基于MSP430的无线门禁控制系统设计

　　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。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

　　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。

　　

图2 CC430F5135的RF无线收发模块外围电路

　　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，其与 CC430F5135的硬件连接图如图3所示。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。

　　
图3 CC430F5135与LCD12864接口电路

　　2．1．3 4×4矩阵键盘硬件电路

　　4×4矩阵键盘硬件电路图如图4所示。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。

　　
图4 4×4矩阵键盘硬件电路

　　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

　　如图5所示，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。

图5 蜂鸣指示灯及继电器驱动房门硬件电路

　　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。