臨沂大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院 許崇陽 陳燕慧 王成旭

本設(shè)計是以STC89C52為主控的病毒消殺系統(tǒng)。通過編程及硬件連接實現(xiàn)智慧開鎖，定時病毒消殺，遠(yuǎn)程操控等功能。當(dāng)強(qiáng)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(tǒng)控制相關(guān)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(jù)時間安排對固定區(qū)域進(jìn)行病毒消殺，節(jié)省了使用傳統(tǒng)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(jī)可以聯(lián)網(wǎng)便可以控制整套系統(tǒng)。

隨著人們安全意識的提升，現(xiàn)代社會人們對于更加安全方便的智能家居設(shè)備更加青睞。2020年新冠爆發(fā)，全國人民眾志成城，都為疫情貢獻(xiàn)了自己的力量，成功戰(zhàn)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(chǎn)品的設(shè)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(hù)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(tǒng)節(jié)約了保潔的人力。紫外線有高效殺菌的特點，紫外線對細(xì)菌、病毒的殺菌使用一般在一至二秒即可達(dá)到99%－99.9%的殺菌率。而且紫外線殺菌不加入任何化學(xué)藥劑，因此它不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生二次污染，不改變?nèi)魏纬煞帧Ｗ贤饩€殺菌設(shè)備占地小，構(gòu)筑物要求簡單，因此總投資較少，在運(yùn)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(chǎn)品一旦檢測到門鎖打開（說明有人進(jìn)入），則紫外線消毒系統(tǒng)自動關(guān)閉。將密碼鎖與紫外線消毒體系結(jié)合可以以更安全的方式對房間進(jìn)行消毒處理，為家人提供更安全的環(huán)境。

1 控制方案及控制電路設(shè)計

該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)主控核心。系統(tǒng)硬件由指示燈電路、指紋識別模塊、鍵盤接口電路、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動電路等構(gòu)成。單片機(jī)的P2并行口控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而控制門鎖的打開或關(guān)閉。LCD1602顯示和鍵盤使人機(jī)交互更容易。當(dāng)賓客（客戶）來訪，可以聯(lián)系管理人員，手機(jī)遠(yuǎn)程解鎖。紫外線消毒燈通過繼電器控制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主控制電路設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。矩陣鍵盤負(fù)責(zé)數(shù)字輸入、模式選擇。LCD1602液晶屏顯示密碼的輸入及門鎖狀態(tài)。紫外線消毒模塊由繼電器控制接到220V交流電源，同時設(shè)置了繼電器保護(hù)電路，延長了繼電器的使用壽命。步進(jìn)電機(jī)模塊通過精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)角以實現(xiàn)開鎖的目的。指示燈電路用以指示關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖

2.1 鍵盤電路設(shè)計

鍵盤電路采用矩陣鍵盤：標(biāo)有0~9數(shù)字的開關(guān)：表示輸入相對應(yīng)的0~9的數(shù)字。這十個數(shù)字按鍵負(fù)責(zé)密碼輸入，以及消毒定時。K4：刪除輸入的數(shù)組中的一位末位數(shù)字；K12：確認(rèn)輸入，表明用戶輸入完成，可以進(jìn)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(guān)閉紫外線燈光；K14：（開啟/關(guān)閉）指紋解鎖模式；K15：（開啟/關(guān)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(fù)責(zé)完成顯示字符、數(shù)字的功能，提示用戶相應(yīng)的工作流程及已輸入密碼的顯示。使人機(jī)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(dāng)輸入密碼正確后，系統(tǒng)顯示”open”代表門鎖開啟。當(dāng)輸入密碼錯誤后，系統(tǒng)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(xué)識別技術(shù)。由光的折射和反射原理，將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，形成的圖像可被指紋設(shè)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(qū)動模塊設(shè)計

本設(shè)計機(jī)械部分使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)可以將電磁脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。相對于直流電機(jī)來說，步進(jìn)電機(jī)的速度可控制，轉(zhuǎn)動角度精確，可以更好地保護(hù)門鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，紫外線消毒等的工作狀態(tài)，以及單片機(jī)的工作模式，添加在指示燈電路是為了更好的將系統(tǒng)的工作狀態(tài)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(yīng)的指示燈，也可以實時顯示各模塊的工作狀態(tài)，方便了該產(chǎn)品的后期維修。其中，LEDR亮起代表門鎖關(guān)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(tǒng)軟件設(shè)計

考慮到紫外線對人體有害，當(dāng)檢測到門鎖打開后系統(tǒng)自動判定屋內(nèi)有人，強(qiáng)制關(guān)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(xù)程序有序進(jìn)行。系統(tǒng)初始默認(rèn)按鍵輸入模式，當(dāng)輸入密碼正確時步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)270°控制門鎖打開。當(dāng)密碼輸入錯誤后，系統(tǒng)間隔1s自動返回密碼輸入界面。當(dāng)輸入三次全部錯誤時，蜂鳴器發(fā)出警報。按下K14鍵紫外線燈開啟，當(dāng)需要開啟定時模式時只需要按下K15鍵，配合數(shù)字鍵盤完成定時。當(dāng)門鎖開啟時，系統(tǒng)默認(rèn)有人進(jìn)入房間，為防止紫外線燈傷害人體，系統(tǒng)強(qiáng)制關(guān)閉紫外線燈。

圖3 STC89C52主程序流程圖

本設(shè)計基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，操作簡單，成本低廉。使用指紋模塊AS608來實現(xiàn)指紋識別，實現(xiàn)一秒開鎖。輔助的硬件按鍵，可以準(zhǔn)確的發(fā)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(shè)計應(yīng)用場所多，如銀行，政府部門，以及酒店，學(xué)校宿舍，居民小區(qū)，別墅，賓館。

本設(shè)計的創(chuàng)新點：使紫外線消毒燈可管理，實現(xiàn)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(yuǎn)程解鎖功能通過ESP-8266WiFi模塊連接路由器網(wǎng)絡(luò)和云平臺配合實現(xiàn)，接入智能家居系統(tǒng)。無論你身處何地都可以幫助需要的人開鎖。