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基于单片机的多功能电子密码锁设计

作者

  • 湖南信息学院电子科学与工程学院 , 中国

摘要

电子密码锁以STM32F103作为核心控制模块,集成矩阵键盘、RC522门禁、AS608指纹识别和蓝牙模块实现多方式密码输入,通过液晶屏和步进电机实时反馈状态。密码存储于非易失性存储器中,具备密码验证、错误锁定等功能。用户通过矩阵键盘、ID卡、指纹和蓝牙输入后,核心控制模块迅速对数据进行对比,若密码正确则电机转动、液晶屏显示开锁成功;错误次数达到设定值时,电子密码锁自动锁定一段时间,有效防止暴力破解。经过测试,电子密码锁性能稳定,操作便捷,能够为用户提供可靠的安全防护,可广泛应用于家庭、办公室等场所。

引言

随着科技的飞速发展,传统的机械锁已不能完全满足人们对安全和便捷的需求,电子密码锁作为一种新型的锁具,逐渐成为研究和应用的热点。而基于STM32的电子密码锁设计更是具有重要的研究背景。

HeJ与KangAS利用51单片机作为控制核心,研发了智能电子锁系统。该系统能够完成解锁、错误警示及密码修改等基础功能,并具备远程控制、键盘锁定和错误报警等扩展功能。由Hu C、Guo J和Wang Z研发的智能门禁系统基于单片机实现指纹与密码双认证。系统集成指纹识别模块、密码输入单元及LCD显示界面,通过单片机比对验证后,驱动继电器模拟开锁[4-5]

针对目前密码锁的需求,本论文旨在设计一款较为实用的多种解锁方式的电子密码锁系统。该系统是以STM32单片机为核心的电子密码锁系统,设计四种开锁方法包括输入密码、刷RFID卡、指纹识别和手机蓝牙开锁的功能,如发生多次密码错误,能及时准确的报警,该系统是多种模块采集数据,经微处理器处理,实现密码锁的要求。

1 系统设计

微处理器控制的电子密码锁系统需实现特定功能,首要任务是键盘输入密码解锁。在每次输入密码后,LCD屏幕显示提示符号。当完整输入密码并按下验证键时,系统将核对密码准确性,正确便启动继电器操作。密码正确后可选择修改密码,输入新密码并确认便修改成功,输入密码过程中,液晶显示标志“*”。

本次设计采用了4X4矩阵键盘输入密码,MFRC522门禁模块识别RFID卡,用AS608指纹模块识别指纹,用BT04-A蓝牙模块接收蓝牙指令。由此分析得出的电子密码锁系统的结构框图如图1所示。

以微控制器为中心的电子密码锁系统,其左侧接收多种信号输入,如4X4键盘、MFRC522门禁、AS608指纹识别以及蓝牙模块。右侧则负责数据输出,涵盖报警蜂鸣器、步进电机控制信号及LCD显示模块。

在菜单页面下(主要模式),共有6个功能,S13按键控制向上选择功能,S15按键则是控制向下选择功能,当选定需要修改的功能时,S16按键为确认进入。在不同的功能下,可以对密码、指纹、RFID卡号来进行修改。

Figure 1.1 电子密码锁系统结构框图

2 硬件电路设计

本套电子密码锁的硬件部分主要由多种功能模块与微控制器,辅以简易电路元件,在电路板上手工焊接而成。该硬件电路主要包括:STM32基础控制核心板、4X4按键矩阵电路、AS608指纹传感模块、MRFC522门禁控制模块、BT04A蓝牙通信模块、显示屏接口电路、蜂鸣器及继电器控制电路,以及步进电机与ULN2003驱动器模块。以下将逐一介绍各模块的硬件接口功能与工作原理,系统的整体原理图收录于附录A。

2.1 主控模块

本实验使用的微控制器核心为STM32F103系列MCU,采用3.3伏特电源为芯片供电。该模块设有5伏特输出端口,便于为其他5V电源需求的模块供电,无需额外接入5V电源或安装独立的升压与稳压电路。

STM32F103芯片原理图如图2所示。

Figure 2.

STM32F103芯片,PA0引脚接AS608指纹模块,读指纹模块状态,PA2和PA3引脚分别接AS608指纹模块的RX和TX,进行数据传输;PA1、PA5、PA6、PA7引脚分别接MRFC522门禁模块复位脚、MOSI、SCK和SDA,为推挽输出模式,PA4引脚为输入模式,接MRFC522门禁模块MISO;PA8引脚接OLED模块的CS脚,PB12、PB13、PB14、PB15引脚推挽输出模式分别接OLED模块的D0、D1、RST和DC脚;PA9和PA10引脚接入蓝牙模块的RX和TX,进行数据传送;PB0~PB7和PA11引脚接入4X4矩阵键盘;PA12、PA15、PA11和PA10引脚分别接入步进电机驱动模块的IN1~IN4;PB8引脚接入蜂鸣器,控制蜂鸣器响灭;PB9引脚接入继电器。

2.2 4X4矩阵键盘电路

该模块在本次设计中主要用到8个接口,4条行线连接到微控制器的输出引脚,而4条列线连接到微控制器的输入引脚,每个按键位于行线和列线的交叉点上。4X4矩阵键盘电路如图3所示。

Figure 3.

2.3 AS608指纹识别模块电路

AS608指纹识别模块电路如图4所示,数据传输口一般默认需要给一个上拉电平信号,VDD和GND正常接入整个系统的3V电压和公共地,数据传输口UART2_RX和UART2_TX通过PA2和PA3接口接入单片机实现两者的双向通信,PA0引脚接入TOUCH读指纹模块状态。

该模块在本次设计中主要用到6个接口,VCC和GND,数据传输口UART2_RX和UART2_TX,指纹模块状态TOUCH。

Figure 4.

2.4 MRFC522门禁模块电路

MRFC522门禁模块电路,供给3.3V电压,接入系统公共地,RST进行复位,MISO是SPI口从机输出,MOSI是SPI口从机输入,SCK是SPI口时钟线,SDA是SPI口数据线。MRFC522门禁模块电路如图5所示。

Figure 5.

2.5 BT04A蓝牙模块电路

BT04A蓝牙模块电路,VCC接系统电源5V,GND接系统公共地,RX是信息发送端,TX是信息接收端。蓝牙模块上的LED灯均匀慢速闪烁时,代表等待配对;LED灯长亮时,代表建立了连接。BT04A蓝牙模块电路如图6所示。

Figure 6.

3 系统软件设计

本次系统设计以STM32芯片编程为基础,在KEIL5里采用C语言对其进行程序设计,下文讲详细阐述主程序和各个子程序的设计流程。

3.1主函数流程设计

电子密码锁系统的控制主函数流程图如7所示。

Figure 7.

系统启动后,首要任务是完成多个功能单元的初始化设置,涵盖设定系统时钟、初始化中断延时函数、配置指纹模块的串口、启动OLED显示、初始化RC522模块以及配置必要的GPIO输入输出状态。

接着液晶屏显示当前的时间信息。由刷卡、指纹和按键方式进行开锁,通过按键进行开锁或修改,当忘记密码时可输入管理员密码进行修改,当需要添加或删除其他卡和指纹时,根据菜单进行选择。

4 实物制作与调试

4.1 实物制作

利用Altium Designer 新建好schematicibrary后,选择STM32F103、4X4矩阵键盘、AS608指纹识别模块、MRFC522门禁模块、蓝牙模块、OLED液晶屏模块、蜂鸣器、继电器和电机驱动模块等进行电路原理图设计。绘制完原理图将器件和网络导入PCB进行网表导入的工作,本次设计的实物制作通过将STM32最小系统板、OLED液晶屏模块、4X4矩阵键盘、AS608指纹识别模块、MRFC522门禁模块、蓝牙模块、蜂鸣器、继电器和电机驱动模块固定在一块PCB板上,按照前文硬件原理图连接。电子密码锁系统实物如图8所示。

Figure 8.

实物图下面的模块即为STM32F103最小系统板,中间是4X4矩阵键盘,可以实现密码输入、修改密码和功能切换,上方是0.96寸液晶显示屏,用来显示当前的状态、时间和功能菜单。

矩阵键盘右边分别是指纹识别模块、继电器蜂和鸣器控制电路,左边是MRFC522门禁模块,上方是蓝牙模块,整个系统的右边是电机驱动模块,模拟门锁开关状态。

4.2 实物运行调试

本设计在实物测试过程中,通过对按键密码、RC522门禁、AS608指纹识别和蓝牙模块四种方式进行开锁测试。通过液晶屏和步进电机实时反馈状态。密码存储于非易失性存储器中,具备密码验证、错误锁定等功能。

5 结论

本文经过精心设计和一系列实验验证,成功地推出了一种集STM32微控制器、4X4矩阵键盘、AS608指纹识别模块、MRFC522门禁模块、蓝牙模块、OLED液晶显示屏、蜂鸣器、继电器以及电机驱动模块于一身的电子密码锁系统。该系统不仅响应迅速,而且功耗极低,展现出了卓越的性能。这一创新之作是基于嵌入式系统开发技术的结晶,通过一系列专业的软件开发工具,成功地将设计理念转化为现实。

参考文献

[1]丁一,王盼瑞,王雪,等.基于单片机的智能电子密码锁设计[J].电子产品世界,2024,31(08):39-42.

[2]宋海燕,陈继涛,相茂云.基于单片机的多功能智能电子秤设计[J].科学技术创新,2025,(15):13-16.

[3]李川,孙康明.基于开源电子产品的单片机课程教学改革[J].汽车实用技术,2025,50(11):121-125.

[4]周涛.基于STM32单片机的多功能避障小车[J].现代制造技术与装备,2025,61(01):48-51+55.

[5]韩茜茜,耿世勇,付川南,等.基于单片机技术的多功能智能小车设计[J].机械工程与自动化,2024,(01):160-162.

参考

丁一,王盼瑞,王雪,等.基于单片机的智能电子密码锁设计[J].电子产品世界,2024,31(08):39-42.

宋海燕,陈继涛,相茂云.基于单片机的多功能智能电子秤设计[J].科学技术创新,2025,(15):13-16.

李川,孙康明.基于开源电子产品的单片机课程教学改革[J].汽车实用技术,2025,50(11):121-125.

周涛.基于STM32单片机的多功能避障小车[J].现代制造技术与装备,2025,61(01):48-51+55.

韩茜茜,耿世勇,付川南,等.基于单片机技术的多功能智能小车设计[J].机械工程与自动化,2024,(01):160-162.

作者简介

  • 湖南信息学院电子科学与工程学院 , 中国