基于MSP430的無(wú)線(xiàn)門(mén)禁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前門(mén)禁控制系統(tǒng)的功耗大、成本高、控制不靈活等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430系列CC430F5135單片機(jī)的低功耗無(wú)線(xiàn)門(mén)控系統(tǒng)。介紹了CC430F5135及其內(nèi)部集成的RF無(wú)線(xiàn)通信模塊和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法，并詳細(xì)地分析了門(mén)控模塊、電子密碼鎖模塊和RF無(wú)線(xiàn)通信模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用CC430F5135設(shè)計(jì)門(mén)控系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞：門(mén)控系統(tǒng)；MSP430；CC430F5135；RF無(wú)線(xiàn)通信模塊；電子密碼鎖

引言
    隨著人們生活水平的不斷提高，家庭防盜這一問(wèn)題也變得尤為突出。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性差等缺陷，已經(jīng)逐漸被淘汰，電磁鎖由于其保密性高、使用靈話(huà)、安全系數(shù)高，逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。如果在一個(gè)家居系統(tǒng)中有多個(gè)門(mén)，就需要一套綜合的門(mén)控系統(tǒng)，這樣就可以監(jiān)控所有樓門(mén)的開(kāi)關(guān)。
    參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的門(mén)控系統(tǒng)是以AT89S51單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)功耗較大，使用成本較高，所以其應(yīng)用具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的門(mén)控系統(tǒng)利用局域網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)控制，所以制作成本較高，而且應(yīng)用范圍有限。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)CCA30F5135芯片為控制核心，其不但具有MSP430系列單片機(jī)的低功耗性能，而且具有RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的功能，RF無(wú)線(xiàn)功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制，方便用戶(hù)使用，而且低功耗特性使得使用成本較低，達(dá)到了目前應(yīng)用的要求。

1 門(mén)控系統(tǒng)運(yùn)行原理
    本系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是中央控制中心，其主要作為管理中心，用戶(hù)可以監(jiān)控所有樓門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)；另一部分是門(mén)控模塊，其作用主要是控制門(mén)的開(kāi)關(guān)，并且將門(mén)的開(kāi)關(guān)信息傳送給中央控制中心，包括鍵盤(pán)電路、顯示電路、報(bào)警電路和開(kāi)鎖控制電路等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)采用電子密碼鎖控制開(kāi)關(guān)門(mén)，電子密碼鎖相對(duì)于射頻卡成本較低，而且可以隨時(shí)更改密碼，安全性較高。當(dāng)需要開(kāi)門(mén)時(shí)，首先從矩陣鍵盤(pán)輸入6位數(shù)密碼，其初始密碼由程序設(shè)定，輸入完密碼后按開(kāi)門(mén)鍵開(kāi)鎖，如果想清除輸入可以按取消鍵，按鍵時(shí)均會(huì)有“短滴”聲提示。若輸入的密碼正確，密碼輸入正確指示燈亮，LCD顯示“密碼正確”，并且輸出一個(gè)打開(kāi)電磁鎖的信號(hào)；若密碼輸入錯(cuò)誤，則密碼輸入錯(cuò)誤指示燈亮，LCD顯示“密碼錯(cuò)誤”。如果在6 s內(nèi)無(wú)任何操作，則清除所有輸入內(nèi)容。如果某個(gè)門(mén)控模塊有密碼輸入情況，門(mén)控模塊內(nèi)部的CC430F5135單片機(jī)會(huì)通過(guò)內(nèi)部集成的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，將有人輸入密碼開(kāi)門(mén)的信號(hào)傳輸給中央控制中心，這樣中央控制中心就能知道所有樓門(mén)的情況，中央控制中心通過(guò)一個(gè)LCD顯示所有的樓門(mén)開(kāi)關(guān)情況。如果用戶(hù)想打開(kāi)或者關(guān)閉某個(gè)門(mén)，則只需要通過(guò)鍵盤(pán)找到門(mén)號(hào)并輸入相關(guān)指令。門(mén)控模塊和中央控制中心均以CC430F5135為控制核心，如果在40 s之后無(wú)任何操作，單片機(jī)就會(huì)進(jìn)入到低功耗模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    門(mén)禁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括中央控制中心設(shè)計(jì)和門(mén)控模塊設(shè)計(jì)，下面就各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2．1 中央控制中心設(shè)計(jì)
    中央控制中心和門(mén)控模塊都是以MSP430系列單片機(jī)CC430F5135為控制核心，其內(nèi)部集成的RF無(wú)線(xiàn)模塊節(jié)省了外部擴(kuò)展的無(wú)線(xiàn)通信模塊，降低了成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無(wú)需維修即可工作長(zhǎng)達(dá)10年以上；此外，微型封裝所包含的高級(jí)功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力，以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F5135為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2 KB RAM、CC1101無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、AES-128和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160 μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA。
2．1．1 CC430F5135的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊外圍電路
    CC430F5135內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，本系統(tǒng)的RF頻率設(shè)為315 MHz，信道間隔為540 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)送功率最大可以達(dá)到-96 dBm，實(shí)際應(yīng)用中還可以根據(jù)發(fā)射距離的遠(yuǎn)近設(shè)置發(fā)送功率的大小，這樣可以使功耗達(dá)到最低。其電路如圖2所示。CC430F5135的供電電源為兩節(jié)5號(hào)電池，其電壓為+3 V，外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無(wú)線(xiàn)電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線(xiàn)，其功率可以達(dá)到-96 dBm，傳輸距離可以達(dá)到200m左右。

2．1．2 LCD顯示模塊
    考慮到設(shè)備低功耗的要求，所選的顯示模塊必須達(dá)到低功耗的目的。本系統(tǒng)采用了LCD12864作為顯示模塊，其供電電壓為4．5～5 V供電，工作電流為3 mA，低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性。模塊內(nèi)自帶2個(gè)液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片，分別控制顯示屏的左區(qū)和右區(qū)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片都帶有512字節(jié)的RAM，其與CC430F5135的硬件連接圖如圖3所示。其中LCD12864采用+5V供電，+3V電壓經(jīng)升壓芯片轉(zhuǎn)換成+5 V后供給LCD12864。單片機(jī)的P1口作為控制LCD12864的控制口，P2口作為數(shù)據(jù)口與LCD12864進(jìn)行通信。因?yàn)镃C430F5135端口輸出電壓為+3 V，而LCD12864的端口電壓為+5 V，兩者的端口不能直接相連，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片來(lái)解決電壓不匹配的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用TI公司的雙電壓供電雙向驅(qū)動(dòng)器SN74 ALVCA24_5來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，一邊是3 V，另一邊是5 V，這樣就較好地解決了3 V與5 V電平的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

2．1．3 4×4矩陣鍵盤(pán)硬件電路
    4×4矩陣鍵盤(pán)硬件電路圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用中斷方式來(lái)確定按鍵的輸入，因?yàn)镃C430F5135內(nèi)部的P0口全部都可以當(dāng)作外部中斷口，所以只要其中的任一按鍵被按下，那么此時(shí)其中兩個(gè)端口的電平就會(huì)突變，這樣根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的程序，就可以知道哪個(gè)鍵被按下。鍵盤(pán)有數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵用于密碼的輸入，功能鍵有取消鍵、確認(rèn)鍵、左移鍵、右移鍵、開(kāi)門(mén)鍵和關(guān)門(mén)鍵。其中的取消鍵是用于刪除輸入的密碼，確認(rèn)鍵用丁確定輸入正確，開(kāi)門(mén)鍵和關(guān)門(mén)鍵起開(kāi)關(guān)門(mén)的作用。當(dāng)中火控制中心需要開(kāi)關(guān)某個(gè)門(mén)時(shí)，就可以按左移鍵或者右移鍵來(lái)選擇要開(kāi)關(guān)的門(mén)號(hào)，選擇成功后按開(kāi)門(mén)鍵或者關(guān)門(mén)鍵就可以開(kāi)關(guān)門(mén)。

2．2 門(mén)控模塊設(shè)計(jì)
    門(mén)控模塊包括CC430F5135的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路、LCD硬件電路、鍵盤(pán)硬件電路、繼電器驅(qū)動(dòng)房門(mén)硬件電路和蜂鳴器指示燈硬件電路等。CC430F5135的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路，LCD硬件電路和鍵盤(pán)硬件電路與中央控制中心的設(shè)計(jì)基本相同，在這里就不再介紹。下面主要介紹蜂鳴器指示燈硬件電路和繼電器驅(qū)動(dòng)房門(mén)硬件電路。
2．2．1 蜂鳴器指示燈硬件電路
    如圖5所示，CC430F5135通過(guò)控制三極管的開(kāi)通與關(guān)斷去控制蜂鳴器和指示燈的導(dǎo)通與關(guān)閉，從而達(dá)到指示的目的。CC430F5135單片機(jī)的P3．0、P3．1和P3．2口通過(guò)控制輸出信號(hào)的高低電平來(lái)控制三極管8050的導(dǎo)通或截止，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。如果P3．0口為高電平，三極管導(dǎo)通，則蜂鳴器發(fā)出響聲，如果P3．1和P3．2置高電平，則紅色指示燈或綠色指示燈會(huì)亮。其中紅色指示燈的作用是警告密碼輸入錯(cuò)誤，綠色指示燈則表示密碼輸入正確，并且門(mén)會(huì)打開(kāi)。

2．2．2 繼電器驅(qū)動(dòng)房門(mén)硬件電路
    此電路功能是當(dāng)輸入密碼正確并按開(kāi)門(mén)鍵或者關(guān)門(mén)鍵后，可以自動(dòng)使樓門(mén)開(kāi)通或者關(guān)閉。本系統(tǒng)采用CC430F5135控制繼電器開(kāi)通，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作去控制門(mén)的動(dòng)作。為了保證繼電器穩(wěn)定而可靠的工作，選用HJR-3FF-S系列繼電器。此繼電器負(fù)載端電壓可以加到250 V(AC)／30 V(DC)，在環(huán)境溫度為-30～+60℃時(shí)可以工作1×105次以上。其額定工作電壓為+5 V，額定工作電流最大為70 mA，因?yàn)镃C430F5135的I／O輸出為+3 V，所以不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器工作，需加一個(gè)三極管8050作為開(kāi)關(guān)來(lái)控制繼電器的開(kāi)關(guān)，繼電器通過(guò)接收CC430F5135的控制信息完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    門(mén)禁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括中央控制中心的軟件設(shè)計(jì)和門(mén)控模塊的軟件設(shè)計(jì)。
3．1 中央控制中心軟件設(shè)計(jì)
    中央控制中心程序流程如圖6所示。在開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，中央控制中心利用無(wú)線(xiàn)模塊給所有的門(mén)控模塊發(fā)送一條指令，要求所有門(mén)控模塊將此時(shí)其控制的門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)報(bào)告給中央控制中心，這樣中央控制中心就會(huì)知道所有門(mén)的狀態(tài)。如果其中有一個(gè)門(mén)的狀態(tài)改變(開(kāi)或關(guān))時(shí)，這個(gè)門(mén)的門(mén)控模塊會(huì)利用內(nèi)部的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將門(mén)的狀態(tài)信息發(fā)送給中央控制中心，這樣就能不斷地刷新中央控制中心的數(shù)據(jù)。如果用戶(hù)想控制一個(gè)門(mén)的開(kāi)通或者關(guān)閉，則只需要按左移或者右移鍵選擇要打開(kāi)或者關(guān)閉的門(mén)號(hào)并按確定鍵，選擇開(kāi)門(mén)或者關(guān)門(mén)功能，此時(shí)中央控制中心就會(huì)發(fā)出一條控制指令給相應(yīng)的門(mén)控模塊，達(dá)到開(kāi)關(guān)門(mén)的目的。

3．2 門(mén)控模塊程序設(shè)計(jì)
    門(mén)控模塊程序流程如圖7所示。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，CC430F5135單片機(jī)會(huì)一直處于低功耗模式中，這樣可以達(dá)到降低功耗的目的。當(dāng)有按鍵被按下或者發(fā)生RF無(wú)線(xiàn)接收中斷時(shí)，單片機(jī)會(huì)從低功耗模式中被喚醒，開(kāi)始判斷鍵盤(pán)輸入指令或者接收的控制指令。如果是鍵盤(pán)輸入指令，單片機(jī)會(huì)根據(jù)輸入的指令要求執(zhí)行相應(yīng)操作。如果輸入密碼正確并且按下開(kāi)門(mén)鍵，單片機(jī)的P3．3口會(huì)置為高電平，繼電器閉合，門(mén)被打開(kāi)，同時(shí)綠色指示燈亮；如果密碼輸入錯(cuò)誤，單片機(jī)會(huì)發(fā)出長(zhǎng)警告音，并且紅色指示燈亮，警告密碼輸入錯(cuò)誤。在這兩種情況發(fā)生時(shí)，單片機(jī)都
會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊將有人輸入密碼的信息傳送給中央控制中心。如果是RF無(wú)線(xiàn)接收中斷發(fā)生，單片機(jī)會(huì)接收數(shù)據(jù)指令并判斷指令功能，執(zhí)行相應(yīng)操作。

    RF無(wú)線(xiàn)中斷子程序：
   

結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種基于CC430F5135的門(mén)禁控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)門(mén)禁控制，制作成本和使用成本都較低，且達(dá)到了目前低功耗的要求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好應(yīng)用前景，適用于整個(gè)樓宇的控制。