基于AVR和RFID的電子防丟防盜器設計

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摘要：針對防丟類產品的發展需求，介紹了一種具有雙微機和彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器的軟、硬件設計及測試分析。系統有別于現有產品，主機帶有液晶觸摸屏，子機嵌入微處理器，佩戴者通過液晶屏的提示信息并結合聲音的漸強或漸弱變化找到被保護對象。實驗表明，系統方案靈活可行，人性化服務水平較高，便于實際應用。
關鍵詞：RFID；nRF24L01；AVR；觸摸屏；防丟
0 引言
在工作、生活快節奏的現代社會，走丟老人、小孩或寵物；被偷手機、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生。電子防丟防盜器屬于安防類產品，它可以減少遺忘或丟失物品對人們造成的損失和不便�；�于電子防丟防盜器的應用現狀和發展需求，本文利用RFID技術設計了一款帶有彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器，為物聯網技術的應用以及安防類產品的發展提供了一個較好的應用方案。
借助nRF24L01芯片的DPL和ACK PAYLOAD等功能，結合觸摸屏設計方法，本文設計了基于nRF24L01、ATmega48PA和TFT圖形LCD的電子防丟防盜器，可以對被監護的老人、小孩或者被保護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，實現彩色液晶觸摸屏顯示、無線遙控、MCU系統的獨立控制，系統人性化服務水平較高，實用性較強，具有較好的技術推廣與市場應用前景。
1 系統方案設計
系統結構如圖1所示。電子防丟防盜器由主機和子機組成，主機置于主控者處，子機置于老人、小孩或手機等被保護對象上。該電子防丟防盜器在主機和子機中都嵌入微處理器，正常工作時，子機發出穩定的無線電波，主機接收到該無線電波后不報警。當主機和子機之間的距離超過預定距離時主機接收不到子機的無線電信號，立即鳴笛報警(聲壓≤75 dB)，并伴有振動，以引起使用者的注意。如果按下主機的尋找鍵即啟動尋找模式，主機佩戴者可通過液晶觸摸屏的提示信息并配合警音的漸強或漸弱變化找到被保護對象。正常情況下，鋰電池用USB接口連接電源適配器或計算機充電。


2 硬件設計
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的系統內可編程FLASH。如圖2所示，ATmega48PA外圍電路包括電源電路、8M時鐘電路、復位電路以及USB／ISP下載接口等。
電源電路如圖2區域①所示。標稱值為3．7 V的鋰電池連接至集成三端穩壓芯片REG1117—3．3 V的輸入端。REG1117-3．3 V穩定輸出3．3 V直流電壓，供給系統用電模塊。
時鐘電路如圖2區域②所示。ATmega48PA內置RC振蕩電路，可產生1 MHz、2 MHz、4 MHz、8 MHz的振蕩頻率。系統要求較精確波特率時，需要通過外部電路實現。
復位電路如圖2區域③所示。ATmega48PA內置上電復位，熔絲位可以控制復位時間，因此外部復位電路在上電時，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 無線數傳模塊設計
nRF24L01電路圖如圖3所示。nRF24L01模塊與ATmega48PA的SPI1連接實現信息交換。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微處理器連接時應注意電源隔離，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，LCD控制IC采用μPD161704A驅動芯片，觸摸控制IC采用XPT2046，接口為SPI接口。
3 軟件設計
軟件開發采用ATMEL AVR Studio集成開發環境(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主流程圖如圖4所示。軟件程序主要包括主機和子機的初始化、無線信號的發射與接收，以及彩色液晶模塊的設計等內容。

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接口實現配置。SPI讀操作的描述如下：




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



4 系統整體測試
經過PCB板的焊接與調試，系統能夠成功地發送與接收數據。系統主機配置外置天線，子機使用PCB板載天線，在400 m2的實驗室內可聽到響亮的報警聲，主機彩色液晶屏顯示結果如圖5所示。

在戶外空曠地進行分段距離測試，每個距離段分別測試8次，每次發送數據量為512 b(32×16 b)，100 m以內6個距離段接收完整數據包的測試結果見表1。

由表1的數據可以看出，系統無線數傳模塊在空曠地40 m以內可以實現無誤碼數據傳輸，實驗是成功的。
5 結論
本文基于RFID和AVR控制技術設計了一款帶有彩色液晶觸摸屏的電子防丟防盜器，經過實驗測試，系統工作可靠，觸摸屏反應靈敏，可對老人、小孩或手機、錢包等物品有效起到防丟、防盜和防遺忘功能。該設計方案具有較強的靈活性，還可應用于室內外倉庫、碼頭和露天儲料場的天車，以及授救、飛行和醫療等服務機器人領域，以有效降低故障和事故的發生。