基于单片机的智能门结构设计Word下载.docx

基于单片机的智能门结构设计Word下载.docx

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控制方案设计，安全性设计，防盗门结构设计。

1.前言

1.1研究背景和现实意义

蒸汽机的改良标志着人类进入工业时代，电力的使用则大大加快了工业进程，而到现在，随着计算机技术、网络通讯技术、信息控制技术的迅猛发展与提高，再随着5G时代的到来，人们的生活水平更上一层楼，同时人们也越来越“懒”，在秉持能不动手就不动手的原则下，对家居设备的要求却越来越高，所以现在家居需要人性化、智能化。

现在人们生活也在追求个性化、自动化、追求快节奏、追求充溢乐趣的生活方式，在未来，家庭生活的现代化、居住环境舒适化、平安化是大势所趋，而家庭生活的一个大主题就是家居，所以智能家居在今后市场上肯定大有作为。

在智能家居的体系之中，首先就是门，门的智能化是智能家居中必不可少的，正所谓“道高一尺，魔高一丈”，现在的不法分子的盗窃手段也越发先进，普通的防盗门很难防的住，所以人们对防盗门的防盗性能要求越来越高,只有保证了家的安全性，才能真正实现家居智能化,所以无论是从经济角度还是社会效益上来看，研究智能防盗门都是十分必要的。

我国房地产业目前发展趋势依旧明显，所以今后对防盗门的需求肯定是有增无减的，随着人们选择的增多，房地产业面临的压力越来越大，所以智能家居的加入将会成为房产的卖点，为了吸引更多住户，智能化设备也将成为各个房地产商的追求。

由上可知，智能防盗门的数量和质量都在未来有更高的需求和要求，所以，研究智能防盗门有重要意义。

1.2中国智能防盗门现状

现在市面上虽然也有一些所谓智能防盗门的出现，有的虽然便宜但是性能不高，有的性能优良但是价格昂贵，而人们大多会选择物美价廉，性价比高的，而且智能防盗门算是一个新兴企业，人们得到的关于防盗门的性能、方式等信息大部分都是来自厂家的一面之词，所以就会有一种不信任在里面，再加上这种明显价格差现象就导致人看不起便宜的，又买不起贵的。

技术不够成熟，有些只是将许多功能堆砌在一起而已，什么指纹锁、钥匙孔、密码锁全都加再门把手那一块臃肿的“突出”上，认为功能越多门就越“智能”，而功能之间没有联动，只是多了几中不同的开锁方式而已，根本谈不上智能，反而把防盗门弄得很复杂，在外观上、防盗性能上都会有所欠缺。

1.3本文研究内容

本设计的任务就是将鸡肋的功能舍弃，只用指纹、面部和远程解锁三种解锁方式，并让它们联结起来，并合理布局其位置，在达到开锁目的的同时，通过将指纹触屏隐蔽化、锁孔删除等方式简化门的结构设计，增加门的美观程度。

1.3.1门的外部：

1）指纹感应器的位置安排及型号选择；

2）摄像头的位置安排及型号选择；

3）猫眼的位置安排；

4）按键的位置安排。

1.3.2门的内部：

1）电源位置安排；

2）开发板位置安排；

3）各个部件如何固定以方便维修和拆装。

1.3.3关键问题：

1）指纹感应器安装在哪里既方便又隐蔽；

2）摄像头安装在哪里可以更好拍摄；

3）电源如何安装更加方便；

4）线路如何接；

5）如何方便拆装。

1.4设计基本要求

1）安装指纹解锁，指纹解锁隐蔽、方便；

2）安装摄像头，使摄像角度好、视野宽，水平摄像；

3）安装面部识别按键，按键位置应能够让进入者按下之时不必移动位置即可被摄像机拍到；

4）整合单片机设备，安装在门的内部且尽量将其安装在一起，并在防盗门的安装处设置可拆装结构，且可拆装结构不明显，不影响美观；

5）安装无线充电，安装在门的内部且和单片机设备整合在一起，同样方便拆装；

2.结构原理

2.1解锁方案

本智能防盗门主要用于家居使用，主要有三种开锁模式，分别是指纹解锁、面部解锁和远程端解锁，删除钥匙孔和一般防盗门沉重的密码键盘、显示器等设备，以达到简化系统美化产品的作用。

其主要方式如下图所示

图2.1指纹解锁

图2.2面部解锁

图2.3远程解锁

2.2控制方案

将三种解锁方案整合为一体，则开锁过程为：

手指接触指纹触屏如果识别成功则直接开门，然后结束程序。

如若识别不成功，则系统将自动开启摄像头开始进入人脸识别程序，如果识别成功，则防盗门打开，如若识别不成功，系统将通过互联网的方式提醒用户，用户打开程序时，则可收到实时监控画面，用户可自行辨别进入者，如同意进门，则在程序上选择开门并输入密码，则门可开，否则用户可以通过摄像头自带的语音系统与进入者进行交涉，最后决定是否开门。

面部解锁又可以从中独立出来，既成为指纹解锁无法识别的后备开锁方案，又可以直接通过摄像头按键进入面部识别程序然后转到手机上来解锁，这条路线主要用在户主不在家时，有相关人员需进入户主家办事，例如：

亲戚探访，查水表，装修等事务时，即可通过电话告知，让其按下摄像头开关键，打开摄像头，面部识别自然无法通过，则户主可以收到实时监控，并与该人员进行交涉，使其进入。

从而可以解决一些生活中因自己不在家而错过而使得日后增添麻烦的事。

手机远程解锁也可以直接独立出来，这种方式用于指纹解锁和面部解锁同时识别不出来或时同时出故障时候，虽然这个几率小之又小，但这也无疑是一种十分必要的后备方式，又因为在程序中选择开门时也需要输入密码，则不必担心手机丢失而使陌生人可随意开门。

综上所述，该防盗门的总体控制图如下图所示：

图2.4控制方案图

2.3侧锁点机构

侧锁点机构如下图所示：

图2.5侧锁点装配图图2.6侧锁点结构图

图2.7锁柱天地杆装配图

图2.8锁柱天地杆装配图

侧锁柱主要由以上部分组成，天地杆与侧锁柱连接方式如图8所示，天地杆与上下部分的锁柱连接方式为螺纹连接，其主要运动是通过导柱与导轨间的导向作用，使门在上锁时，天地杆分别向上和向下拉动，故带动滑板向上或向上拉动，使得侧锁柱伸出或缩回，故实现门的上锁和开锁。

上下两端侧锁柱通过两块限位板来限制天地杆的运动，从而提升系统稳定性，限位板安装图如下图所示：

图2.9限位板安装图

侧锁点闭合状态图如下图所示：

上锁开锁中开锁完成

图2.10锁点闭合状态图

2.4主锁机构

主锁机构图如下所示：

图2.11主锁机构图

（1）

图2.12主锁机构图

（2）

主锁锁舌是依靠弹簧来进行伸缩，主锁锁柱则时类似于侧锁柱运动方式，依靠导柱与导轨来传递运动，其大致运作方式为：

驱动扭簧发力，使主锁柱下方滑板运动，带动主锁柱向外运动，从而使主锁柱两端导轨带动另外两块滑板运动，使两滑板的勾形处将上下天地杆拉动，从而作用于侧锁柱，使侧锁柱进行相应的运动，达到开锁和上锁的目的。

保险舌就像棘轮机构一样，使主锁柱不能轻易退回，从而达到固定的作用。

3．设备的选择

3.1面板选择

3.1.1304不锈钢

304不锈钢面板的优点：

1）耐腐蚀性强，可以应用于高盐度、高湿度的地区，沿海迟到地区皆可使用；

2）有耐热性及低温强度的特性，可以使用在在严寒、高温，或是温差较大的地区；

3）强度较高，使用寿命较长，可防火、防盗，安全性较高,可靠性较强；

304不锈钢面板的缺点：

1）304不锈钢成本高，重量大；

2）不锈钢质地较硬，不易成型，在加工和外观上会带来一定的不便；

3.1.2锌合金面板

锌合金是以锌为基加铝、铜、镁、镉、铅、钛等合金元素。

使用较为广泛。

锌合金面板的优点

1）铸造性能好、熔点低，方便压铸，可以压铸形状复杂、薄壁的精密件，铸件表面光滑，图案多样，可选性高；

2）可进行电镀、喷涂、喷漆等多种表面处理，颜色多样化；

3）有很好的常温机械性能和耐磨性；

5）成本相对较低。

锌合金面板的缺点

1）抗蚀性差。

当合金成分中杂质标准时，易导致铸件老化变形，使其体积胀大，使其机械性能下降，到一定的时间甚至会发生裂痕。

铅、锡、镉在锌合金易于集中于晶粒边界而成为阴极，富铝的固溶体成为阳极，在电解质存在的条件下，促成晶间电化学腐蚀。

使压铸件老化；

2）锌合金不适合于在高温和低温工作环境下使用。

其虽在在常温下有较好机械性能。

但在高温或低温环境下其金属性能都会有所下降。

面板部分总结：

综上所述，不锈钢面板与锌合金面板的特性各有所长。

不锈钢面板在使用环境范围上要广与不锈钢板面板，但在可塑性和和美观方面，锌合金面板更有优势。

为追求实用价值，故选择不锈钢面板。

3.2.指纹锁特有结构选择

3.2.1双快锁体

上提把手可使门反锁，下压把可使门把手开门，可以完全省略钥匙，使开门上锁更加方便，双快锁体利用把手开关门轻松方便简单。

传统机械锁因为其结构设计不适合，所以很少使用双快锁体，也就舍弃不了钥匙。

3.2.2离合电机系统

这是指纹锁特有部件，当我们指纹经过验证之后，电子部分驱动电机和离合器相互配合，通过指纹锁下压把手开门，达到开锁的目的。

结论：

1.在面板的选则上，追求安全性和通用性，选择304不锈钢面板；

2.特殊结构选择安全，便用双快锁体。

选择304不锈钢的双快锁体。

3.3指纹取像设备的选择

3.3.1光学式取像设备

根据全反射原理设计。

玻璃将指纹射到纹路凹的部分光线发生全反射，而射到纹路凸的光线不发生全反射，在经过CDD捕捉后就可以在CCD上就形成指纹图像。

3.3.2电容式取像设备

集合十几万电容传感器，指纹的凹凸不平在成电容值得差异，将电容值转化为电压记录则可得到图像，由于传感器易受干扰，易损坏，在耐用性方面有所不足。

3.3.3超声波扫描

原理是发射超声波到指纹表面即扫描，根据反射回来得波强识别出指纹图像，但这对精度要求极高，成本高。

表3.1取像设备比较表

比较项目

光学取像设备

电容式取像设备

超声波扫描

体积

大

小

中

耐用性

非常耐用

容易损坏

一般

成像能力

干手指差，但汗多的和稍胀的手指成像模糊

干手指好，但汗多的和稍胀的手指不能成像

较好

耗电

较多

较少

成本

低

很高

由于该防盗门的主要解锁方式为指纹解锁，故对指纹识别精度要求高，考虑到电力供应问题，应选能耗较小的设备，所以我选择电容式传感器。

3.4摄像头的选择

3.4.1摄像头镜头的选择：

摄像头镜头焦距一般有2.8毫米，4毫米，6毫米，8毫米，12毫米。

可以根据被监控对象来选择镜头，镜头焦距越小，可以看到更大范围，监控距离也越短。

如下图所示：

图3.1镜头焦距对应图

摄像头焦距对应场景如下图所示：

图3.2头焦距对应场景图

摄像头镜头部分总结：

由于该摄像头主要作用为拍摄人脸