標(biāo)題: 門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [打印本頁]
作者: 51黑dd    時間: 2016-4-7 03:52
標(biāo)題: 門禁系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
前段時間玩了一下門禁系統(tǒng)，現(xiàn)在整理整理資料，把東西發(fā)上來

設(shè)計要求：
基于單片機(jī)，具有通話、振鈴、摘機(jī)、通話、開鎖功能，還要有鍵盤和顯示電路

設(shè)計思路：
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、門禁系統(tǒng)通信的特點是多對一，距離10~100m，通信速率要滿足語音通信、控制信號傳輸，因此采用485通信，通信速率512Kbps
4、語音播放使用8位PWM，功放芯片采用常見的LM386
5、顯示屏采用Nokia5110，SPI通信
6、鍵盤采用10位ADC鍵盤，16個按鍵
7、開鎖電路使用繼電器實現(xiàn)

硬件設(shè)計

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，因此要通過撥碼開關(guān)切換0、1腳功能


2、電源電路
整個系統(tǒng)使用外部12v電源供電，用于驅(qū)動繼電器和LM386,12v電源通過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鍵盤電路
由于arduino接口較少，直接采用ADC鍵盤，一次掛載20個按鍵沒有問題，每個分壓電阻使用1kΩ，線性度非常不錯。


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


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


6、功放電路
功放直接采用常見的LM386典型電路，PWM信號經(jīng)過積分電路，再送入LM386，為了提高音量，使用12v供電，實測效果不錯，5v供電時，噪音非常大，稍微一大聲就失真


8、開鎖電路
開鎖功能可以通過電磁鎖實現(xiàn)，這里只用了繼電器并留出了接線口，繼電器電流也不小，保險起見使用了一個9014擴(kuò)流，并反向并聯(lián)一個二極管吸收反向電流


畫好原理圖之后就是排版畫pcb了：

檢查無誤后開始做板子，既然要語音通信，那肯定是至少要做兩個啦：




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bug，還好是小問題，兩根飛線解決

程序設(shè)計
整個系統(tǒng)包括了以下幾個程序文件：
EG_V0_3: 主程序，包括了功能定義、ADC初始化、定時器初始化、鍵盤輸入處理、顯示界面、數(shù)據(jù)通信處理、中斷采樣
ADC_KEY:按鍵識別，主要是建立10位ADC值和每個按鍵的映射關(guān)系，參考了馬潮老師的狀態(tài)機(jī)程序
CRC8：CRC校驗程序，為了保證通信的正確性，必須使用數(shù)據(jù)校驗，crc8非常有效，不過實際測試，沒有crc校驗的情況下好像數(shù)據(jù)幾乎沒有傳輸錯誤？？
Nokia5110:顯示屏驅(qū)動程序，直接使用論壇里的代碼，具體哪個帖子忘了。。
rs485：包括485初始化、定時器1初始化、485通信協(xié)議、通信處理等
ringtone：實現(xiàn)呼叫、接聽、振鈴功能

程序設(shè)計思路
本系統(tǒng)的核心就是語言采樣播放+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
語音采樣與播放：
人說話的頻率為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），為了減少開發(fā)難度，沒有使用音頻壓縮。Timer2開啟溢出中斷，中斷頻率7.8KHZ，語音采樣、鍵盤值采樣、PWM更新都放在這里，同時使用Timer2的OCR2B作為PWM輸出。ADC工作在自動連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，ADC工作頻率為76.9KHZ，測試過更高的頻率，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，語音采樣的數(shù)據(jù)量為8bit*8KHZ=64Kbps，由于需要同時傳輸?shù)刂贰⒄Z音數(shù)據(jù)、控制命令、校驗碼，一次傳輸數(shù)據(jù)量為3~6字節(jié)，因此波特率至少為192Kbps，保險起見，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)不能主動發(fā)起對話，只能等待主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)
3、一個幀結(jié)構(gòu)如下：
  （1）[FUNCTION_VOICE，語音數(shù)據(jù)，CRC校驗],3個字節(jié)
  （2）[FUNCTION_COMMAND,COMMAND_XXX,CRC校驗],3~6個字節(jié)
           其中COMMAND_XXX包括開門、通話、地址校驗等命令，具體請看代碼
每發(fā)完一幀必須空閑一段時間，作為一個幀的結(jié)束標(biāo)志，因此采用Timer1作為定時器，每接收到一個字符就重新計時，如果計時超過設(shè)定的空閑時間，則認(rèn)為當(dāng)前已接收到一幀，立即對該幀進(jìn)行處理。需要注意的是，單片機(jī)需要一定的時間進(jìn)行協(xié)議的解析和數(shù)據(jù)處理，如果空閑時間太短，則當(dāng)期幀數(shù)據(jù)還沒處理完就來了下一幀數(shù)據(jù)，肯定會出現(xiàn)混亂，如果空閑時間太長，又會降低通信速率，因此需要取一個合適的空閑值，經(jīng)過測試，協(xié)議解析的時間為72us，因此數(shù)據(jù)接收+空閑時間應(yīng)該大于72us，才能保證通信正常。
CRC校驗資料：
循環(huán)冗余校驗（CRC）算法入門引導(dǎo)：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47737-1.html
最通俗的CRC校驗原理剖析：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47736-1.html
CRC8校驗分析：http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-47738-1.html

ADC鍵盤：
10位ad對16個按鍵進(jìn)行采樣，因此電壓與每個按鍵具有線性比例關(guān)系，1024/(16+1)=60.2，實際值是59，再通過映射關(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個按鍵中，y代表yes，n代表n
a-d代表四個功能：通話，開門，設(shè)定地址，預(yù)留


結(jié)果
經(jīng)過不斷的測試與完善，在12v供電情況下，語音通信清晰，聲音洪亮，基本無噪音，可改變從機(jī)地址，范圍為001~999，其他功能也基本實現(xiàn)了，如開門、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測試程序，以確保485通信正常，測試方法：主從機(jī)燒入測試程序，同時按下reset，之后測試程序會發(fā)送10萬個數(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。測試代碼如下
rs485_test1.rar (5.5 KB, 下載次數(shù): 17)

作者: a98765432180    時間: 2016-8-23 15:35
這也太猛了 不知道淘寶上有沒有賣
作者: q63525    時間: 2016-12-20 21:52
很好，學(xué)習(xí)了
作者: leonidascl    時間: 2016-12-29 20:50
厲害，我也要學(xué)習(xí)一個
作者: 西蒙貝克    時間: 2017-10-18 09:45
感謝分享，太厲害啦



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