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

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