基于STC15单片机和nRF2401的低功耗无线门禁系统设计方案

导读：为了解决目前门禁系统存在的成本高、功耗高和安装复杂等问题，本文提出一种基于STC15单片机和nRF2401的低功耗无线门禁系统，系统由门禁执行终端和门禁主控终端组成。经测试证明，该系统具有安装简单、维护方便、成本低等优势。

　　引言

　　门禁系统是一种用来保护人民群众财产安全和人身安全的现代化安防手段。随着社会的发展和科学技术的进步，门禁系统从机械锁具发展到电子门禁，从单独的门禁系统发展到报警一体化，从单个门禁控制发展到网络互连。目前市场上还是主要以有线门禁系统为主，但根据市场需求分析和前景预测，无线门禁系统无疑更适用于要求日益提高的安防产业。相比有线门禁系统，无线门禁系统具有安装简单、维护方便和成本低等特点。

　　本文研究设计的基于STC15单片机和nRF2401的无线门禁系统，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。若数据库中包含来访者信息，则门禁执行终端打开门锁，并在LCD显示来访者信息;否则，报警器报警。

　　1 无线门禁系统整体设计

　　系统结构主要由PC端软件系统、门禁主控终端和门禁执行终端组成，系统整体结构如图1所示。PC端上位机软件主要负责识别来访者身份信息，并将信息转换成对应的数据帧格式，通过串口发送给门禁主控终端。门禁主控终端主要负责数据加密、射频模块的初始化和信息的发送。门禁执行终端主要负责数据解密，并根据解密出来的信息来执行相应的操作，从而达到控制门禁系统的作用。

 

　　2 系统硬件设计

　　2.1 STC15L2K61S2简介

　　STC15L2K61S2是STC公司生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，采用第8代加密技术，加密性强，并且指令代码完全兼容传统的8051单片机，但速度又比传统的8051单片机快8～12倍。STC15系列单片机内部集成高R/C时钟，可配置时钟的范围5～35 MHz，同时STC15系列单片机内部集成了高可靠复位电路，因此STC15L2K61S2系统不需要外部晶振和时钟电路。

　　STC15L2K61S2具有3路CCP/PWM/PCA，8路10位高速A/D转换器，内置2K大容量SRAM，2组超高速异步串行通信端口和1组高速同步串行通信端口SPI，并且对于5TC15L2K61S2这款单片机来说，它的供电电压只需要3.3V，因此它的功耗相比传统的8051单片机要低很多。

　　2.2 电源模块

　　nRF2401的工作电压是在1.9～3.6 V之间，单片机的供电电压是3.3 V。为了让nRF2401正常稳定工作，必须给nRF2401接一个直流电源模块。经测试nRF2401在3.3 V时工作比较稳定，并且STC15L2K61S2单片机的供电电压也为3.3 V。系统采用USB供电，电压约为5 V，因此需要将5 V电压转换成3.3 V电压。电源模块选用线性稳压电源组成模拟电源，通过调节滑动变阻器，来使输出电压为3.3 V，3.3 V电源模块原理图如图2所示。

 

　　2.3 nRF2401射频模块接口电路设计

　　nRF2401是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz的免申请(ISM)频率。芯片内置地址解码器、先入后出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。

　　nRF2401工作模式有4种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN三个引脚决定。nRF2401的收发模式有Enhanced ShocKBurstTM收发模式、ShocKBurstTM收发模式和直接收发模式三种。为了节能，本系统选择使用Enhanced Shock BurstTM收发模式进行无线传输，nRF2401射频模块与STC15L2K61S2的连接电路如图3所示。CSN为芯片的片选线，当CSN为低电平时，芯片工作。SCK为芯片控制的时钟线(SPI时钟)。MISO与MOSI为芯片控制数据线。IRQ为中断信号，无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与nRF24L01进行通信。CE为芯片的模式控制线。在CSN为低的情况下，CE协同nRF24L01的CONFIG寄存器共同决定nRF24L01的状态。

 

　　2.4 LCD显示模块接口电路设计

　　Nokia5110是诺基亚公司生产的一款液晶显示屏，既可以显示字符也可以显示图形，采用低压供电时，正常显示的工作电流在200 μA之下，并且价格便宜。一块带有驱动芯片的Nokia5110模块只要15元，而1602液晶显示屏需要20元，12864液晶显示屏则需要50～70元，并且Nokia5110的接口只有8个引脚包括背光，相比1602和12864来说引脚少了很多，在硬件设计上也更加方便。Nokia5110的8个引脚分别为RST、CE、D/C、SDIN、SCLK、VCC、BL和GND，其中RST为复位引脚，CE为芯片使能引脚，D/C为模式选择引脚，SDIN为串行数据线，SCLK为串行时钟，VCC为3.3 V工作电压，BL为背光引脚，GND为电源地，Nokia5110接口电路如图4所示。

 

　　2.5 步进电机驱动电路设计

　　本文采用L298N构成电机驱动电路，L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15引脚封装。主要特点是：工作电压高，工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2A;额定功率25 W。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，正好满足本系统的设计需要，步进电机驱动电路如图5所示。

　　3 系统软件设计

　　3.1 nRF2401软件设计

　　nRF24L01数据发送或接收主要通过SPI接口实现，采用STC15L2K61S2单片机I/O口模拟SPI接口的工作时序，SPI读写时序如图6和图7所示。

 

 

 

　　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，射频初始化函数如下：

 

　　3.2 步进电机软件设计

　　四相步进电机按照通电顺序的不同可分为单4拍、双4拍、8拍三种工作方式。单4拍与双4拍的步距角相等，但单4拍的转动力矩小。8拍工作方式的步距角是单4拍与双4拍的一半。因为8拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制，所以本文采用4相8拍的工作方式。

 

　　单4拍、双4拍与8拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图8所示。

 

　　

 

 

　　结语

　　通过多次大量实验测试，本文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。