一种基于RFID的实验室工位电源控制系统及教学实验室的制作方法

本实用新型涉及实验室领域，具体涉及一种基于rfid的实验室工位电源控制系统及教学实验室。

背景技术：

随着高校教育的不断发展，各高校对学生的创新能力、实践能力与动手能力都极为重视，此时实验室便成了学生提升动手创新能力的一个重要场所，怎样让实验室有效安全智能化的管理成了一个极为重要的问题。

传统的实验室往往通过人工推拉电闸为实验室送电与断电。然而人工推拉电闸容易因频繁操作引起电闸的机械磨损，致使电闸故障，影响实验室的正常送电断电。且学校实验室往往较多，人工推拉电闸不仅存在一定的安全隐患，还增加了管理者的劳动强度，效率相对较低。另外，现有实验室往往无法获知工位用电电能信息，工位用电安全性相对低。

为此，本实用新型提供一种基于rfid的实验室工位电源控制系统及教学实验室，用于解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本实用新型提供一种基于rfid的实验室工位电源控制系统及教学实验室，用于解决上述技术问题。

第一方面，本实用新型提供一种基于rfid的实验室工位电源控制系统，该实验室工位电源控制系统包括控制单元、用于控制实验室工位的市电供电线路的导通与断路的继电器、用于刷卡控制所述继电器的线圈通电的射频卡，还包括存储模块、用于开启rfid读卡模式的按键、用于与所述射频卡配合使用的射频读卡器、以及用于计时的计时器；

所述的控制单元包括第一控制器、以及用于驱动所述继电器的继电器驱动电路；其中：

第一控制器分别连接所述的按键、计时器、存储模块和射频读卡器；

第一控制器通过继电器驱动电路驱动所述的继电器，继电器的一常开触点串联在所述的市电供电线路中。

进一步地，所述的继电器驱动电路包括第三三极管q3、第三电阻r3、光耦合器u10、第四电阻r4和第四二极管d4，其中：

第三电阻r3的第一端连有控制信号输入线用于输入继电器控制信号的控制信号输入线；

第三电阻r3的第二端，与光耦合器u10的输入端的阳极相连；

光耦合器u10的输入端的阴极接地；

光耦合器u10的输出端的发射极e，与第三三极管q3的基极相连；

光耦合器u10的输出端的集电极，与第四电阻r4的第一端相连；

第四电阻r4的第二端、第四二极管d4的阴极、以及所述继电器的线圈的第一端，均与vcc电源相连；

第四二极管d4的阳极以及所述继电器的线圈的第二端，均与第三三极管q3的集电极相连；

第三三极管q3的发射极接地。

进一步地，所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统还包括显示屏，所述的控制单元还包括用于驱动所述显示屏的显示屏驱动电路，其中：第一控制器通过显示屏驱动电路连接所述的显示屏。

进一步地，所述的控制单元(100)还包括用于接入外界计算机的rs232-usb接口转换器，其中：所述外界计算机通过所述的rs232-usb接口转换器连接所述的第一控制器(101)。

进一步地，该实验室工位电源控制系统包括用于提示射频卡刷卡成功及失败的蜂鸣器和led指示灯，所述的蜂鸣器和led指示灯均连接在第一控制器上。

进一步地，所述的控制单元还包括时钟电路，该时钟电路与所述的第一控制器相连。

进一步地，所述的显示屏、按键和射频读卡器均设置在所述的实验室工位上。

进一步地，该基于rfid的实验室工位电源控制系统还包括电能专用计量芯片、第二控制器、用于安装在所述市电供电线路上用于检测供电电压的电压互感器、用于安装在所述市电供电线路上用于检测供电电流的电流互感器、以及设置在实验室工位上用于显示电能检测信息的电能显示屏，其中：电压互感器、电流互感器分别与电能专用计量芯片的输入端相连；电能专用计量芯片的输出端与第二控制器相连；第二控制器与电能显示屏相连。

第二方面，本实用新型提供一种教学实验室，包括一组实验室工位，每个实验室工位上均配设有如上所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型采用射频卡与射频读卡器为实验室工位送电，射频卡与射频读卡器的配合使用无需机械接触即可工作，这在一定程度上避免了因机械磨损而导致的故障。

(2)本实用新型设有计时器，在刷卡成功后，第一控制器控制计时器开始计时，并在计时器计时达到预先设定的时间长度阈值时，自动控制实验室工位断电，无需人工手动断电，这在一定程度上降低了实验室管理者的劳动强度，提高了实验室管理者的工作效率；另外自动控制实验室工位断电还可避免遗漏断电，一定程度上有助于实现节约用电，并有助于提高用电安全性。

(3)本实用新型避免了人工推拉电闸为实验室送电与断电，一定程度上有助于提高为实验室送电与断电的安全性。

(4)本实用新型采用射频卡与射频读卡器，读卡器用于读一类卡，对其他种类的卡读卡会失败，另外卡和卡器均不可复制，并且防水、防磁、防干扰，学生持一卡便可直接为实验室工位通电，使用安全可靠。

(5)本实用新型设有电压互感器、电流互感器、电能专用计量芯片和电能显示屏，能够采集并显示实验室工位的电能信息，一定程度上有助于工位使用者的用电安全，进而提高实验室的用电安全性。

此外，本实用新型设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一个实施例的系统的示意性结构功能框图。

图2是本实用新型所述第一控制器的原理电路图示意图。

图3是本实用新型所述射频读卡器的电路原理图示意图。

图4-1是本实用新型中接有继电器的继电器驱动电路的电路原理示意图。

图4-2是图4-1中所示电路与所述市电供电线路的接线示意图。

图5是本实用新型所述显示屏驱动电路的电路原理示意图。

图6是本实用新型所述时钟电路的电路原理示意图。

图7是本实用新型所述存储模块的电路原理示意图。

图8是本实用新型另一个实施例的系统的示意性结构功能框图。

图9是本实用新型所述rs232-usb接口转换器的电路原理示意图。

图10是本实用新型另一个实施例的系统的示意性结构功能框图。

图11是本实用新型所述电压互感器的电路原理示意图。

图12是本实用新型所述电流互感器的电路原理示意图。

图13是本实用新型所述电能专用计量芯片的电路原理示意图。

图14是本实用新型所述电能专用计量芯片与第二控制器的接口的电路接线原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

图1是本实用新型所述基于rfid的实验室工位电源控制系统的一个实施例。本实施例中的基于rfid的实验室工位电源控制系统用于高校教学实验室中单个实验室工位的电源控制。

参见图1，该基于rfid的实验室工位电源控制系统，包括控制单元100、显示屏200、用于控制实验室工位的市电供电线路900的导通与断路的继电器300、用于刷卡控制所述继电器300的线圈通电的射频卡400，还包括存储模块800、用于开启rfid读卡模式的按键600、用于与所述射频卡400配合使用的射频读卡器500、用于计时的计时器700；

所述的控制单元100包括第一控制器101、以及用于驱动所述继电器300的继电器驱动电路103；其中：

第一控制器101分别连接所述的按键600、计时器700、存储模块800和射频读卡器500；

第一控制器101通过显示屏驱动电路102连接所述的显示屏200；

第一控制器101通过继电器驱动电路103驱动所述的继电器300，继电器300的常开触点302串联在所述的市电供电线路900中。

其中，所述的显示屏200、按键600和射频读卡器500均设置在所述的实验室工位上，距离用户的距离相对较近，一定程度上增加了学生使用的便利性。

在本实施例中，第一控制器101采用stc15f2k-44单片机，其原理电路图参见图2。stc15f2k-44单片机具有增强型8051cpu，1t，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压为stc15f2k6s2系列工作电压：5.5v-4.2v(5v单片机)；内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，避免了外部复位电路；内部高精度r/c时钟，±1％温飘(-40℃～+85℃)，常温下温飘5‰，内部时钟从5mhz～35mhz可选(5.5296mhz/11.0592mhz/；22.1184mhz/33.1776mhz)；工作频率范围为5mhz～35mhz；低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式；可将掉电模式/停机模式唤醒的资源有：int0/p3.2，int1/p3.3(int0/int1上升沿下降沿中断均可)，int2/p3.6，int3/p3.7，int4/p3.0(int2/int3/int4仅可下降沿中断)；ccp0/ccp1/ccp2；rxd/rxd2；内部低功耗掉电唤醒专用定时器；增加了内部低功耗掉电唤醒专用定时器，也可将mcu从掉电模式/停机模式唤醒。

图3是本实施例中所述射频读卡器500的电路原理图，该电路中采用clrc632作为射频读卡器500的芯片。clrc632芯片是一款针对13.56mhz的高集成无线射频ic，其管脚与mfrc500、mfrc530、mfrc531和slrc400均可兼容，可读写符合iso14443协议的typea卡和typeb卡，以及支持so15693协议的电子标签。clrc632芯片提供了2种通信接口：第一种是8位并口，可直接与各种8位微处理器相连接；第二种是spi接口，本系统即采用了此通信接口。

图4-1是本实施例中接有继电器300的继电器驱动电路103的电路原理示意图。参见图4-1，该继电器驱动电路103包括第三三极管q3、第三电阻r3、光耦合器u10、第四电阻r4和第四二极管d4，其中：

第三电阻r3的第一端连有用于输入继电器控制信号的控制信号输入线1031；

第三电阻r3的第二端，与光耦合器u10的输入端的阳极相连；

光耦合器u10的输入端的阴极接地；

光耦合器u10的输出端的发射极e，与第三三极管q3的基极相连；

光耦合器u10的输出端的集电极，与第四电阻r4的第一端相连；

第四电阻r4的第二端、第四二极管d4的阴极、以及所述继电器300的线圈的第一端，均与vcc电源相连；

第四二极管d4的阳极以及所述继电器300的线圈的第二端，均与第三三极管q3的集电极相连；

第三三极管q3的发射极接地。

图4-1所示电路用于控制实验室工位的市电供电线路900的通电与断电。参见图4-1，所述的常开触点302通过接线端子j9串联在所述的市电供电线路900中。接线端子j9的使用，增加了电路接线的便利性。其中，图4-1中附图标记301为所述继电器300的常闭触点，接线端子j9有1接线端子、2接线端子和3接线端子，其中：所述1接线端子与所述常闭触点301相连，所述2接线端子与所述继电器300的公共端相连，所述的3接线端子与所述的常开触点302相连。另外，所述2接线端子和3接线端子串联在所述的市电供电线路900中，具体地，本实施例中所述的2接线端子和3接线端子串联串联在所述市电供电线路900的火线l中，如图4-2所示。

在本实施例中，所述的显示屏200采用lcd12864液晶屏，所述的显示屏驱动电路102为lcd12864液晶屏驱动电路，其电路原理图示意图如图5所示。参见图5，该lcd12864液晶屏驱动电路采用74hc595，74hc595是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器：并行输出为三态输出。在sck的上升沿，串行数据由sdl输入到内部的8位位移缓存器，并由q7′输出；并行输出则是在lck的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端oe的控制信号为低使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。

可选地，本实施例中所述的控制单元100还包括时钟电路，该时钟电路与所述的第一控制器101相连。所述时钟电路的电路原理图如图6所示。参见图6，该时钟电路是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟电路，它可对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，采用三线接口与处理器进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或ram数据。ds1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的ram寄存器。ds1302是ds1202的升级产品，与ds1202兼容，ds1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为bcd码形式。该时钟电路与第一控制器101的p2.6、p2.7、p4.5引脚相连，在第一控制器101的控制作用下，将实时的时间显示到所述的显示屏200上，可以让使用者方便了解工位的使用时间。

ds1302的引脚排列，其中vcc2为主电源，vcc1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302由vcc1或vcc2两者中的较大者供电。当vcc2大于vcc1+0.2v时，vcc2给ds1302供电。当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电。x1和x2是振荡源，外接32.768khz晶振。rst是复位/片选线，通过把rst输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst输入有两种功能：首先，rst接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当rst为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对ds1302进行操作。如果在传送过程中rst置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o引脚变为高阻态。上电运行时，在vcc＞2.0v时，rst保持低电平。在sclk为低电平时，将rst置为高电平。i/o为串行数据输入输出端(双向)，sclk为时钟输入端。

本实施例中所述的存储模块800采用串行flash储存器，其电路原理图如图7所示。图7所示电路可实现对射频卡400的信息等数据的处理，将信息储存在串行flash储存器中。参见图7，在该存储模块800的设计中，串行flash储存器选用w25q26。w25q26与单片机的连接接线方式是：

(1)/cs接单片的p4.4口；

(2)do口接单片机的p4.3口；

(3)p3.7连接单片机的p3.7口；

(4)p4.2连接单片机的p4.2口。

w25q16de为8个引脚的封装，其管脚的含义如下：

(1)/cs片选端，当/cs为高电平，串行数据输出(d0、io0、io2、io3)引脚为高阻态。当/cs为低电平时，芯片功耗增长到正常工作，从芯片读数据。

(2)在输入引脚连续写命令时标准的spi用单向的d0(输出)在clk的下降沿从芯片内读出数据或状态。

(3)写保护/wp是用来保护状态寄存器。/wp引脚低电平有效。当状态寄存器2的qe位被置位，/wp引脚的功能不能用。

(4)保持段/hold，当hold引脚有效时，允许芯片暂时停止工作。在/cs变低时，当/hold变为低低电平，d0引脚将变为高阻态，在di和clok引脚上的信号无效。当/hold变为高电平时，芯片恢复工作。

(5)串行时钟clk位输入引脚，为串行输入和输出操作提供时序。

在本实施例中，所述的射频卡400采用mifare卡，其核心是philips公司的mifarelics50系列微芯片。

mifare卡的主要指标：

(1)容量为8k位eeprom；

(2)分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位；

(3)每个扇区有独立的一组密码及访问控制；

(4)每张卡有唯一序列号，为32位；

(5)具有防冲突机制，支持多卡操作；

(6)无电源，自带天线，内合加密控制逻辑和通讯逻辑电路；

(7)数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次；

(8)工作频率：13.56mhz；

(9)通信速率：106kbps；

(10)读写距离：10mm以内(与读写器有关)。

mifare卡与射频读卡器500的通讯：

(1)复位应答：mifare卡的通信协议和通讯波特率是预先定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为mi射频卡，即验证卡片的卡型。

(2)防冲突机制：当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返问被选卡的序列号)。

(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)三次互相确认：选定要处理的卡片之后，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，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。(在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。)

本系统使用mifare卡的工作方式为：stc15f2k控制crlc632，驱动天线对mifare卡进行读写操作，在刷卡成功时将mifare卡的序列号存到存储模块800中(此时的stc15f2k，还通过p2.5通道输出继电器控制信号(高电平)驱动所述的继电器300、并控制计时器700开始计时)。本系统由5v电源供电。

其中需要说明的是，第一控制器101对射频卡400刷卡成功与否进行判定，所采用的具体的判定方法不属于本实用新型的保护范围，本领域技术人员可依据现有技术以及本说明书的相关文字进行实现。

在本实施例中，该基于rfid的实验室工位电源控制系统还包括用于提示射频卡400刷卡成功及失败的蜂鸣器1000和led指示灯1100，所述的蜂鸣器1000和led指示灯1100均连接在第一控制器101上。使用时，当射频卡400刷卡成功时，第一控制器101控制蜂鸣器1000响、并控制led指示灯1100灭；当射频卡400刷卡失败时，第一控制器101控制蜂鸣器1000不响、并控制led指示灯1100亮。

当需要刷卡给工位送电时，首先按一下按键600进入读卡状态，之后将射频卡400置于射频读卡器500的读卡区域进行读卡；第一控制器101检验射频读卡器500读取到的射频卡的信息，并在检验通过后(此时对应刷卡成功)，通过p2.5通道向继电器驱动电路103的控制信号输入线1031发送高电平控制信号(即控制信号输入线1031内通入的控制信号是高电平)，此时光耦合器u10的光电二极管导通，使第三三极管q3导通，q3导通后导致外围电路导通，此时继电器300的线圈得电，实验室工位的市电供电线路900接通，此时实验室工位通电，当前通电工位上的实验室工位用电设备可供学习使用；其中，在刷卡成功后，第一控制器101控制计时器700开始计时。在计时器700计时达到预先设定的时间长度阈值(比如1小时)时，第一控制器101自动清空存储模块800内存储的内容、并通过其p2.5通道向继电器驱动电路103的控制信号输入线1031发送低电平控制信号，此时光耦合器u10的光电二极管停止导通，致使第三三极管q3停止导通、q3外围电路停止导通，此时继电器300的线圈中没有电流通过，实验室工位的市电供电线路900断路，此时实验室工位自动断电，即对应实验室工位上的实验室工位用电设备自动断电。

需要说明的是，本实用新型在具体实现时，可在首次按下按键600使本系统进入读卡状态时，通过显示屏200提示已进入读卡状态；并可在刷卡成功后，通过再次按下按键600，清除显示屏200上对已进入读卡状态的相关提示信息。

另需要说明的是，本实施例在计时器700开始计时后，计时器700的计时信息实时通过显示屏200显示，方便工位使用者了解工位的剩余通电时长。

实施例2：

本实施例与实施例1相比，不同之处在于，本实施例中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统，其控制单元100还包括用于接入外界计算机的rs232-usb接口转换器，其中外界计算机通过所述的rs232-usb接口转换器连接所述的第一控制器101，如图8所示。

其中rs232-usb接口转换器的电路原理图如图9所示。参见图9，该rs232-usb接口转换器由芯片pl2303hx及其外围电路组成。pl2303是prolific公司生产的一种高度集成的rs232-usb接口转换器，可提供一个rs232全双工异步串行通信装置与usb功能接口便利连接的解决方案。图9所示电路为第一控制器101的下载器电路，其中，图中所示的usbb用于接入外界计算机，图中所示的usbtxd、usbrxd接入第一控制器101，用于实现第一控制器101中相关程序的烧录或下载(从外界计算机中下载)。

实施例3：

本实施例与实施例2相比，不同之处在于，本实施例中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统还包括电能专用计量芯片1500、第二控制器1600、用于安装在所述市电供电线路900上用于检测供电电压的电压互感器1300、用于安装在所述市电供电线路900上用于检测供电电流的电流互感器1400、以及设置在实验室工位上用于实时显示电能检测信息的电能显示屏1700，其中：电压互感器1300、电流互感器1400分别与电能专用计量芯片1500的输入端相连；电能专用计量芯片1500的输出端与第二控制器1600相连；第二控制器1600与电能显示屏1700相连，如图10所示。使用时，电压互感器1300实时检测市电供电线路900内电压大小、电流互感器1400实时检测市电供电线路900内电流大小，电压互感器1300及电流互感器1400的检测值实时传至电能专用计量芯片1500进行处理，处理后得到市电供电线路900内通电的电压、电流及功率，并在第二控制器1600的控制作用下，通过电能显示屏1700进行显示。

其中，电压互感器1300的电路原理图如图11所示，电流互感器1400的电路原理图如图12所示。电能专用计量芯片1500的电路原理图如图13所示。其中，图11中的refo口接电能专用计量芯片1500的p11口；图12中的refo口接电能专用计量芯片1500的p11口。

在本实施例中，所述的电能专用计量芯片1500采用att7022计量芯片，所述的第二控制器1600采用stm32f103rb芯片。电能专用计量芯片1500与第二控制器1600的接口的电路接线原理示意图如图14所示。

实施例4：

本实施例提供一种教学实验室，该教学实验室包括一组实验室工位，每个实验室工位上均配设有实施例1中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统。

鉴于本实施例中所述教学实验室的每个实验室工位上均配设有实施例1中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统，具有实施例1中所述基于rfid的实验室工位电源控制系统的全部优点，在此不再赘述。

实施例5：

本实施例提供一种教学实验室，该教学实验室包括一组实验室工位，每个实验室工位上均配设有实施例2中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统。

本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。

实施例6：

本实施例提供一种教学实验室，该教学实验室包括一组实验室工位，每个实验室工位上均配设有实施例3中所述的基于rfid的实验室工位电源控制系统。

本实施例所能达到的技术效果可以参见上文中的描述，此处不再赘述。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本实用新型进行了详细描述，但本实用新型并不限于此。在不脱离本实用新型的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本实用新型的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本实用新型的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。