基于AVR和RFID的電子防丟防盜器設(shè)計(jì)

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摘要：針對(duì)防丟類產(chǎn)品的發(fā)展需求，介紹了一種具有雙微機(jī)和彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器的軟、硬件設(shè)計(jì)及測(cè)試分析。系統(tǒng)有別于現(xiàn)有產(chǎn)品，主機(jī)帶有液晶觸摸屏，子機(jī)嵌入微處理器，佩戴者通過液晶屏的提示信息并結(jié)合聲音的漸強(qiáng)或漸弱變化找到被保護(hù)對(duì)象。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)方案靈活可行，人性化服務(wù)水平較高，便于實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：RFID；nRF24L01；AVR；觸摸屏；防丟
0 引言
在工作、生活快節(jié)奏的現(xiàn)代社會(huì)，走丟老人、小孩或?qū)櫸铮槐煌凳謾C(jī)、行李等貴重物品；遺忘鑰匙、錢包等物件的事情幾乎每天都在發(fā)生。電子防丟防盜器屬于安防類產(chǎn)品，它可以減少遺忘或丟失物品對(duì)人們?cè)斐傻膿p失和不便。基于電子防丟防盜器的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展需求，本文利用RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一款帶有彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用以及安防類產(chǎn)品的發(fā)展提供了一個(gè)較好的應(yīng)用方案。
借助nRF24L01芯片的DPL和ACK PAYLOAD等功能，結(jié)合觸摸屏設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了基于nRF24L01、ATmega48PA和TFT圖形LCD的電子防丟防盜器，可以對(duì)被監(jiān)護(hù)的老人、小孩或者被保護(hù)的物品起到有效地防丟、防盜、防遺忘的作用。采用高性能控制器，實(shí)現(xiàn)彩色液晶觸摸屏顯示、無線遙控、MCU系統(tǒng)的獨(dú)立控制，系統(tǒng)人性化服務(wù)水平較高，實(shí)用性較強(qiáng)，具有較好的技術(shù)推廣與市場(chǎng)應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子防丟防盜器由主機(jī)和子機(jī)組成，主機(jī)置于主控者處，子機(jī)置于老人、小孩或手機(jī)等被保護(hù)對(duì)象上。該電子防丟防盜器在主機(jī)和子機(jī)中都嵌入微處理器，正常工作時(shí)，子機(jī)發(fā)出穩(wěn)定的無線電波，主機(jī)接收到該無線電波后不報(bào)警。當(dāng)主機(jī)和子機(jī)之間的距離超過預(yù)定距離時(shí)主機(jī)接收不到子機(jī)的無線電信號(hào)，立即鳴笛報(bào)警(聲壓≤75 dB)，并伴有振動(dòng)，以引起使用者的注意。如果按下主機(jī)的尋找鍵即啟動(dòng)尋找模式，主機(jī)佩戴者可通過液晶觸摸屏的提示信息并配合警音的漸強(qiáng)或漸弱變化找到被保護(hù)對(duì)象。正常情況下，鋰電池用USB接口連接電源適配器或計(jì)算機(jī)充電。


2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 AVR微處理器控制電路
選用ATMEL公司的ATmega48PA作為主控單元的微處理器，該芯片是一種高性能、低功耗的8位微處理器，工作電壓僅1．8～5．5 V，工作頻率為0～20 MHz，擁有4 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH。如圖2所示，ATmega48PA外圍電路包括電源電路、8M時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及USB／ISP下載接口等。
電源電路如圖2區(qū)域①所示。標(biāo)稱值為3．7 V的鋰電池連接至集成三端穩(wěn)壓芯片REG1117—3．3 V的輸入端。REG1117-3．3 V穩(wěn)定輸出3．3 V直流電壓，供給系統(tǒng)用電模塊。
時(shí)鐘電路如圖2區(qū)域②所示。ATmega48PA內(nèi)置RC振蕩電路，可產(chǎn)生1 MHz、2 MHz、4 MHz、8 MHz的振蕩頻率。系統(tǒng)要求較精確波特率時(shí)，需要通過外部電路實(shí)現(xiàn)。
復(fù)位電路如圖2區(qū)域③所示。ATmega48PA內(nèi)置上電復(fù)位，熔絲位可以控制復(fù)位時(shí)間，因此外部復(fù)位電路在上電時(shí)，可以直接拉一只10 kΩ的電阻R3到VCC即可。10μF的電容C11用以消除干擾和雜波。
ISP下載接口如圖2中區(qū)域④所示，使用雙排2x5插座接入接口。由于沒有外圍元器件。PB3(MOSI)、PB4(MISO)、PB5(SCK)、RESET腳不受ISP下載接口的干擾，仍然可以正常使用。
2．2 無線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)
nRF24L01電路圖如圖3所示。nRF24L01模塊與ATmega48PA的SPI1連接實(shí)現(xiàn)信息交換。配置PD6、PB2作為GPI0端口，分別與nRF24L01的CE和CSN連接；配置PB5、PB4、PB3作為SPIO端口，分別與nRF24L01的SCK、MISO、MOSI連接；配置PD2作為EINT0端口與nRF24L01的IRQ連接。與AVR微處理器連接時(shí)應(yīng)注意電源隔離，圖3中nRF24L01與天線之間連接了濾波電感將兩部分進(jìn)行隔離，另外1．5 pF旁路電容C4和C5用來抵制高頻干擾。

2．3 彩色液晶模塊
系統(tǒng)采用5．6 cm(2．2 inch)電阻式觸摸屏，其色彩為65 k色／262 k色，分辨率為QVGA 320x240，背光為3LED并聯(lián)，LCD控制IC采用μPD161704A驅(qū)動(dòng)芯片，觸摸控制IC采用XPT2046，接口為SPI接口。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件開發(fā)采用ATMEL AVR Studio集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，使用移植性好、編程效率高的C語言編程。電子防丟防盜器系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。軟件程序主要包括主機(jī)和子機(jī)的初始化、無線信號(hào)的發(fā)射與接收，以及彩色液晶模塊的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

3．1 nRF24L01的SPI口配置
配置寄存器完成nRF24L01的所有配置，并通過SPI接口實(shí)現(xiàn)配置。SPI讀操作的描述如下：




3．2 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)
2．2 inch TFT圖形液晶觸摸控制IC采用XPT2046，接口為SPI接口。子函數(shù)及顏色定義如下：



4 系統(tǒng)整體測(cè)試
經(jīng)過PCB板的焊接與調(diào)試，系統(tǒng)能夠成功地發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主機(jī)配置外置天線，子機(jī)使用PCB板載天線，在400 m2的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可聽到響亮的報(bào)警聲，主機(jī)彩色液晶屏顯示結(jié)果如圖5所示。

在戶外空曠地進(jìn)行分段距離測(cè)試，每個(gè)距離段分別測(cè)試8次，每次發(fā)送數(shù)據(jù)量為512 b(32×16 b)，100 m以內(nèi)6個(gè)距離段接收完整數(shù)據(jù)包的測(cè)試結(jié)果見表1。

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)無線數(shù)傳模塊在空曠地40 m以內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無誤碼數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)是成功的。
5 結(jié)論
本文基于RFID和AVR控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一款帶有彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)工作可靠，觸摸屏反應(yīng)靈敏，可對(duì)老人、小孩或手機(jī)、錢包等物品有效起到防丟、防盜和防遺忘功能。該設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的靈活性，還可應(yīng)用于室內(nèi)外倉庫、碼頭和露天儲(chǔ)料場(chǎng)的天車，以及授救、飛行和醫(yī)療等服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，以有效降低故障和事故的發(fā)生。