基于nRF24L01的无线门禁控制系统的设计与实现

杨桂花 2017-12-15 3279

控制/MCU

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描述

　　本文基于51单片机和无线数据收发芯片nRF24L01，设计了一种无线门禁控制系统，该系统成本低，方案简单，扩展性好．通过人脸识别上位机系统，能够实时检测和识别来访者身份．如果数据库中包含来访者信息，则步进电机打开门锁，LCD显示来访者信息;否则，步进电机不转动，报警器报警，LCD显示报警信息．

　　1、系统硬件设计

　　1．1、系统结构和功能

　　系统结构主要由PC端软件系统，发送端，无线数据传送模块和接收端组成，系统整体结构如图1．

　　门禁系统

　　PC端软件主要是检测和识别来访者身份信息，并将信息转换成数据帧形式，通过RS232串口传送给发送端．发送端完成数据帧的加密、无线模块初始化和数据帧的发送．接收端完成数据帧的接收、解密和数据帧的命令响应，并且控制门禁系统．

　　1．2、发送端和接收端硬件设计

　　发送端和接收端采用的控制芯片是STC公司生产的89C52RC单片机，这是新一代高速，低功耗，超强干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟周期，采用11．0592MHz外部晶振起振，工作电压为3．8V～5．5V，DIP40封装，内部集成EEPROM，用户应用程序空间为8K，支持ISP下载程序．

　　除了上述主控芯片外，还要预留必要的功能模块驱动接口，主要包括：nRF24L01无线射频芯片接口，步进电机接口，LCD液晶接口和其他的外部扩展接口．

　　nRF24L01无线射频芯片接口共有8个引脚，分别为GND，VCC，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO和IRQ，其中GND为电源地，VCC为3．3V工作电压，IRQ为外部中断引脚，其余为芯片的控制引脚和数据引脚．采用USB供电，电压约为5V，所以需要将5V电压转换成3．3V电压．电源转换电路主要采用AMS1117-3．3芯片，它是一个正向低压降稳压器，具有1%的有效精度，电路设计如图2．

　　门禁系统

　　图2中AMS1117-3．3芯片VIN引脚接5V电压，VOUT输出3．3V电压．加入CJ3极性电容，用于去除稳压前后电路中的纹波．

　　nRF24L01无线射频芯片的接口电路设计如图3．

　门禁系统

　　图3中nRF24L01射频模块的CE，SCK，MISO，MOSI，CSN外接1K电阻与单片机P2口连接，IRQ外接1K电阻与单片机外部中断引脚连接，每发送或接收一帧数据后都会触发单片机外部中断．

　　步进电机接口为6引脚，其中VDD为5V电压，GND为电源地，其余为步进电机励磁引脚，分别与单片机P1口连接，由P1口提供励磁脉冲．

　　液晶屏采用LCD12864，其供电电压为4．5V～5V，工作电流为3mA，内部集成字库．2，3引脚外接2K电位器，用于调节屏幕背光亮度，其余为数据和控制引脚．电路设计如图4．

　　门禁系统

　　1．3、nRF24L01硬件设计

　　nRF24L01是一款工作在2．4～2．5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片．无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM［7－8］模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器．输出功率、频道选择和协议设置可以通过SPI接口设置．发射模式下功率－6dBm时电流为9mA，接收模式时为12．3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低．电路设计如图6．

　　门禁系统

　　图6 nRF24L01外部电路设计

　　1．4步进电机驱动电路设计

　　步进电机为28BYJ－48型五线四项八拍型，工作电压为直流5V～12V，正常工作需要一系列连续不断的激励脉冲．由于单片机IO口提供的脉冲信号不够大，需要外加ULN2003信号放大电路，电路设计如图7．图中JP2连接步进电机IO口，JP3连接到单片机IO口．

　门禁系统

　　2、系统软件设计

　　2．1、nRF24L01软件设计

　　nRF24L01芯片通过设置配置寄存器中PWR－UP位和PRIM－RX位以及CE引脚的电平来控制其工作模式，具体如表1．

　　门禁系统

　　文中主要利用前3种工作模式，发送端或接收端检测到各自数据缓冲区中有数据时，由待机模式进入发送或接收模式，数据处理完毕将状态寄存器TX－DS或RX－DR位置高，IRQ引脚产生中断，此时由发送或接收模式进入待机模式，等待数据进入数据缓冲区，IRQ中断后要通过单片机写状态寄存器来复位．

　　nRF24L01数据发送或接收主要通过SPI接口实现，采用STC89C52RC单片机IO口模拟出SPI接口的工作时序，SPI读写时序如图8，9．

　　门禁系统

　　完成芯片基本功能后需要对芯片进行初始化，保证发送端和接收端的地址宽度，信道工作频率，发射和接收速率以及功率一致．文中对nRF24L01芯片初始化过程如表2．

　　门禁系统

　　数据通道0有40位可配地址，当从一个数据通道中接收到数据，并且此数据通道设置为应答方式的话，则nRF24L01在收到数据后产生应答信号，此应答信号的目标地址为接收通道地址．数据通道0地址设置如图10．

门禁系统

　　系统有一个发射端和多个接收端，所以采用的通信协议要简单可靠，在SchockBurstTM协议的基础上将文中通信协议设置成：

　　前导码地址（5Byte）有效数据 CRC校验

　　前导码用来检测0和1，芯片在接收模式下去除前导码，发送模式下加入前导码．地址5字节，内容为接收地址，可以对发送信道和接收信道分别进行设置，接收端从接收的数据包中自动去除地址，所有地址在门禁系统中都是唯一的．有效发送数据最大为15字节．CRC校验位16bit．所有接收端都将接收带地址码的数据帧，并将接收地址与本地地址进行比较，如相同则再分别验证前导码和CRC校验码，如还相同则将有效数据送入数据缓冲区中再进行处理．

　　2．2、步进电机软件设计

　　步进电机有三线式、五线式和六线式，但其控制方式均相同，都要以脉冲信号电流来驱动．

　　步进电机的励磁方式分为全步励磁和半步励磁．其中全步励磁又分为一相励磁和二相励磁，半步励磁又称一二相励磁．文中步进电机为五线四项八拍电机，考虑到门禁系统的对实时性和快速性的要求，因此，采用二相励磁方式，其主要特点是：输出转矩大，振动小．励磁顺序如表3．

　门禁系统

　　3、实验结果

　　通过对整个门禁控制系统的软硬件进行设计，做出测试样品，并且经过10组，每组30次测试，证明该门禁系统具有较好的控制能力．在有障碍物（如墙壁等）遮挡的情况下，10m距离以内，数据帧从发送到门禁控制系统响应平均用时1．4～2．5s，数据帧传送错误率平均在1．67%，即有5组测试中出现了一次数据帧传送错误．门禁控制系统设计如图11．

　　4、结论

　　通过多次大量分组实验，证明文中设计的无线门禁系统有较好的实时性和准确性，在有障碍物条件下，数据传输也能满足实用性要求，达到了预期的设计目标．

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