本文基于51單片機和無線數據收發芯片nRF24L01，設計了一種無線門禁控制系統，該系統成本低，方案簡單，擴展性好．通過人臉識別上位機系統，能夠實時檢測和識別來訪者身份．如果數據庫中包含來訪者信息，則步進電機打開門鎖，LCD顯示來訪者信息;否則，步進電機不轉動，報警器報警，LCD顯示報警信息．

　　1、系統硬件設計

　　1．1、系統結構和功能

　　系統結構主要由PC端軟件系統，發送端，無線數據傳送模塊和接收端組成，系統整體結構如圖1．

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

　　1．2、發送端和接收端硬件設計

　　發送端和接收端采用的控制芯片是STC公司生產的89C52RC單片機，這是新一代高速，低功耗，超強干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，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，內部集成EEPROM，用戶應用程序空間為8K，支持ISP下載程序．

　　除了上述主控芯片外，還要預留必要的功能模塊驅動接口，主要包括：nRF24L01無線射頻芯片接口，步進電機接口，LCD液晶接口和其他的外部擴展接口．

　　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據引腳．采用USB供電，電壓約為5V，所以需要將5V電壓轉換成3．3V電壓．電源轉換電路主要采用AMS1117-3．3芯片，它是一個正向低壓降穩壓器，具有1%的有效精度，電路設計如圖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，用于去除穩壓前后電路中的紋波．

　　nRF24L01無線射頻芯片的接口電路設計如圖3．

　　圖3中nRF24L01射頻模塊的CE，SCK，MISO，MOSI，CSN外接1K電阻與單片機P2口連接，IRQ外接1K電阻與單片機外部中斷引腳連接，每發送或接收一幀數據后都會觸發單片機外部中斷．

　　步進電機接口為6引腳，其中VDD為5V電壓，GND為電源地，其余為步進電機勵磁引腳，分別與單片機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，內部集成字庫．2，3引腳外接2K電位器，用于調節屏幕背光亮度，其余為數據和控制引腳．電路設計如圖4．

　　1．3、nRF24L01硬件設計

　　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器芯片．無線收發器包括：頻率發生器、增強型SchockBurstTM［7－8］模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器．輸出功率、頻道選擇和協議設置可以通過SPI接口設置．發射模式下功率－6dBm時電流為9mA，接收模式時為12．3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低．電路設計如圖6．

　　圖6 ? ? nRF24L01外部電路設計

　　1．4步進電機驅動電路設計

　　步進電機為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不斷的激勵脈沖．由于單片機IO口提供的脈沖信號不夠大，需要外加ULN2003信號放大電路，電路設計如圖7．圖中JP2連接步進電機IO口，JP3連接到單片機IO口．

　　2、系統軟件設計

　　2．1、nRF24L01軟件設計

　　nRF24L01芯片通過設置配置寄存器中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，發送端或接收端檢測到各自數據緩沖區中有數據時，由待機模式進入發送或接收模式，數據處理完畢將狀態寄存器TX－DS或RX－DR位置高，IRQ引腳產生中斷，此時由發送或接收模式進入待機模式，等待數據進入數據緩沖區，IRQ中斷后要通過單片機寫狀態寄存器來復位．

　　nRF24L01數據發送或接收主要通過SPI接口實現，采用STC89C52RC單片機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行初始化，保證發送端和接收端的地址寬度，信道工作頻率，發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．

　　數據通道0有40位可配地址，當從一個數據通道中接收到數據，并且此數據通道設置為應答方式的話，則nRF24L01在收到數據后產生應答信號，此應答信號的目標地址為接收通道地址．數據通道0地址設置如圖10．

　　系統有一個發射端和多個接收端，所以采用的通信協議要簡單可靠，在SchockBurstTM協議的基礎上將文中通信協議設置成：

　　前導碼地址（5Byte）有效數據 ? CRC校驗

　　前導碼用來檢測0和1，芯片在接收模式下去除前導碼，發送模式下加入前導碼．地址5字節，內容為接收地址，可以對發送信道和接收信道分別進行設置，接收端從接收的數據包中自動去除地址，所有地址在門禁系統中都是唯一的．有效發送數據最大為15字節．CRC校驗位16bit．所有接收端都將接收帶地址碼的數據幀，并將接收地址與本地地址進行比較，如相同則再分別驗證前導碼和CRC校驗碼，如還相同則將有效數據送入數據緩沖區中再進行處理．

　　2．2、步進電機軟件設計

　　步進電機有三線式、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動．

　　步進電機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．文中步進電機為五線四項八拍電機，考慮到門禁系統的對實時性和快速性的要求，因此，采用二相勵磁方式，其主要特點是：輸出轉矩大，振動?。畡畲彭樞蛉绫?．

　　3、實驗結果

　　通過對整個門禁控制系統的軟硬件進行設計，做出測試樣品，并且經過10組，每組30次測試，證明該門禁系統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，數據幀從發送到門禁控制系統響應平均用時1．4～2．5s，數據幀傳送錯誤率平均在1．67%，即有5組測試中出現了一次數據幀傳送錯誤．門禁控制系統設計如圖11．

　　4、結論

　　通過多次大量分組實驗，證明文中設計的無線門禁系統有較好的實時性和準確性，在有障礙物條件下，數據傳輸也能滿足實用性要求，達到了預期的設計目標．