TC15單片機和nRF240I的無線門禁系統(tǒng)設計
摘要:為了解決目前門禁系統(tǒng)存在的成本高、功耗高和安裝復雜等問題,本文提出一種基于STC15單片機和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。經測試證明,該系統(tǒng)具有安裝簡單、維護方便、成本低等優(yōu)勢。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/307534.htm引言
門禁系統(tǒng)是一種用來保護人民群眾財產安全和人身安全的現(xiàn)代化安防手段。隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步,門禁系統(tǒng)從機械鎖具發(fā)展到電子門禁,從單獨的門禁系統(tǒng)發(fā)展到報警一體化,從單個門禁控制發(fā)展到網(wǎng)絡互連。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測,無線門禁系統(tǒng)無疑更適用于要求日益提高的安防產業(yè)。相比有線門禁系統(tǒng),無線門禁系統(tǒng)具有安裝簡單、維護方便和成本低等特點。
本文研究設計的基于STC15單片機和nRF2401的無線門禁系統(tǒng),通過人臉識別上位機系統(tǒng),能夠實時檢測和識別來訪者身份。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,報警器報警。
1 無線門禁系統(tǒng)整體設計
系統(tǒng)結構主要由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)整體結構如圖1所示。PC端上位機軟件主要負責識別來訪者身份信息,并將信息轉換成對應的數(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責數(shù)據(jù)加密、射頻模塊的初始化和信息的發(fā)送。門禁執(zhí)行終端主要負責數(shù)據(jù)解密,并根據(jù)解密出來的信息來執(zhí)行相應的操作,從而達到控制門禁系統(tǒng)的作用。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 STC15L2K61S2簡介
STC15L2K61S2是STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,是高速/高可靠/低功耗/超強干擾的新一代8051單片機,采用第8代加密技術,加密性強,并且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機,但速度又比傳統(tǒng)的8051單片機快8~12倍。STC15系列單片機內部集成高精度R/C時鐘,可配置時鐘的范圍5~35 MHz,同時STC15系列單片機內部集成了高可靠復位電路,因此STC15L2K61S2最小系統(tǒng)不需要外部晶振和時鐘電路。
STC15L2K61S2具有3路CCP/PWM/PCA,8路10位高速A/D轉換器,內置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,并且對于5TC15L2K61S2這款單片機來說,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接一個直流電源模塊。經測試nRF2401在3.3 V時工作比較穩(wěn)定,并且STC15L2K61S2單片機的供電電壓也為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,通過調節(jié)滑動變阻器,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計
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(ISM)頻率。芯片內置地址解碼器、先入后出堆棧區(qū)、解調處理器、時鐘處理器、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、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN三個引腳決定。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CSN為低電平時,芯片工作。SCK為芯片控制的時鐘線(SPI時鐘)。MISO與MOSI為芯片控制數(shù)據(jù)線。IRQ為中斷信號,無線通信過程中MCU主要是通過IRQ與nRF24L01進行通信。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計
Nokia5110是諾基亞公司生產的一款液晶顯示屏,既可以顯示字符也可以顯示圖形,采用低壓供電時,正常顯示的工作電流在200 μA之下,并且價格便宜。一塊帶有驅動芯片的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個引腳包括背光,相比1602和12864來說引腳少了很多,在硬件設計上也更加方便。Nokia5110的8個引腳分別為RST、CE、D/C、SDIN、SCLK、VCC、BL和GND,其中RST為復位引腳,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 步進電機驅動電路設計
本文采用L298N構成電機驅動電路,L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用15引腳封裝。主要特點是:工作電壓高,最高工作電壓可達46V;輸出電流大,瞬間峰值電流可達3 A,持續(xù)工作電流為2A;額定功率25 W。使用L298N芯片驅動電機,該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機,正好滿足本系統(tǒng)的設計需要,步進電機驅動電路如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 nRF2401軟件設計
nRF24L01數(shù)據(jù)發(fā)送或接收主要通過SPI接口實現(xiàn),采用STC15L2K61S2單片機I/O口模擬SPI接口的工作時序,SPI讀寫時序如圖6和圖7所示。
完成芯片基本功能后需要對芯片進行初始化,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 步進電機軟件設計
四相步進電機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拍的轉動力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半。因為8拍工作方式既可以保持較高的轉動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序與波形分別如圖8所示。
結語
通過多次大量實驗測試,本文設計的無線門禁系統(tǒng)有較好的實時性和準確性,在有障礙物條件下,數(shù)據(jù)傳輸也能滿足實用性要求,達到了預期的設計目標。
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