基于單片機(jī)智能鎖控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31730基于單片機(jī)智能鎖控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1283901.1系統(tǒng)硬件整體描述 132481.2主控芯片的選擇 2284941.3RFID模塊通信設(shè)計(jì) 3296201.4指紋模塊通信設(shè)計(jì) 43041.5薄膜鍵盤模塊設(shè)計(jì) 6272381.6舵機(jī)模塊設(shè)計(jì) 753021.7語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì) 7212791.8ESP8266-01模塊搭建 8210641.9報(bào)警模塊設(shè)計(jì) 91.1系統(tǒng)硬件整體描述本次設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別開鎖，按鍵密碼開鎖，RFID刷卡識(shí)別開鎖，APP連接WIFI一鍵解鎖。設(shè)計(jì)中芯片采用了STM32F407VET6芯片作為主控芯片，通過芯片搭載豐富的接口來(lái)完成本次設(shè)計(jì)搭建，設(shè)計(jì)中使用了OLED顯示屏作為按鍵密碼輸入顯示功能。4x4薄膜按鍵來(lái)輸入密碼，選擇相應(yīng)操作。使用RFID-RC522模塊通過SPI通信模式搭建了刷卡模塊，指紋識(shí)別功能選擇了AS608光學(xué)指紋模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些器件的搭建實(shí)現(xiàn)了智能鎖項(xiàng)目的三種開鎖方式，開鎖過程有相應(yīng)的語(yǔ)音提示，主要是開鎖成功是，會(huì)提示“開門”，關(guān)門也會(huì)提示“關(guān)門”，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤，會(huì)提示密碼錯(cuò)誤。提示語(yǔ)音模塊采用了JQ8900-16P語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。開鎖過程采用了舵機(jī)來(lái)模擬，當(dāng)密碼正確時(shí)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)90度，當(dāng)門鎖上之后在復(fù)位。WIFI通信模塊采用了機(jī)智云平臺(tái)+ESP8266模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)APP控制門鎖。整體框架如圖5-1所示語(yǔ)音播報(bào)語(yǔ)音播報(bào)舵機(jī)顯示屏舵機(jī)顯示屏指紋識(shí)別指紋識(shí)別RFID刷卡STM32F407VET6RFID刷卡STM32F407VET6按鍵模塊WIFI按鍵模塊WIFIFLASHEEPROM手FLASHEEPROM手機(jī)APP圖5-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架1.2主控芯片的選擇本次設(shè)計(jì)選擇STM32F407VET6作為主控芯片，主要是因?yàn)檫@款芯片成本比較低，使用方便，它有豐富的接口資源。STM32最小系統(tǒng)硬件由電源供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)試接口、啟動(dòng)電路組成本設(shè)計(jì)主控芯片使用的是STM32F407ZGT6，它是基于ARM_Cortex-M內(nèi)核設(shè)計(jì)的。它具有高性能，低成本，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它片上資源較為豐富，在片電源電路：一般用3.3V電壓供電，在加上多個(gè)0.01uf去耦電阻.復(fù)位電路：在STM32中有3中復(fù)位方式：上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、程序自動(dòng)復(fù)位。一般復(fù)位電路都是低電平有效。上電復(fù)位工作流程是在上電的瞬間，電容處于充電狀態(tài)，RESET短暫處于低電平狀態(tài)，低電平狀態(tài)持續(xù)時(shí)間可以通過控制電容、電阻的大小來(lái)控制。計(jì)算公式如下t=1.RC在本次設(shè)計(jì)中采用的是復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間為1ms左右。1.1?10K?0.1uF=1.1ms手動(dòng)復(fù)位：按下按鍵時(shí)，RESET和地（GND）導(dǎo)通，電平變?yōu)榈碗娖?，?shí)現(xiàn)復(fù)位。如圖4-2所示，圖5-2復(fù)位電路時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路主要由晶振、起振電容和反饋電阻組成在STM32F407板子選擇的是8MHz是晶振為最小系統(tǒng)提供最基本的時(shí)鐘，同時(shí)也方便倍頻。在圖4-3中晶振旁的C10、C11用的是22P的電容，它們主要是保證晶振輸出的振蕩頻率更加穩(wěn)定。圖5-3時(shí)鐘電路啟動(dòng)電路：STM32擁有3種啟動(dòng)模式，主要是區(qū)別于從什么內(nèi)存中啟動(dòng)，由BOOT1和BOOT2引腳的電平狀態(tài)來(lái)決定，當(dāng)BOOT0電平為低電平時(shí)，從主閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)，在使用JTAG和SWD下載調(diào)試的時(shí)候，程序就會(huì)被下載到閃存里。當(dāng)BOOT0位高電平，BOOT1位低電平時(shí)，從系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)。BOOT1為高電平時(shí)從內(nèi)置SRAM啟動(dòng)。1.3RFID模塊通信設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中采用RC522射頻模塊與S50卡片進(jìn)行通信，RC522與MCU之間采用SPI通信連接，SPI串行全雙工通信，模塊與MCU連接方式：模塊外接3.3V電源MUCRFID模塊PD6SDAPD7SCKPC6MOSIPC8MISOPC12RST以上引腳連接好以后就完成了硬件的搭建，除了RC522模塊搭建外，還需要用到射頻卡片S50。圖5-4RC522模塊原理圖RC522模塊整個(gè)模塊工作的時(shí)候，它起到一個(gè)從設(shè)備的作用，而主設(shè)備是主控芯片STM32F407VET6，它們之間可以使用SPI，也可以使用UART或者IIC來(lái)建立通信，但I(xiàn)IC在通信過程中需要固定的數(shù)據(jù)幀格式來(lái)建立通信，它包含：起始條件+發(fā)送8bit數(shù)據(jù)+接收應(yīng)答+停止條件。它傳輸多字節(jié)時(shí)需要在傳輸完一幀數(shù)據(jù)之后重復(fù)起始條件再進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸，它是同步串行半雙工通信，在傳輸過程中選擇與哪一個(gè)設(shè)備建立通信，采用的是尋址的方式，首先產(chǎn)生起始條件，然后發(fā)送地址數(shù)據(jù)，接收到應(yīng)答之后再將數(shù)據(jù)傳輸過去。沒傳輸一次數(shù)據(jù)是8bit，而偏移地址只有7bit，剩下的1bit用來(lái)判斷傳輸方向，通常采用“0”表示主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（主機(jī)發(fā)送，從機(jī)接收），用“1”表示從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)（主機(jī)接收，從機(jī)發(fā)送）。SPI通信模式就不一樣的，它可以傳送多字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可以是8bit，16bit，沒有特殊的限制，也沒有起始條件，停止條件。它更適合遠(yuǎn)距離傳輸。所以本次采用SPI通信來(lái)搭建RC522模塊[11]。1.4指紋模塊通信設(shè)計(jì)指紋解鎖方式使用了AS608模塊來(lái)搭建，在AS608指紋模塊中，最主要的是傳感器，需要通過傳感器來(lái)采集圖像，然后在通過算法對(duì)采集圖像進(jìn)一步處理，處理為數(shù)據(jù)保存起來(lái)，或者把數(shù)據(jù)和之前保存到作對(duì)比來(lái)判斷是否為正確的指紋。使用到傳感器那就涉及到傳感器的工作環(huán)境，傳感器在工作時(shí)一般都有嚴(yán)格的工作環(huán)境限制。比如一些傳感器會(huì)受到磁場(chǎng)，濕度，溫度等影響導(dǎo)致采集，測(cè)量的結(jié)果出現(xiàn)偏差。影響生產(chǎn)、生活。AS608指紋傳感器也一樣，它是用來(lái)采集指紋的模塊。那么在采集時(shí)就必須考慮它自身的工作環(huán)境，以及采集對(duì)象是環(huán)境。指紋采集可能遇到的問題大致有：在采集指紋時(shí)，指紋存在磨損，指紋可能觸碰到液體，采集的指紋可能不是活體指紋，可能是橡膠手套等等因素。所以指紋模塊采集難度很困難，技術(shù)核心比較高端。本次采用的AS608指紋模塊傳感器，它是一個(gè)光學(xué)指紋識(shí)別傳感器，光學(xué)指紋傳感器就可以理解為它主要通過光的折射來(lái)采集指紋信息，所以他的工作環(huán)境對(duì)光線有一定要求，它采用光的折射，那么它采集的對(duì)象不能影響光的折射，不然采集到的信息就會(huì)存在偏差，后續(xù)解鎖時(shí)不能打開門鎖。在需要被采集的手指必須保持干燥，不能是濕手指，濕手指當(dāng)手指觸摸采集模塊時(shí)，水會(huì)影響光的折射。這是指紋模塊使用時(shí)需要注意的一些情況。AS608模塊它是一個(gè)集成的指紋識(shí)別模塊，在它內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)了，DSP運(yùn)算單元，以及識(shí)別指紋所需要的算法，還有指紋采集算法，提取指紋特征，判斷指紋相似度的算法。這一模塊在用戶開發(fā)使用過程中提供了極大便利，它預(yù)留了提供給用戶使用的API，用戶只需要完成模塊與主控芯片的搭建，移植模塊的API，在主體函數(shù)調(diào)用相應(yīng)API就可以實(shí)現(xiàn)它的一些基本功能，但一些較難的功能還是需要用戶自己開發(fā)。AS608工作時(shí)的一些技術(shù)指標(biāo)：工作時(shí)采用了3~3.6V電壓驅(qū)動(dòng)，指紋模塊它預(yù)留的接口是串口接口USART通信。USART通信屬于異步串行半雙工通信。異步也就是它不是通過兩個(gè)模塊間公用同一條時(shí)鐘線來(lái)控制通信速率，它控制通信速率的方法是，在兩個(gè)模塊設(shè)置相同的波特率，有波特率來(lái)控制接收發(fā)送的速率。常用的波特率有9600、115200。通信過程使用的是固定的通信格式：1位起始位+5-8位數(shù)據(jù)位+1位校驗(yàn)位+0.5-2位停止位組成。AS608指紋模塊與CPU連接方式如圖4-5所示：圖5-5AS608模塊原理圖AS608的TX與STM32F407VET6的RX相連，實(shí)現(xiàn)AS608將采集到的指紋圖案經(jīng)過內(nèi)部算法處理為數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，AS608的RX引腳與主控芯片的TX相連，實(shí)現(xiàn)主控芯片將需要實(shí)現(xiàn)功能的命令發(fā)送給AS608，執(zhí)行相應(yīng)的操作。1.5薄膜鍵盤模塊設(shè)計(jì)常用的按鍵有電容式按鍵和機(jī)械觸點(diǎn)是按鍵。機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵在工作的時(shí)候主要是通過按鍵按下電平由低電平變?yōu)楦唠娖?，通過檢測(cè)按鍵的電平變化就可以判斷出當(dāng)前按鍵的工作狀態(tài)。單個(gè)按鍵可以采用這種簡(jiǎn)單的方法來(lái)判斷按鍵做出相應(yīng)工作。但在多個(gè)按鍵的情況下，這種方法就會(huì)做出誤判。就像這次使用的4x4薄膜鍵盤，它就屬于按鍵式機(jī)械鍵盤。因?yàn)槎鄠€(gè)按鍵，采用電平檢測(cè)需要調(diào)用的接口較多，不符合課題的創(chuàng)新，便捷的設(shè)計(jì)要求，所以采用對(duì)行和列進(jìn)行掃描的方式，把所有按鍵串級(jí)在一塊，這樣節(jié)省了硬件資源。操作起來(lái)更加便捷。在對(duì)行和列掃描方式中，又細(xì)分為逐行掃描的方式和行列掃描兩種方式。逐行模式：主要是通過控制電平，檢測(cè)電平的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用8個(gè)接口來(lái)控制鍵盤，先把高四位給一個(gè)低電平，然后在通過對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行逐行式掃描，如果第四位接受到的數(shù)據(jù)又不是“1”的，就說(shuō)明有按鍵按下，不是“1”的按鍵就是按下的按鍵。行列式掃描：這種方式也是一樣，先給高四位一個(gè)低電平，然后再給底四位一個(gè)高電平，再檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)。如果低四位接收到的數(shù)據(jù)不是全為“1”，說(shuō)明此時(shí)有按鍵被按下了，再由接受到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是哪一列被按下，確定了列之后，在把之前輸出電平調(diào)整，高四位給高電平，低四位給低電平，再去看高四位接收的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是哪一行，然后就能確定按鍵的坐標(biāo)，也就可以判斷出那個(gè)按鍵處于什么狀態(tài)。設(shè)計(jì)中薄膜鍵盤原理圖如5-6所示：圖5-6薄膜鍵盤原理圖1.6舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)舵機(jī)控制位置變化，或者控制旋轉(zhuǎn)角度的模塊，使用最多的地方時(shí)在一些對(duì)角度有要求的地方，例如遙控車轉(zhuǎn)向，機(jī)器人手臂，轉(zhuǎn)體控制等地方。舵機(jī)能控制的角度有0-90度、0-180度、0-360度。角度可以通過定時(shí)器調(diào)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。舵機(jī)的結(jié)構(gòu)由外殼，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，位置檢測(cè)和減速器組成。它的工作原理是：當(dāng)舵機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)做出處理，然后驅(qū)動(dòng)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過減速齒輪把動(dòng)力傳遞給葉片。舵機(jī)采用三線制來(lái)與主控芯片建立通信，分別是GND，VCC，PWM。而控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度就是通過PWM來(lái)調(diào)節(jié)的。VCC這里需要接5V電源。PWM波形采用定時(shí)器來(lái)調(diào)節(jié)，配置好定時(shí)器之后，對(duì)定時(shí)器的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)。圖5-7舵機(jī)原理圖1.7語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)語(yǔ)音模塊采用了JQ8900-16P模組來(lái)實(shí)現(xiàn)，JQ8900-16P是一個(gè)專門處理音頻信息，對(duì)音頻信息進(jìn)行解碼的模塊，使用的是硬解碼的方式來(lái)處理音頻信息，它的語(yǔ)音內(nèi)容還可以靈活調(diào)整切換，使用的是SPI-flash來(lái)更改存入的語(yǔ)音內(nèi)容。在使用過程中更加靈活，方便。圖5-8JQ8900-16P模塊原理圖引腳功能：VPP是一線串口通信接口，也就是通過一個(gè)IO口來(lái)發(fā)送脈沖。RX/TX串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口，SPK是用來(lái)連接喇叭的接口，BUSY是播放顯示燈。當(dāng)有語(yǔ)音播放時(shí)，指示燈亮起，沒有播放時(shí)指示燈熄滅。剩余的IO1-IO7是用來(lái)選擇播放的語(yǔ)音頻段的，這8個(gè)接口工作時(shí)低電平有效，當(dāng)IO1接口被置0的時(shí)候播放語(yǔ)音1，當(dāng)IO2接口被置0的時(shí)候播放語(yǔ)音2，當(dāng)IO3接口被置0的時(shí)候播放語(yǔ)音3，以此類推。JQ8900-16P模塊有API可以提供給用戶使用，在用戶配置模塊式只需要發(fā)送命令，以及數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能。在模塊使用中需要注意的是語(yǔ)音模塊在使用之前需要一定的穩(wěn)定時(shí)間，在采用串口通信的時(shí)候，波特率固定設(shè)置為9600，1bit數(shù)據(jù)位+8bit數(shù)據(jù)位+1bit停止位。在進(jìn)行IO1-IO7通信的時(shí)候，采用3.3V電平。1.8ESP8266-01模塊搭建在實(shí)現(xiàn)WIFI通信的時(shí)候，使用了樂鑫公司的ESP8266-01模塊，這個(gè)模塊它的價(jià)格低，綜合性能比較穩(wěn)定。它在工作時(shí)擁有三種工作模式，分別是AP模式、station模式、AP+station混合模式。在配置時(shí)可以采用AT指令集來(lái)進(jìn)行操作，通過串口來(lái)與主控芯片建立連接，主控芯片可以發(fā)送AT指令到ESP8266模塊，模塊做出相應(yīng)處理，再把處理結(jié)果通過串口通信反饋到主控芯片。此次設(shè)計(jì)采用了串口3來(lái)與ESP8266-01建立通信[9]。三種工作模式：AP模式：這種模式是把ESP8266作為熱點(diǎn)，通過手機(jī)或者電腦和模塊直接建立連接，它的原理就是一個(gè)局域網(wǎng)無(wú)線通信，適合近距離傳輸數(shù)據(jù)使用[9]。Station模式：這種它其實(shí)是和上面原理類似，只不過在通信過程中采用了互聯(lián)網(wǎng)作為中介，先將模塊與互聯(lián)網(wǎng)建立連接，然后在把手機(jī)或者電腦連接