【基于单片机的车库智能门锁控制系统设计9200字（论文）】

基于单片机的车库智能门锁控制系统设计摘要随着人们生活档次变得越来越好，汽车的使用变得广泛。关于私家车车库防盗这一问题的实现也引发了人们的思考。若依旧选用之前的机械锁，人们需要随身携带多把钥匙，一旦钥匙遗失，其安全性将会大打折扣。相较于以前，电子密码锁在安全性方面有了很大提高，除此之外，其购买成本也相对较低且同时拥有高保密性以及强灵活性等优点，因此在广大群众中也备受瞩目。本次设计的关键在于以密码锁为核心来构成一种符合预期防盗性能的私人车库电子密码锁。该私人车库防盗密码锁系统的构成大致具有AT24C02芯片、蜂鸣器、继电器、电机几个部分，其中人机交互方面主要依赖蓝牙键盘与蜂鸣器两个部分来实现。其功能大致可以描述为使用者通过键盘输入密码，之后由单片机读取并识别，最后由蜂鸣器告知输入密码正确与否。蜂鸣器响则代表输入密码错误，反之则代表密码输入正确。确认密码输入正确之后，由继电器带动电机正反转控制车库卷帘门。本文对系统整体所需实现功用、各组成模块的对比及选择、硬件组成、软件组成以及整个系统实现功能的具体原理进行了简单的介绍。关键词：单片机系统；AT24C02；液晶屏幕；蓝牙模块目录16479第1章引言 I第1章引言在现实生活中，很多场合都需要使用锁来解决一些安全性问题，像一些高档小区、银行、科研场所等一些很注重安全性问题的场合，锁的使用是必不可少的。之前一般使用的锁为针型锁，用户出门必须携带一大串极其沉重的钥匙，增加了出门的负担。更为严重的是在某些不经意的场合，钥匙的遗失甚至可能会影响人的生命安全。由于种种的不便，人们开始构思怎么解决这个问题，便有了密码锁的产生。因为其便利性大大超过传统锁，所以渐渐取代了传统锁。本设计大致由单片机、不易失存储器以及外围电路组成，其中主控芯片中所应用的程序是由汇编语言编写，最终目标是实现一种可以修改密码多次并且可以在密码输入错误后可以报警的智能门锁控制器。需要一块液晶显示屏，一块微控制器及一些简单外围电路设备构成了一个智能门锁控制系统。密码可任意设定4~8位可变长度密码，当连续输入3次错误密码，键盘将自锁一段时间并报警，以防恶意破解。按键功能有输入、清除键、退出、确定等完整按键。采用了常规的手机字母按键编码方式。本论文由系统总体框架设计思路及硬件对比选择、系统硬件电路设计、系统软件程序设计、系统实物调试、结论几个部分构成。第2章系统总体设计2.1设计需求为了实现私人车库的远程解锁，保护私人车库的财产和信息安全，本文设计了报警、远程控制、修改密码等功能为一体的为了提高锁的安全性，集成了基于单片机的私人车库蓝牙无线密码锁系统。以下就是对其功能简单的介绍：(1)为储存设置的密码，在芯片方面选择了AT24C02芯片，该芯片不仅可以储存密码，并且还具有在掉电之后保存密码的功能。(2)初始密码的设定与密码的更改都可以由用户自己操作，但是若是选择重置密码，则需要连续正确输入前一个密码两次之后才可以更改。(3)密码输入错误3次，蜂鸣器鸣响30秒，报警锁定，屏幕显示“Removecountdown”倒计时；(4)密码输入正确，继电器吸合，开锁指示灯亮，屏幕显示“unlocksuccess”，单片机发送开关门指令，电机正反转带动卷帘门开关。(5)考虑到节约电能这方面，屏幕采用了可以根据天气变化而进行相应变化的新型光学感应系统的液晶屏幕；(6)为实现远程操作这一功能，本设计中加入了蓝牙模块。当发现有物体靠近时，可以感应并且通过手机输入密码来控制车库开关。2.2系统设计思路运用单片机作为主要控制系统。单片机之所以在集成电路中被称为微型计算机系统，是因为它是一种虽然小但是却很完整的芯片。它还由于其稳定的性能并且可以实时监测并且报告这一特点而常被应用于工业中[1]。本次设计中，除了使用单片机以外，还需要再外接液晶显示器（用于方便用户判断自己操作过程的正确与否的解释）、蓝牙模块（用于实现远程操控）、存储芯片（用于记忆储存设置的新旧密码）等器件，单片机上的I/O口可以用来与外部设备连接并控制。这样就给用户提供了即使距离系统远近程度不同都可以很方便的输入密码的方式—蓝牙App。如果把密码输入正确，将会有继电器吸合的变化，表现出来既是开锁指示灯亮并且屏幕会呈现“unlocksuccess”标志，紧接着卷帘门打开。如果有输入密码错误的情况，那么蜂鸣器将会发出对应的警报。若一次输入错误，蜂鸣器会响一次。输入两次错误，会响两次。如果连续三次输入错误内容，那么蜂鸣器将会一直保持警报状态30秒，整个系统将不能立即再通过外界输入密码来解除这一警报。第3章硬件设计3.1系统硬件设计本次设计由主要控制模块、芯片模块、液晶显示模块、继电器驱动模块、蜂鸣器模块与蓝牙模块共同组成。整个系统的运行取决于单片机判断由用户通过蓝牙输入的密码内容是否正确，之后再根据内部程序设定来执行相应的应对措施。如果把密码输入正确，将会有继电器吸合的变化，表现出来既是开锁指示灯亮并且屏幕会呈现“unlocksuccess”标志，紧接着卷帘门打开。如果有输入密码错误的情况，那么蜂鸣器将会发出对应的警报。若一次输入错误，蜂鸣器会响一次。输入两次错误，会响两次。如果连续三次输入错误内容，那么系统将会自己判定为密码失窃，蜂鸣器将会一直保持警报状态30秒，整个系统将不能立即再通过外界输入密码来解除这一警报。基于单片机的私人车库智能门锁控制系统的硬件原理框图如下图3.1所示。图3.1基于单片机的私人车库智能门锁控制系统的硬件原理框图3.2主要控制模块根据上述比较得知用单片机作为主控模块具有方案一不具有的很多特点，所以在本设计中让单片机作为核心部分，担任至关重要的作用。预考虑的是STC89C52和STM32两种型号的单片机，两种单片机对比如下所示：方案一：STC89C52单片机STC89C52单片机拥有许多优点，例如运转速度极快、能耗低，还具有可以抵抗很多外部因素等特点。另外，由于其自身存在的强大的处理器以及巨大的运行空间等特点，为STC89C51单片机的使用又增加了多样性的可能。方案二：STM32单片机STM32单片机由于性能优异，使用起来比STC89C52单片机复杂的多，因此本次设计不准备使用STM32单片机[9]。通过两种方案相比较，认为方案一更加具有低要求、强功能的特点，在实现全部功能的前提下还可以在更小的范围内得以实现。所以经过严谨的考虑与对比，最终选择方案一作为本次设计的实际执行方案。相较于STM32单片机来说，STC89C52单片机拥有以下几个特征：（1）由于其空间较大，因此可以供应储存空间给内部程序；（2）在工作工程中最多可以使用三个定时器；（3）很好的避免周边的干扰并且可以实时显示当时的工作状态[9]。STC89C52单片机各引脚解释原理图如下图3.2所示。图3.2STC89C52单片机各引脚解释原理图本设计的系统为最小系统（因为仅需最少的零部件就可以组成并且支持单片机工作而得名）。就一个系统而言，单片机、晶振、复位电路三个部分是必不可少的[11]，当然最小系统也不例外。其中，晶振电路和复位电路两个部分可以使单片机得以稳定运行。因为最小系统可以说是所有系统的基础，因此我们通常称之为整个系统的核心。日常完成很多重要的工作还得归功于对其进行相应的操作以及改善。单片机最小系统原理图如下图3.3所示。图3.3单片机最小系统原理图(1)晶振电路晶体振荡器的简写即为晶振电路，它在本次设计中起到一个提供信号的作用，该信号可以被单片机所识别并且通过单片机发出相应指令。晶振在整个系统维持单片机正常工作方面占领了核心位置。STC89C52晶体振荡器原理图如下图3.4所示。图3.4STC89C52晶体振荡器原理图(2)复位电路单片机运行过程中的复位工作就由复位电路所承担，就和重启按键对于计算机的功能一样。对于单片机，只需要有复位电路就也可以实现“重启”这一功效。一旦计算机在操作过程中遇到卡顿或者不能正常执行所需操作时，将会考虑重启。单片机也类似。选择开启复位电路就可以当没有办法进入下一步操作步骤时，使得单片机可以恢复出厂设置，从而就可以重新设定所需要的参数。这个过程只需保证第9引脚持续2微秒高电平就可以实现“重启”功能。复位电路原理图如下图3.5所示[11]。图3.5STC89C52复位电路原理图3.3存储模块考虑到储存空间、使用可行性以及能耗等因素，决定采用AT24C02作为本次设计所需芯片。其具有2K位的超大储存空间、使用了较高实用性的I2C技术以及极大程度降低耗损的CMOS技术。不仅如此，AT24C02芯片也由于其自身拥有的页写缓冲器以及工作于I2C接口处这一特性使得可以为所设计的系统提供相对较强的稳定性与安全性。当然，其早已被应用于之前的很多试验中，由于其属于EEPROM寄存器，所以具有被存数据在断电的情况下也不会消失，这就可以用来储存一些容易在断电之后被消除而产生严重后果的重要数据。AT24C02芯片各管脚对应功能描述和相关参数见表3-1和表3-2。芯片一般都是通过发送器来传输信号的零件。同样，其它设备接收其发送的信息依旧通过发送器传输。另外，整个信号的传输过程可以通过观察总设备而得知。这样就可以实时的检测到哪一部分出现问题并及时更改方案并采取措施，从而更加有利于避免因问题处理不及时而产生巨大损失这一情况的出现。开关信号仅可以通过主设备采取控制，但对应的操作工作不仅可以主设备可以进行，辅助设备上依旧可以。表3-1AT24C02芯片各管脚对应功能描述表3-2AT24C02芯片相关参数3.4液晶显示模块显示模块主要用于显示之前设置的想表达的信息。上文中提到的继电器吸合之后出现的“unlocksuccess”字样就可以在此得以实现。本次设计目标是让显示模块上同时显示两行字符，针对这一问题预设计了两种实现方案，对比如下：方案一：LED数码管LED数码管偏向于展示数字，采取的动态扫描法在使用过程中可以占用较少的端口，且电路结构比较通俗易懂，价格也相对便宜。但是本次设计在显示方面对展示数据的个数有过高的要求，若想要完全显示仅仅凭借展示的数字还难以表述完整我们的预期。故本方案未被采纳。方案二：LCD显示器仅凭单片机就可以完成驱动LCD的目的，与上个方案中所述LED数码管相比较，其可以同时显示多个符号（除数字以外，还可以有英文和一些特殊符号），这就同时解决了上述方案中个数不够以及表述不完整这两个困难。同时LCD显示器还具有程序编写简单、价格便宜、重量轻、体积小、低功耗等特点。经比较发现，为满足个数要求，只需一个的LCD显示器相对便宜、程序通俗易懂、编写难度相对容易且能满足大量显示字符这一要求，已达预期，故选用LCD显示屏应用于本模块功能的实现。其实物图如下图3.6所示。图3.6LCD显示器实物及其原理图展示液晶之所以可以显示是由于液晶这一物质在放入能导电的物质中之后，各粒子由于两电极之间产生的电场之间会进行扭曲并产生电磁效应。光源的投射和遮蔽就可以实现，之后再通过控制电源按钮形成明暗现象。这种现象只会在液晶被通电之后才会显现出来。相较于传统的显示器，现如今一般的液晶显示器均具有较薄的厚度，而且可以展示的内容也相对丰富了些，目前液晶显示屏的应用可以说是随处可见。例如挂壁式电视以及电脑显示屏。在市场上拥有着诸多类型的液晶显示器，我们可以通过其显示方法可以将它分为反射型、透射型以及半透射型；还可以根据显示颜色不同可以分为单色、双色、全彩。液晶显示屏上显示的字符由于其字符之间通常都由非常复杂的排列方式--矩阵，共同排列进行组成，因此在实际工作之前，就需要确认好每个字节的功能体现，将0赋给并不显示的字节，将可以显示的字节赋值为1，这样就方便了在实际工作中出现的问题进行排查的过程。LCD显示器各引脚接口解释和进行相应操作所得命令见表3-3和表3-4。3.5继电器驱动模块在本次设计中，将通过观察继电器的工作状态来判断并且认知电子密码锁的工作状态。本次设计通过电磁锁的加入以达到放大开关信息表现这一目的。如同上文所述单片机、晶振电路以及复位电路对于最小系统的意义一样，继电器内部必须要拥有铁芯以及线圈两个部分。当施加电压在（线圈的）某一特定位置时，继电器将会由于产生电磁效应而变成开启状态，随后电磁锁也跟着打开。但若是之后电源被关闭，那么电磁效应将会不复存在，因此将会引发继电器关闭，电磁锁也将关闭。表3-3各引脚接口解释表表3-4相应操作命令表继电器可以根据其所处的压力状态不同而转换成适合的状态工作。继电器如下图3.7所示。图3.7继电器实物及其原理图展示3.6蜂鸣器模块为了在输入密码过程中可以通过声音判断密码输入正确与否，在本次设计中还另外接入了报警器模块。人们就可以不仅是通过液晶显示屏才可以得知密码是否输入正确。超过三次输入错误的密码，报警器将会持续发出短促的警报声。这一现象也可以作为一种提醒方式。接下来就是考虑该选择哪一种报警器比较合适。为此预先考虑了两种方案，对比如下。方案一：ISD4004ISD4004是一种集成芯片，由于其除自身以外还需要扩充扬声器才可以驱动电路、控制方式很繁琐、复杂的电路设计以及性质不稳定等特点。所以放弃了此方案。方案二：蜂鸣器相较于方案一中的ISD4004集成芯片，蜂鸣器具有电路通俗易懂，性能相对稳定、性价比较高等优点。通过结合两种方案的优缺点相比较，蜂鸣器由于其价格便宜、易于操作等特点而更具优势，所以本次设计中的报警器部分的功能实现由蜂鸣器担任。目前驱动的工作方式已成为大部分蜂鸣器的主流使用方式，而蜂鸣器是否被驱动通常为判断接收到震荡源的情况。若有即可获得驱动并且工作。相应的，若是没有接受到震荡源则不会工作。由此可见得，蜂鸣器工作的前提即为相应的方波的输入。另外由于蜂鸣器的工作所需电流较大，为解决这一问题通常会在蜂鸣器运行过程中添加一个三极管，利用其放大特性来放大电流以稳定蜂鸣器的工作。因此，三极管在蜂鸣器运行过程中的也占据了重要的位置。其中蜂鸣器的实物图如下图3.8所示。图3.8蜂鸣器实物及其原理图展示3.7蓝牙模块蓝牙模块的加入，其主要意义即为实现远程输入密码。方便用户可以在距离系统较远时也可以完成密码的输入从而开启车库。除此之外，蓝牙模块还可以很轻松的兼容于单片机系统，因此程序的编写也相对容易了些。针对蓝牙模块的选择，预先考虑了两种方案，对比如下。方案一：HC-05蓝牙模块HC-05蓝牙模块是一款性能较高、拥有相对齐全的指令、主从之间可以进行指令的任意切换、名字和密码可以根据用户喜好来进行更改的的串行端口模块。方案二：HC-06蓝牙模块HC-06蓝牙模块尽管也具有较高的性能、主从之间仍然可以进行指令的切换、但是其指令个数相较于HC-05来说相对较少且不齐全，且模块的名字和密码不可以进行更改。经上述两个方案比较可得，两款模块都具有性能高、灵活性强的优点，但由于HC-06蓝牙模块缺乏足够的指令种类并且不能修改模块的名字与密码。不能完全满足本次设计的要求，故选择第一种设计方案。方案一种所提HC-05蓝牙模块当下的工作类型大致可分为两种—自动与命令响应。首先介绍的为是自动工作类型。所谓自动，即是在不需要人为干涉的情况下就可以由模块“自己”决定采取何种措施来进行对应的工作。而接下来所提模式则是命令响应工作类型。在这种工作类型下，用户根据自身意图发出的指令控制是可以改变模块的执行情况的。与之前的自动工作类型相比，该工作类型在未受到控制命令的情况下是不会让模块自动进入工作状态的。蓝牙模块实物图及其原理图如下图3.9所示。图3.9蓝牙模块实物及其原理图展示3.8电机模块由于需要控制卷帘门开关来实现车库这一部分的功能，因此在硬件部分使用了电机模块，通过与继电器连接，用继电器作为开关，使得电动机三相电源进线中的任意两相对调接线，从而实现电动机的正反转，即卷帘门开关这一目标就可完成。电机模块的实物图及其原理图如下图3.10所示。3.10电机实物图及其原理图展示3.9系统总体电路系统整体电路如下图3.11所示。图3.11系统总体原理第4章系统软件设计4.1软件设计及其开发环境本次软件设计是通过KeilμVision4得以执行的。这个开发环境（1）与汇编相比具有易学易用的明显优势；（2）其包含有强大的仿真调试工具。这一特点可以在选用C语言编程的过程中事半功倍。在此基础上，KeilμVision4和它的上一代相比又添加了一些全新的特征：（1）可以提供较为便捷的窗口管理系统（可以将其拖放到视图的任意地方）以及支持多显示器窗口给使用者，帮助使用者在调试过程中更加方便的控制全局；（2）能够简化工作区的内容，给使用者提供一个整洁高效的视觉环境；（3）其编辑功能极为强大，整个系统编程的大部分都被其所包含并且与前者相比，其包含的方面更加全面。KeilC51软件是美国KeilSoftware公司（ARM公司之一）于20世纪末期开发的附属于五一单片机下的一个系统。与之前使用广泛的汇编语言相比，该系统着重考虑了可靠性、科学性以及便携性这几个方面所存在问题并加以改善，从而使用者出门携带不便这一问题也得到了有效解决。在实际开发过程中由于其包含有功能强大、种类繁多的仿真调试工具，所以使用起来也更加具有完整性与可靠性。KeilμVision4开发环境部分示例如下图4.1所示。图4.1KeilμVision4开发环境部分示例4.2编程语言的选择由于本次设计程序的编写难度较大且内容相对复杂，结合预期所需实现的功能以及上文所选元件运行需求，选用相对于汇编语言较为通俗易懂一点的C语言作为编写本次程序的编程语言。C语言因为其使用所需要求比较容易实现，所以得到广泛的应用。不仅如此，它还具有比汇编语言更快的运行速度并且易于调试和修改。即使运行速度快，其质量依旧可以保证不亚于汇编语言。具有高效性这一特点。在修改的过程中又可以不断地改善编写过程中存在的问题，系统的全面性与合理性得以提高[12]。因此可以更加有利于使用者对软件以及系统进行相应的控制的过程；4.3程序流程图本次设计的软件部分相对简单，主要由主程序和子程序以及对密码进行相关设定的程序三个部分组成。首先，对每个模块进行初始化并且判断是否有锁定标志1出现。若存在，键盘将会被锁定并且蜂鸣器启动。若没有则进入下一步结合使用复位模块，若识别到有标志1出现则输入清零。若没有则继续识别按键。后面还可以识别出数字键、功能键。因为密码个数之前就设定为八位。所以当读取到有效输入次数达到八位时，密码将被记录并且输入操作结束。主程序流程图如图4.2所示。本次设计由多种模块共同组成，每个模块的运行都需要与之相对应的子程序进行控制。多个子程序也就组成了主程序。将主程序划分为多个子程序的优点就是当发现问题了之后可以直接去修改子程序而替换了之前将程序从头到尾浏览一遍繁琐的过程。本次设计的信号输入使用蓝牙键盘。其输入信号需要由单片机所识别并读取。之后就由单片机寻找键盘被按的对应位置，通过读取内部记录的各按键的不同位置对应的不同功能得到本次按下的是那个按键。键盘扫描子程序流程图如图4.3所示。图4.2主程序流程图图4.3键盘扫描步骤部分流程图如若想要将密码进行重置，仅需要通过连续输入旧密码两次的方式即可实现。重置设置完成的密码将会被AT24C02芯片内部所存储。当重置密码操作步骤完成之后，就需要再次进入到开始输入密码的界面，输入新设置的密码之后才可以正常使用。AT24C02芯片由于其属于EEPROM寄存器，所依具有被存数据在掉电之后不会消失的特性，此时即使关机再重新开机，刚刚设置的新密码也不会存在丢失的风险。密码设置子程序流程图如图4.4所示。图4.4密码设置步骤部分流程图第5章系统测试5.1电路板实物本系统最终以实物形式呈现，因此需要购买元器件并通过手工焊接制作成成品。如图5.5为系统实物图，其中左图为系统正面，右图为系统反面。图5.1实物图展示5.2功能展示测试方法：将蓝牙按照正确方式复位，接通电源，打开蓝牙控制软件用手机连接HC-05，输入不同的数字可以代表不同的功能。10（返回主界面）、11（进入修改密码的界面）、12（清零）、13（进入输入现有密码的界面）、15（确认）。测试结果：如图5.2所示为系统接通电源之后状况图5.2系统开机界面当输入正确密码之后，屏幕将会显示“unlocksuccess”的标志，并且继电器旁边的红色LED灯将会被点亮，如下图5.3所示。图5.3输入正确密码界面当输入密码错误两次以内之后，都将会出现“passworderror”的字样，如下图5.4所示。图5.4密码输入错误状态当连续输入密码错误三次，将会出现液晶显示屏上方的红色LED的被点亮，并且屏幕上将会显示倒计时30秒的字符“removecountdown”。如下图5.5所示。图5.5连续输入三次错误密码展示若接着上面的步骤，可以先输入10，返回主界面。然后再输入11，进入更改密码界面，将会出现如下图5.6中的情况。图5.6输入新密码提示展示之后就可以输入密码，和之前输入密码的界面有所不同，本次输入密码，屏幕上面会将输入的数字展示出来，而之前都是用*代替。如下图5.7所示，本次重置密码为八个0。图5.7重置密码为8个0展示如图5.8所示。再次输入8个0。图5.8首次输入8个0之后就需要重复一次之前输入的密码提示，如图5.9所示。图5.9再次输入8个0成功输入后，将会出现重置成功的标志“resetthesuccess”。如图5.10所示。图5.10重置成功展示测试结论：经测试，该液晶显示数据变化与原设定数据一致，可知