基于單片機控制的門鎖系統設計與實現

叢家鑫，吳靜（通訊作者）

（遼寧工業大學電氣工程學院，遼寧錦州，121001）

隨著社會的不斷進步，傳統的機械鎖具已經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，經濟適用的門鎖系統是每個普通家庭希望擁有的。本設計基于單片機控制的門鎖系統采用高效低耗能的STM32作為主控芯片，利用技術最為成熟的生物認證方式且適合推廣給普通家庭使用的指紋識別技術作為開鎖方式，并且為系統搭載一顆物聯網芯片，將系統接入網絡方便遠程控制與管理，創新性的網絡授權功能，讓用戶不必再絞盡腦汁設置并牢記一長串密碼。

1 系統的總體方案

本設計分為硬件電路設計和軟件程序調試兩大部分。門鎖系統可以進行指紋的采集和識別來判斷指紋是否有權限，系統的實時狀態通過人機交互模塊顯示，也可將系統數據通過串口接入電腦上位機查看后臺數據庫，結合嵌入式和物聯網等技術，實現了手機APP遠程對門鎖系統的監控與授權，如有異常開門情況會進行聯網報警。最終通過對驅動電路的控制來間接控制電磁鎖的開關。基于單片機控制的門鎖系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1 基于單片機控制的門鎖系統的總體設計方案圖

2 硬件電路設計

硬件電路分為兩塊進行設計，一是主控板電路，其上搭載著主控芯片、人機交互模塊、指紋模塊接口和報警電路，還包括大量的預留接口；另一個是驅動板電路，其上設計有電磁鎖驅動電路、物聯網芯片電路、遙控接收器接口。兩塊電路板通過8P硅膠排線進行連接。

2.1 主控板電路設計

主控板電路如圖2所示，主控底座為STM32最小系統的安裝接口，此設計方便更換主控進行升級操作。圖2中EC11電路鍵為人機交互的輸入部分，此設計摒棄了傳統的矩陣鍵盤輸入，而是創新的采用一個型號為EC11的旋轉編碼器和一枚返回按鍵作為其輸入設備。EC11結構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，為獨立按鍵。EC11的工作原理是當旋轉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方向，配合0.96寸的OLED多級菜單顯示，進而調整菜單的光標的位置，最后通過獨立按鍵進行確認來進行選定修改內容。

圖2 主控板電路

指紋模塊是系統工作的核心部件，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，本設計采用串口方式方便與STM32進行通信。

蜂鳴器電路可以作為人機接口調整參數時的聲音反饋，也可作為門鎖系統異?；蛘咴獾狡茐臅r的聲音報警，有效震懾不法者。聲音反饋的開關狀態可以進行設置。該電路利用單片機的一個I/O口作為驅動源，驅動型號為S8050的NPN型晶體管，晶體管作為蜂鳴器的控制開關。

2.2 驅動板電路設計

驅動板電路主要是針對電源模塊、PSF-B04物聯網芯片、和驅動電路的設計。

系統總電源為12V直流供電，繼電器需要5V供電，主控制板單片機最小系統供電采用3.3V供電，系統需要12V、5V、3.3V三種電壓。先采用12V轉5V的DC-DC模塊，再采用線性穩壓電源ASM1117將5V轉換成3.3V。

PSF-B04為一款基于ESP8285的低功耗物聯網芯片，內置32位內核處理器，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的驅動能力為12mA，但是其對電源的紋波電壓要求較嚴格，上下浮動不能超過50mV，否則會異常復位。其專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶設備連接到Wi-Fi的無線網絡上，進行遠程通信或者局域網通信。該模塊有本地物理控制按鍵，也可通過手機APP進行遠程控制，最多支持四通道的網絡傳輸。

普通單片機的I/O口驅動能力有限，一般只有幾十毫安的水平，而對于本系統的電磁式設備正常工作時的額定電壓為12V，電流更是達到1.5A左右，而且對開關頻率要求不高，所以采用了自主設計的晶體管驅動繼電器作為系統的驅動模塊。如圖3中驅動電路所示。使用晶體管來驅動繼電器時必須將晶體管的發射極接地，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，當晶體管Q1的基極管腳被輸入高電平時，晶體管飽和導通，集電極變為低電平，此時繼電器線圈通電常開觸點閉合，電磁鎖得電動作。當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，經驗值為4.7kΩ。二極管VD1起反向續流的作用，抑制浪涌。通過LED顯示燈來時刻展示繼電器的工作狀態。

圖3 驅動板電路

2.3 STM32最小系統電路設計

STM32最小系統電路的設計至關重要，它相當于機器的大腦。主要由STM32F103C8T6型號MCU、指示燈電路、時鐘電路、電源管理電路、SWD調試接口和復位電路組成，原理圖見圖4。

圖4 最小系統電路

3 系統軟件設計

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

圖5 門鎖系統軟件主程序流程圖

4 系統測試與焊接調試結果

使用萬用表和示波器對系統進行測試發現電磁繼電器動作產生的電火花和電磁場會對物聯網芯片的運行產生干擾，從而導致其復位重啟，經過對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 門鎖系統外殼設計

門鎖系統軟硬件部分已經設計完畢，各項功能已經已經測試完畢。接下來將對門鎖系統的裝配外殼進行3D模型設計。圖7為門鎖系統整體連接圖，圖8為3D外殼裝配后的實物圖。

圖7 整體連接圖

圖8 門鎖系統實物圖

6 總結

本設計的門鎖系統與傳統的指紋控制門鎖相比，具有以下優點：

(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。

(2)將整個系統接入互聯網，設計成具有遠程控制的方案，隨著社會一樣快速發展，將門鎖系統推向萬物互聯，增加其實用性。

(3)創新性的采用EC11旋轉編碼器配合OLED的人機交互系統，摒棄傳統門鎖的矩陣鍵盤設計方案，使得整體外觀設計更加簡潔，使用更加方便。

該系統也存在著不足之處，本文設計重點是實現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，選擇的光學指紋模塊雖然運行穩定但是卻沒有活體識別的能力，容易被復制的指紋欺騙性開鎖。