【《案例基于树莓派的门禁系统整体设计》4200字】

1.41案例基于树莓派的门禁系统整体设计目录TOC\o"1-3"\h\u30453案例基于树莓派的门禁系统整体设计 113121.1系统总体设计 1147771.2主控模块 221941.2.1主控模块的选型 3307961.2.2树莓派4B+相关特性 3280871.3驱动模块 3295311.1.1驱动芯片 4219381.1.2步进电机的选型 797501.4电源模块 869441.5继电器 8256141.6交互系统设计 91.1系统总体设计本系统的设计由多个模块构成，模块自身功能的差异决定了各模块任务分工不同，不同模块之间的相互协作组成完整的系统，分模块设计主要是考虑到整理设计思路以及后续对设计过程存在的问题排查都比较方便。此次设计的基于RASPBERRYPi的交互式智能门禁系统主要包括主控模块、驱动模块、wifi模块及电源模块等。基于树莓派的智能门禁系统设计图如图3-1所示：图3-1基于树莓派的智能门禁系统设计图(1)主控模块：是系统核心模块，能够控制整个系统，能实时收录mac地址、调用API，提供电源给触发模块，显示模块等其他模块。(2)触发模块：是系统的信号输入端，当用户进入信号范围内门禁系统就会扫描到一个mac地址，并产生电平信号，主控模块就会调用程序并提供指令。(3)驱动模块：是系统的驱动端。一旦用户信息被成功识别，就会接收到主控模块提供的工作信号。模块驱动芯片可以操作步进电机，门禁系统可以在电机运行后进行开关控制。(4)显示模块：是系统的展示端，显示人员系信息和扫描到的数据。(5)电源模块：是系统的供电端，是整个系统工作的能量源泉，保证供电安全才能让整个系统正常工作。本文设计的门禁系统是半自动的。首先，用户的wifi信号激活触发模块，主控模块接收触发信号并调用识别程序。然后系统对用户进行身份验证，并将其发送到主控模块并在后台下载。下载完成后，主控模块确定返回信息。如果信息正确，访问控制是开放的；否则，访问控制关闭。1.2主控模块主控模块的主要功能可以处理系统通信和系统控制，主要负责控制子模块的运行、处理信息和发送指令。系统设计采用基于集成ARM平台的树莓派4B+开发板作为主控模块。嵌入式微型计算机主板在多次技术性变革之后，其不同系列产品的型号多样化，提供用户更好的选择合适的产品机会，其发展速度较其他主板更快。1.2.1主控模块的选型本文的设计采用树莓派4B+开发板作为主控模块，树莓派4B+的40针GPIO口的原理图如图3-2所示：图3-2GPIO口原理图1.2.2树莓派4B+相关特性树莓派4B+是一款比较经典的开发板，这个开发板是基于ARM开发板设计的，其中搭载MicroSD卡的硬盘，TYPEC的电源接口，能够提供强的电流，主板周围有两个USB接口和千兆以太网接口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有HDMI高清视频输出接口和40针可以输入输出的GPIO接口，将所有的硬件设备集中在一个主板上，且主板的尺寸仅仅跟一张信用卡大小相同，开发板的功能十分的强大，具备PC的基本功能。1.3驱动模块主控模块GPIO口的驱动能力比较小，驱动电平只有1.3V，所以高电平驱动能力略低于低电平驱动能力。本次设计添加了驱动模块，旨在避免主控模板将输入信号直接传递给步进电机时，步进电机无法正常工作的情况出现，通过放大功率，实现输入信号较弱、输出功率较高条件下系统正常的运行。本设计的驱动模块由驱动芯片及步进电机组成。1.1.1驱动芯片步进电机对输入功率要求高，主控模块供电能力有限。同时，考虑到硬件设计的兼容性，为了更好的兼容其他设备，采用了不同于以往专用接口和驱动电路的设计方法。所用的驱动电路为复合管，输出较高，其中应用最广泛的是ULN2003、L298N等，这些电路的工作状态是根据主板上控制模块发出的信号来确定的。在本文中，驱动模块的电路设计必须满足以下要求：(1)在驱动电路中，电路提供给系统的电流波形为方波。要形成方波，电流必须迅速达到最大值或迅速下降到所需值。(2)因为开发板需要对电路的功率进行较高的控制，同时很多情况下需要考虑到经济效益、节能，对于耗电不能太高。本系统选取的电机驱动类型是ULN2003版本，该类型的电机驱动可以提供的电流大小为0.5A。ULN2003驱动电机的内部结构图如下图3-3所示：图3-3ULN2003内部控制单元原理图根据上图可以看出ULN2003芯片的结构，其中使用了多个复合达林晶体管，将这些晶体管按照上图的结构进行排列，这种安排可以促进ULN2003可以承受的电压更高，可以通过的电流也相应增加。该芯片由7对NPN达林顿管组成，每个NPN达林顿管作为一个控制单元，控制单元有一个驱动单元、一个保护单元等，共七个单元。对于ULN2003芯片的封装也是经过了精心的设计，其中为了保护DIP-16或者SOP-16双列16脚，使用了塑料进行了封装。其驱动模块提供了直接的接口，可以直连步进电机，并对其进行控制；在芯片的内部使用了数字逻辑电流，这个过程可以通过反演过程来控制。考虑到该项目的设计既要满足上述要求，又要使系统运行稳定、成本低廉，故选用ULN2003型驱动点击芯片。芯片的性能优良、与设计产品的需求十分的贴合，其中使用的主控模块中，可以使用GPIO接口提供各种需要的信号，而且这种硬件的电路连接是十分简单的。ULN2003芯片是利用单片机作为其控制器，所以在进行程序的相关调试的时候，操作十分的简便灵活。其中ULN2003芯片的引脚图如图3-4所示：图3-4ULN2003驱动引脚图输入部分左侧1～7脚接主控模块输出连接器（GPIO），主控模块提供控制信号，8脚直接接地；输出部分是正确的1~7脚，在5V下步进。电机接好，COM脚接5V电源。如有必要，它可以在没有连接的情况下悬空。芯片可产生的最大电流为0.5A。ULN2003芯片的主要特点是：（1）ULN2003芯片的驱动电流比较大，比较适合用在单片机控制的电路中。（2）ULN2003芯片使用了很多技术用来抵抗外界噪声对芯片的干扰，第一个方式就是使用了上拉电阻的方式，这种做法是为了防止在驱动步进电机的时候能够防止其他噪声的干扰。在芯片的内部同样做了很多事情来防止干扰，其中是在控制单元中串联高电阻值的电阻来进行抵抗干扰，由于连接了大电阻，所以在系统中可以直接对TTL和电压5V的CMOS进行连接。（3）ULN2003芯片一般将输出电路的电极状态设置为开路状态。此设置用于获得更大的输出电流。芯片最大电流值可达500mA。可以使用该电流值。实现步进电机的驱动。ULN2003的极限参数值如下表3-1所示：表3-1ULN2003的极限参数项目符号数值单位最大输入电压Vi（max）30V集电极-发射极电压Vo(max)50V最大基极输入电流IB（MAX)25mA输出电流I0500mA贮存温度TS-65~150。C结温Ti175。C引线耐焊接温度TD300。C根据电路设计，红色线悬挂在步进电机的输入端，其他线用于连接驱动板。根据芯片资料是步进电机驱动芯片IN14有四个接口，驱动方式为低电平供电，由杜邦线划分请勿连接N1、IN2、IN3、,IN4和GPIO21(Pin40),GPIO20(Pin38)GPIO16(Pin36),GPIO19(Pin35)进行连接。每次将四个GPIO端口按表3-2（步进电机驱动原理表）依次设置好电平后，可以通过设置sleep函数的时间来控制转速。表3—2步进电机驱动原理表序列GPIO21GPIO20GPIO19GPIO160LOWHIGHHIGHHIGH1HIGHLOWHIGHHIGH2HIGHHIGHHIGHLOW3HIGHHIGHLOWHIGH4LOWHIGHHIGHHIGHULN2003芯片驱动电机的电路图如图3-5所示：图3-5ULN2003芯片驱动电机的电路图芯片由MT14通过电阻RP2供电。输出口的OUT57脚全部接地，COM口接5V。ULN2003的输出端OUTIOUT4通过电阻RP2与步进电机MTA、MTB、MTC、MTD的输入端相连，提供运行时控制的脉冲信号。1.1.2步进电机的选型与传统电机相比，步进电机有些特殊。它可以同时控制位置和速度矢量。步进电机采用开环控制，这是与其他电机最不同的。它可以将输入端微弱的、间歇性的触发脉冲信号转换成电机旋转的线位移或角位移。控制方式采用数字信号进行控制，短脉冲信号可以实现对电机的控制，然后转换成相应的角位移。只要将合适的脉冲信号施加到步进电机的输入端，就会从上面输出一个固定的角​​度。这种控制方法易于开发人员编程并提供高水平的操作透明度。步进电机的相数取决于绕在定子上的线圈数，可分为两相、四相和五相；电机的外部引线决定了有多少线，分为三线、五线和六线等式。根据相数、引线类型、功能和用途，步进电机分为种类很多，但是电机本身的控制方式都是脉冲信号控制，差别不大。考虑到门禁系统的实际使用，动作顺序在使用中比较稳定，步进电机选择自启动运行方式。通过控制脉冲率，控制电机启动和停止的运行模式是自启动运行模式，不产生任何加速或减速阶段。当门禁系统打开和关闭时，速度突然变化，扭矩也变大。实际使用过程中会产生大量的工作噪音。观察步进电机的性能，四相五线式是能满足工作要求的一种。另外，考虑到静态转矩、步距角、电流、安装难度等因素，本设计选用28BYJ-48四相五线步进电机控制门禁系统。1.4电源模块为系统提供电能的是电源模块。门禁系统的需要的电源为220V交流电，在经过变压器对电压进行调节，就能达到实际所需的电压，电压符合要求后还需要进行整流，将交流电转换成直流电。最后通过滤波器对获取到的直流电进行滤波，将直流电中的交流部分直接过滤掉，最后获得了满足需求的直流电。上述的操作十分的繁琐，且不易实现，考虑门禁系统在使用过程的便捷性，本文采用的是充电的锂电磁直接提供符合要求的直流电，使用锂电磁18650为系统提供输出为7V的供电电源。1.5继电器继电器（英文名称：relay),是电子控制元件，它分为控制端和被控制端，主要应用在自动控制电路，它能够用较小的电流去控制较大电流的。它能够自动调节、保护电路的安全、转换电路。其实物图如图3-6所示：图3-6继电器实物继电器的作用就是在输入量过载时，可以通过相关的设计，自动的断开或导通电路达到保护电路的安全。继电器的种类有很多，分为电气量继电器和非电量继电器两个种类。继电器工作时反应时间短、效率高，使用时间长，不会占用大量空间。继电器主要有输入端和输出端组成，其中在输入端包括VCC、GND、IN三个引脚接口，在三个引脚中两个是供电使用的为：VCC，GND，还有一个IN接口是信号输入端口；继电器输出端也有三个引脚分别为NC、COM、NO，其中NC是一般情况是关闭的，在继电器闭合前是与COM行成短路线路，在及继电器闭合后，则保持断开悬空状态；COM是继电器中的公共的接口；NO接口的作用与NC是相反的，在继电器闭合前是打开的，在继电器闭合后是与COM短路连接。跳线与low短接时为低电平触发，跳线与high短接时为高电平触发。1.6交互系统设计交互系统内主要为人员、门禁系统和树莓派后台服务，在这三者之间相互联系和作用让整个系统运作起来。人员主要分为身份信息和认证信息已经录取进入后台服务器的，还有一部分是