TC15單片機和nRF240I的無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統設計

摘要：為了解決目前門(mén)禁系統存在的成本高、功耗高和安裝復雜等問(wèn)題，本文提出一種基于STC15單片機和nRF2401的低功耗無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統，系統由門(mén)禁執行終端和門(mén)禁主控終端組成。經(jīng)測試證明，該系統具有安裝簡(jiǎn)單、維護方便、成本低等優(yōu)勢。

引言

門(mén)禁系統是一種用來(lái)保護人民群眾財產(chǎn)安全和人身安全的現代化安防手段。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，門(mén)禁系統從機械鎖具發(fā)展到電子門(mén)禁，從單獨的門(mén)禁系統發(fā)展到報警一體化，從單個(gè)門(mén)禁控制發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )互連。目前市場(chǎng)上還是主要以有線(xiàn)門(mén)禁系統為主，但根據市場(chǎng)需求分析和前景預測，無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統無(wú)疑更適用于要求日益提高的安防產(chǎn)業(yè)。相比有線(xiàn)門(mén)禁系統，無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統具有安裝簡(jiǎn)單、維護方便和成本低等特點(diǎn)。

本文研究設計的基于STC15單片機和nRF2401的無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統，通過(guò)人臉識別上位機系統，能夠實(shí)時(shí)檢測和識別來(lái)訪(fǎng)者身份。若數據庫中包含來(lái)訪(fǎng)者信息，則門(mén)禁執行終端打開(kāi)門(mén)鎖，并在LCD顯示來(lái)訪(fǎng)者信息;否則，報警器報警。

1 無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統整體設計

系統結構主要由PC端軟件系統、門(mén)禁主控終端和門(mén)禁執行終端組成，系統整體結構如圖1所示。PC端上位機軟件主要負責識別來(lái)訪(fǎng)者身份信息，并將信息轉換成對應的數據幀格式，通過(guò)串口發(fā)送給門(mén)禁主控終端。門(mén)禁主控終端主要負責數據加密、射頻模塊的初始化和信息的發(fā)送。門(mén)禁執行終端主要負責數據解密，并根據解密出來(lái)的信息來(lái)執行相應的操作，從而達到控制門(mén)禁系統的作用。

2 系統硬件設計

2.1 STC15L2K61S2簡(jiǎn)介

STC15L2K61S2是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)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(shù)，加密性強，并且指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，但速度又比傳統的8051單片機快8～12倍。STC15系列單片機內部集成高精度R/C時(shí)鐘，可配置時(shí)鐘的范圍5～35 MHz，同時(shí)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(lái)說(shuō)，它的供電電壓只需要3.3V，因此它的功耗相比傳統的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)工作比較穩定，并且STC15L2K61S2單片機的供電電壓也為3.3 V。系統采用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(xiàn)性穩壓電源LM317組成模擬電源，通過(guò)調節滑動(dòng)變阻器，來(lái)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(wú)線(xiàn)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、解調處理器、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(lái)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。為了節能，本系統選擇使用Enhanced Shock BurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(xiàn)，當CSN為低電平時(shí)，芯片工作。SCK為芯片控制的時(shí)鐘線(xiàn)(SPI時(shí)鐘)。MISO與MOSI為芯片控制數據線(xiàn)。IRQ為中斷信號，無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程中MCU主要是通過(guò)IRQ與nRF24L01進(jìn)行通信。CE為芯片的模式控制線(xiàn)。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(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(lái)說(shuō)引腳少了很多，在硬件設計上也更加方便。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為串行數據線(xiàn)，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)電機驅動(dòng)電路設計

本文采用L298N構成電機驅動(dòng)電路，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動(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46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2A;額定功率25 W。使用L298N芯片驅動(dòng)電機，該芯片可以驅動(dòng)一臺兩相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)電機，正好滿(mǎn)足本系統的設計需要，步進(jìn)電機驅動(dòng)電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 nRF2401軟件設計

nRF24L01數據發(fā)送或接收主要通過(guò)SPI接口實(shí)現，采用STC15L2K61S2單片機I/O口模擬SPI接口的工作時(shí)序，SPI讀寫(xiě)時(shí)序如圖6和圖7所示。

完成芯片基本功能后需要對芯片進(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，射頻初始化函數如下：

3.2 步進(jìn)電機軟件設計

四相步進(jìn)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(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。因為8拍工作方式既可以保持較高的轉動(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。

結語(yǔ)

通過(guò)多次大量實(shí)驗測試，本文設計的無(wú)線(xiàn)門(mén)禁系統有較好的實(shí)時(shí)性和準確性，在有障礙物條件下，數據傳輸也能滿(mǎn)足實(shí)用性要求，達到了預期的設計目標。