基于STC12单片机的智能门禁安防系统设计

沈炎松



基于STC12单片机的智能门禁安防系统设计

沈炎松

（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州 363000）

以STC12单片机为控制核心，设计了一种智能门禁安防控制系统。该系统由STC12单片机、WIFI模块、热释电红外传感器模块、液晶显示模块、无线监控及控制模块等组成。该系统能检测人体信号并启动监控录像，用户能选择使用电子钥匙、密码输入、WiFi开锁等方式开锁、并将开锁状态信息通过WiFi模块发送给用户，用户可通过手机APP进行实时远程监控。系统安全性能好、智能化程度高，具有一定推广价值。

STC12单片机；WiFi；热释电红外传感器；无线监控

随着信息技术特别是物联网技术的快速发展，家居系统智能化已成为现代化住宅发展的主要趋势，近年来，作为家居系统的一个重要组成部分，人们对门禁系统的要求也越来越高，如何将门禁系统智能化、网络化并实现更好安防及监控已成为人们关注的热点。门禁控制系统在于利用电子技术为家庭和单位防盗报警系统提供更高的安全性和可靠性要求[1-2]。机械锁由于结构上的局限性容易被打开传统电子锁电路结构复杂，稳定性不高，且缺乏必要的监控措施。本设计使用电子钥匙的智能门锁技术取代传统机械钥匙，并将无线WiFi通信技术、热释电感应以及视频监控等技术应用于门禁系统，当有人进入有效区域范围内，启动监控进行视频录制，用户使用带有识别信息的电子钥匙开门，系统将门禁开启信息通过WIFI模块发送至用户手机APP，用户可以通过手机对门禁进行有效监控，安全性能好。

1 系统总体方案设计

本例控制核心选用STC12C5A60S2单片机，指令完全兼容传统8051，具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点[3]。片上集成1280字节的RAM，内部程序存储空间可达62K字节，且内部集成1K字节的EEPROM，方便进行数据掉电保护。

系统结构框图如图1所示，由STC12C5A60S2处理器、热释电模块、WIFI模块、按键模块、LCD显示屏以及外接视频监控电路等组成，实现以下功能：

（1）当人体进入有效范围时，系统通过热释电模块识别到人体信号，启动视频监控电路进行视频录制，同时点亮液晶屏，用户可以利用手机安装监控设备自带APP通过云端服务实时查看或回放监控视频。

（2）开锁模式有“电子钥匙或密码输入模式”“电子钥匙+密码输入二重防盗模式”“WiFi开锁模式”，在“电子钥匙或密码输入模式”下，用户使用DS2401电子钥匙插入锁孔识别后开启门禁，或者可以使用按键模块输入密码进行开锁；用户也可设置“电子钥匙+密码输入”联合的二重防盗模式，在此模式下，用户必须先进行密码验证无误后再用电子钥匙开锁开启门禁；在必要的情况下，用户可以设置WIFI开锁模式，通过手机app发送开锁密码，系统验证密码后开锁。

（3）当有人使用电子钥匙或是输入密码进行开锁时，系统实时将开锁信息通过WiFi模块发送时用户手机APP，用户通过APP显示信息及监控视频回放确认开锁是否违法并执行后续操作；

（4）液晶显示屏显示时间及相关提示信息，系统工作时钟通过内部定时器定时实现,用户可通过键盘进行工作模式选择、时间设定、密码修改等操作。

2 系统硬件电路设计

为了实现门禁系统的信息监测、门禁开启、安防及数据传输，系统硬件电路设计包括单片机控制电路、电子门禁电路、热释电红外传感模块电路、按键及显示电路、WiFi模块电路以及其他模块电路。

2.1 电子门禁电路

智能门禁是在保留普通机械数码门禁基础上增加电子识别装置[4]，本例电子钥匙采用DALLAS公司的DS2401芯片，它是一款增强型硅序列号电子注册码芯片，内含一个工厂刻入的64位ROM，包括：48位唯一序列码、8位CRC校验码和8位家族码（01h）。数据采用1-Wire协议，控制器只需一个端口即可完成数据读取。读写操作所需电源取自数据线，无需外部供电。

采用T0-92封装DS2401芯片及植入芯片的电子钥匙如图2所示。

单片机最小系统与DS2401连接图如图3所示，图中P1为DS2401电子钥匙锁扣，电子钥匙插入锁扣之后单片机通过P1.0端口读取芯片64位数据。

图3 单片机最小系统与DS2401、键盘及WiFi模块接口电路连接图

2.3 热释电传感器处理电路

热释材料收到红外线辐射时，其表面温度发生变化导致表面极化电荷发生变化，而在热释材料表面形成一个外电场，这种现象叫热释效应。热释电红外模块电路一般由菲涅尔透镜、热释电红外传感器、处理电路，模块内部结构如图4所示。

图4 热释电模块内部结构图

由于人体体温恒定在37°C，所以会发出特定波长10um左右的红外线，传感器使用时，一般在传感器顶端开设一个装有滤光镜片的窗口，滤光片可通过光的波长范围为7～10um，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，因此，滤光片输出只剩人体发出的10um左右波长红外信号，被动式红外探头就是通过探测此波长红外线实现对人体检测[5]。

当检测物进入识别区后，菲涅尔透镜将检测物红外信号汇聚到传感器热敏器件，产生的感应信号转换为电压信号后经过信号处理电路进行滤波、放大等处理后输出给控制器如单片机[6]。

本例传感器件选用HC-SR501热释电红外传感器，后级信号处理选用BISS0001芯片，信号采集与处理电路如下图5所示。传感器的1端、2端、3端分别是电源端、信号输出端、地端，信号处理后由BISS0001引脚2输出接单片机，当人体进入传感器识别范围，感应信号经过BISS0001信号处理放大、滤波后由2脚输出高电平信号，单片机通过读取端口电平即可判断有无人体经过。

图5 BISS0001热释电红外信号处理电路

2.4 键盘及液晶显示电路

由于门禁电路在密码输入等操作需要显示中文提示信息，本例显示电路选用LCD12864，为了节约系统能耗，只有在系统感应到人体红外信号或按键设置时液晶屏背光才打开，否则背光关闭。单片机P3.7端口接三级管Q3基级，当P3.7输出为低电平时Q3导通，背光点亮，反之背光熄灭，显示电路如图6所示。

由于系统密码输入及功能设置需要“0-9” “设置” “+” “-” “确定”等按键共14个按键，电路做成4×4键盘，键盘电路与单片机接口电路如图3所示。“设置”操作必须要输入密码并确认密码准确之后才能实施，功能设置按键配合其他功能按键可进行密码修改、普通模式与二重防盗模式切换、WiFi密码开锁允许与禁止、时间设置、夜间二重防盗模式开启与关闭切换，设置后数据由单片机读取并保存至内部单片机EEPROM，防止设置数据丢失。

图6 液晶显示及背景灯开关控制电路

2.5 wifi电路

Wifi模块使用安信可公司的使用乐鑫ESP8266芯片开发的ESP8266-01 WiFi模块,它是一款体积小、功耗低的高性价比的嵌入式无线网络控制模块，接口方便，支持AP+STA，AP，STA三种模式，WiFi无线通信技术现已广泛应用于远程监控、安防智能一体化、无线手持设备以及穿戴式电子产品等众多领域[7]。

Wifi模块通过串口与单片机串口相连，单片机结合WiFi模块、无线网络路由器以及用户手机app组成一个无线通信系统，模块网络设置可经过串口使用AT指令，也可以进入模块内置网页进行配置[8]，WiFi模块与单片机连接图如图3所示。

当门禁系统有读取到密码输入或电子钥匙信息等操作时，单片机通过WiFi模块将提示数据（如“几时几分开锁成功”、“几时几分密码识别有误”等提示信息）发送至用户手机APP，以方便用户及时监控；在必要情况下，当系统设置为“允许使用APP开锁”模式时，用户可以通过APP发送控制信息通过互联网络送到WIFI模块，单片机读取数据后执行开锁操作。

图7 监控控制、虚拟门禁控制及报警电路

2.6 其他模块电路

监控器选用必须满足能无线接入网络、视频清晰，本设计方案选用市面销量较好的乔安无线摄像头，像素最高可达1080p，插上内存卡通电即可进行录像。监控器通电控制电路如图7（a）所示，单片机通过NPN三极管驱动控制继电器开关，继电器输出端两个常开触点接监控器电源控制线，二极管D1起保护、反向续流作用，当三极管由导通转向关断时为继电器线圈中的感应电场提供泄放通路。当单片机检测到人体红外信号，控制P1.4端口高电平，继电器吸合，监控器通电、自动连接WiFi网络并开始录像，用户通过手机下载、安装远程监控软件APP并进行设置之后，即可远程操控摄像机，实时查阅或回看监控录像，也可以手机调动监测角度。

虚拟门禁控制电路用来模拟、测试运行时门禁动作，继电器吸合控制原理与监控器通电控制电路类似如图7（b）所示。报警电路由蜂鸣器和PNP三极管组成，当密码输入错误有报警提示音，电路如图7（c）。

图8 门禁系统主程序流程图

3 软件设计

系统程序部分设计主要包括几个部分：键盘扫描模块程序、显示模块程序、DS2401电子钥匙数据读取及验证程序、WiFi模块数据读取及发送程序等。系统主流程图设计如图8所示。

系统开机初始化后WiFi模块与家居路由器完成网络连接后进入工作，系统通过P1.7端口检测热释电红外传感器模块电路输出端，当检测到有人体红外信号后P1.4端口送高电平信号控制继电器K1吸合，启动监控器，用户可以通过监控器自带APP进行视频监控，同时P3.7端口送低电平点亮液晶显示屏并显示提示信息。此时如果要进行密码或其他功能模式选择设置，用户要输入密码验证无误后才能进行设置，设置后的密码等数据存入单片机自带EEPROM存储器进行保护。退出设置界面后用户可以使用选择的开锁模式（包括“电子钥匙或密码输入模式” “电子钥匙+密码输入二重防盗模式” “WiFi模式”三种开锁模式）进行开锁，开锁信息校验准确无误之后打开门锁，同时通过WiFi模块向用户发送开锁信息，开锁过程如出现密码输入错误或电子钥匙读取信息出错，则通过WiFi模块向用户发送报错信息，用户可通过监控设备APP查阅监控视频，以监测错误信息是否小偷盗窃行为，提高门禁安防、监测功能。

用户开锁后只要单片机检测到人体红外信号消失，则通过P1.4、P3.7端口送控制信号关闭监控器和液晶显示屏，进入省电模式。

4 结语

本文以STC12C5A60S2单片机为核心，综合应用热释电感应技术、WIFI无线传输技术、无线监控技术以及硅序列号电子芯片识别等技术，提出一套安防监控门禁系统设计方案。该系统在没有人体经过时能关闭监控及液晶显示屏，有较好的节电性能，当检测到人体红外信号时启动监控摄像，同时依据用户喜好及安全级别需求设置了三种开锁模式，并能将开锁信息及时通过WiFi模块通过网络发送给用户，通过手机APP能方便接收门禁提示信息及查阅门禁监控视频，与传统门禁相比具有更高级的安防、监控功能，该系统操作方便、性能稳定，可靠性高，具有较高的推广价值。

[1] 杨敏英,陈辉煌,杨阿弟,佘明辉. 一种家庭智能门禁语音报警控制设计与实现[J]. 长春大学学报, 2016(4): 4-9.

[2] STEPHAN E,JEWITT J.TPPM Reporting MI[J]. Network Working Group Internet Draft, 2003(3): 17-20.

[3] 孔祥新,姚海元,刘敬科,李美平. 基于STC12C5A60S2的多功能测量系统设计[J]. 电子技术, 2012(12): 45-48.

[4] 陈谧. 智能家居的物联网技术及其应用[J]. 现代建筑电气, 2014(2): 47-49+63.

[5] 伍世云,王益艳. 基于单片机的酒店节能用电控制装置设计[J]. 计算机与现代化, 2016(6): 40-43+48.

[6] 崔永俊,贾磊,王希鹏,赵秀梅,薛志勇,杜文略. 一种热释电红外探测器的单目设计[J]. 自动化仪表, 2016(4): 97-99+102.

[7] 张燕. 基于WiFi的空气质量检测系统[J]. 物联网技术, 2016(6): 36-37.

[8] 张高敏,王飞飞,周志青. 基于WiFi的空气质量实时监测系统设计[J]. 现代电子技术, 2016(8): 76-79.

（责任编辑：马圳炜）

Design of Intelligent access control system Based on STC12 MCU

SHEN Yan-song

(Department of Electronic Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000,China )

This designed a kind of Intelligent access control systems Based on STC12 MCU.The Intelligent system, composed by STC12 MCU, WiFi module, pyroelectric infrared sensor, LCD Module. Wireless monitoring module and so on. The system can detect infrared signal and start monitoring, The user can open the lock use electronic key, entering password or the WiFi sending password which you had selected. It can send the Lock status information to users by the WiFi Module, and users can remote monitor according to the APP. The system has good safety performance and high intelligentialize, and has the expansion value.

STC12 MCU; WiFi; pyroelectric infrared sensor; wireless monitor

1673-1417（2017）03-0034-06

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2017.03.0007

TU855

A

2017－07－20

2015年福建省中青年教师教育科研项目（科技类），编号：JA15692。

沈炎松（1982—），男，福建诏安人，讲师，工程硕士，研究方向：电子技术、智能控制。