第2章 系统设计方案

2.1 主要器件选型

2.1.1 主控芯片方案选择

方案一：STC89C52

STC89C52是STC公司推出的一款低功耗、高性能8位单片机，采用PDIP封装，适合简单嵌入式控制应用。其内置8 KB的Flash存储器和512字节RAM，适用于存储较小程序和数据。STC89C52提供32个I/O端口，支持多种外设接口，能够满足基本的输入输出控制需求。其内置3个16位定时器和4个外部中断，能够处理常见的定时和中断任务。STC89C52还集成了看门狗定时器和MAX810重设电路，在系统发生异常时能够进行自动复位，确保系统稳定性。此外，支持ISP和IAP功能，用户可以通过串行口直接下载程序，简化了开发和调试过程。由于其成本较低、功耗低，STC89C52适合低端嵌入式系统应用，如家电控制、简单的传感器数据采集等场景。

方案二：STM32F103RBT6

STM32F103RBT6是意法半导体推出的一款32位微控制器，基于ARM Cortex-M3核心，适用于高性能嵌入式应用。该芯片内置64 KB的Flash程序存储器和20 KB的RAM，能够支持复杂的应用程序和实时数据处理。STM32F103RBT6提供37个通用I/O端口，支持IIC、SPI、USART等多种通信接口，能够灵活与外部设备进行高速数据交换。它还内置了2个12位的模数转换器（ADC），适合处理模拟信号输入。4个16位可编程定时器和多个外部中断增强了它的实时性和响应能力。STM32F103RBT6的最高工作频率可达72 MHz，拥有强大的运算能力，适用于对性能和实时性要求较高的应用，如工业自动化、智能家居、机器人控制等。此外，其较高的性价比使其在市场中具有较强的竞争力。

综合考虑两种方案，选择STM32F103RBT6作为本设计的控制器。主要原因包括：STM32F103RBT6具有更高的处理能力（72 MHz时钟和32位架构），能够满足更复杂算法和实时任务的处理需求；同时，它提供更多的I/O端口和通信接口，适合与多种外部设备连接；更大的存储容量（64 KB Flash和20 KB RAM）确保能够支持更大的应用程序和数据处理。此外，内置的ADC和高精度定时器使其更加适用于需要模拟信号采集和高精度控制的场景。因此，STM32F103RBT6在性能、扩展性和性价比方面的优势，使其成为更理想的选择，实物如图2.1所所示。

图2.1 STM32F103RBT6原理图

2.1.2 显示模块方案选择

方案一：选择彩色TFT屏幕作为显示解决方案

采用SPI总线与LCD控制器连接，这使得系统总线得到简化，提高了系统的运行效率。TFT屏幕能够提供更高的显示清晰度，支持丰富的显示效果和色彩层次，使得显示更加生动。通过API支持的功能，如刷屏、清屏和写屏等，可以实现高质量的动态显示，提升用户体验。此外，TFT屏幕适用于需要较高分辨率和色彩表现的应用场景。但此方案的一个缺点是价格较高，对于需要控制成本的设计来说可能增加初期投入，尤其是在大规模生产的情况下，价格可能成为一个不小的负担，因此在费用较为敏感的项目中并非最优选择。

方案二：选择有机发光二极管（LCD12864）屏幕作为显示方案

LCD12864屏幕虽然只支持单一颜色显示，但其亮度和对比度极高，能够在低功耗的情况下提供非常清晰和鲜明的图像显示。LCD12864屏幕的响应速度快，适用于显示动态信息，且具有较低的价格，这对于成本敏感的项目尤为重要。除了亮度优势，LCD12864屏幕还具有较高的分辨率，能够显示英文、中文字符和符号，满足环保监控系统对文本显示的需求。由于其价格较为低廉，能够有效降低系统成本，因此，在对成本要求较高的项目中，选择LCD12864屏幕是一个非常合适的方案。

综合考虑成本、显示效果以及项目需求，最终选用了LCD12864屏幕方案，实物如图2.2所示。

图2.2 LCD12864实物图

2.1.3 人脸识别模块方案选择

HILINK人脸识别模块是一种集成了先进人脸识别算法的硬件模块，专为高效、精准的人脸验证与识别设计。该模块采用高性能的处理器，支持高速图像处理和实时人脸比对，能够在各种复杂环境下快速识别和验证人脸信息。它具备较强的抗干扰能力，能够适应不同的光照条件、角度以及遮挡情况，确保识别准确性。通过标准接口（如UART、I2C、SPI等），用户可以方便地与其他系统进行连接，灵活集成到智能安防、门禁控制、考勤管理等应用场景中。HILINK人脸识别模块的优点在于其低功耗、高性能与高精度，且系统集成度高，使用简便，能够为智能设备提供更为便捷的身份验证解决方案。其模块化设计降低了开发难度，适合各种嵌入式应用，满足现代社会对身份识别和安全性日益增长的需求，实物如图2.3所示。

图2.3 HILINK人脸识别模块实物图

2.1.4 按键模块方案选择

4×4矩阵按键模块是一种常见且实用的输入设备，广泛应用于各种电子产品中，如智能家居、安防系统、家电控制等。它由16个按键组成，排布在4行4列的矩阵中，通过行列扫描原理来实现按键输入。该模块通过较少的引脚就可以识别多个按键，节省了硬件资源和线路连接，具有较高的集成度和经济性。

4×4矩阵按键模块的工作原理基于行列扫描。当按下某个按键时，它会同时接通一个特定的行和列，微控制器通过扫描每一行和列的电平，判断按下的是哪个按键。由于采用矩阵结构，虽然模块有16个按键，但仅需要8个GPIO引脚即可实现识别，大大减少了引脚的占用，简化了硬件设计，实物如图2.6所示。

图2.6 按键模块实物图

2.1.5 USB供电模块方案选择

TYPE-C到TYPE-C USB供电模块是一种高效、可靠的电源管理解决方案，广泛应用于智能设备、便携式电源、电子产品和嵌入式系统中。该模块采用USB Type-C接口，支持双向插拔，能够提供更高的电流和更大的功率输出，满足现代设备对电源供给的高要求。

USB Type-C接口的优势在于其支持更高的功率传输（通常最高可支持100W的功率输出），相较于传统的USB接口，它具有更高的传输效率和更快的充电速度。通过TYPE-C接口，设备可以进行快速充电，并且通过智能电源管理协议（如USB PD协议），实现电压和电流的自动调整，保证设备的安全和高效供电，实物如图2.7所示。

图2.7 TYPE-C模块实物图

2.1.6 蓝牙模块方案选择

JDY-31蓝牙模块是一款基于Bluetooth 4.0（BLE）技术的低功耗蓝牙模块，广泛应用于智能家居、物联网（IoT）、智能穿戴设备等领域。它采用了CSR公司生产的蓝牙芯片，支持蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy, BLE）协议，能够在较低的功耗下实现稳定的无线通信。JDY-31具有较小的体积和良好的适配性，适合嵌入到各种智能设备中，特别是在需要低功耗、高效数据传输的应用场景中表现优异。该模块支持标准的串口通信协议（UART），并且具有简单的AT命令集，便于与其他硬件平台进行快速集成和配置。

JDY-31模块具有多种功能模式，能够支持点对点通信、主从设备通信以及设备广播等多种模式，使得开发者可以根据具体应用需求灵活选择工作方式。此外，JDY-31的通信距离在空旷环境下可达到50米以上，满足大部分无线通信需求。该模块的工作电压为3.3V，具有较低的功耗特性，非常适合电池供电的便携设备。JDY-31在设计上考虑了抗干扰能力，能够在复杂的无线环境中稳定运行。其模块内集成了蓝牙协议栈，不需要外部设备复杂的协议处理，可以直接进行蓝牙数据交换，大大简化了开发工作。总的来说，JDY-31蓝牙模块是一款性能稳定、功能多样且易于集成的无线通信模块，特别适合于智能设备、物联网终端和移动应用中，实物如图2.8所示。

图2.8 JDY31蓝牙模块实物图

2.2 整体系统框图设计

基于嵌入式系统的人脸识别智能门锁门禁设计通过输入、处理、输出和电源四个模块构成了一个完整的身份验证系统。首先，输入模块包括多种验证方式，确保门禁系统的安全性和便捷性。4×4矩阵按键提供传统的密码输入功能，作为多重验证的补充；HILINK人脸识别模块则是整个门禁系统的核心身份认证方式，通过内置的摄像头捕捉用户面部图像，经过图像处理和匹配后确认用户身份。这些输入设备的信号和数据最终都由STM32F103RBT6微控制器进行集中处理。作为系统的核心处理单元，STM32负责协调各个输入模块的数据采集，执行身份验证逻辑，并根据验证结果控制门锁状态。

在处理模块中，STM32F103RBT6微控制器处理从各种输入模块采集到的身份信息，并根据内置的认证算法进行验证。当验证通过后，STM32会指令输出模块通过电机驱动系统控制门锁的开启或拒绝访问。LCD12864显示屏作为输出模块的一部分，实时向用户反馈系统状态，展示验证结果或错误信息，确保用户能够清晰了解身份认证的过程和结果。电源模块通过TYPE-C接口为整个系统提供稳定的电源输入，同时支持数据传输。该电源模块不仅能确保门禁系统在正常工作时的电力供应，还具备低功耗运行特性，延长了系统的使用寿命，尤其在长期运行的场合具有显著的优势。整体系统框架通过这四个模块的紧密配合，实现了高度集成、功能丰富的智能门锁门禁解决方案，不仅提高了安全性，还提升了用户体验和操作便捷性，具体系统框图如图2.9所示。

图2.9 系统整体框图

第3章 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

3.1.1 主控模块电路

STM32F103RBT6是基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器，运行频率为72MHz，具备1.25 DMIPS/MHz的计算性能，适合高效处理复杂应用。它具有128KB闪存和20KB SRAM，支持多种外设和输入输出接口，适用于广泛的嵌入式应用。该芯片配备两个12位模数转换器（ADC），三个16位通用计时器、一个PWM计时器，以及标准和高级通讯接口（包括2个I2C、SPI、3个USART、1个USB和1个CAN）。此外，它还支持低功耗模式，包括睡眠、停止和待机模式，适合长时间运行的便携式设备。芯片内置的时钟管理系统包括多个振荡器、锁相环和实时时钟（RTC）支持，确保高精度时间控制和低功耗运行。ST的DMA控制器支持7通道数据传输，提升系统整体性能。此MCU广泛应用于自动化控制、工业、消费电子、便携设备及多媒体领域，具备强大的扩展性与可靠性，主控芯片原理图如图3.1所示。

图3.1 STM32F103RBT6原理图

STM32F103RBT6参数如下表3.1所示。

表3.1 STM32F103RBT6中文参数

系列名称	STM32F	宽度	10mm
封装类型	LQFP	脉冲宽度调制	1（16 位）（电机控制）
安装类型	表面贴装	最低工作温度	-40°C
引脚数目	64	PWM分辨率	16Bit
装置核芯	ARM Cortex M3	计时器分辨率	16Bit
数据总线宽度	32Bit	高度	1.45mm
程序存储器大小	128 kB	USART 通道数量	3
最大频率	72MHz	计时器	3 x 16 位
内存大小	20 kB	尺寸	10 x 10 x 1.45mm
USB通道	1个设备	程序存储器类型	闪存
PWM单元数目	1	计时器数目	3
模数转换器通道	16	I2C通道数目	2
SPI通道数目	2	模数转换器分辨率	12Bit
典型工作电源电压	2 → 3.6 V	指令集结构	RISC
最高工作温度	+85°C	CAN通道数目	1
长度	10mm	模数转换器单元数目	2
模数转换器	2（16 x 12 位）

3.1.2 晶振电路

晶振电路主要通过石英晶体的压电效应生成稳定的频率信号。在STM32F103RBT6中，采用了两种不同频率的晶振来满足不同功能的时钟需求：一个低频的32.768 kHz晶振用于提供精准的实时时钟（RTC）信号，另一个8 MHz的高频晶振则为主控制芯片提供更高的工作频率。

8 MHz晶振通常由一个外部晶体振荡器电路（一般由晶体、负载电容、电阻以及其他必要的电路组件组成）来驱动。该晶体的频率由其内部的晶体振荡作用产生，电路中的负载电容调节振荡频率的稳定性，并确保时钟信号的准确性。8 MHz晶振信号经过锁相环（PLL）倍频处理，进一步提供更高频率的时钟信号给芯片核心，支持快速处理和高效执行各种计算任务。

该晶振电路的设计确保了系统的高稳定性和低功耗，适用于需要精确时序控制的应用，同时兼顾了芯片的性能需求，主控芯片原理图如图3.2所示。

图3.2 晶振电路原理图

电容技术参数与晶振技术参数和电阻技术参数如下表3.2和3.3和3.4所示。

表3.2 电容技术参数

技术参数	数值
容差	±10%
精度	±10%
工作温度	-55℃~125℃
工作电压	2.0~3.6VV

表3.3 晶振技术参数

技术参数	数值
工作温度	-20℃~70℃
频率公差	±10ppm

表3.4 电阻技术参数

技术参数	数值
功率	3.3W
精度	±1%
温度系数	±100ppm/℃

第4章 系统软件设计

在完成整个系统的总体设计后，为了验证系统的可靠性和正确性，可以进行实地调试。这一过程包括硬件调试、软件调试以及模拟运行。模拟运行是指系统在实际场景之外，通过模拟环境来验证其功能是否正常。如果系统能够在模拟环境中运行并完成设计预期的功能，那么就说明系统调试成功，达到了预期的目标。

4.1 编程软件介绍

本文采用Keil5作为开发平台，与其它的开发环境相比，Keil5具有更轻、速度更快、更简便的特点；受到了众多的嵌入式开发人员的青睐。Keil5支援种类繁多的单片机，包括51 MCU,STM32,HC32等；如 NXP等，所产生的 HEX格式，可以用烧录器将其写入 MCU，使用十分便捷。此外，Keil5的编译分为三种类型，分别为一次编译和一次半编译；另一种方法则是将所有内容都进行编辑，让开发者有更多的选项，而所得到的结果也会出现在接口的底部，让开发者能够找到问题所在，界面如图4.1所示。

图4.1 Keil5开发界面

4.2 主程序流程设计

系统启动后，首先进行硬件初始化，确保各模块正常工作，包括传感器、显示屏、继电器等。然后，通过TCP连接与上位机建立通信，确保数据传输稳定。接下来，系统通过摄像头采集人脸图像，将采集到的图像数据上传至上位机。上位机对图像进行人脸匹配，判断是否有匹配人员。如果匹配成功，系统触发开门指令，继电器打开，并在显示屏上显示“门禁打开成功”；如果匹配失败，则继电器不打开，显示屏显示“门禁打开失败”，提示用户验证未通过。整个流程通过实时反馈和控制，确保门禁系统的高效和安全运行，流程如图4.2所示。

图4.2 主程序流程图

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include "tcp_client.h"

#include "camera.h"

#include "face_recognition.h"

#include "gpio.h"

#include "display.h"

// 初始化硬件和模块

void system_init() {

    init_gpio();           // 初始化GPIO

    init_camera();         // 初始化摄像头

    init_tcp_connection(); // 初始化TCP连接

    init_display();        // 初始化显示屏

    init_relay();          // 初始化继电器

}

// 采集人脸图像并上传

int capture_and_upload_image() {

    uint8_t *image_data = capture_face_image();  // 从摄像头获取图像

    if (image_data == NULL) {

        return -1; // 图像采集失败

    }

    return upload_image_to_server(image_data);   // 上传图像到上位机

}

// 控制门禁

void control_access(int access_granted) {

    if (access_granted) {

        open_relay();      // 打开继电器，门禁打开

        display_message("门禁打开成功"); // 显示成功信息

    } else {

        close_relay();     // 关闭继电器，门禁关闭

        display_message("门禁打开失败"); // 显示失败信息

    }

}

int main() {

    system_init(); // 系统初始化

    while (1) {

        int status = capture_and_upload_image(); // 采集并上传图像

        if (status == -1) {

            display_message("图像采集失败");

            continue;

        }

        // 通过TCP连接获取上位机返回的匹配结果

        int match_result = tcp_receive_match_result();  // 从上位机获取匹配结果

        if (match_result == 1) {

            control_access(1);  // 匹配成功，打开门禁

        } else {

            control_access(0);  // 匹配失败，关闭门禁

        }

        delay(1000); // 延迟1秒

    }

    return 0;

}

4.3 独立按键流程设计

首先，对键盘的管脚进行了定义，并对管脚的初始化状态进行了分析。接着，对该方式标志比特是否为1进行判定，当该值为1时，该方式为对持续按压方式进行支撑，并将该状态标记定位为1。接着，判定键状态标记比特是1还是1，键管脚是低，若两者都符合，那么延迟10毫秒执行抖动消除，并将键状态标记定位为0。重新确定该键管脚是不是处于低电平，若为低电平，就按压键控键，并将相应的键键键回到相应的键键值。若键状态标记比特不是1，或键管脚不是低，就判定键管脚的高电平，若为高电平，键被提起；把键的国家标记设为1，再回到0。若所述键插脚未处于高电平，那么所述