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基于MSP430的无线门禁控制系统设计
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引言
随着人们生活水平的不断提高，家庭防盗这一问题也变得尤为突出。传统的机械锁因其结构简单、安全性差等缺陷，已经逐渐被淘汰，电磁锁由于其保密性高、使用灵话、安全系数高，逐渐进入千家万户。如果在一个家居系统中有多个门，就需要一套综合的门控系统，这样就可以监控所有楼门的开关。
参考文献设计的门控系统是以AT89S51单片机为控制核心，系统功耗较大，使用成本较高，所以其应用具有一定的局限性。参考文献设计的门控系统利用局域网进行组网控制，所以制作成本较高，而且应用范围有限。针对以上缺点，本系统采用MSP430系列单片机CCA30F5135芯片为控制核心，其不但具有MSP430系列单片机的低功耗性能，而且具有RF无线收发器的功能，RF无线功能可以实现对门进行无线控制，方便用户使用，而且低功耗特性使得使用成本较低，达到了目前应用的要求。
1 门控系统运行原理
本系统主要由两部分组成：一部分是中央控制中心，其主要作为管理中心，用户可以监控所有楼门的开关状态；另一部分是门控模块，其作用主要是控制门的开关，并且将门的开关信息传送给中央控制中心，包括键盘电路、显示电路、报警电路和开锁控制电路等。
本系统采用电子密码锁控制开关门，电子密码锁相对于射频卡成本较低，而且可以随时更改密码，安全性较高。当需要开门时，首先从矩阵键盘输入6位数密码，其初始密码由程序设定，输入完密码后按开门键开锁，如果想清除输入可以按取消键，按键时均会有“短滴”声提示。若输入的密码正确，密码输入正确指示灯亮，LCD显示“密码正确”，并且输出一个打开电磁锁的信号；若密码输入错误，则密码输入错误指示灯亮，LCD显示“密码错误”。如果在6 s内无任何操作，则清除所有输入内容。如果某个门控模块有密码输入情况，门控模块内部的CC430F5135单片机会通过内部集成的RF无线收发器，将有人输入密码开门的信号传输给中央控制中心，这样中央控制中心就能知道所有楼门的情况，中央控制中心通过一个LCD显示所有的楼门开关情况。如果用户想打开或者关闭某个门，则只需要通过键盘找到门号并输入相关指令。门控模块和中央控制中心均以CC430F5135为控制核心，如果在40 s之后无任何操作，单片机就会进入到低功耗模式。
2 系统硬件设计
门禁控制系统的硬件设计包括中央控制中心设计和门控模块设计，下面就各个部分进行详细介绍。
2．1 中央控制中心设计
中央控制中心和门控模块都是以MSP430系列单片机CC430F5135为控制核心，其内部集成的RF无线模块节省了外部扩展的无线通信模块，降低了成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可实现极低的电流消耗，从而使采用电池供电的无线网络应用无需维修即可工作长达10年以上；此外，微型封装所包含的高级功能性还可为创新型RF传感器网络提供核心动力，以向中央采集点报告数据。CC430F5135为16位超低功耗MCU，具有16 KB闪存、2 KB RAM、CC1101无线电收发器、AES-128和USCI，供电电压为1．8～3．6 V，正常工作模式消耗电流为160 μA／MHz，低功耗模式3消耗电流为2．0μA。
2．1．1 CC430F5135的RF无线收发模块外围电路
CC430F5135内部集成了CC1101无线电收发器，本系统的RF频率设为315 MHz，信道间隔为540 kHz，数据传输速率为250 kbps。在本系统设计中，发送功率最大可以达到-96 dBm，实际应用中还可以根据发射距离的远近设置发送功率的大小，这样可以使功耗达到最低。其电路如图2所示。CC430F5135的供电电源为两节5号电池，其电压为+3 V，外接晶振为26 MHz。RF_N和RF_P为RF无线电发射引脚，两引脚外接天线，其功率可以达到-96 dBm，传输距离可以达到200m左右。
2．1．2 LCD显示模块
考虑到设备低功耗的要求，所选的显示模块必须达到低功耗的目的。本系统采用了LCD12864作为显示模块，其供电电压为4．5～5 V供电，工作电流为3 mA，低功耗、长寿命、高可靠性。模块内自带2个液晶显示驱动芯片，分别控制显示屏的左区和右区，每个驱动芯片都带有512字节的RAM。其中LCD12864采用+5V供电，+3V电压经升压芯片转换成+5 V后供给LCD12864。单片机的P1口作为控制LCD12864的控制口，P2口作为数据口与LCD12864进行通信。因为CC430F5135端口输出电压为+3 V，而LCD12864的端口电压为+5 V，两者的端口不能直接相连，所以需要一个电压转换芯片来解决电压不匹配的问题。本系统采用TI公司的双电压供电双向驱动器SN74 ALVCA24_5来实现电平转换，一边是3 V，另一边是5 V，这样就较好地解决了3 V与5 V电平的转换问题。
2．1．3 4×4矩阵键盘硬件电路
本系统采用中断方式来确定按键的输入，因为CC430F5135内部的P0口全部都可以当作外部中断口，所以只要其中的任一按键被按下，那么此时其中两个端口的电平就会突变，这样根据内部预先设定好的程序，就可以知道哪个键被按下。键盘有数字键和功能键，数字键用于密码的输入，功能键有取消键、确认键、左移键、右移键、开门键和关门键。其中的取消键是用于删除输入的密码，确认键用丁确定输入正确，开门键和关门键起开关门的作用。当中火控制中心需要开关某个门时，就可以按左移键或者右移键来选择要开关的门号，选择成功后按开门键或者关门键就可以开关门。
2．2 门控模块设计
门控模块包括CC430F5135的RF无线收发模块电路、LCD硬件电路、键盘硬件电路、继电器驱动房门硬件电路和蜂鸣器指示灯硬件电路等。CC430F5135的RF无线收发模块电路，LCD硬件电路和键盘硬件电路与中央控制中心的设计基本相同，在这里就不再介绍。下面主要介绍蜂鸣器指示灯硬件电路和继电器驱动房门硬件电路。
2．2．1 蜂鸣器指示灯硬件电路
CC430F5135通过控制三极管的开通与关断去控制蜂鸣器和指示灯的导通与关闭，从而达到指示的目的。CC430F5135单片机的P3．0、P3．1和P3．2口通过控制输出信号的高低电平来控制三极管8050的导通或截止，从而实现相应的功能。如果P3．0口为高电平，三极管导通，则蜂鸣器发出响声，如果P3．1和P3．2置高电平，则红色指示灯或绿色指示灯会亮。其中红色指示灯的作用是警告密码输入错误，绿色指示灯则表示密码输入正确，并且门会打开。
2．2．2 继电器驱动房门硬件电路
此电路功能是当输入密码正确并按开门键或者关门键后，可以自动使楼门开通或者关闭。本系统采用CC430F5135控制继电器开通，进而控制旋转电机工作去控制门的动作。为了保证继电器稳定而可靠的工作，选用HJR-3FF-S系列继电器。此继电器负载端电压可以加到250 V(AC)／30 V(DC)，在环境温度为-30～+60℃时可以工作1×105次以上。其额定工作电压为+5 V，额定工作电流最大为70 mA，因为CC430F5135的I／O输出为+3 V，所以不能直接驱动继电器工作，需加一个三极管8050作为开关来控制继电器的开关，继电器通过接收CC430F5135的控制信息完成相应的控制动作。
3 系统软件设计
门禁控制系统的软件设计包括中央控制中心的软件设计和门控模块的软件设计。
3．1 中央控制中心软件设计
在开机运行时，中央控制中心利用无线模块给所有的门控模块发送一条指令，要求所有门控模块将此时其控制的门的开关状态报告给中央控制中心，这样中央控制中心就会知道所有门的状态。如果其中有一个门的状态改变(开或关)时，这个门的门控模块会利用内部的RF无线收发模块将门的状态信息发送给中央控制中心，这样就能不断地刷新中央控制中心的数据。如果用户想控制一个门的开通或者关闭，则只需要按左移或者右移键选择要打开或者关闭的门号并按确定键，选择开门或者关门功能，此时中央控制中心就会发出一条控制指令给相应的门控模块，达到开关门的目的。
3．2 门控模块程序设计
在系统运行时，CC430F5135单片机会一直处于低功耗模式中，这样可以达到降低功耗的目的。当有按键被按下或者发生RF无线接收中断时，单片机会从低功耗模式中被唤醒，开始判断键盘输入指令或者接收的控制指令。如果是键盘输入指令，单片机会根据输入的指令要求执行相应操作。如果输入密码正确并且按下开门键，单片机的P3．3口会置为高电平，继电器闭合，门被打开，同时绿色指示灯亮；如果密码输入错误，单片机会发出长警告音，并且红色指示灯亮，警告密码输入错误。在这两种情况发生时，单片机都会通过无线模块将有人输入密码的信息传送给中央控制中心。如果是RF无线接收中断发生，单片机会接收数据指令并判断指令功能，执行相应操作。
结语
本文设计了一种基于CC430F5135的门禁控制系统。此系统可以实现无线门禁控制，制作成本和使用成本都较低，且达到了目前低功耗的要求。经过测试，系统运行稳定可靠，有较好应用前景，适用于整个楼宇的控制。
随着人们生活水平的不断提高，家庭防盗这一问题也变得尤为突出。传统的机械锁因其结构简单、安全性差等缺陷，已经逐渐被淘汰，电磁锁由于其保密性高、使用灵话、安全系数高，逐渐进入千家万户。如果在一个家居系统中有多个门，就需要一套综合的门控系统，这样就可以监控所有楼门的开关。
参考文献设计的门控系统是以AT89S51单片机为控制核心，系统功耗较大，使用成本较高，所以其应用具有一定的局限性。参考文献设计的门控系统利用局域网进行组网控制，所以制作成本较高，而且应用范围有限。针对以上缺点，本系统采用MSP430系列单片机CCA30F5135芯片为控制核心，其不但具有MSP430系列单片机的低功耗性能，而且具有RF无线收发器的功能，RF无线功能可以实现对门进行无线控制，方便用户使用，而且低功耗特性使得使用成本较低，达到了目前应用的要求。
1 门控系统运行原理
本系统主要由两部分组成：一部分是中央控制中心，其主要作为管理中心，用户可以监控所有楼门的开关状态；另一部分是门控模块，其作用主要是控制门的开关，并且将门的开关信息传送给中央控制中心，包括键盘电路、显示电路、报警电路和开锁控制电路等。
本系统采用电子密码锁控制开关门，电子密码锁相对于射频卡成本较低，而且可以随时更改密码，安全性较高。当需要开门时，首先从矩阵键盘输入6位数密码，其初始密码由程序设定，输入完密码后按开门键开锁，如果想清除输入可以按取消键，按键时均会有“短滴”声提示。若输入的密码正确，密码输入正确指示灯亮，LCD显示“密码正确”，并且输出一个打开电磁锁的信号；若密码输入错误，则密码输入错误指示灯亮，LCD显示“密码错误”。如果在6 s内无任何操作，则清除所有输入内容。如果某个门控模块有密码输入情况，门控模块内部的CC430F5135单片机会通过内部集成的RF无线收发器，将有人输入密码开门的信号传输给中央控制中心，这样中央控制中心就能知道所有楼门的情况，中央控制中心通过一个LCD显示所有的楼门开关情况。如果用户想打开或者关闭某个门，则只需要通过键盘找到门号并输入相关指令。门控模块和中央控制中心均以CC430F5135为控制核心，如果在40 s之后无任何操作，单片机就会进入到低功耗模式。
2 系统硬件设计
门禁控制系统的硬件设计包括中央控制中心设计和门控模块设计，下面就各个部分进行详细介绍。
2．1 中央控制中心设计
中央控制中心和门控模块都是以MSP430系列单片机CC430F5135为控制核心，其内部集成的RF无线模块节省了外部扩展的无线通信模块，降低了成本。CC430F5135是TI公司MSP430F5xx MCU与低功耗RF收发器相结合的产品，可实现极低的电流消耗，从而使采用电池供电的无线网络应用无需维修即可工作长达10年以上；此外，微型封装所包含的高级功能性还可为创新型RF传感器网络提供核心动力，以向中央采集点报告数据。CC430F5135为16位超低功耗MCU，具有16 KB闪存、2 KB RAM、CC1101无线电收发器、AES-128和USCI，供电电压为1．8～3．6 V，正常工作模式消耗电流为160 μA／MHz，低功耗模式3消耗电流为2．0μA。
2．1．1 CC430F5135的RF无线收发模块外围电路
CC430F5135内部集成了CC1101无线电收发器，本系统的RF频率设为315 MHz，信道间隔为540 kHz，数据传输速率为250 kbps。在本系统设计中，发送功率最大可以达到-96 dBm，实际应用中还可以根据发射距离的远近设置发送功率的大小，这样可以使功耗达到最低。其电路如图2所示。CC430F5135的供电电源为两节5号电池，其电压为+3 V，外接晶振为26 MHz。RF_N和RF_P为RF无线电发射引脚，两引脚外接天线，其功率可以达到-96 dBm，传输距离可以达到200m左右。
2．1．2 LCD显示模块
考虑到设备低功耗的要求，所选的显示模块必须达到低功耗的目的。本系统采用了LCD12864作为显示模块，其供电电压为4．5～5 V供电，工作电流为3 mA，低功耗、长寿命、高可靠性。模块内自带2个液晶显示驱动芯片，分别控制显示屏的左区和右区，每个驱动芯片都带有512字节的RAM。其中LCD12864采用+5V供电，+3V电压经升压芯片转换成+5 V后供给LCD12864。单片机的P1口作为控制LCD12864的控制口，P2口作为数据口与LCD12864进行通信。因为CC430F5135端口输出电压为+3 V，而LCD12864的端口电压为+5 V，两者的端口不能直接相连，所以需要一个电压转换芯片来解决电压不匹配的问题。本系统采用TI公司的双电压供电双向驱动器SN74 ALVCA24_5来实现电平转换，一边是3 V，另一边是5 V，这样就较好地解决了3 V与5 V电平的转换问题。
2．1．3 4×4矩阵键盘硬件电路
本系统采用中断方式来确定按键的输入，因为CC430F5135内部的P0口全部都可以当作外部中断口，所以只要其中的任一按键被按下，那么此时其中两个端口的电平就会突变，这样根据内部预先设定好的程序，就可以知道哪个键被按下。键盘有数字键和功能键，数字键用于密码的输入，功能键有取消键、确认键、左移键、右移键、开门键和关门键。其中的取消键是用于删除输入的密码，确认键用丁确定输入正确，开门键和关门键起开关门的作用。当中火控制中心需要开关某个门时，就可以按左移键或者右移键来选择要开关的门号，选择成功后按开门键或者关门键就可以开关门。
2．2 门控模块设计
门控模块包括CC430F5135的RF无线收发模块电路、LCD硬件电路、键盘硬件电路、继电器驱动房门硬件电路和蜂鸣器指示灯硬件电路等。CC430F5135的RF无线收发模块电路，LCD硬件电路和键盘硬件电路与中央控制中心的设计基本相同，在这里就不再介绍。下面主要介绍蜂鸣器指示灯硬件电路和继电器驱动房门硬件电路。
2．2．1 蜂鸣器指示灯硬件电路
CC430F5135通过控制三极管的开通与关断去控制蜂鸣器和指示灯的导通与关闭，从而达到指示的目的。CC430F5135单片机的P3．0、P3．1和P3．2口通过控制输出信号的高低电平来控制三极管8050的导通或截止，从而实现相应的功能。如果P3．0口为高电平，三极管导通，则蜂鸣器发出响声，如果P3．1和P3．2置高电平，则红色指示灯或绿色指示灯会亮。其中红色指示灯的作用是警告密码输入错误，绿色指示灯则表示密码输入正确，并且门会打开。
2．2．2 继电器驱动房门硬件电路
此电路功能是当输入密码正确并按开门键或者关门键后，可以自动使楼门开通或者关闭。本系统采用CC430F5135控制继电器开通，进而控制旋转电机工作去控制门的动作。为了保证继电器稳定而可靠的工作，选用HJR-3FF-S系列继电器。此继电器负载端电压可以加到250 V(AC)／30 V(DC)，在环境温度为-30～+60℃时可以工作1×105次以上。其额定工作电压为+5 V，额定工作电流最大为70 mA，因为CC430F5135的I／O输出为+3 V，所以不能直接驱动继电器工作，需加一个三极管8050作为开关来控制继电器的开关，继电器通过接收CC430F5135的控制信息完成相应的控制动作。
3 系统软件设计
门禁控制系统的软件设计包括中央控制中心的软件设计和门控模块的软件设计。
3．1 中央控制中心软件设计
在开机运行时，中央控制中心利用无线模块给所有的门控模块发送一条指令，要求所有门控模块将此时其控制的门的开关状态报告给中央控制中心，这样中央控制中心就会知道所有门的状态。如果其中有一个门的状态改变(开或关)时，这个门的门控模块会利用内部的RF无线收发模块将门的状态信息发送给中央控制中心，这样就能不断地刷新中央控制中心的数据。如果用户想控制一个门的开通或者关闭，则只需要按左移或者右移键选择要打开或者关闭的门号并按确定键，选择开门或者关门功能，此时中央控制中心就会发出一条控制指令给相应的门控模块，达到开关门的目的。
3．2 门控模块程序设计
在系统运行时，CC430F5135单片机会一直处于低功耗模式中，这样可以达到降低功耗的目的。当有按键被按下或者发生RF无线接收中断时，单片机会从低功耗模式中被唤醒，开始判断键盘输入指令或者接收的控制指令。如果是键盘输入指令，单片机会根据输入的指令要求执行相应操作。如果输入密码正确并且按下开门键，单片机的P3．3口会置为高电平，继电器闭合，门被打开，同时绿色指示灯亮；如果密码输入错误，单片机会发出长警告音，并且红色指示灯亮，警告密码输入错误。在这两种情况发生时，单片机都会通过无线模块将有人输入密码的信息传送给中央控制中心。如果是RF无线接收中断发生，单片机会接收数据指令并判断指令功能，执行相应操作。
结语
本文设计了一种基于CC430F5135的门禁控制系统。此系统可以实现无线门禁控制，制作成本和使用成本都较低，且达到了目前低功耗的要求。经过测试，系统运行稳定可靠，有较好应用前景，适用于整个楼宇的控制。
