智能門禁系統設計

臨沂大學機械與車輛工程學院 許崇陽 陳燕慧 王成旭

本設計是以STC89C52為主控的病毒消殺系統。通過編程及硬件連接實現智慧開鎖，定時病毒消殺，遠程操控等功能。當強度大于90μW／cm2的紫外線照射冠狀病毒30min，可以殺滅SARS病毒。指紋模塊和按鍵輸入模塊組成辦公場所（家居）門禁系統控制相關人員的出入，減少該場所的人流量，在一定程度上減少了與陌生人接觸的頻率，保證了場所安全。用戶可以根據時間安排對固定區域進行病毒消殺，節省了使用傳統酒精消毒的人力。WIFI模塊連接路由器可以使用戶無論身處何地，只要手機可以聯網便可以控制整套系統。

隨著人們安全意識的提升，現代社會人們對于更加安全方便的智能家居設備更加青睞。2020年新冠爆發，全國人民眾志成城，都為疫情貢獻了自己的力量，成功戰疫。德爾塔變異病毒的橫空出世讓提醒我們新冠疫情從未離去，新冠可能將長期與人類共存。

該產品的設計面向人群聚集較多的辦公場所和家庭智能門禁。它采用了智能控制紫外線消毒的方式，可以有效保護用戶的安全。消除了酒精消毒存在的易燃、易爆等安全隱患，提高了辦公場所及用戶住房的安全性。而且相較于人們普遍使用酒精消毒，紫外線消毒系統節約了保潔的人力。紫外線有高效殺菌的特點，紫外線對細菌、病毒的殺菌使用一般在一至二秒即可達到99%－99.9%的殺菌率。而且紫外線殺菌不加入任何化學藥劑，因此它不會對周圍環境產生二次污染，不改變任何成分。紫外線殺菌設備占地小，構筑物要求簡單，因此總投資較少，在運行方面成本也較低。考慮到長時間照射紫外線對人體有所危害，該產品一旦檢測到門鎖打開（說明有人進入），則紫外線消毒系統自動關閉。將密碼鎖與紫外線消毒體系結合可以以更安全的方式對房間進行消毒處理，為家人提供更安全的環境。

1 控制方案及控制電路設計

該系統以STC89C52單片機主控核心。系統硬件由指示燈電路、指紋識別模塊、鍵盤接口電路、步進電機控制驅動電路等構成。單片機的P2并行口控制步進電機的運行，從而控制門鎖的打開或關閉。LCD1602顯示和鍵盤使人機交互更容易。當賓客（客戶）來訪，可以聯系管理人員，手機遠程解鎖。紫外線消毒燈通過繼電器控制控制系統結構圖由圖1所示。

圖1 控制系統結構框圖

2 主控制電路設計

控制系統硬件電路如圖2所示。矩陣鍵盤負責數字輸入、模式選擇。LCD1602液晶屏顯示密碼的輸入及門鎖狀態。紫外線消毒模塊由繼電器控制接到220V交流電源，同時設置了繼電器保護電路，延長了繼電器的使用壽命。步進電機模塊通過精準控制轉角以實現開鎖的目的。指示燈電路用以指示關鍵部件的工作狀態。

圖2 系統硬件電路原理圖

2.1 鍵盤電路設計

鍵盤電路采用矩陣鍵盤：標有0~9數字的開關：表示輸入相對應的0~9的數字。這十個數字按鍵負責密碼輸入，以及消毒定時。K4：刪除輸入的數組中的一位末位數字；K12：確認輸入，表明用戶輸入完成，可以進行密碼對比或定時開始的功能；K13：采用了取反指令可以開啟或關閉紫外線燈光；K14：（開啟/關閉）指紋解鎖模式；K15：（開啟/關閉）消毒定時模式；K16：一鍵鎖門，無需密碼。

2.2 LCD1602顯示電路

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它體積小、重量輕、功耗低，主要負責完成顯示字符、數字的功能，提示用戶相應的工作流程及已輸入密碼的顯示。使人機交互更加容易。初始化后，第1行顯示”input”，代表用戶可以輸入密碼，第2行顯示用戶已輸入密碼。當輸入密碼正確后，系統顯示”open”代表門鎖開啟。當輸入密碼錯誤后，系統顯示”error”并在1s后提示用戶重新輸入密碼。

2.3 指紋識別模塊

本模塊采用了光學識別技術。由光的折射和反射原理，將手指放在光學鏡片上，手指在內置光源照射下，形成的圖像可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。通過算法對比資料庫看是否一致。

2.4 驅動模塊設計

本設計機械部分使用步進電機驅動。步進電機可以將電磁脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電機，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。相對于直流電機來說，步進電機的速度可控制，轉動角度精確，可以更好地保護門鎖的機械結構。

2.5 指示燈電路

在房屋外面的時候，用戶不能直觀看到步進電機的轉動，紫外線消毒等的工作狀態，以及單片機的工作模式，添加在指示燈電路是為了更好的將系統的工作狀態信息傳遞給用戶，便于用戶對與各種情況的臨時處理。對于不同的模塊添加了相應的指示燈，也可以實時顯示各模塊的工作狀態，方便了該產品的后期維修。其中，LEDR亮起代表門鎖關閉，LEDG亮起代表門鎖打開，LEDB亮起代表紫外線消毒燈已開啟。

3 系統軟件設計

考慮到紫外線對人體有害，當檢測到門鎖打開后系統自動判定屋內有人，強制關閉紫外線消毒燈。主程序流程圖如圖3所示。初始化所有硬件，保證后續程序有序進行。系統初始默認按鍵輸入模式，當輸入密碼正確時步進電機旋轉270°控制門鎖打開。當密碼輸入錯誤后，系統間隔1s自動返回密碼輸入界面。當輸入三次全部錯誤時，蜂鳴器發出警報。按下K14鍵紫外線燈開啟，當需要開啟定時模式時只需要按下K15鍵，配合數字鍵盤完成定時。當門鎖開啟時，系統默認有人進入房間，為防止紫外線燈傷害人體，系統強制關閉紫外線燈。

圖3 STC89C52主程序流程圖

本設計基于STC89C52單片機進行設計，操作簡單，成本低廉。使用指紋模塊AS608來實現指紋識別，實現一秒開鎖。輔助的硬件按鍵，可以準確的發送錄入及識別信號，合理的紫外線燈控制用以每日的病毒消殺。該設計應用場所多，如銀行，政府部門，以及酒店，學校宿舍，居民小區，別墅，賓館。

本設計的創新點：使紫外線消毒燈可管理，實現了無人快速殺菌消毒，把人從繁重的體力勞動解放出來，極大地提高消毒的效率。遠程解鎖功能通過ESP-8266WiFi模塊連接路由器網絡和云平臺配合實現，接入智能家居系統。無論你身處何地都可以幫助需要的人開鎖。