門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ID:112317 · 發(fā)表于 2016-4-7 03:52

前段時(shí)間玩了一下門(mén)禁系統(tǒng)，現(xiàn)在整理整理資料，把東西發(fā)上來(lái)

設(shè)計(jì)要求：
基于單片機(jī)，具有通話、振鈴、摘機(jī)、通話、開(kāi)鎖功能，還要有鍵盤(pán)和顯示電路

設(shè)計(jì)思路：
1、系統(tǒng)用到AD、UART、PWM、SPI，考慮成品的體積，采用arduino nano
2、語(yǔ)音采樣使用駐極體麥克風(fēng)，經(jīng)200倍前置放大，再進(jìn)行8位AD采樣，采樣率8kHz，可達(dá)到電話音質(zhì)，滿足需求
3、門(mén)禁系統(tǒng)通信的特點(diǎn)是多對(duì)一，距離10~100m，通信速率要滿足語(yǔ)音通信、控制信號(hào)傳輸，因此采用485通信，通信速率512Kbps
4、語(yǔ)音播放使用8位PWM，功放芯片采用常見(jiàn)的LM386
5、顯示屏采用Nokia5110，SPI通信
6、鍵盤(pán)采用10位ADC鍵盤(pán)，16個(gè)按鍵
7、開(kāi)鎖電路使用繼電器實(shí)現(xiàn)

硬件設(shè)計(jì)

1、Arduino Nano
主控直接采用arduino nano，由于485通信和下載程序共用0、1腳，因此要通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)切換0、1腳功能

2、電源電路
整個(gè)系統(tǒng)使用外部12v電源供電，用于驅(qū)動(dòng)繼電器和LM386,12v電源通過(guò)LM2940得到5v電源，Nokia5110顯示屏需要3.3v供電，直接采用nano上的3.3v電源

3、ADC鍵盤(pán)電路
由于arduino接口較少，直接采用ADC鍵盤(pán)，一次掛載20個(gè)按鍵沒(méi)有問(wèn)題，每個(gè)分壓電阻使用1kΩ，線性度非常不錯(cuò)。

4、485通信電路
使用了兩片MAX485組成了全雙工通信，實(shí)際測(cè)試，10m網(wǎng)線，2Mbps，完全不丟包，另外測(cè)試過(guò)2m，2Mbps的串口通信，也是完全不丟包

5、麥克風(fēng)采樣電路
語(yǔ)音采樣，使用普通駐極體麥克風(fēng)，經(jīng)過(guò)LM358的200倍放大后，送入ADC

6、功放電路
功放直接采用常見(jiàn)的LM386典型電路，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)積分電路，再送入LM386，為了提高音量，使用12v供電，實(shí)測(cè)效果不錯(cuò)，5v供電時(shí)，噪音非常大，稍微一大聲就失真

8、開(kāi)鎖電路
開(kāi)鎖功能可以通過(guò)電磁鎖實(shí)現(xiàn)，這里只用了繼電器并留出了接線口，繼電器電流也不小，保險(xiǎn)起見(jiàn)使用了一個(gè)9014擴(kuò)流，并反向并聯(lián)一個(gè)二極管吸收反向電流

畫(huà)好原理圖之后就是排版畫(huà)pcb了：

檢查無(wú)誤后開(kāi)始做板子，既然要語(yǔ)音通信，那肯定是至少要做兩個(gè)啦：

然后再焊接調(diào)試：

雖然做板前仔細(xì)檢查了很多遍，但還是出了幾個(gè)bug，還好是小問(wèn)題，兩根飛線解決

程序設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)包括了以下幾個(gè)程序文件：
EG_V0_3: 主程序，包括了功能定義、ADC初始化、定時(shí)器初始化、鍵盤(pán)輸入處理、顯示界面、數(shù)據(jù)通信處理、中斷采樣
ADC_KEY:按鍵識(shí)別，主要是建立10位ADC值和每個(gè)按鍵的映射關(guān)系，參考了馬潮老師的狀態(tài)機(jī)程序
CRC8：CRC校驗(yàn)程序，為了保證通信的正確性，必須使用數(shù)據(jù)校驗(yàn)，crc8非常有效，不過(guò)實(shí)際測(cè)試，沒(méi)有crc校驗(yàn)的情況下好像數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有傳輸錯(cuò)誤？？
Nokia5110:顯示屏驅(qū)動(dòng)程序，直接使用論壇里的代碼，具體哪個(gè)帖子忘了。。
rs485：包括485初始化、定時(shí)器1初始化、485通信協(xié)議、通信處理等
ringtone：實(shí)現(xiàn)呼叫、接聽(tīng)、振鈴功能

程序設(shè)計(jì)思路
本系統(tǒng)的核心就是語(yǔ)言采樣播放+485通信協(xié)議，由于處理的數(shù)據(jù)量比較大，所以很多地方?jīng)]有用到arduino提供的方法，比如analogread、analogwrite、serial等
語(yǔ)音采樣與播放：
人說(shuō)話的頻率為300HZ~3KHZ，根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)該大于6KHZ，在這里取7.8KHZ（atmega直接分頻可得到），為了減少開(kāi)發(fā)難度，沒(méi)有使用音頻壓縮。Timer2開(kāi)啟溢出中斷，中斷頻率7.8KHZ，語(yǔ)音采樣、鍵盤(pán)值采樣、PWM更新都放在這里，同時(shí)使用Timer2的OCR2B作為PWM輸出。ADC工作在自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，ADC工作頻率為76.9KHZ，測(cè)試過(guò)更高的頻率，200KHZ以上的采樣速度，誤差非常大，容易導(dǎo)致按鍵誤判和語(yǔ)音噪音。

485通信：
采用了兩片485芯片，一片工作在接收，一片工作在發(fā)送，語(yǔ)音采樣的數(shù)據(jù)量為8bit*8KHZ=64Kbps，由于需要同時(shí)傳輸?shù)刂贰⒄Z(yǔ)音數(shù)據(jù)、控制命令、校驗(yàn)碼，一次傳輸數(shù)據(jù)量為3~6字節(jié)，因此波特率至少為192Kbps，保險(xiǎn)起見(jiàn)，本系統(tǒng)采用了512KHZ。
由于需要傳輸多種數(shù)據(jù)，所以必須要使用一種通信協(xié)議，基于485的通信協(xié)議為：
1、主機(jī)以廣播的方式向所有從機(jī)發(fā)送一個(gè)地址數(shù)據(jù)，尋找此地址的從機(jī)，該從機(jī)收到后發(fā)送應(yīng)答命令，之后建立通信，從機(jī)與從機(jī)不能進(jìn)行通信
2、從機(jī)不能主動(dòng)發(fā)起對(duì)話，只能等待主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
3、一個(gè)幀結(jié)構(gòu)如下：
  （1）[FUNCTION_VOICE，語(yǔ)音數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)],3個(gè)字節(jié)
  （2）[FUNCTION_COMMAND,COMMAND_XXX,CRC校驗(yàn)],3~6個(gè)字節(jié)
         其中COMMAND_XXX包括開(kāi)門(mén)、通話、地址校驗(yàn)等命令，具體請(qǐng)看代碼
每發(fā)完一幀必須空閑一段時(shí)間，作為一個(gè)幀的結(jié)束標(biāo)志，因此采用Timer1作為定時(shí)器，每接收到一個(gè)字符就重新計(jì)時(shí)，如果計(jì)時(shí)超過(guò)設(shè)定的空閑時(shí)間，則認(rèn)為當(dāng)前已接收到一幀，立即對(duì)該幀進(jìn)行處理。需要注意的是，單片機(jī)需要一定的時(shí)間進(jìn)行協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)處理，如果空閑時(shí)間太短，則當(dāng)期幀數(shù)據(jù)還沒(méi)處理完就來(lái)了下一幀數(shù)據(jù)，肯定會(huì)出現(xiàn)混亂，如果空閑時(shí)間太長(zhǎng)，又會(huì)降低通信速率，因此需要取一個(gè)合適的空閑值，經(jīng)過(guò)測(cè)試，協(xié)議解析的時(shí)間為72us，因此數(shù)據(jù)接收+空閑時(shí)間應(yīng)該大于72us，才能保證通信正常。
CRC校驗(yàn)資料：
循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）算法入門(mén)引導(dǎo)：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47737-1.html
最通俗的CRC校驗(yàn)原理剖析：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47736-1.html
CRC8校驗(yàn)分析：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47738-1.html

ADC鍵盤(pán)：
10位ad對(duì)16個(gè)按鍵進(jìn)行采樣，因此電壓與每個(gè)按鍵具有線性比例關(guān)系，1024/(16+1)=60.2，實(shí)際值是59，再通過(guò)映射關(guān)系將0-1024值轉(zhuǎn)換成按鍵值，公式：
key=key_table[(16-(val)/59)/4][(16-(val)/59)%4];
16個(gè)按鍵中，y代表yes，n代表n
a-d代表四個(gè)功能：通話，開(kāi)門(mén)，設(shè)定地址，預(yù)留

結(jié)果
經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試與完善，在12v供電情況下，語(yǔ)音通信清晰，聲音洪亮，基本無(wú)噪音，可改變從機(jī)地址，范圍為001~999，其他功能也基本實(shí)現(xiàn)了，如開(kāi)門(mén)、交互界面等等

電路、代碼、資料，打包：
原附件缺少部分代碼，現(xiàn)已補(bǔ)全并更新：

門(mén)禁1.rar (4.66 MB, 下載次數(shù): 42)
更新
在運(yùn)行以上程序之前，最好運(yùn)行485測(cè)試程序，以確保485通信正常，測(cè)試方法：主從機(jī)燒入測(cè)試程序，同時(shí)按下reset，之后測(cè)試程序會(huì)發(fā)送10萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)并顯示接收到的數(shù)據(jù)，觀察運(yùn)行結(jié)果是否正確。測(cè)試代碼如下

rs485_test1.rar (5.5 KB, 下載次數(shù): 17)

ID:137396 · 發(fā)表于 2016-8-23 15:35

這也太猛了不知道淘寶上有沒(méi)有賣

ID:156386 · 發(fā)表于 2016-12-20 21:52

很好，學(xué)習(xí)了

ID:158740 · 發(fā)表于 2016-12-29 20:50

厲害，我也要學(xué)習(xí)一個(gè)

ID:240472 · 發(fā)表于 2017-10-18 09:45

感謝分享，太厲害啦

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