門禁系統的設計與實現

ID:112317 · 發表于 2016-4-7 03:52

前段時間玩了一下門禁系統，現在整理整理資料，把東西發上來

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

設計思路：
1、系統用到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，經200倍前置放大，再進行8位AD采樣，采樣率8kHz，可達到電話音質，滿足需求
3、門禁系統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

硬件設計

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切換0、1腳功能

2、電源電路
整個系統使用外部12v電源供電，用于驅動繼電器和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、麥克風采樣電路
語音采樣，使用普通駐極體麥克風，經過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，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擴流，并反向并聯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：

然后再焊接調試：

雖然做板前仔細檢查了很多遍，但還是出了幾個bug，還好是小問題，兩根飛線解決

程序設計
整個系統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、數據通信處理、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系，參考了馬潮老師的狀態機程序
CRC8：CRC校驗程序，為了保證通信的正確性，必須使用數據校驗，crc8非常有效，不過實際測試，沒有crc校驗的情況下好像數據幾乎沒有傳輸錯誤？？
Nokia5110:顯示屏驅動程序，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通信協議、通信處理等
ringtone：實現呼叫、接聽、振鈴功能

程序設計思路
本系統的核心就是語言采樣播放+485通信協議，由于處理的數據量比較大，所以很多地方沒有用到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，根據采樣定理，采樣頻率應該大于6KHZ，在這里取7.8KHZ（atmega直接分頻可得到），為了減少開發難度，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工作在自動連續轉換模式下，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，一片工作在發送，語音采樣的數據量為8bit*8KHZ=64Kbps，由于需要同時傳輸地址、語音數據、控制命令、校驗碼，一次傳輸數據量為3~6字節，因此波特率至少為192Kbps，保險起見，本系統采用了512KHZ。
由于需要傳輸多種數據，所以必須要使用一種通信協議，基于485的通信協議為：
1、主機以廣播的方式向所有從機發送一個地址數據，尋找此地址的從機，該從機收到后發送應答命令，之后建立通信，從機與從機不能進行通信
2、從機不能主動發起對話，只能等待主機發送數據
3、一個幀結構如下：
  （1）[FUNCTION_VOICE，語音數據，CRC校驗],3個字節
  （2）[FUNCTION_COMMAND,COMMAND_XXX,CRC校驗],3~6個字節
         其中COMMAND_XXX包括開門、通話、地址校驗等命令，具體請看代碼
每發完一幀必須空閑一段時間，作為一個幀的結束標志，因此采用Timer1作為定時器，每接收到一個字符就重新計時，如果計時超過設定的空閑時間，則認為當前已接收到一幀，立即對該幀進行處理。需要注意的是，單片機需要一定的時間進行協議的解析和數據處理，如果空閑時間太短，則當期幀數據還沒處理完就來了下一幀數據，肯定會出現混亂，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，經過測試，協議解析的時間為72us，因此數據接收+空閑時間應該大于72us，才能保證通信正常。
CRC校驗資料：
循環冗余校驗（CRC）算法入門引導：http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-47737-1.html
最通俗的CRC校驗原理剖析：http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-47736-1.html
CRC8校驗分析：http://www.zg4o1577.cn/bbs/dpj-47738-1.html

ADC鍵盤：
10位ad對16個按鍵進行采樣，因此電壓與每個按鍵具有線性比例關系，1024/(16+1)=60.2，實際值是59，再通過映射關系將0-1024值轉換成按鍵值，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，設定地址，預留

結果
經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，可改變從機地址，范圍為001~999，其他功能也基本實現了，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，現已補全并更新：

門禁1.rar (4.66 MB, 下載次數: 42)
更新
在運行以上程序之前，最好運行485測試程序，以確保485通信正常，測試方法：主從機燒入測試程序，同時按下reset，之后測試程序會發送10萬個數據并顯示接收到的數據，觀察運行結果是否正確。測試代碼如下

rs485_test1.rar (5.5 KB, 下載次數: 17)

ID:137396 · 發表于 2016-8-23 15:35

這也太猛了不知道淘寶上有沒有賣

ID:156386 · 發表于 2016-12-20 21:52

很好，學習了

ID:158740 · 發表于 2016-12-29 20:50

厲害，我也要學習一個

ID:240472 · 發表于 2017-10-18 09:45

感謝分享，太厲害啦

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門禁系統的設計與實現

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