單片機(jī)密碼鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2587單片機(jī)密碼鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 151481.1硬件設(shè)計(jì)方案 1167991.2微處理模塊 2102271.3電源電路設(shè)計(jì) 4297071.4液晶顯示電路設(shè)計(jì) 4285381.5報(bào)警電路設(shè)計(jì) 618441.6繼電器電路設(shè)計(jì) 6262111.7存儲電路設(shè)計(jì) 7185451.8矩陣鍵盤電路及指紋電路設(shè)計(jì) 729221.9燒錄接口設(shè)計(jì) 91.1硬件設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的多功能密碼鎖設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)要求以及設(shè)計(jì)方案選擇，本章主要是進(jìn)行硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊電路驗(yàn)證。首先對電路涉及到的功能選擇合適的器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如濾波電容、限流電阻選擇適合本電路要求的器件。最終按照設(shè)計(jì)的方案繪制原理圖和PCB版圖。本設(shè)計(jì)主要由微處理器、指紋模塊、蜂鳴器提示模塊、液晶屏顯示模塊、矩陣按鍵模塊、存儲模塊以及繼電器模塊組成，整個(gè)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.2微處理模塊單片機(jī)最小功能系統(tǒng)主要由單片機(jī)+時(shí)鐘電路+復(fù)位電路組成，要想單片機(jī)能夠正常運(yùn)行，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路為必不可少缺少的部分，時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供精度的時(shí)鐘脈沖。本設(shè)計(jì)采用的STM32F103C8T6單片機(jī)，主要對它的電源、晶振、系統(tǒng)時(shí)鐘等進(jìn)行設(shè)置。電源電路是由低壓線性穩(wěn)壓器將5V電源轉(zhuǎn)換成1.3V電源，它主要為單片機(jī)供電。單片機(jī)是低電平復(fù)位（引腳NRST）。其中的電容C12的目的是按鍵消抖，防止在按鍵剛剛接觸或松開時(shí)電平抖動引發(fā)錯(cuò)誤動作。本設(shè)計(jì)選擇使用STM32系列單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，型號為STM32F103C8T6［7］。設(shè)計(jì)選擇購買STM32C8T6單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)電路包含單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、LDO降壓電路、供電接口電路、上電接口電路、上電運(yùn)行指示燈電路以及下載調(diào)試接口。STM32F103C8T6具有很多優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，為了防止電路中電源存在干擾以及紋波，設(shè)計(jì)時(shí)需要對單片機(jī)中VCC和VDD關(guān)鍵進(jìn)行增加濾波或者電容進(jìn)行保護(hù)，單片機(jī)濾波電路圖如圖3-2所示。圖3-2單片機(jī)濾波電路圖STM32單片機(jī)外部系統(tǒng)時(shí)鐘一般選擇無源8MHZ晶振進(jìn)行設(shè)計(jì)［8］。將晶振兩端接上負(fù)載電容同時(shí)將晶振兩端接到單片機(jī)的第5和第6管腳處并且沒有極性之分，負(fù)載電容選擇根據(jù)晶振規(guī)格書中的CPL進(jìn)行配置。單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路除了時(shí)鐘電路還需復(fù)位電路才能正常工作，復(fù)位節(jié)約了成本又不失正常功能，所以選擇阻容復(fù)位電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件電路中阻容復(fù)位就可以滿足需求，程序中增加獨(dú)立看門狗設(shè)計(jì)防止跑飛。通常硬件設(shè)計(jì)會為了防止單片機(jī)使用過程中處于跑飛或者死機(jī)狀態(tài)，所以常常在硬件設(shè)計(jì)時(shí)增加手動按鍵復(fù)位電路。最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3-3所示。圖3-3最小系統(tǒng)電路圖1.3電源電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選擇使用外部5V電源為整個(gè)系統(tǒng)供電進(jìn)行設(shè)計(jì)。5V電源一路給舵機(jī)模塊、語音模塊功能以及單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊供電。5V電源另一路通過1.3V輸出的LDO給指紋模塊、鍵盤模塊以及顯示模塊供電。本設(shè)計(jì)采購的模塊自帶1.3V降壓芯片輸出1.3V為整個(gè)單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)供電；輸入電壓選擇外部5V供電設(shè)計(jì)；并接有C14/C15為退偶濾波電容，防止電源紋波過大影響芯片輸出；并在輸出端也接有/C16/C17濾波電容設(shè)計(jì)，防止輸出端產(chǎn)生的干擾大影響單片機(jī)正常工作；所以電源電路設(shè)計(jì)非常重要，必須外接一些旁路、退偶和濾波電容進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫PCB時(shí)將這些電容放在電源輸入和輸出端口最近的位置［9］。具體電路如圖3-4所示。圖3-4電源設(shè)計(jì)電路1.4液晶顯示電路設(shè)計(jì)該液晶可以顯示數(shù)字、字符。該液晶屏與單片機(jī)控制時(shí)序管腳接口為RS、RW、EN，三根控制線即可完成時(shí)序控制，按照時(shí)序控制寫命令和寫數(shù)據(jù)單片機(jī)控制液晶屏的D0到D7數(shù)據(jù)管腳即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。為了顯示更加清晰，液晶屏的V0管腳需要外接滑動變阻器來調(diào)節(jié)對比度來增加顯示效果，通常選用的滑動變阻為10千歐。常用的LCD1602液晶屏內(nèi)部寄存器中增加很多顯示功能控制，例如滾動顯示、字符閃爍顯示等等，這些都為設(shè)計(jì)增加顯示特效。液晶屏顯示地址區(qū)域圖，通常代碼編寫時(shí)第一行從0X80開始執(zhí)行，第二行從0XC0開始執(zhí)行。LCD1602內(nèi)部地址顯示圖如圖3-5所示。LCDLCD16字×2行000102......08090A0B......0F10......27404142......48494A4B......4F50......67圖3-5LCD1602的內(nèi)部顯示地址圖液晶屏第一管腳為GND，第二管腳為VCC，第三個(gè)管腳為對比度調(diào)節(jié)管腳，第四、第五、第六管腳為時(shí)序控制管腳，第七到十四管腳為數(shù)據(jù)關(guān)腳，第十五和十六管腳為背光控制管腳。由于單片機(jī)PB口接到液晶屏數(shù)據(jù)控制管腳，顯示電路如圖3-6所示。圖3-6LCD顯示電路設(shè)計(jì)圖1.5報(bào)警電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，選擇使用蜂鳴器作為報(bào)警的器件。因?yàn)榉澍Q器它的體積小，并且電路設(shè)計(jì)簡單，使用的電壓式蜂鳴器發(fā)出的聲音精銳刺耳，更容易讓人警覺。在硬件電路設(shè)計(jì)中，I/O口能夠提供的電流小，不能直接驅(qū)動蜂鳴器，只能通過添加驅(qū)動的方式使蜂鳴器工作，發(fā)出更大的聲音。單片機(jī)I/O口通過一個(gè)驅(qū)動電路來控制蜂鳴器工作，以三極管S9012為驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并有限流電阻通過單片機(jī)的I/O口控制三極管的通斷，當(dāng)單片機(jī)I/O口被置低電平時(shí)三極管導(dǎo)通，蜂鳴器蜂鳴，反之蜂鳴器關(guān)閉報(bào)警。聲音報(bào)警電路如圖3-7所示。圖3-7聲音報(bào)警電路1.6繼電器電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用繼電器模擬電子鎖開關(guān)設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)輸出電流不能滿足繼電器工作狀態(tài)以及繼電器屬于電磁器件再關(guān)斷瞬間會對單片機(jī)管腳造成大電流沖擊會損壞單片機(jī)，所以通過NPN型三極管來控制繼電器工作；當(dāng)單片機(jī)給三極管高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通使得線圈帶電，電磁鐵吸合后級負(fù)載帶電，表示電子鎖打開；當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，線圈沒有電，電磁鐵斷開，繼電器不工作；表示電子鎖關(guān)閉。具體電路設(shè)計(jì)如圖3-8所示。圖3-8繼電器電路圖1.7存儲電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要對設(shè)置的密碼和指紋信息進(jìn)行保存。并且掉電后不能丟失設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)選擇AT24C02存儲芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。該芯片通訊屬于IIC通訊接口，并且存儲空間為2KB設(shè)計(jì)，芯片分為地址線A0到A2接口，通訊線分為數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線接口（SDA和SCL）以及寫保護(hù)端口WP組成。該芯片供電電壓一般在3V到5.5V進(jìn)行設(shè)計(jì)，與單片機(jī)連接將時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線接到I/O口，并且外接2.7KΩ的上拉電阻，儲存電路圖如圖3-9所示。圖3-9存儲電路圖1.8矩陣鍵盤電路及指紋電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要通過按鍵設(shè)置密碼、刪除指紋和密碼按鍵以及指紋錄入按鍵。設(shè)計(jì)至少有0到9這十個(gè)數(shù)字信息，再加上其他功能按鍵等等，所示至少需要14個(gè)按鍵才可以實(shí)現(xiàn)基本密碼鎖功能設(shè)計(jì)，為了節(jié)省單片機(jī)I/O口并根據(jù)使用按鍵的個(gè)數(shù)分配，所以選擇4×4的矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，矩陣鍵盤設(shè)計(jì)是將按鍵進(jìn)行行列方式連接到單片機(jī)的I/O處，這樣編寫代碼也比較容易。矩陣鍵盤電路如圖3-10所示。圖3-10矩陣鍵盤電圖指紋模塊中使用光學(xué)指紋模塊進(jìn)行指紋錄入。該指紋模塊工作電流不大于6mA，工作電壓為1.3V，窗口面積大，指紋錄入時(shí)間短，小于1秒。并且與單片機(jī)通訊端口為串口通訊，并設(shè)有指紋感應(yīng)管腳，指紋模塊實(shí)物圖如圖3-11所示。圖3-11指紋模塊實(shí)物圖其中1腳的紅線接1.3V；4腳接單片機(jī)的接收管腳，5腳接單片機(jī)的發(fā)送管腳，3腳接電，2腳接單片機(jī)的I/O用于檢測感應(yīng)指紋信息，6腳為感應(yīng)模塊電路的地。指紋電路電路圖如圖3-12所示。圖3-12指紋電路圖1.9燒錄接口設(shè)計(jì)STM32單片機(jī)可以通過JTAG或者SW