门禁系统的设计与实现-2014.12.6更新

前段时间玩了一下门禁系统，现在整理整理资料，把东西发上来



设计要求：

基于单片机，具有通话、振铃、摘机、通话、开锁功能，还要有键盘和显示电路



设计思路：

1、系统用到AD、UART、PWM、SPI，考虑成品的体积，采用arduino nano

2、语音采样使用驻极体麦克风，经200倍前置放大，再进行8位AD采样，采样率8kHz，可达到电话音质，满足需求

3、门禁系统通信的特点是多对一，距离10~100m，通信速率要满足语音通信、控制信号传输，因此采用485通信，通信速率512Kbps

4、语音播放使用8位PWM，功放芯片采用常见的LM386

5、显示屏采用Nokia5110，SPI通信

6、键盘采用10位ADC键盘，16个按键

7、开锁电路使用继电器实现



硬件设计



1、Arduino Nano

主控直接采用arduino nano，由于485通信和下载程序共用0、1脚，因此要通过拨码开关切换0、1脚功能

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2014-7-5 14:47 上传
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2、电源电路

整个系统使用外部12v电源供电，用于驱动继电器和LM386,12v电源通过LM2940得到5v电源，Nokia5110显示屏需要3.3v供电，直接采用nano上的3.3v电源

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2014-7-5 14:47 上传
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3、ADC键盘电路

由于arduino接口较少，直接采用ADC键盘，一次挂载20个按键没有问题，每个分压电阻使用1kΩ，线性度非常不错。

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4、485通信电路

使用了两片MAX485组成了全双工通信，实际测试，10m网线，2Mbps，完全不丢包，另外测试过2m，2Mbps的串口通信，也是完全不丢包

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5、麦克风采样电路

语音采样，使用普通驻极体麦克风，经过LM358的200倍放大后，送入ADC

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6、功放电路

功放直接采用常见的LM386典型电路，PWM信号经过积分电路，再送入LM386，为了提高音量，使用12v供电，实测效果不错，5v供电时，噪音非常大，稍微一大声就失真

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8、开锁电路

开锁功能可以通过电磁锁实现，这里只用了继电器并留出了接线口，继电器电流也不小，保险起见使用了一个9014扩流，并反向并联一个二极管吸收反向电流

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画好原理图之后就是排版画pcb了：

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检查无误后开始做板子，既然要语音通信，那肯定是至少要做两个啦：

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然后再焊接调试：

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虽然做板前仔细检查了很多遍，但还是出了几个bug，还好是小问题，两根飞线解决



程序设计

整个系统包括了以下几个程序文件：

EG_V0_3: 主程序，包括了功能定义、ADC初始化、定时器初始化、键盘输入处理、显示界面、数据通信处理、中断采样

ADC_KEY:按键识别，主要是建立10位ADC值和每个按键的映射关系，参考了马潮老师的状态机程序

CRC8：CRC校验程序，为了保证通信的正确性，必须使用数据校验，crc8非常有效，不过实际测试，没有crc校验的情况下好像数据几乎没有传输错误？？

Nokia5110:显示屏驱动程序，直接使用论坛里的代码，具体哪个帖子忘了。。

rs485：包括485初始化、定时器1初始化、485通信协议、通信处理等

ringtone：实现呼叫、接听、振铃功能



程序设计思路

本系统的核心就是语言采样播放+485通信协议，由于处理的数据量比较大，所以很多地方没有用到arduino提供的方法，比如analogread、analogwrite、serial等

语音采样与播放：

人说话的频率为300HZ~3KHZ，根据采样定理，采样频率应该大于6KHZ，在这里取7.8KHZ（atmega直接分频可得到），为了减少开发难度，没有使用音频压缩。Timer2开启溢出中断，中断频率7.8KHZ，语音采样、键盘值采样、PWM更新都放在这里，同时使用Timer2的OCR2B作为PWM输出。ADC工作在自动连续转换模式下，ADC工作频率为76.9KHZ，测试过更高的频率，200KHZ以上的采样速度，误差非常大，容易导致按键误判和语音噪音。



485通信：

采用了两片485芯片，一片工作在接收，一片工作在发送，语音采样的数据量为8bit*8KHZ=64Kbps，由于需要同时传输地址、语音数据、控制命令、校验码，一次传输数据量为3~6字节，因此波特率至少为192Kbps，保险起见，本系统采用了512KHZ。

由于需要传输多种数据，所以必须要使用一种通信协议，基于485的通信协议为：

1、主机以广播的方式向所有从机发送一个地址数据，寻找此地址的从机，该从机收到后发送应答命令，之后建立通信，从机与从机不能进行通信

2、从机不能主动发起对话，只能等待主机发送数据

3、一个帧结构如下：

（1）[FUNCTION_VOICE，语音数据，CRC校验],3个字节

（2）[FUNCTION_COMMAND,COMMAND_XXX,CRC校验],3~6个字节

其中COMMAND_XXX包括开门、通话、地址校验等命令，具体请看代码

每发完一帧必须空闲一段时间，作为一个帧的结束标志，因此采用Timer1作为定时器，每接收到一个字符就重新计时，如果计时超过设定的空闲时间，则认为当前已接收到一帧，立即对该帧进行处理。需要注意的是，单片机需要一定的时间进行协议的解析和数据处理，如果空闲时间太短，则当期帧数据还没处理完就来了下一帧数据，肯定会出现混乱，如果空闲时间太长，又会降低通信速率，因此需要取一个合适的空闲值，经过测试，协议解析的时间为72us，因此数据接收+空闲时间应该大于72us，才能保证通信正常。

CRC校验资料：

循环冗余校验（CRC）算法入门引导http://blog.csdn.net/liyuanbhu/article/details/7882789

最通俗的CRC校验原理剖析http://winda.blog.51cto.com/55153/1063951

CRC8校验分析http://blog.csdn.net/ydk03526203300/article/details/6425491



ADC键盘：

10位ad对16个按键进行采样，因此电压与每个按键具有线性比例关系，1024/(16+1)=60.2，实际值是59，再通过映射关系将0-1024值转换成按键值，公式：

key=key_table[(16-(val)/59)/4][(16-(val)/59)%4];

16个按键中，y代表yes，n代表n

a-d代表四个功能：通话，开门，设定地址，预留

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2014-7-5 14:48 上传
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结果

经过不断的测试与完善，在12v供电情况下，语音通信清晰，声音洪亮，基本无噪音，可改变从机地址，范围为001~999，其他功能也基本实现了，如开门、交互界面等等



电路、代码、资料，打包：

门禁.rar

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2014-7-5 15:00 上传
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2014.10.31更新

原附件缺少部分代码，现已补全并更新：

门禁1.rar

(4.66 MB, 下载次数: 129)

2014-10-31 13:09 上传
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2014.12.6更新

在运行以上程序之前，最好运行485测试程序，以确保485通信正常，测试方法：主从机烧入测试程序，同时按下reset，之后测试程序会发送10万个数据并显示接收到的数据，观察运行结果是否正确。测试代码如下

rs485_test1.rar

(5.5 KB, 下载次数: 71)

2014-12-7 03:23 上传
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via - 极客工坊

标签: Arduino教程