TC15單片機(jī)和nRF240I的無線門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要：為了解決目前門禁系統(tǒng)存在的成本高、功耗高和安裝復(fù)雜等問題，本文提出一種基于STC15單片機(jī)和nRF2401的低功耗無線門禁系統(tǒng)，系統(tǒng)由門禁執(zhí)行終端和門禁主控終端組成。經(jīng)測試證明，該系統(tǒng)具有安裝簡單、維護(hù)方便、成本低等優(yōu)勢。

引言

門禁系統(tǒng)是一種用來保護(hù)人民群眾財(cái)產(chǎn)安全和人身安全的現(xiàn)代化安防手段。隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，門禁系統(tǒng)從機(jī)械鎖具發(fā)展到電子門禁，從單獨(dú)的門禁系統(tǒng)發(fā)展到報(bào)警一體化，從單個(gè)門禁控制發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)互連。目前市場上還是主要以有線門禁系統(tǒng)為主，但根據(jù)市場需求分析和前景預(yù)測，無線門禁系統(tǒng)無疑更適用于要求日益提高的安防產(chǎn)業(yè)。相比有線門禁系統(tǒng)，無線門禁系統(tǒng)具有安裝簡單、維護(hù)方便和成本低等特點(diǎn)。

本文研究設(shè)計(jì)的基于STC15單片機(jī)和nRF2401的無線門禁系統(tǒng)，通過人臉識(shí)別上位機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測和識(shí)別來訪者身份。若數(shù)據(jù)庫中包含來訪者信息，則門禁執(zhí)行終端打開門鎖，并在LCD顯示來訪者信息;否則，報(bào)警器報(bào)警。

1 無線門禁系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由PC端軟件系統(tǒng)、門禁主控終端和門禁執(zhí)行終端組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。PC端上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)識(shí)別來訪者身份信息，并將信息轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀格式，通過串口發(fā)送給門禁主控終端。門禁主控終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)加密、射頻模塊的初始化和信息的發(fā)送。門禁執(zhí)行終端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解密，并根據(jù)解密出來的信息來執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而達(dá)到控制門禁系統(tǒng)的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC15L2K61S2簡介

STC15L2K61S2是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)干擾的新一代8051單片機(jī)，采用第8代加密技術(shù)，加密性強(qiáng)，并且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，但速度又比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)快8～12倍。STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，可配置時(shí)鐘的范圍5～35 MHz，同時(shí)STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此STC15L2K61S2最小系統(tǒng)不需要外部晶振和時(shí)鐘電路。

STC15L2K61S2具有3路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置2K大容量SRAM，2組超高速異步串行通信端口和1組高速同步串行通信端口SPI，并且對(duì)于5TC15L2K61S2這款單片機(jī)來說，它的供電電壓只需要3.3V，因此它的功耗相比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要低很多。

2.2 電源模塊

nRF2401的工作電壓是在1.9～3.6 V之間，單片機(jī)的供電電壓是3.3 V。為了讓nRF2401正常穩(wěn)定工作，必須給nRF2401接一個(gè)直流電源模塊。經(jīng)測試nRF2401在3.3 V時(shí)工作比較穩(wěn)定，并且STC15L2K61S2單片機(jī)的供電電壓也為3.3 V。系統(tǒng)采用USB供電，電壓約為5 V，因此需要將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓。電源模塊選用線性穩(wěn)壓電源LM317組成模擬電源，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，來使輸出電壓為3.3 V，3.3 V電源模塊原理圖如圖2所示。

2.3 nRF2401射頻模塊接口電路設(shè)計(jì)

nRF2401是由Nordic公司出品的單芯片無線收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz的全球免申請(qǐng)(ISM)頻率。芯片內(nèi)置地址解碼器、先入后出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。

nRF2401工作模式有4種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN三個(gè)引腳決定。nRF2401的收發(fā)模式有Enhanced ShocKBurstTM收發(fā)模式、ShocKBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種。為了節(jié)能，本系統(tǒng)選擇使用Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無線傳輸，nRF2401射頻模塊與STC15L2K61S2的連接電路如圖3所示。CSN為芯片的片選線，當(dāng)CSN為低電平時(shí)，芯片工作。SCK為芯片控制的時(shí)鐘線(SPI時(shí)鐘)。MISO與MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線。IRQ為中斷信號(hào)，無線通信過程中MCU主要是通過IRQ與nRF24L01進(jìn)行通信。CE為芯片的模式控制線。在CSN為低的情況下，CE協(xié)同nRF24L01的CONFIG寄存器共同決定nRF24L01的狀態(tài)。

2.4 LCD顯示模塊接口電路設(shè)計(jì)

Nokia5110是諾基亞公司生產(chǎn)的一款液晶顯示屏，既可以顯示字符也可以顯示圖形，采用低壓供電時(shí)，正常顯示的工作電流在200 μA之下，并且價(jià)格便宜。一塊帶有驅(qū)動(dòng)芯片的Nokia5110模塊只要15元，而1602液晶顯示屏需要20元，12864液晶顯示屏則需要50～70元，并且Nokia5110的接口只有8個(gè)引腳包括背光，相比1602和12864來說引腳少了很多，在硬件設(shè)計(jì)上也更加方便。Nokia5110的8個(gè)引腳分別為RST、CE、D/C、SDIN、SCLK、VCC、BL和GND，其中RST為復(fù)位引腳，CE為芯片使能引腳，D/C為模式選擇引腳，SDIN為串行數(shù)據(jù)線，SCLK為串行時(shí)鐘，VCC為3.3 V工作電壓，BL為背光引腳，GND為電源地，Nokia5110接口電路如圖4所示。

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文采用L298N構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15引腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2A;額定功率25 W。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，正好滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 nRF2401軟件設(shè)計(jì)

nRF24L01數(shù)據(jù)發(fā)送或接收主要通過SPI接口實(shí)現(xiàn)，采用STC15L2K61S2單片機(jī)I/O口模擬SPI接口的工作時(shí)序，SPI讀寫時(shí)序如圖6和圖7所示。

完成芯片基本功能后需要對(duì)芯片進(jìn)行初始化，保證發(fā)送端和接收端的地址寬度，信道工作頻率，發(fā)射和接收速率以及功率一致，射頻初始化函數(shù)如下：

3.2 步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半。因?yàn)?拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度，所以本文采用4相8拍的工作方式。

單4拍、雙4拍與8拍工作方式的電源通電時(shí)序與波形分別如圖8所示。

結(jié)語

通過多次大量實(shí)驗(yàn)測試，本文設(shè)計(jì)的無線門禁系統(tǒng)有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，在有障礙物條件下，數(shù)據(jù)傳輸也能滿足實(shí)用性要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。