蓝牙遥控密码锁毕设.docx
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蓝牙遥控密码锁毕设
武汉纺织大学
毕业设计[论文]
题目：
蓝牙遥控密码锁
学院：
电子与电气工程学院
专业：
光电信息工程
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2016年6月4日
摘要
随着社会的发展和进步，家居智能化越来越成为未来的发展趋势。
目前市场上的电锁门禁主要采用按键的机械密码锁，一定程度上安全度不够高，且使用不够人性化。
本文设计了一种基于单片机微控制器控制的蓝牙遥控密码锁系统，能让用户通过手机控制密码锁的开关，且脱机情况下能够通过按键解锁。
本项目系统设计分为硬件和软件两部分。
硬件部分主要分为电锁控制器的主板设计和电锁受控模块的设计。
软件部分包括数据收发模块、蓝牙通信模块等。
系统实现功能主要有蓝牙远程控制功能，按键密码输入功能，干接点弱电控制功能等。
实验表明，该系统能够在手机蓝牙发送控制信号以及密码的方式下控制密码锁的开合状态，并且在蓝牙控制受限的情况下，还能够通过主机携带的按键密码输入控制密码锁的开合，具有设计成本低、可靠性高的特点，达到了设计要求。
关键词：
密码锁；蓝牙收发模块；STM32F4；uCOSII系统；智能手机
ABSTRACT
Withthedevelopmentandprogressofsociety,intelligenthouseholdmoreandmoretobecomethefuturedevelopmenttrend.Atpresent,mechanicalcipherlockismainlytobeusedonthemarket,toacertainextent,securityisnothighenough,andtheuseoflackofhumanization.Thisthesispresentanbluetoothremotecontrolcipherlocksystembasedonmicro-controller,whichcanallowuserstocontrolthepasswordlockswitchbymobilephonebluetooth,andthroughthekeystounlockintheofflinecondition.Thesystemcontainshardwaremoduleandsoftwaremodule.Theformercontainsthecontrollerofelectriclockandthecontrolledofclectricmodule,andthelattercontainsdatatransmissionandbuletoothcommunicationmodule.Themainlyfunctionscontainbluetoothremotecontroller,keypasswordinput,electriccontroller,etc.Experimentsshowthatthesystemcannotonlybecontrolledbybluetoothofsmartphone,butalsocanbecontrolledbykeypassword.Thesystemhasthecharacteristicsoflowcost,highreliability,andsatisfiesthedesignrequirements.
Keywords:
CodedLock;BluetoothTransceiver;STM32F4;uCOSIISyestem;
SmartPhone
1.绪论..........................................................1
1.1课题意义..................................................1
1.2国内外研究现状...............................................1
1.3主要研究内容.................................................2
2.蓝牙遥控密码锁系统方案设计..............................2
2.1系统总体功能分析............................................2
2.2系统设计流程.................................................3
2.3系统功能模块设计............................................3
2.4系统工作流程............................................5
3.系统硬件设计.................................................6
3.1系统模块芯片特性........................................6
3.1.1STM32F4微控制器芯片......................................6
3.1.2MP2359电源芯片．.........................................9
3.1.3HC05蓝牙接收芯片........................................10
3.1.4TLP521-1光耦隔离芯片.................................11
3.1.5GT9147触摸屏驱动芯片...................................12
3.2主板硬件电路设计...........................................12
3.2.1STM32最小系统设计....................................12
3.2.2电源电路设计...........................................16
3.2.3蓝牙接收模块...........................................17
3.2.4TFT触摸屏模块............................................18
3.2.5LED驱动电路.........................................20
3.2.6蜂鸣器驱动电路...........................................20
3.2.7干接点输出电路...........................................21
3.2.8干接点检测电路...........................................21
4.系统软件设计................................................22
4.1HC05通过USART接口实现数据接收.........................22
4.2触摸屏驱动...............................................27
4.3脱机键盘的C语言实现.....................................31
4.4系统运行状态指示模块...................................46
4.5密码的掉电存储.......................................47
5.总结..................................................49
参考文献........................................................52
致谢.............................................................53
1绪论
1.1课题意义
在人们的日常生活中，锁被广泛使用，人们常用锁具来保证一些贵重物品乃至自己家庭的安全，目的就是为了提高安全性。
常见的锁有普通机械锁、机械密码锁、电磁卡锁、指纹（虹膜）锁等。
普通的机械锁极容易被强行破坏，安全系数不高，并且需要携带过多的钥匙，给生活带来不便；机械密码锁虽然安全系数高但造价相对较高；电磁卡锁由于磁卡信息极易受外界干扰而失磁导致无法开锁，而指纹（虹膜）锁虽然安全性很好，但会因手指划伤或虹膜充血等收到限制。
生活在提高，时代在进步，人类在向文明迈进。
因此研究一种新型的密码锁具有很高的现实需求性。
21世纪是科技蓬勃发展的年代，各种高科技产品层出不穷。
随着通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。
这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量。
正是由于人们对于居住环境智能化，舒适程度等要求的提高，家居智能化在这种形势下应运而生的，这将会给智能家居的发展提供了很大的市场空间，家居智能化已成为必然的趋势。
智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如音频设备，照明系统，窗帘控制，空调控制，安防系统，数字影院系统，网络家电）。
智能家居系统细分大致有二十类：
控制主机，智能照明系统，电气控制系统，家庭背景音乐，家庭影院系统，对讲系统，视屏监控，防盗报警，电锁门禁，智能窗帘，暖通空调系统，太阳能与节能设备，自动抄表，智能家居软件，家居布线系统，家庭网络，厨卫电视系统，运动与健康监测，花草自动浇灌，宠物照看与动物管制。
本文研究的范围仅仅是智能家居系统中的一个子系统，电锁门禁。
就目前而言，大多数人越来越依赖手机，特别是年轻人甚至是手机不离身。
基于此，本文将设计一款蓝牙遥控密码锁，使其同时具有触摸按键和手机APP两种种开锁方式。
1.2国内外研究现状
电子锁的研究从上世纪30年代就开始了，在某些特殊场合早有应用。
研究这种锁的初衷是提高锁具的安全性，因为密码锁的密码量很大，可以和机械锁配合，避免因钥匙被仿制而出现的问题。
在安全性提高的前提下不需要钥匙被越来越多的人所欣赏。
现代生活对钥匙的要求是的钥匙从有形变成无形，安全要求也使得数据量小的机械钥匙逐渐被数据量多的数字密码锁升值是数字量更多的生物资料识别系统所取代。
特别是进入20世纪80年代以后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小、可靠性提高，廉价产品开始出现，给电子锁进入大众生活提供了可能。
目前，在西方发达国家，电子密码锁已经广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现门窗管理。
在我国电子密码锁的成本还很高，应用还不广泛。
希望通过努力，使电子密码锁在我国也得到广泛应用。
1.3主要研究内容
由于本文研究的蓝牙遥控密码锁想融入智能家居系统，那么它必将具有以下四点非常重要的功能：
①稳定的通信功能；
②设备的自足性功能（脱机功能）；
③设备的人性化；
④交互系统。
根据本文的研究内容，论文结构安排如下：
第1章简要介绍课题研究的意义，密码锁的研究现状及发展趋势，并简要介绍了本文的主要工作。
第2章确定系统设计方案，分析系统设计总体功能及流程，设计系统功能模块。
第3章详细介绍系统硬件设计，包括控制器的主板和电控锁模块等。
第4章详细介绍系统软件设计，包括ucosII单片机实时操作系统，智能手机指令发送app等。
第5章在详细介绍实验情况的基础上，对蓝牙遥控密码锁系统进行总结，并对未来工作进行展望。
2蓝牙遥控密码锁系统方案设计
2.1系统总体功能分析
本课题所设计的蓝牙遥控密码锁是基于单片机的智能电锁系统[1]，作为智能家居系统的一个子系统，它需要具有以下功能：
①稳定的通信功能：
指蓝牙密码锁能够与智能家居的控制终端系统进行稳定的通信。
并且蓝牙密码锁，还要能够接受控制终端的命令，执行控制终端的命令实现密码传输以及开关控制。
蓝牙协议采用标准蓝牙通信协议，确保系统的扩充性和扩展性，保证不同厂商之间系统可以兼容与互联。
②自足性（脱机功能）功能：
是指在控制终端系统由于各种原因（包括控制终端系统死机），无法与主机系统正常通信的情况下，蓝牙密码锁能够通过键盘密码方式进行开关，不需要控制终端的控制干预。
③人性化功能：
由于蓝牙密码锁最终的使用者是广大的消费者，而不是专门的电子的工程师，那么他必须要要有易于使用的功能。
涉及到易于使用那么，那么他的接线就必须是傻瓜式的，操作就必须是一键式的。
④交互系统：
由于蓝牙遥控密码锁的使用者需要了解密码锁的状态，密码锁的开关状态，密码输入的位数，密码的回删，以及重置密码，所以本系统需要一个可视化的交互界面。
2.2系统设计流程
为了使蓝牙遥控密码锁系统结构清晰，并可以方便地对系统进行调试和改进，本系统采用模块化设计的思想，将其分为硬件设计和软件设计两大部分。
本课题基本的研究步骤如下：
①翻阅大量文献资料，确定蓝牙遥控密码锁系统的设计思路及其基本实现方案；
②选取系统设计中需要的元器件型号，详细了解其产品规格；
③了解所选控制器的内部资源及结构，并掌握其使用方法和编程技巧；
④查阅各功能模块所使用的器件的相关资料，了解具体控制架构；
⑤学习ucosII单片机实时操作系统，并编写可视化交互界面；
⑥将编译通过的程序下载到检测好的硬件电路上进行各模块调试；
⑦各模块调试通过后进行系统联调；
⑧完成系统设计，并进行系统功能测试。
2.3系统功能模块的设计
蓝牙遥控密码锁系统的硬件设计分为主板设计和干接点弱点控制模块两部分。
其中，两部分主要模块包含以下几个部分：
①微控制器模块：
此模块是本课题设计的蓝牙遥控密码锁系统的核心部分。
目前，单片机的种类较多，由于本系统所设计的微控制器功能并不是很复杂，所以不需要过于高端的ARM处理器，同时为了保证系统的运行速度也不采用51内核的单片机[1]。
因而选用了较为先进的ARMCortex-M4内核的STM32F407单片机[2]，其拥有丰富的外设，完全能够满足本次设计的要求，也有利于日后产品升级的需求，且成本较低，易于产业化。
②电源模块[2]：
蓝牙遥控密码锁的主板所需要的电源高效、稳定的5V，因此本课题选用了DC-DC芯片（MP2359），由于采用了DC-DC芯片，所以主板系统的供电范围十分宽（只要在DC6-16V供电就可以），何以适应较大范围的供电电源。
在耗电较大的情况下，比如本课题用到的触摸屏实时监测，这种供电方式也能够为系统提供足够的供电电流。
③触摸屏模块：
此模块是本课题设计的蓝牙遥控密码锁系统的脱机使用的核心部分。
本系统使用的ALIENTEK4.7寸TFTLCD模块自带的触摸屏[3]，该电容触摸屏具有手感好、无需校准、支持多点触控、透光性好等优点。
由于本密码锁系统主要用于家用，所以不仅满足了电容触摸屏的使用环境要求，且会提供较好的用户体验。
④蓝牙发送模块：
本课题设计的蓝牙遥控密码锁系统要实现通过手机蓝牙向主控器发送数据和指令，本调试过程中使用的安卓手机的蓝牙系统，通过安装BluetoothSerialcontrolAPP来完成蓝牙信号的发送。
⑤蓝牙接收模块：
由于本次设计需要能够蓝牙遥控控制窗帘的开合，利用微控制器驱动蓝牙模块来接收上位机发送过来的指令。
因此，系统蓝牙接收模块选用了HC-05嵌入式蓝牙串口通信模块，采用SPI通信，非常易于连接到单片机。
⑥蜂鸣器反馈模块：
主板接收到遥控传来的信息后，会通过声音的形式将接收状态反馈给用户，显示出正常接收结果。
蜂鸣器并无特别要求，由于系统设计主板电源模块采用的5V供电，因此只需要选择5V的蜂鸣器即可。
⑦干接点弱电控制模块：
为了避免外接的干接点影响到系统功能，对于干接点模块采用弱电控制，并采取隔离的方式。
因而，可以利用光耦隔离继电器来获得电接点信号，其中光耦驱动器采用TLP521芯片。
⑧LED反馈模块[4]：
当用户想在较远的地方了解到密码锁的开关状态时候，可以通过判断密码锁主板上面的LED反馈灯的颜色快速了解密码锁的状态。
LED无特殊要求，由于系统设计主板电源模块采用的5V供电，因此只需要选择5V的LED即可。
⑨电控锁模块：
由于系统设计过程主要考虑功能实现的可能性，电控锁选用了比较经济的赛瑞XG-03DC12V/24V小电锁，该电控锁模块通过干接点弱点控制来实现，用户可根据自身实际要求选用不同的电锁模块。
2.4系统的工作流程
与传统控制窗帘的方式不同，本课题所设计的蓝牙遥控密码锁系统具有以下两种控制方式：
①蓝牙遥控控制电锁的开关；②脱机触摸键盘控制电锁的开关。
这两种方式均可以访问系统。
蓝牙遥控密码锁系统的蓝牙遥控以及脱机键盘控制功能主要通过对主板部分的设计实现，并能实现参数设置及远程通信功能。
如图2-1所示为蓝牙遥控密码锁主板的系统工作框架。
图2-1蓝牙遥控密码锁系统主板工作框架
系统通过高频率的扫描系统获取蓝牙指令或触摸屏指令控制信息，根据所获信息利用主板部分的微控制器STM32F4判断密码的正确性，正确则产生干接点信号，控制光耦继电器的开闭，来选择连通驱动电源与电控锁。
同时，用户还可以选择密码可见或不可见，用户也可以修改密码。
3系统硬件设计
本课题所设计的蓝牙遥控密码锁设计不少硬件模块，具体如下：
①微控制器STM32F407芯片，②MP2359电源芯片，③蓝牙接收模块ATK-HC05，④光耦隔离芯片TLP521-1，⑤TFTLCD电容触摸屏驱动芯片。
下面对各功能模块的芯片特性进行详细介绍及分析。
3.1系统模块芯片特性
3.1.1STM32F407微控制器芯片
蓝牙遥控密码锁的核心部分是主机部分的微控制器。
目前，单片机的种类较多，由于本系统所设计的微控制器功能并不是很复杂，所以不需要过于高端的ARM处理器，同时为了保证系统的运行速度也不采用51内核的单片机。
因而选用了较为先进的ARMCortex-M4[5]内核的STM32F407ZGT6单片机，其拥有丰富的外设，完全能够满足本次设计的要求，也有利于日后产品升级的需求，且成本较低，易于产业化。
此系列芯片的工作频率为168MHz，内嵌ARMCortex-M4的核，内置高速存储器，是一种中高端的32位的微控制器。
STM32F407增强型系列的芯片具有省电模式保证低功耗应用的要求，共包含一个512KFLASH、192KSRAM、硬件FPU、12个16位定时器、2个32位定时器还包含许多标准的和先进的通信接口，适合于多种应用场合。
STM32F407主系统包含一个Cortex-M4的内核主系统由32位多层AHB总线矩阵构成，可以实现以下部分的互连：
八条主控总线：
Cortex-M4F内核I总线、D总线、S总线，DMA1存储总线，DMA2存储总线，DMA外设总线，以太网DMA总线、USBOTGHSDMA总线。
七条被控总线：
内部FlashICode总线，内部FlashDCode总线，主要内部SRAM1（112KB），辅助内部SRAM（16KB），辅助内部SRAM3（64KB）（仅适用于STM32F42xxx和STM32F43xxx器件），AHB1外设（外设AHB-APB总线桥和APB外设），AHB2外设，FSMC。
借助总线矩阵，可以实现主控总线到被控总线的访问，这样即使在多个高速外设同时运行期间，系统也可以实现并发访问和高效运行，其系统架构如图3-1所示。
图3-1STM32F407系统结构
STM32F407可以使用三种不同的时钟源来驱动系统时钟（SYSCLK）的：
HSI振荡器时钟、高速外部时钟信号（HSE）振荡器时钟、及PLL时钟，如图3-2所示为STM32F407时钟树。
HSI时钟信号由内部8MHz的RC振荡器产生；HSE可以由HSE外部晶体和陶瓷谐振器两种时钟源产生；内部PLL可以用来倍频HSIRC的输出时钟或HSE晶体输出时钟。
图3-2STM32F103时钟树
在STM32F4中，有五个最重要的时钟源，为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。
其中PLL实际是分为两个时钟源，分别为主PLL和专用PLL。
从时钟频率来分可以分为高速时钟源和低速时钟源，在这五个中HSI，HSE以及PLL是高速时钟，LSI和LSE是低速时钟。
从来源可分为外部时钟源和内部时钟源，外部时钟源就是从外部通过接晶振的方式获取时钟源，其中HSE和LSE是外部时钟源，其他的是内部时钟源。
该器件具有以下两个次级时钟源：
①2kHz低速内部RC（LSIRC），该RC用于驱动独立看门狗，也可选择提供给RTC用于停机/待机模式下的自动唤醒。
②32.768kHz低速外部晶振（LSE晶振），用于驱动RTC时钟（RTCCLK）。
3.1.2MP2359电源芯片
蓝牙遥控密码锁的主板所需要的电源为5V，因此选用MP2359开关电源芯片，其引脚图如图3-3所示。
图3-3MP2359引脚图
MC2359芯片的输入电压范围为6～16V，输出电压范围为3.3V，输出电流可达1.2A，工作频率最高可达1.4MHz，其价格便宜，且可实现的电源降压，满足主板系统的工作要求，其降压电路如图3-4所示。
图3-4MP2359降压电路
降压电路工作过程为：
①比较器的反相输入端（脚5）通过外接分压电阻R1、R2监视输出电压Uo，根据公式Uo=1.25（1+R2/R1），可以知道Uo与R1、R2数值有关，如果R1、R2阻值不变，Uo也保持稳定。
②利用内部比较器对脚5及内部基准电压1.25V进行比较。
当脚5的电压值低于1.25V时，比较器输出为跳变电压，R-S触发器的S脚控制门被开启，Q端为高电平，驱动管T2导通，T1也导通，向电容Co充电，Uo增加。
当脚5的电压值高于1.25V时，R-S触发器的S脚控制门被封锁，Q端为低电平状态，T2截止，T1也截止。
③振荡器的Ipk输入（脚7）用于监视开关管T1的峰值电流，以控制振荡器的脉冲输出到R-S触发器的Q端。
④脚3外接振荡器所需要的定时电容Co大小决定振荡器频率的高低，也决定开关管T1的通断时间。
3.1.3HC05蓝牙接收芯片
ATK-HC05模块，是ALIENTEK生成的一款高新能主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对，该模块支持非常宽的波特率范围：
4800~1382400，并且模块兼容5V或3.3V单片机系统，可以很方便与您的产品进行连接，使用非常灵活，方便。
ATK-HC05模块非常小巧，模块通过6个2.54mm间距的排针与外部连接，模块外观如图3-5所示。
图3-5ATK-HC05模块外观图
3.1.4TLP521-1光耦隔离芯片
蓝牙遥控密码锁采用干接点弱点控制模块，实现单片机低电压控制12V外部驱动电源的通断，采用光耦隔离芯片TLP521-1实现电路的隔离与保护。
TLP521-1引脚图如图
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