基于RC522的公寓智能洗衣机控制器设计

湛晓雪,郭献章,高茂菊,冯秀霞,赵明强,雷志强

(东北大学秦皇岛分校 a.资源与材料学院;b.实验教育中心;c.控制工程学院，河北 秦皇岛 066004)



基于RC522的公寓智能洗衣机控制器设计

湛晓雪a,郭献章b,高茂菊a,冯秀霞a,赵明强c,雷志强c

(东北大学秦皇岛分校 a.资源与材料学院;b.实验教育中心;c.控制工程学院，河北 秦皇岛 066004)

摘要：利用高速MCU C8051F500单片机作为微处理器，并以philips公司的RC522射频芯片为核心设计了控制器. 该控制器能实现对洗衣机的刷卡定时使用，并能方便用户随时查看帐户余额. 控制器通过检测设备工作的电流判断设备的工作情况，从而根据需要切断设备的电源，也可以根据客户需求进行少许改动以实现多种需求. 通过实例展示，说明了该控制器的实用性与可靠性.

关键词：RC522；智能洗衣机；电流检测；Mifare卡

在大学物理实验教学中，根据学生的不同专业及不同的专业知贮备水平，利用物理实验室的基础条件，因势利导，使低年级的本科生也能发挥自己的特长，用所学致所用，不但培养了良好的科研动手能力和科研素养，而且增进了学习兴趣. 东北大学秦皇岛分校实验教育中心在物理实验教学中，为激发学生学习热情成立了多个学生科研兴趣小组，3年来做出发明专利2项，实用新型专利12项，以下是自控小组的成果之一，展示了这种教学模式的活力与成功之处.

随着射频技术及非接触式IC卡的发展，非接触式IC卡[1]已经广泛应用于洗衣机、门禁系统、医疗、企业、校园一卡通、公路交通费管理系统等领域. 目前有些公寓和学生宿舍洗衣房仍用人工管理，使用的是普通非刷卡洗衣机，学生需先去洗衣房交费并由宿管人员启动非刷卡冼衣机进行清冼. 一段时间后宿管人员会定期与财务进行结算. 该过程需要人工登记，效率低而且不易实现对宿管人员的监督. 非刷卡洗衣机价格虽然便宜，但是已经不能满足这种需求了. 市面流通的可刷卡洗衣机价格较贵，而且当该刷卡洗衣机报废后，其刷卡系统也就跟着报废，不可再次利用.

针对上述情况，本文设计了基于MFRC522芯片和C8051F500单片机的可多次利用的刷卡控制器，并以伊莱克斯洗衣机为例，通过控制洗衣机的电源实现对洗衣机的控制. 控制器检测通过洗衣机电源的电流即可获知洗衣机工作与否，进而控制洗衣机的电源. 每次刷卡控制器会设定50 min倒计时，倒计时为零，控制器也会控制继电器断开洗衣机的电源，实现对洗衣机的有效控制. 采用12232液晶显示洗衣机每次刷卡后的剩余使用时间和相应中文信息，人机界面更直观方便；选用ACS712霍尔电流传感器可以有效检测各种波形的电流(包括电隔离的)，降低成本，提高控制器的灵敏度和可靠性.

1控制器硬件构架

如图1所示，控制器整体结构主要包括：电源模块、微控制器模块、射频基站模块、电流检测模块、继电器模块、液晶显示模块、报警提示模块. 控制器电路板采用双层PCB板，PCB板的主要功能是提供机械上的支撑以及对封装好的固态器件、电阻器、电容器和电感等进行多电平连接[3]. 采用双层板可合理地在正反面放置器件，便于器件之间的导线连接，增加系统的稳定性和可靠性.

图1　系统硬件构架图

1.1电源模块

电源模块为控制器各模块提供电源. 其中，MTW3-S5H AC/DC转换模块为控制器的单片机、继电器、电流检测模块、液晶报警提示模块提供电源. AC/DC模块得到的5 V再经稳压芯片LM1117-3.3输出，变为3.3 V电压，为RC522射频模块供电.

1.2微控制器模块

C8051F系列单片机具有高速流水线结构、大多数指令执行时间为1～2时钟周期、高性能模拟外设、MCU时基选择多样化等优点[4-5]，因此选用带SPI总线的8位单片机C8051F500作为主控芯片. 该单片机工作电压为1.8～5.25 V，采用流水线指令结构，速度可达50 MIPS(时钟频率为50 MHz时). 内部有可编程速率高达200 kb/s的12位ADC转换器. 不用外接AD转换器就能进行AD转换. 内部含有4 352字节RAM(256+4096 XRAM)，64 kB Flash满足编程需要. C8051F500有4个16位定时器，支持UART、SMBBus和高速SPI接口. 内部振荡器为24 MHz，精度为±0.5%. 使用内部晶振时，处理速度及精度均能达到控制器的要求.

1.3射频基站模块

MFRC522是Philips公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低功率、低成本、体积小的非接触读写芯片[6]. 它支持ISO/IEC 14443A/Mifare[7]协议，无需额外的有源电路，MFRC522[5]的内部发射机就能够驱动读写器/写入器天线与ISO/IEC 14443A/Mifare协议卡通信. MFRC522射频电路如图2所示，其中TX和RX接PCB天线. RC522的工作频率为13.56 MHz，它可以在有效的发射空间内形成13.56 MHz的交变电磁场，为处于发射区域内的非接触式IC卡提供能量[7].

射频芯片工作频率为13.56 MHz，该频率的波长大约为22 m，除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料[8]，考虑到安全性及可靠性，将控制器放置在塑料壳里. IC卡贴在控制器外壳表面即可实现与控制器的无线通信，进而实现对IC卡的读写及信息显示等功能.

图2　MFRC522射频电路图

1.4电流检测模块

本控制器选用ACS712霍尔电流传感器作为电流检测传感器. ACS712霍尔传感器是利用霍尔原理制成的检测电流的装置，它的突出优点是能检测各种波形的电流，而且是电隔离的，输出为电压信号，非常适合检测工频电[9].

根据洗衣机的工作特性，其工作电流小于4 A，所以选择量程为-5 A≤Ip≤+5 A的ACS712电流传感器. ACS712能检测交流电流和直流电流，输出信号反映输入信号的真实波形，灵敏度为185 mV/A，满足本控制器的使用要求.

ACS712的典型应用电路如图3所示，输入信号是50 Hz的交流电，ACS712输出端为以2.5 V为基准的正余弦电压信号，且Vout=2.5+0.185Ip. 考虑输入信号的频率以及采集数据的准确性，设定单片机每20 ms采集100个数据，根据算法找出1个周期采集数据的最大值Vmax. 再根据Vout=2.5+0.185Imax即可算出洗衣机工作电流的最大值Imax，以此来判断设备的工作情况.

图3　ACS712典型应用电路图

1.5继电器模块

继电器用来控制洗衣机电源的接通与断开. 在洗衣机停止使用或达到刷卡设定的最长时间后，控制器会及时关闭洗衣机的电源. 以此来实现对洗衣机的有效控制.

1.6液晶显示模块

本控制器使用12232液晶作界面显示，如图4所示，该液晶内置8 192个16×16点汉字库和128个16×8点ASCII字符集图形点阵，方便显示汉字，人机界面更直观. 在洗衣机运行过程中，液晶显示洗衣机每次刷卡后卡的剩余次数和卡号，以及倒计时时间等.

图4　液晶显示效果图

1.7报警提示模块

报警提示电路图如图5所示. 本报警不需要语音提示，用蜂鸣器发音提示即可. 在查询卡的剩余次数时，蜂鸣器发出2声短促的响声，在刷卡洗衣时， 蜂鸣器发出长响1声. 在洗衣机正常洗完衣服后，蜂鸣器会发出长响响声. 该控制器选择有源蜂鸣器，配合简单有效的三极管驱动电路，通过单片机I/O口就能控制其发声.

图5　报警提示电路图

2控制器软件设计

2.1主程序功能设计

本控制器的程序开发环境为Uvision 3 IDE，它是基于Windows系统的开发平台，支持所有的Keil 8051工具，很适合作为C8051f500的开发环境[10]. 控制器的主程序流程图如图6所示：首先系统进行I/O口、定时器、AD转换、全局变量等的初始化，之后一直处于寻卡和电流检测状态.

第一次刷卡时，控制器为验卡状态，此时液晶显示IC卡的剩余次数(IC卡的使用次数不会减1)，显示过IC卡的剩余次数后，由验卡状态变成刷卡状态，如果卡片在设定时间(3 s)内离开刷卡区，卡片会由刷卡状态变成验卡状态；如果卡片在设定时间(3 s)内没有离开，程序进入第二次寻卡，此时控制器变为刷卡状态，IC卡的次数会减1，同时液晶显示IC卡的剩余次数，之后由刷卡状态变成验卡状态. 刷卡后，液晶显示本次使用洗衣机的剩余时间，并且开始倒计时. 另外控制器在洗衣机工作时也可随时查看IC卡的剩余使用次数，即控制器可以在任意时刻查看IC卡的信息，方便管理人员随时查看.

控制器工作时，控制器实时检测洗衣机电源线经过电流i，该电流值i小于设定阈值(0.8 A)便启动定时器计时，计时期间若电流值i大于设定阈值，则定时器清零，重新计时. 计时时间大于4.5 min(该时间参量是根据伊莱克斯洗衣机的工作特性得出的)，断开继电器，切断洗衣机的电源. 若洗衣机剩余使用时间倒计时为零，则控制器控制继电器断开洗衣机的电源.

图6　系统流程示意图

2.2对IC卡的操作

如图7所示，相关的操作流程为：

1)复位请求. 卡上电复位后，读写器向卡片发出请求命令.

2)防冲撞. 在同一时刻读写器天线有效范围以内可能存在多张非接触式IC卡，防冲突机制会从其中选择1张进行操作，未选中的则处于空闲模式，该过程会返回被选卡的序列号.

3)选择卡片. 选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码.

4)三重秘钥验证. 选定卡片后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在3次秘钥验证之后才可以对卡片进行读写等操作(在选择另一区时，必须进行另一区秘钥的验证).

5)读写操作. 读写1个块，加减值操作.

6)恢复. 将存储器段内容移到数据寄存器.

7)传送. 将内部数据寄存器的内容写到值存储器段.

图7　对IC卡操作流程图

3产品试制和系统调试

从方案设计到产品试制，再进行系统调试最后完成具有便于管理和监控的智能洗衣机控制器，产品功能效果如图8所示.

图8　产品功能效果图

1)采用基于MFRC522芯片和C8051F500单片机的控制器实现电源集中管理，电源通过控制器连接到洗衣机，检测洗衣机的工作电流即可获知洗衣机与否工作，可在洗衣机不工作时及时切断电源，刷卡设定50 min倒计时也能对洗衣机进行有效的控制.

2)利用12232液晶显示洗衣机每次刷卡后的剩余使用时间，方便快捷；另外选用ACS712霍尔电流传感器可以有效检测各种波形的电流(包括电隔离的)，可在洗衣机不工作时及时切断电源，提高了可靠性和工作效率.

4结束语

物理实验是大学物理教学中的重要一环，但如果不能结合新技术的发展、学生的兴趣点及学生的能力水平进行实验模式与内容的探索与创新，则很难利用学生早在中学时就已经熟知的内容提起学生的兴趣. 而学生在通过自己设计与动手做出能够解决生活中小难题的创新产品的过程中，对大学物理中的相关章节内容有了新的兴趣和认识，学习态度就会十分努力(如本文所述控制器所涉及到的电学部分)，同时也会关注规范操作和基本能力的训练，其学习效率也会更高.

参考文献：

[1]李裕华，李舫，孙明. 自装IC智能卡机[M]. 西安：西安交通大学出版社，2005:5.

[2]杨振野. IC卡技术及其应用[M]. 北京：科学出版社，2006:144-147.

[3]文光俊，谢甫珍，李建. 无线通信射频电路技术与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010:378.

[4]张培仁，孙力. C8051F系列单片机原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2013:11-15.

[5]陈阳，陈中华，张海涛，等. 基于C8051微控制器的光电信号自动扫描与采集系统[J]. 物理实验，2009,29(3):21.

[6]陆永宁. 非接触IC卡原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006:230-239，427-472.

[7]韩爱丽，李亚. 基站芯片RC522的1443A读卡器设计[J]. 新器件新技术，2006(12):35.

[8]郑和喜，陈湘国，郭泽荣，等. 物联网原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2010:10.

[9]黄玉兰. 物联网射频识别(RFID)核心技术详解[M]. 2版. 北京：人民邮电出版社，2002:172.

[10]张天凡. 51单片机C语言开发详解[M]. 北京：电子工业出版社，2008:95-96.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：TP368.2;TM925.33

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)05-0034-05

作者简介：湛晓雪(1993-)，女，东北大学秦皇岛分校资源与材料学院材料成型专业2013级本科生.指导教师：郭献章(1970-)，男，河北魏县人，东北大学秦皇岛分校实验教育中心高级实验师，博士，研究方向为工程力学.

收稿日期：2016-01-05；修改日期：2016-03-07

资助项目：中央高校基本科研业务专项资金(No.N120423003);东北大学秦皇岛分校校内科研基金