基于单片机的蓝牙无线密码锁设计

摘 要

在我们的生活当中，处处都能看到锁的身影，小到家门上的锁，大到银行保险柜上的锁。当人们想要保护贵重物品时，锁往往会被广泛使用。随着时代的不断发展与进步，人们对锁的安全性越来越重视。传统机械锁，由于其内部结构简单，使用安全性低，所以慢慢的淡出了人们的视野。具有蓝牙功能的电子密码锁渐渐受到了大家的喜爱。和传统机械锁相比，运用蓝牙技术的密码锁，能够成功地保障用户的安全信息，可以极大程度的解决旧锁具的不足，满足了人们对于锁的安全性的要求。
在基于单片机的蓝牙无线密码锁设计中，将蓝牙技术作为本次设计的核心内容，通过运用STC89C52单片机，加上LCD液晶显示器模块，以及多种类的相关零件，可以提供多种较为便利的设定，成功帮助用户解决开锁以及闭锁等诸多方面的内容，且将整个过程科学合理化，最大程度地保障人们的安全。
经实验验证，相比于传统机械锁，蓝牙无线密码锁具有安全便捷成本低等优点，可普遍应用于家庭、宾馆、办公大楼、银行等地方。这样安全便捷的开锁方式给人们的日常生活和工作提供了保障，保护了人员和财产的安全，大大提高了安全系数。

关键词：单片机；蓝牙模块；LCD1602；密码锁

1 系统总体设计

为了实现远程开锁，保护人们财产和信息安全，本文设计了一个具有报警、远程控制、修改密码、虚假密码等功能于一体的基于单片机的蓝牙无线密码锁系统，以此来对锁的安全性进行改善。

1.1 系统设计要求

(1)采用AT24C02芯片，用于储存设置的密码，并具有掉电之后保存密码功能；
(2)用户可以自行设定对应的密码，想要更换成新密码，必须要重新输入原有密码两次才可以通过系统的审核；
(3)密码输入错误3次，蜂鸣器响，报警锁死，屏幕显示ERROR；
(4)输入正确的密码继电器吸合，开锁指示灯亮，屏幕显示OPEN；
(5) 4×4矩阵键盘包括0～9的数字键和A～D的功能键以及*、#按键；
(6)液晶屏幕采用了新型的光学感应系统，能够成功地对应天气进行相应的屏幕转变，从而最大程度的节约电能；
(7)可以使用虚假密码，开锁时可以随意输入虚假密码掩人耳目，防止他人窃取密码；
(8)采用蓝牙模块，可以实现远程开锁。

1.2 系统设计思路

在总体方案的选定上，最初考虑了两种方案，一种是利用数字电路来实现密码锁的功能，配合其他主控芯片，结合蓝牙模块来实现预期的功能，另一种是使用单片机作为主控芯片[4]，利用其可编程性，来实现密码锁功能，同时兼顾了蓝牙模块的使用。
方案一：用数字电路控制系统
运用触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，当用户想要避免自己的信息泄露时，只需要按下对应的干扰按键，就能够成功的终止当前的密码输入行为，而且如果该用户在进行密码输入时，使用了过长的时间那么系统会判定此次输入无效并发出警报，通过这种方式能够使整个系统的操作较为便捷，易操作，缺点就是灵活性太差，容易给用户带来不必要的麻烦，并且在加入蓝牙模块时，还要额外加入主控芯片，实行起来复杂且成本高，使用效果也不是很好。因此，这种方案没有得到实际的应用。
方案二：用单片机控制系统
运用单片机作为主要控制系统，单片机是一种虽然小但很完整的芯片，应用在集成电路中，也可以称之为微型计算机系统。它很稳定并且能够对接收的数据进行实时反应，常运用在工业环境中。再外接液晶显示器、蓝牙模块、矩阵键盘、存储芯片等器件，单片机通过I/O口控制外接设备。用户可以有两种方式输入密码，可以使用矩阵键盘输入密码也可以使用蓝牙APP输入密码。如果成功的输入正确的密码，继电器就会吸合，开锁指示灯亮，屏幕会显示为打开状态。如果并没有输入正确的密码，那么蜂鸣器会发出对应的警报。如果输入三次错误内容，那么蜂器将会一直保持警报状态，整个体统进入锁死状态。
通过两种方案相比较，方案二比较好。其最大的优点就是灵活度高、性能高、价格低廉，所以本设计采用单片机控制系统的方案。

2 系统硬件设计

2.1 设计原理

本设计的主要硬件由单片机[5]、显示模块、驱动模块等硬件组成。在整个系统运转时，单片机会依照用户实际输入的对应内容，在此过程中，单片机判断用户输入密码的正确性。如果成功的输入正确的密码，继电器就会吸合，开锁指示灯亮，屏幕会显示为打开状态。如果并没有输入正确的密码，那么蜂鸣器会发出对应的警报。如果多次回答错误内容，系统会根据这一情况，判定为他人盗用，整个体统进入锁死状态。蓝牙无线密码锁硬件原理框图如图2.1所示。

图2.1 蓝牙无线密码锁硬件原理框图

2.2 主控模块

单片机在本次毕业设计中起到了至关重要的角色，它是整个设计方案的核心。本项目拟采用单片机作为主要控制系统，拟采用STC89C52单片机和STM32单片机，两种单片机对比如下所示。
方案一：STC89C52单片机
STC89C52单片机拥有着诸多方面的优点，例如运转速度极快，而且对能源的需求不高，可以有效抵抗外部的干扰等诸多方面，而且其指令代码能够与传统的五一单片机进行很好的衔接。STC89C52单片机内部存在完整操作处理器，处理的对象单位并非字或者字节，而是位。采用51Core内核，拥有64KB空间。同时由于自带的双地址区间，使得STC89C52单片机使用方式更加多样化。
方案二：STM32单片机
STM32单片机主要服务于Cortex-M内核，含有1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，但由于性能优异，使用起来比STC89C52单片机复杂的多，因此本次设计不准备使用STM32单片机。
通过两种方案相比较，方案一比较好。其要求低、功能齐全，在较小的范围内可以实现全方面的功能，所以本设计选择STC89C52单片机作为主控芯片。
STC89C52单片机在进入工作后能够一直保持稳定的工作状态，对于电压的需求需要在5.5V到2.0V之间，进入工作状态后，它的工作频率始终保持在48Hz以下，对于STC89C52单片机而言，它拥有以下几个特征：首先它拥有着把给自己的内部程序储存空间，其次它拥有着三个定时器帮助其工作，最后它拥有着较强的抗干扰性，能够成功地显示当前的工作状态。STC89C52单片机原理图如图2.2所示。

图2.2 STC89C52单片机原理图

3 系统软件设计

3.1 软件设计开发环境

本次软件设计的开发环境是Keil μVision4。它包含功能强大的开发工具，可用于所有开发过程，例如编译、连接、调试和仿真。Keil μVision4于它的上一代在系统编程中又添加了许多的新内容，这些内容包括了以下等诸多方面：首先可以为程序员提供较为便捷的管理系统，帮助使用者能够调试和还原视图，其次，能够将工作区的内容进行简化，最后他拥有着极强的编辑功能，涵盖了整个系统编程的诸多方面，在前者的基础上，进行了全方位的完善[14]。
Keil C51软件是ARM公司在20世纪末于美国开发的五一单片机下的附属系统，与传统的汇编语言相比，该系统在可靠性以及科学性和便携性方面都拥有着较大的提升，从而能够为使用者提供相应的便捷性，在实际开发之中拥有着很强的完整性与实用性，包括了系统编写的各方面内容。Keil μVision 4开发环境如图3.1所示。

图3.1 Keil μVision4开发环境

3.2 程序流程图

本次设计的总体软件较为简单，主要分为主程序和子程序以及对密码进行相关设定的程序。首先，初始化每个模块，检测是否有按键按下，如果按下，确定哪个按键被按下，然后判断是否调用相应的子程序。主程序流程图如图3.2所示。

图3.2 主程序流程图

4 系统调试

4.1 硬件调试

将整个硬件搭建完成之后，第一时间并不能对其进行通电处理，首先需要查看整个系统是否已经就绪，其焊接点是否完善，并且根据对应的电路图进行相应的排查，运用电压表来对电压进行实时的检测，在确定整个系统已经达到完善之后，进行相应的调试[18]。
单片机与蓝牙的调试需要分成两部分，运用单片机开发装备来对单片机进行相应的调试，而蓝牙需要通过蓝牙模块来进行对应的调试。将蓝牙模块连接至电脑端口，运用对应的频率以及指令来对相应的内容进行测试，在蓝牙成功匹配之后，可以输入对应的命令，在输入命令之后液晶显示器会成功的发亮，并能够返回对应的数值，完成以上步骤之后说明该系统的蓝牙模块调试，没有出现问题。
在对整个程序进行相关测试之前，需要正确的设计好报警参数，如果在实验中并没有输入正确的密码，那么报警器会根据错误的输入行为发出对应的警告[19]，如果连续三次都没有输入正确的密码，对应的操作系统将会被成功关闭，从而防止信息泄露，当出现这种情况时，必须要及时的按下回位键。蓝牙无线密码锁实物图如图4.1所示。

图4.1 蓝牙无线密码锁实物图

4.2 问题及解决方法

在进入环境以后，遇到了很多问题，总结如下：
(1)提示无asm文件。编译时候提示：F:…\XX.asm File has been changed outside the editor,reload ？解决方法：重新生成项目，产生examl1.asm即可。
(2)输入程序时存在中文标点符号，用keil编译时出现错误。解决方法：程序里有带中文标点，可用英文重输入一遍。
(3)程序汇编时出现字母数字的混杂，解决方法：字母“O”和数字 “0”。汇编时一定要注意细节。
(4)焊接短路：就是在焊接的过程中，有很多多余的融化锡液滴到了电路板的其他位置，致使锡液与其他电路连接，造成短路。这种失误是最为严重的，如果操作不当可能会使整个电路系统烧毁，解决方法：把控好焊锡的量，在焊接过程中尽量做到仔细，不能有差错。
(5)冷焊：冷焊就是在焊锡在接触线路板时温度过低，使得焊锡与接线板的粘合度降低，可能致使电路连接不稳定。致接线板与零件的结合点较为疏松，会造成接触不良。解决方法：待焊锡丝完全融化后再进行焊接。
(6)零件规格选择错误：就是在焊接过程中选错了零件的参数和规格，例如，误把规格为100PF的电容焊接到需要1000PF的焊接点，会造成系统的部分功能无法使用。解决方法：在选择零件参数时要认真审查零件的规格。最终实现了预期的性能要求和功能表现。

5 结 论

本次设计用单片机STC89C52作为主控芯片，再外接液晶显示器LCD1602、蓝牙模块、矩阵键盘、存储芯片AT24C02等器件，研制了一款具有蓝牙无线功能的电子密码锁。在单片机的选择上，本次设计选择了STC89C52单片机，相较于其他的单片机来说该单片机具有高性能、低功耗、超强抗干扰等优点，使系统的安全性更强，可在长期的使用中减少成本，提高推广性。
对设备进行相关的调试之后，最终实现了蓝牙无线远程开锁的功能。蓝牙无线密码锁的出现，为人们的日常生活提供了便捷和安全的保障，让越来越多的现代人感到技术的重要性。任何新技术或新产品的推出都不是一步之遥，只有不断的技术进步和改进，才能以完美的形式向全世界展示。蓝牙无线密码锁是继电子产品和家用产品在技术上相结合之后产生的密码锁行业的一项科技成就。
本次设计将预期功能进行了完美实现，能够成功地解决生活中传统锁具安全性不足的问题，可以成功地帮助用户进行信息保护，且该设计的可靠性较强，操作也较为简单，本身成本不高，可以运用在各种场合之中，有极高的实用性和很好的推广前景。随着科技的不断发展，相信在不久的将来蓝牙无线密码锁将会完全取代传统机械锁。

作者：QQ2193276455