基于單片機(jī)控制的門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

叢家鑫，吳靜（通訊作者）

（遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧錦州，121001）

隨著社會的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖具已經(jīng)不能滿足人們在安全性與便捷性上日益增長的需求。一套安全高效，經(jīng)濟(jì)適用的門鎖系統(tǒng)是每個普通家庭希望擁有的。本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的門鎖系統(tǒng)采用高效低耗能的STM32作為主控芯片，利用技術(shù)最為成熟的生物認(rèn)證方式且適合推廣給普通家庭使用的指紋識別技術(shù)作為開鎖方式，并且為系統(tǒng)搭載一顆物聯(lián)網(wǎng)芯片，將系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)方便遠(yuǎn)程控制與管理，創(chuàng)新性的網(wǎng)絡(luò)授權(quán)功能，讓用戶不必再絞盡腦汁設(shè)置并牢記一長串密碼。

1 系統(tǒng)的總體方案

本設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序調(diào)試兩大部分。門鎖系統(tǒng)可以進(jìn)行指紋的采集和識別來判斷指紋是否有權(quán)限，系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)通過人機(jī)交互模塊顯示，也可將系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過串口接入電腦上位機(jī)查看后臺數(shù)據(jù)庫，結(jié)合嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP遠(yuǎn)程對門鎖系統(tǒng)的監(jiān)控與授權(quán)，如有異常開門情況會進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)報(bào)警。最終通過對驅(qū)動電路的控制來間接控制電磁鎖的開關(guān)。基于單片機(jī)控制的門鎖系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 基于單片機(jī)控制的門鎖系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路分為兩塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，一是主控板電路，其上搭載著主控芯片、人機(jī)交互模塊、指紋模塊接口和報(bào)警電路，還包括大量的預(yù)留接口；另一個是驅(qū)動板電路，其上設(shè)計(jì)有電磁鎖驅(qū)動電路、物聯(lián)網(wǎng)芯片電路、遙控接收器接口。兩塊電路板通過8P硅膠排線進(jìn)行連接。

2.1 主控板電路設(shè)計(jì)

主控板電路如圖2所示，主控底座為STM32最小系統(tǒng)的安裝接口，此設(shè)計(jì)方便更換主控進(jìn)行升級操作。圖2中EC11電路鍵為人機(jī)交互的輸入部分，此設(shè)計(jì)摒棄了傳統(tǒng)的矩陣鍵盤輸入，而是創(chuàng)新的采用一個型號為EC11的旋轉(zhuǎn)編碼器和一枚返回按鍵作為其輸入設(shè)備。EC11結(jié)構(gòu)上由編碼器和按鍵部分組合而成，編碼器部分有A，B，C三個引腳，按鍵部分有D,E兩個引腳，為獨(dú)立按鍵。EC11的工作原理是當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸時通過兩個引腳上不同脈沖的先后次序來判斷軸的旋轉(zhuǎn)方向，配合0.96寸的OLED多級菜單顯示，進(jìn)而調(diào)整菜單的光標(biāo)的位置，最后通過獨(dú)立按鍵進(jìn)行確認(rèn)來進(jìn)行選定修改內(nèi)容。

圖2 主控板電路

指紋模塊是系統(tǒng)工作的核心部件，模塊接口采用6芯2.54毫米間距的單排插座，供電電壓為3.3V，本設(shè)計(jì)采用串口方式方便與STM32進(jìn)行通信。

蜂鳴器電路可以作為人機(jī)接口調(diào)整參數(shù)時的聲音反饋，也可作為門鎖系統(tǒng)異常或者遭到破壞時的聲音報(bào)警，有效震懾不法者。聲音反饋的開關(guān)狀態(tài)可以進(jìn)行設(shè)置。該電路利用單片機(jī)的一個I/O口作為驅(qū)動源，驅(qū)動型號為S8050的NPN型晶體管，晶體管作為蜂鳴器的控制開關(guān)。

2.2 驅(qū)動板電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動板電路主要是針對電源模塊、PSF-B04物聯(lián)網(wǎng)芯片、和驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)總電源為12V直流供電，繼電器需要5V供電，主控制板單片機(jī)最小系統(tǒng)供電采用3.3V供電，系統(tǒng)需要12V、5V、3.3V三種電壓。先采用12V轉(zhuǎn)5V的DC-DC模塊，再采用線性穩(wěn)壓電源ASM1117將5V轉(zhuǎn)換成3.3V。

PSF-B04為一款基于ESP8285的低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片，內(nèi)置32位內(nèi)核處理器，作為主控芯片也可作為WiFi適配器。直流3.3V供電，最大工作電流為210mA，平均電流為80mA，其平均功耗為264mW，GPIO的驅(qū)動能力為12mA，但是其對電源的紋波電壓要求較嚴(yán)格，上下浮動不能超過50mV，否則會異常復(fù)位。其專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶設(shè)備連接到Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信或者局域網(wǎng)通信。該模塊有本地物理控制按鍵，也可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，最多支持四通道的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

普通單片機(jī)的I/O口驅(qū)動能力有限，一般只有幾十毫安的水平，而對于本系統(tǒng)的電磁式設(shè)備正常工作時的額定電壓為12V，電流更是達(dá)到1.5A左右，而且對開關(guān)頻率要求不高，所以采用了自主設(shè)計(jì)的晶體管驅(qū)動繼電器作為系統(tǒng)的驅(qū)動模塊。如圖3中驅(qū)動電路所示。使用晶體管來驅(qū)動繼電器時必須將晶體管的發(fā)射極接地，圖中的晶體管Q1型號為S8050的NPN晶體管，繼電器JK1為5V繼電器，當(dāng)晶體管Q1的基極管腳被輸入高電平時，晶體管飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)榈碗娖剑藭r繼電器線圈通電常開觸點(diǎn)閉合，電磁鎖得電動作。當(dāng)晶體管基極輸入低電平時，晶體管截止繼電器線圈失電，常開觸點(diǎn)不閉合，電磁鎖不動作。電路圖中電阻R7的作用是起限流作用，降低晶體管Q1的功耗。電阻R9使晶體管可靠截止，經(jīng)驗(yàn)值為4.7kΩ。二極管VD1起反向續(xù)流的作用，抑制浪涌。通過LED顯示燈來時刻展示繼電器的工作狀態(tài)。

圖3 驅(qū)動板電路

2.3 STM32最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STM32最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它相當(dāng)于機(jī)器的大腦。主要由STM32F103C8T6型號MCU、指示燈電路、時鐘電路、電源管理電路、SWD調(diào)試接口和復(fù)位電路組成，原理圖見圖4。

圖4 最小系統(tǒng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

門鎖系統(tǒng)軟件程序的主程序如圖5所示，其中脅迫報(bào)警為當(dāng)被不法分子脅迫開門時，只要使用預(yù)先設(shè)置的指紋ID開啟門鎖，系統(tǒng)就會第一時間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送信號，使遠(yuǎn)方設(shè)置的報(bào)警器響起，而門也會正常打開，不會讓不法分子察覺到。脅迫報(bào)警功能可以在受到人身威脅時向外界發(fā)送求救信息，最大程度上保障人身安全。

圖5 門鎖系統(tǒng)軟件主程序流程圖

4 系統(tǒng)測試與焊接調(diào)試結(jié)果

使用萬用表和示波器對系統(tǒng)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)電磁繼電器動作產(chǎn)生的電火花和電磁場會對物聯(lián)網(wǎng)芯片的運(yùn)行產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致其復(fù)位重啟，經(jīng)過對PCB整體布局的改變，加大了電磁繼電器到控制電路的距離最終成功解決此問題。圖6為更改前后PCB電路板對照圖。

圖6 PCB電路板對照圖

5 門鎖系統(tǒng)外殼設(shè)計(jì)

門鎖系統(tǒng)軟硬件部分已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢，各項(xiàng)功能已經(jīng)已經(jīng)測試完畢。接下來將對門鎖系統(tǒng)的裝配外殼進(jìn)行3D模型設(shè)計(jì)。圖7為門鎖系統(tǒng)整體連接圖，圖8為3D外殼裝配后的實(shí)物圖。

圖7 整體連接圖

圖8 門鎖系統(tǒng)實(shí)物圖

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)的門鎖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的指紋控制門鎖相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)以低功耗的STM32作為主控芯片，具有集成度高，小型化等特點(diǎn)。

(2)將整個系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)成具有遠(yuǎn)程控制的方案，隨著社會一樣快速發(fā)展，將門鎖系統(tǒng)推向萬物互聯(lián)，增加其實(shí)用性。

(3)創(chuàng)新性的采用EC11旋轉(zhuǎn)編碼器配合OLED的人機(jī)交互系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)門鎖的矩陣鍵盤設(shè)計(jì)方案，使得整體外觀設(shè)計(jì)更加簡潔，使用更加方便。

該系統(tǒng)也存在著不足之處，本文設(shè)計(jì)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)指紋門鎖的控制功能，安全性是首要問題，但在起初器件選型時卻疏忽了指紋模塊的選擇，選擇的光學(xué)指紋模塊雖然運(yùn)行穩(wěn)定但是卻沒有活體識別的能力，容易被復(fù)制的指紋欺騙性開鎖。