基于MSP430的無線門禁控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

隨著人們生活水平的不斷提高，家庭防盜這一問題也變得尤為突出。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖因其結(jié)構(gòu)簡單、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、安全系數(shù)高，逐漸進(jìn)入千家萬戶。如果在一個家居系統(tǒng)中有多個門，就需要一套綜合的門控系統(tǒng)，這樣就可以監(jiān)控所有樓門的開關(guān)。

參考文獻(xiàn)設(shè)計的門控系統(tǒng)是以AT89S51($0.7908)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)計的門控系統(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。針對以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用MSP430($2.0250)系列單片機(jī)CCA30F5135芯片為控制核心，其不但具有 MSP430($2.0250)系列單片機(jī)的低功耗性能，而且具有RF無線收發(fā)器的功能，RF無線功能可以實(shí)現(xiàn)對門進(jìn)行無線控制，方便用戶使用，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，用戶可以監(jiān)控所有樓門的開關(guān)狀態(tài);另一部分是門控模塊，其作用主要是控制門的開關(guān)，并且將門的開關(guān)信息傳送給中央控制中心，包括鍵盤電路、顯示電路、報警電路和開鎖控制電路等。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

本系統(tǒng)采用電子密碼鎖控制開關(guān)門，電子密碼鎖相對于射頻卡成本較低，而且可以隨時更改密碼，安全性較高。當(dāng)需要開門時，首先從矩陣鍵盤輸入6位數(shù)密碼，其初始密碼由程序設(shè)定，輸入完密碼后按開門鍵開鎖，如果想清除輸入可以按取消鍵，按鍵時均會有“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”，并且輸出一個打開電磁鎖的信號;若密碼輸入錯誤，則密碼輸入錯誤指示燈亮，LCD顯示“密碼錯誤”。如果在6 s內(nèi)無任何操作，則清除所有輸入內(nèi)容。如果某個門控模塊有密碼輸入情況，門控模塊內(nèi)部的CC430F5135($3.2500)單片機(jī)會通過內(nèi)部集成的RF無線收發(fā)器，將有人輸入密碼開門的信號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的情況，中央控制中心通過一個 LCD顯示所有的樓門開關(guān)情況。如果用戶想打開或者關(guān)閉某個門，則只需要通過鍵盤找到門號并輸入相關(guān)指令。門控模塊和中央控制中心均以CC430F5135($3.2500)為控制核心，如果在40 s之后無任何操作，單片機(jī)就會進(jìn)入到低功耗模式。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

門禁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括中央控制中心設(shè)計和門控模塊設(shè)計，下面就各個部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 中央控制中心設(shè)計

中央控制中心和門控模塊都是以MSP430($2.0250)系列單片機(jī)CC430F5135($3.2500)為控制核心，其內(nèi)部集成的RF無線模塊節(jié)省了外部擴(kuò)展的無線通信模塊，降低了成本。CC430F5135($3.2500)是TI公司MSP430($2.0250)F5xx 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線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無需維修即可工作長達(dá)10年以上;此外，微型封裝所包含的高級功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動力，以向中央采集點(diǎn)報告數(shù)據(jù)。CC430F5135($3.2500)為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、2 KB RAM、CC1101($2.0625)無線電收發(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($3.2500)的RF無線收發(fā)模塊外圍電路

CC430F5135($3.2500)內(nèi)部集成了CC1101($2.0625)無線電收發(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($3.2500)的供電電源為兩節(jié)5號電池，其電壓為+3 V，外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無線電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達(dá)到-96 dBm，傳輸距離可以達(dá)到200m左右。

圖2 CC430F5135($3.2500)的RF無線收發(fā)模塊外圍電路

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、長壽命、高可靠性。模塊內(nèi)自帶2個液晶顯示驅(qū)動芯片，分別控制顯示屏的左區(qū)和右區(qū)，每個驅(qū)動芯片都帶有512字節(jié)的RAM，其與 CC430F5135($3.2500)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。因為CC430F5135($3.2500)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，所以需要一個電壓轉(zhuǎn)換芯片來解決電壓不匹配的問題。本系統(tǒng)采用TI公司的雙電壓供電雙向驅(qū)動器SN74 ALVCA24_5來實(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)換問題。

圖3 CC430F5135($3.2500)與LCD12864接口電路

2.1.3 4×4矩陣鍵盤硬件電路

4×4矩陣鍵盤硬件電路圖如圖4所示。本系統(tǒng)采用中斷方式來確定按鍵的輸入，因為CC430F5135($3.2500)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，那么此時其中兩個端口的電平就會突變，這樣根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的程序，就可以知道哪個鍵被按下。鍵盤有數(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、開門鍵和關(guān)門鍵。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，開門鍵和關(guān)門鍵起開關(guān)門的作用。當(dāng)中火控制中心需要開關(guān)某個門時，就可以按左移鍵或者右移鍵來選擇要開關(guān)的門號，選擇成功后按開門鍵或者關(guān)門鍵就可以開關(guān)門。[!--empirenews.page--]

圖4 4×4矩陣鍵盤硬件電路

2.2 門控模塊設(shè)計

門控模塊包括CC430F5135($3.2500)的RF無線收發(fā)模塊電路、LCD硬件電路、鍵盤硬件電路、繼電器驅(qū)動房門硬件電路和蜂鳴器指示燈硬件電路等。 CC430F5135($3.2500)的RF無線收發(fā)模塊電路，LCD硬件電路和鍵盤硬件電路與中央控制中心的設(shè)計基本相同，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)動房門硬件電路。

2.2.1 蜂鳴器指示燈硬件電路

如圖5所示，CC430F5135($3.2500)通過控制三極管的開通與關(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($3.2500)單片機(jī)的 P3.0、P3.1和P3.2口通過控制輸出信號的高低電平來控制三極管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亮。其中紅色指示燈的作用是警告密碼輸入錯誤，綠色指示燈則表示密碼輸入正確，并且門會打開。

圖5 蜂鳴指示燈及繼電器驅(qū)動房門硬件電路

2.2.2 繼電器驅(qū)動房門硬件電路

此電路功能是當(dāng)輸入密碼正確并按開門鍵或者關(guān)門鍵后，可以自動使樓門開通或者關(guān)閉。本系統(tǒng)采用CC430F5135($3.2500)控制繼電器開通，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作去控制門的動作。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，因為CC430F5135($3.2500)的I/O輸出為+3 V，所以不能直接驅(qū)動繼電器工作，需加一個三極管8050作為開關(guān)來控制繼電器的開關(guān)，繼電器通過接收CC430F5135($3.2500)的控制信息完成相應(yīng)的控制動作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

門禁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括中央控制中心的軟件設(shè)計和門控模塊的軟件設(shè)計。

3.1 中央控制中心軟件設(shè)計

中央控制中心程序流程如圖6所示。在開機(jī)運(yùn)行時，中央控制中心利用無線模塊給所有的門控模塊發(fā)送一條指令，要求所有門控模塊將此時其控制的門的開關(guān)狀態(tài)報告給中央控制中心，這樣中央控制中心就會知道所有門的狀態(tài)。如果其中有一個門的狀態(tài)改變(開或關(guān))時，這個門的門控模塊會利用內(nèi)部的RF無線收發(fā)模塊將門的狀態(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)。如果用戶想控制一個門的開通或者關(guān)閉，則只需要按左移或者右移鍵選擇要打開或者關(guān)閉的門號并按確定鍵，選擇開門或者關(guān)門功能，此時中央控制中心就會發(fā)出一條控制指令給相應(yīng)的門控模塊，達(dá)到開關(guān)門的目的。

圖6 中央控制中心程序流程

3.2 門控模塊程序設(shè)計

門控模塊程序流程如圖7所示。在系統(tǒng)運(yùn)行時，CC430F5135($3.2500)單片機(jī)會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無線接收中斷時，單片機(jī)會從低功耗模式中被喚醒，開始判斷鍵盤輸入指令或者接收的控制指令。如果是鍵盤輸入指令，單片機(jī)會根據(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門鍵，單片機(jī)的P3.3口會置為高電平，繼電器閉合，門被打開，同時綠色指示燈亮;如果密碼輸入錯誤，單片機(jī)會發(fā)出長警告音，并且紅色指示燈亮，警告密碼輸入錯誤。在這兩種情況發(fā)生時，單片機(jī)都會通過無線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無線接收中斷發(fā)生，單片機(jī)會接收數(shù)據(jù)指令并判斷指令功能，執(zhí)行相應(yīng)操作。

RF無線中斷子程序：

結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于CC430F5135($3.2500)的門禁控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線門禁控制，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)過測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好應(yīng)用前景，適用于整個樓宇的控制。