本文基于51單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF24L01，設(shè)計了一種無線門禁控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，方案簡單，擴(kuò)展性好．通過人臉識別上位機(jī)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測和識別來訪者身份．如果數(shù)據(jù)庫中包含來訪者信息，則步進(jìn)電機(jī)打開門鎖，LCD顯示來訪者信息;否則，步進(jìn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動，報警器報警，LCD顯示報警信息．

　　1、系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　1．1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由PC端軟件系統(tǒng)，發(fā)送端，無線數(shù)據(jù)傳送模塊和接收端組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1．

　　PC端軟件主要是檢測和識別來訪者身份信息，并將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀形式，通過RS232串口傳送給發(fā)送端．發(fā)送端完成數(shù)據(jù)幀的加密、無線模塊初始化和數(shù)據(jù)幀的發(fā)送．接收端完成數(shù)據(jù)幀的接收、解密和數(shù)據(jù)幀的命令響應(yīng)，并且控制門禁系統(tǒng)．

　　1．2、發(fā)送端和接收端硬件設(shè)計

　　發(fā)送端和接收端采用的控制芯片是STC公司生產(chǎn)的89C52RC單片機(jī)，這是新一代高速，低功耗，超強(qiáng)干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時鐘周期，采用11．0592MHz外部晶振起振，工作電壓為3．8V～5．5V，DIP40封裝，內(nèi)部集成EEPROM，用戶應(yīng)用程序空間為8K，支持ISP下載程序．

　　除了上述主控芯片外，還要預(yù)留必要的功能模塊驅(qū)動接口，主要包括：nRF24L01無線射頻芯片接口，步進(jìn)電機(jī)接口，LCD液晶接口和其他的外部擴(kuò)展接口．

　　nRF24L01無線射頻芯片接口共有8個引腳，分別為GND，VCC，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO和IRQ，其中GND為電源地，VCC為3．3V工作電壓，IRQ為外部中斷引腳，其余為芯片的控制引腳和數(shù)據(jù)引腳．采用USB供電，電壓約為5V，所以需要將5V電壓轉(zhuǎn)換成3．3V電壓．電源轉(zhuǎn)換電路主要采用AMS1117-3．3芯片，它是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，具有1%的有效精度，電路設(shè)計如圖2．

　　圖2中AMS1117-3．3芯片VIN引腳接5V電壓，VOUT輸出3．3V電壓．加入CJ3極性電容，用于去除穩(wěn)壓前后電路中的紋波．

　　nRF24L01無線射頻芯片的接口電路設(shè)計如圖3．

　　圖3中nRF24L01射頻模塊的CE，SCK，MISO，MOSI，CSN外接1K電阻與單片機(jī)P2口連接，IRQ外接1K電阻與單片機(jī)外部中斷引腳連接，每發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)后都會觸發(fā)單片機(jī)外部中斷．

　　步進(jìn)電機(jī)接口為6引腳，其中VDD為5V電壓，GND為電源地，其余為步進(jìn)電機(jī)勵磁引腳，分別與單片機(jī)P1口連接，由P1口提供勵磁脈沖．

　　液晶屏采用LCD12864，其供電電壓為4．5V～5V，工作電流為3mA，內(nèi)部集成字庫．2，3引腳外接2K電位器，用于調(diào)節(jié)屏幕背光亮度，其余為數(shù)據(jù)和控制引腳．電路設(shè)計如圖4．

　　1．3、nRF24L01硬件設(shè)計

　　nRF24L01是一款工作在2．4～2．5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片．無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM［7－8］模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器．輸出功率、頻道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過SPI接口設(shè)置．發(fā)射模式下功率－6dBm時電流為9mA，接收模式時為12．3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低．電路設(shè)計如圖6．

　　圖6 ? ? nRF24L01外部電路設(shè)計

　　1．4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

　　步進(jìn)電機(jī)為28BYJ－48型五線四項八拍型，工作電壓為直流5V～12V，正常工作需要一系列連續(xù)不斷的激勵脈沖．由于單片機(jī)IO口提供的脈沖信號不夠大，需要外加ULN2003信號放大電路，電路設(shè)計如圖7．圖中JP2連接步進(jìn)電機(jī)IO口，JP3連接到單片機(jī)IO口．

　　2、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2．1、nRF24L01軟件設(shè)計

　　nRF24L01芯片通過設(shè)置配置寄存器中PWR－UP位和PRIM－RX位以及CE引腳的電平來控制其工作模式，具體如表1．

　　文中主要利用前3種工作模式，發(fā)送端或接收端檢測到各自數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時，由待機(jī)模式進(jìn)入發(fā)送或接收模式，數(shù)據(jù)處理完畢將狀態(tài)寄存器TX－DS或RX－DR位置高，IRQ引腳產(chǎn)生中斷，此時由發(fā)送或接收模式進(jìn)入待機(jī)模式，等待數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，IRQ中斷后要通過單片機(jī)寫狀態(tài)寄存器來復(fù)位．

　　nRF24L01數(shù)據(jù)發(fā)送或接收主要通過SPI接口實(shí)現(xiàn)，采用STC89C52RC單片機(jī)IO口模擬出SPI接口的工作時序，SPI讀寫時序如圖8，9．

　　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．文中對nRF24L01芯片初始化過程如表2．

　　數(shù)據(jù)通道0有40位可配地址，當(dāng)從一個數(shù)據(jù)通道中接收到數(shù)據(jù)，并且此數(shù)據(jù)通道設(shè)置為應(yīng)答方式的話，則nRF24L01在收到數(shù)據(jù)后產(chǎn)生應(yīng)答信號，此應(yīng)答信號的目標(biāo)地址為接收通道地址．?dāng)?shù)據(jù)通道0地址設(shè)置如圖10．

　　系統(tǒng)有一個發(fā)射端和多個接收端，所以采用的通信協(xié)議要簡單可靠，在SchockBurstTM協(xié)議的基礎(chǔ)上將文中通信協(xié)議設(shè)置成：

　　前導(dǎo)碼地址（5Byte）有效數(shù)據(jù) ? CRC校驗

　　前導(dǎo)碼用來檢測0和1，芯片在接收模式下去除前導(dǎo)碼，發(fā)送模式下加入前導(dǎo)碼．地址5字節(jié)，內(nèi)容為接收地址，可以對發(fā)送信道和接收信道分別進(jìn)行設(shè)置，接收端從接收的數(shù)據(jù)包中自動去除地址，所有地址在門禁系統(tǒng)中都是唯一的．有效發(fā)送數(shù)據(jù)最大為15字節(jié)．CRC校驗位16bit．所有接收端都將接收帶地址碼的數(shù)據(jù)幀，并將接收地址與本地地址進(jìn)行比較，如相同則再分別驗證前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，如還相同則將有效數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中再進(jìn)行處理．

　　2．2、步進(jìn)電機(jī)軟件設(shè)計

　　步進(jìn)電機(jī)有三線式、五線式和六線式，但其控制方式均相同，都要以脈沖信號電流來驅(qū)動．

　　步進(jìn)電機(jī)的勵磁方式分為全步勵磁和半步勵磁．其中全步勵磁又分為一相勵磁和二相勵磁，半步勵磁又稱一二相勵磁．文中步進(jìn)電機(jī)為五線四項八拍電機(jī)，考慮到門禁系統(tǒng)的對實(shí)時性和快速性的要求，因此，采用二相勵磁方式，其主要特點(diǎn)是：輸出轉(zhuǎn)矩大，振動?。畡畲彭樞蛉绫?．

　　3、實(shí)驗結(jié)果

　　通過對整個門禁控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，做出測試樣品，并且經(jīng)過10組，每組30次測試，證明該門禁系統(tǒng)具有較好的控制能力．在有障礙物（如墻壁等）遮擋的情況下，10m距離以內(nèi)，數(shù)據(jù)幀從發(fā)送到門禁控制系統(tǒng)響應(yīng)平均用時1．4～2．5s，數(shù)據(jù)幀傳送錯誤率平均在1．67%，即有5組測試中出現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)幀傳送錯誤．門禁控制系統(tǒng)設(shè)計如圖11．

　　4、結(jié)論

　　通過多次大量分組實(shí)驗，證明文中設(shè)計的無線門禁系統(tǒng)有較好的實(shí)時性和準(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)計目標(biāo)．