基于STM32的智能门锁系统

韩晓雨

(南通大学，江苏 南通226019)

随着社会经济、科技的发展，电子技术逐渐深入人们的生产生活。传统的机械化门锁在安全性、便捷性方面已不能满足人们日常需求。目前市场上主流门锁有机械门锁、电子密码智能门锁、IC卡门锁、指纹门锁。机械门锁在安全性、便捷性远远不如智能门锁，具有易丢失、易窃取等缺点。而IC卡和指纹门锁往往用在部分极其私密性场所，成本高、运用不广泛。因此电子密码智能门锁逐渐成为人们生活首选之举。本文设计了一种基于STM32的智能门锁系统。

芯片控制的电子智能门锁系统主要由硬件和软件两个部分组成。硬件要求：由主控STM32G431RBT6芯片及其周边电路构成。密码通过按键模块进行输入。同时存储模块将管理者设置的密码与输入密码比对。LCD显示屏可以实时显示输入部分状态功能，无线通信模块进行与上位机的实时通信，通过PWM控制门锁开关，以及光报警模块这四部分构成了系统输出模块。

软件功能要求如下：

1) 三个按键控制输入三位密码大小，按键1实现第一位数自增，以此类推。另外按键4实现确认功能。

2) 设置3位初始密码(系统默认111)，未输入时显示@@@三个字符。输入密码时LCD显示输入的密码。密码输入正确时，LCD显示欢迎回家，LED1常亮5S后自动熄灭，同时PWM输出占空比50%的2 kHz方波信号使得门锁打开；
密码输入错误时，LED2灯亮起闪烁，同时向上位机发出“ERROR”字符。超过三次输入错误，向上位机发送“Danger！”字符。

3) 修改密码是通过上位机直接发送三位数字从而重置密码。安全性极高，易于修改。

4) 密码锁具有存储功能。可实现掉电保护功能。密码锁锁定后，若已输入系统突然断电则可防止重新输入密码的机械性操作，对智能电子锁起到掉电安全保护的作用。大大方便了操作实现。

如图1所示，给出了本文硬件图。硬件电路分为：STM32G431RBT6为主控芯片、AT24C02储存模块、按键电路、TFT-LCD屏、报警电路、无线通信电路等。

图1 系统硬件图

2.1 主控芯片选择

目前市场常见的电子门锁芯片为STC89C51系列芯片。虽然其价格适中，但是其IO32位接口有限，不适合再将其扩展，同时内存也有限制，不利于后续的扩展升级等。还有FPGA芯片虽然性能很好，但是其价格昂贵，不利于市场扩展。纵观下来还是STM32系列芯片合适。STM32系列单片机,是一款性价比超高、功能强大的系列单片机。它基于专为须要高性能、低成本和低功耗的嵌入式应用而设计的arm Cortex-M内核,拥有最好的外设:1 μS双12位ADC、4 Mbit/s UART、18 Mbit/s SPI等，在功耗和集成度上也有不错的表现[1]。同时其开发板具备晶振、存储器等设备，极大地节省了成本。

2.2 LCD显示模块

2.4×2.8 TFF-LCD显示模块为国信长天的UC8230s控制芯片，可实现10×20的字符显示。该显示模块的性价比高，使用方便。因此，在设计智能门锁时，综合衡量，选择该款芯片作为显示模块。

2.3 存储模块

EEPROM硬件引脚绑定如图2所示。AT24C02是低功耗CMOS型EEPROM，内含256×8位存储空间。具有读写速度快、可擦写次数多、抗干扰性强、体积小、数据不易丢失等特点[2]。采用IIC总线读写方式进行数据的传输。占用较少的内存和IO接口，节省了资源，十分的方便，综上所述选择AT24C02是不二之选。

图2 AT24C02硬件引脚绑定

2.4 无线传输模块

选择HC-05蓝牙串口穿透模块作为无线传输模块，是因为HC-05蓝牙穿透模块的无线工作频段在2.4 GHz左右，属于全球的免付费免申请的ISM频段之间；
模块最大发射功率为4 dBm，接近于2.5 mW，接收灵敏度-85 dBm，由此看出较弱的蓝牙信号都能接收到；
通讯接口为UART 3.3 V TTL电平；
板载的蛇形PCB天线可以实现大约10 M距离的无线通信传输[3]。HC-05具有6个引脚，VCC、GND、EN、STATE、RXD、TXD。其中VCC接5 V电压，GND接地，RXD和TXD接STM32G431的PA9与PA10。蓝牙模块连接如图3所示。

图3 HC-05引脚连接

2.5 按键输入与LED模块

按键模块使用4个独立按键，与STM32G431的PB0～2和PA0接口连接。通过与定时器连用，实现消抖功能。每次单击实现密码的自增功能(0·～9循环自增)。

LED灯与STM32G431的PC8和PC9接口连接。使能信号与PD2连接。使能引脚拉高则可点亮，LED共阳极，PC8、9引脚拉低点亮。

智能门锁控制系统的软件设计主要分为主程序、TFF-LCD显示程序、AT24C02读写存储程序、无线串口通信程序、按键电路、LED电路及中断服务程序的设计。实现密码输入、实时显示、修改密码、报警设备、开关锁设备的功能。系统流程图如图4所示。

图4 系统流程图

3.1 按键设计与页面设计

按键1～3实现输入密码功能。按键4实现确认密码功能。

页面设计分为三个页面，页面一为：“请输入三位密码：@@@”。页面二为“输入密码为：123”。页面三为：“welcome home”。默认为页面一。当有按键按下，执行页面二。密码正确进入页面三。

3.2 软件功能调试

1) 若输入密码正确,流程如图5所示。a) 初始为页面一“@@@”;b) 检测有按键按下则到页面

二“显示相应数字”;c) 与设置密码比较，成功进入页面三“welcome home”并发送PWM信号持续5 s，打开门锁4.5 s后返回页面一。

图5 密码正确显示流程

2) 若输入密码失败,如图6所示。a) 初始为页面一“@@@”;b) 检测有按键按下则到页面二“显示相应数字”;c) 与设置密码比较，错误后直接返回页面一，若一次错误则向上位机传输“ERROR”，三次则传输“dangerous！！！”

图6 密码输入错误上位机收到消息

智能门锁经过不断调试和优化，准确率高达100%。当然这也是一个门锁必备的功能。目前市场上的电子智能门锁各种各样，功能也是层出不穷。智能门锁相比机械锁的突出优点就是安全性高、便携性好、不易丢失。按键式的智能门锁市场广泛；
IC卡式，容易丢失、损坏、成本高；
生物识别式电子锁的成本高，多用于私密性强的地带。但是智能门锁也有一定的缺点，若遗忘密码，且不会掌握上位机的老年用户使用较为困难。但是我相信随着一次一次的进步，必然会变得更好。

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