孫春志，吳晨光，徐 瑩

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南　商丘 476000 )

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基于nRF24L01車輛集中管理及防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫春志，吳晨光，徐 瑩

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南商丘 476000 )

摘要：針對當(dāng)前各個(gè)大學(xué)校園及各城市街區(qū)車輛亂擺亂放的現(xiàn)象和盜竊事件的發(fā)生，介紹了一種車輛智能管理與防盜裝置，詳細(xì)講述了裝置的基本原理與實(shí)現(xiàn)方式，以及硬件功能電路的設(shè)計(jì)方法及思想.裝置包括MCU主控、AC/DC模塊電源、DC/DC模塊電源、RFID-RC522射頻卡模塊、nRF24L01無線通信模塊、LCD1602顯示器等.本裝置采用NORDIC生產(chǎn)的nRF24L01無線通信模塊，來實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間信息的遠(yuǎn)距離無線傳輸，同時(shí)裝置采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為裝置的主控芯片，實(shí)現(xiàn)對車輛的集中智能化有序管理和對車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到車輛智能化管理和防盜.通過實(shí)驗(yàn)證明，本裝置不僅準(zhǔn)確性好，而且成本低、功能可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有良好的市場前景.

關(guān)鍵詞：MCU；模塊電源；射頻卡；無線通信； LCD1602顯示器

0引言

隨著人們生活水平的不斷提高，以及當(dāng)代科學(xué)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的各種車輛防盜報(bào)警系統(tǒng)也逐步的應(yīng)用于生活中.現(xiàn)如今，國內(nèi)對車輛集中管理及防盜系統(tǒng)的研究已經(jīng)相對成熟,既開關(guān)式防盜報(bào)警器和振動(dòng)式報(bào)警系統(tǒng)之后，我國對空間移動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)方面的研究也已經(jīng)有所成就.但是,這些系統(tǒng)因其高成本，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其應(yīng)用范圍受到了一定的限制.本著科技服務(wù)于人類的原則，車輛集中管理及防盜報(bào)警裝置有著便捷化操作、人性化設(shè)計(jì)、反應(yīng)特別靈敏等特點(diǎn),在保證裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，給人們的生活帶來最大化的便利.

1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)

圖1　整體方案設(shè)計(jì)原理框圖

整個(gè)裝置以STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分.主機(jī)主要負(fù)責(zé)車輛的監(jiān)管，首先，射頻卡模塊讀取IC卡的信息，并將讀取的信息通過串口傳送給單片機(jī)，然后，單片機(jī)對讀取的射頻卡信息進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后，單片機(jī)發(fā)送控制信號，并且驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，控制相應(yīng)的車鎖以實(shí)現(xiàn)對車輛的存放[1].本裝置采用自動(dòng)化控制的電子鎖取代了傳統(tǒng)的鎖具.主機(jī)對車輛監(jiān)管的同時(shí)也將車輛的信息通過無線傳輸實(shí)時(shí)發(fā)送給從機(jī).當(dāng)車輛發(fā)生丟失時(shí)，主機(jī)便通過無線模塊向從機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，從機(jī)接收來自主機(jī)的信號并作相應(yīng)的處理，同時(shí)應(yīng)用LCD液晶顯示屏準(zhǔn)確顯示相關(guān)車輛信息， LCD液晶屏可以顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及當(dāng)前天氣的實(shí)時(shí)溫度.其整體原理框圖如圖1所示.

2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1主控部分

裝置采用STC12C5A60S2系列單片機(jī).STC12C5A60S2系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍[2].內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合[3].STC12C5A系列單片機(jī)幾乎包含數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng).STC12C5A60S2芯片引腳如圖2所示.

2.2電源電路設(shè)計(jì)

在電源電路的選取上，由于模塊電源具有隔離作用，抗干擾能力強(qiáng)，自帶保護(hù)功能，便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此，本裝置采用模塊電源供電[4].圖3是本裝置的各個(gè)電源模塊主電路圖，設(shè)計(jì)要求需要將AC220 V交流電源轉(zhuǎn)化成DC12 V電源，為電子鎖供電，然后將DC12 V轉(zhuǎn)換成DC5 V電源和將DC5 V轉(zhuǎn)換成DC3.3 V電源，直流5 V和直流3.3 V電源電路原理圖如圖4和圖5所示.分別為主控電路、繼電器電路、無線模塊和射頻卡模塊電路供電[5].其中MCUDC5 V主控電路電源轉(zhuǎn)換電路使用7805穩(wěn)壓芯片.7805穩(wěn)壓芯片前后都需要加上電解電容和普通電容，作用是消除低頻和高頻干擾波.在穩(wěn)壓芯片前面加入電源指示燈，更直觀判斷電源是否正常接入電路[6].在實(shí)際應(yīng)用中，由于電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生很強(qiáng)的熱量，調(diào)試硬件電路時(shí)由于7805芯片不能及時(shí)散熱導(dǎo)致在通電一段時(shí)間后7805穩(wěn)壓芯片被燒毀，通過查閱資料，在7805穩(wěn)壓芯片前面加入散熱電阻，電阻大小為68R/2W，可以很好的解決這一難題.

圖2　STC12C5A60S2管腳圖　　　　　　　　　　　　　　圖3　DC12V模塊電源電路

圖4　DC5V模塊電源電路　　　　　　　　　　　　　　　圖5　DC3.3V模塊電源電路

2.3射頻卡模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的射頻卡模塊的電路如圖6所示.系統(tǒng)射頻卡模塊選用的型號是RFID-RC522.卡片的電氣部分是由一個(gè)天線和ASIC(IC)組成.卡片的天線是有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中.卡片的ASIC由一個(gè)高速(106 KB波特率)的RF接口，一個(gè)控制單元和一個(gè)定容量的EEPROM組成.工作原理為讀寫器電路向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)[7].讀寫器接取的數(shù)據(jù)通過串行口傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)把接收的卡號進(jìn)行校驗(yàn)，同時(shí)，射頻卡中有快速防沖突機(jī)制，能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾，因此，讀寫器可以同時(shí)處理多張射頻卡.這提高了應(yīng)用的并行性，無形中提高了系統(tǒng)工作速度.

2.4無線模塊電路的設(shè)計(jì)

本裝置采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01(或nRF24L01P)是一款工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片.無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調(diào)制器、解調(diào)器[8].輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置.它具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm時(shí)電流消耗為11.3 mA，接收模式時(shí)為13.5 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低.其電路圖如圖7所示：

圖6　射頻卡模塊電路原理圖　　　　　　　　　　　　圖7　nRF24L01無線傳輸模塊電路

2.5LCD顯示電路的設(shè)計(jì)

圖8　LCD1602液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路

如圖8是本系統(tǒng)的液晶顯示的驅(qū)動(dòng)電路，為LCD1602型號字符液晶顯示器，供電電壓為DC5V.LCD字符液晶顯示器選用顯示容量為16*2個(gè)字符，1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，其控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，在電路中連接有10 kΩ的電位器，通過電位器可以調(diào)節(jié)顯示字符的亮度[9].

由于此處液晶顯示的是實(shí)時(shí)溫度和狀態(tài)信息，所以本系統(tǒng)采用的是LCD1602型號的靜態(tài)顯示器[10].液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效[11].要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符.

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、信息處理3個(gè)部分.系統(tǒng)整體軟件流程如圖9所示：

圖9　系統(tǒng)軟件流程圖

4結(jié)語

經(jīng)過一系列的實(shí)地測試，車輛智能集中管理及防盜裝置能夠較好的實(shí)現(xiàn)車輛的智能化管理，改善了過去車輛亂擺亂放的現(xiàn)象，當(dāng)車輛盜竊事件發(fā)生時(shí)，裝置主機(jī)能夠及時(shí)的發(fā)送向從機(jī)發(fā)送信息并報(bào)警，從機(jī)接受到信號后能準(zhǔn)確的做出反應(yīng)并在LCD顯示屏上詳細(xì)的顯示車輛丟失信息，裝置高質(zhì)量的工作效率和靈敏的反應(yīng)度為車輛的安全提供了可靠的保障.

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[責(zé)任編輯：徐明忠]

Design of centralized management and security system of vehicle based on nRF24L01

SUN Chunzhi,WU Chenguang,XU Ying

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:In the university campus and the city block vehicles chaotic pendulum misplacing phenomenon and theft, this paper introduced an intelligent vehicle management with an anti-theft device, a detailed account of the basic principle of the device and realization method, and function of the hardware circuit design methods and thoughts.The device includes MCU master control, AC/DC module power supply, DC/DC module power supply, RFID-RC522 radio frequency card module, nRF24L01 wireless communication module, LCD1602 display, etc.NRF24L01 wireless communication module is used to realize the remote wireless transmission between the host and the host computer, and NORDIC STC12C5A60S2 STC is used as the main control chip.The system realizes the centralized intelligent management and real-time monitoring of vehicles.

Key words:MCU ;power supply module ; radio frequency card ;wireless communication;LCD1602 display

中圖分類號：TN918.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3600(2016)03-0029-04

作者簡介:孫春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘師范學(xué)院助教，碩士，主要從事電子與通信工程的研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11173018)

收稿日期：2015-08-11;修回日期：2015-09-11