基于STM32F103C8T6 单片机的智能密码锁的设计

胡伟霞，杨记鑫，陈会丽

（成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000）

在科技快速发展的今天，每个人拥有的密码信息越来越多，例如：开机密码、各种各样的登录验证密码等。这些数字化的密码很容易被遗忘，也有被窃取的可能性。简单的数字密码锁、机械锁已无法满足智能的需求。指纹识别技术是生物识别技术中发展最好、最成熟、也是应用范围最广的[1-4]的技术。

当前密码锁大多数是组合安装，功能单一，该文设计的智能密码锁，可以通过数字密码和指纹密码两种方式开锁。选用指纹模块进行指纹采集，操作简便，液晶屏实现数据的显示功能，此外还实现语音输出功能。

1 系统方案设计

该文设计的基于STM32F103C8T6单片机的智能密码锁系统由矩阵键盘、AS608 指纹模块、LCD12864液晶显示屏、继电器、存储器、扬声器系统组成，系统框图如图1 所示。系统以STM32F103C8T6 为核心模块，具有5 个时钟，可根据不同情况搭配使用，成本相对较低、性能强，有很多的IO 端口可供使用，能够精确地进行控制[5]；指纹模块选用Synochip公司的光学指纹识别芯片AS608，芯片集成了指纹识别算法，并配备了串口、USB 通信接口；AT24C02存储器是一款只读存储器，具有串行电可擦除的功能，断电后仍然会保护数据；LCD12864 液晶屏实现数据的显示功能；使用WEGASUN-M6 实现语音输出。

图1 智能密码锁系统框图

2 硬件电路设计

2.1 电源设计

该文采用的电子锁的工作电压为12 V，LCD 显示屏的工作电压为5 V，单片机、指纹模块、扬声器的工作电压为3.3 V，因此该系统采用12 V 的适配器供电，可以使用XL7005 芯片转换得到5 V 电压，在输入端并联两个滤波电容，以减小噪声对输入信号的干扰，输出端通过稳压设计，输出稳定的电压，12 V 转5 V 电路图如图2 所示。3.3 V 的电压通过AMS1117-3.3 芯片[6]从5 V 电压转化而来，在输出端加入了输出滤波电容，用于保持输出电压的稳定性和瞬态响应，进一步保证了电压的精度，5 V 转3.3 V 电路图如图3所示。

图2 12 V转5 V电路图

图3 5 V转3.3 V电路图

2.2 晶振与复位电路

该系统采用的LY-03 型STM32F103C8T6 的时钟信号由晶振产生，为了保持各部分同步工作，整个系统共用一个有源晶振，其时钟信号输入频率为8 MHz，电路原理图如图4 所示。

图4 晶振与复位电路图

该系统采用硬件复位，其通过按键来实现，复位芯片加到了芯片内触发器的NRST 端。

2.3 指纹模块电路

该文采用AS608 芯片[7]作为指纹模块，该模块中，1 号、6 号引脚和电源连接，2 号引脚和单片机的TXD 连接，3 号引脚和单片机的RXD 连接，4 号引脚接地，5 号引脚连接单片机，如图5 所示。

图5 指纹模块连接电路

2.4 存储电路

AT24C02 是一款只读存储器，具有串行电可擦除的功能。芯片的内部有256×8 bit 的字节，只读存储器还带有一个缓冲器，器件支持I2C[8]。存储模块连接电路图如图6 所示。

图6 存储模块连接电路图

2.5 显示电路

LCD12864 液晶显示屏是一款带中文字库的显示屏。其支持4×8 的显示方式，还自带两线或三线的串行接口方式[9]，显示电路图如图7所示。

图7 LCD12864液晶显示屏电路图

2.6 电子锁电路

该系统采用LY-03 型号电子锁，其额定电压为12 V。为了方便控制整个电路，给电路加上了稳压器和继电器。当系统发出指令，指定引脚的电平会拉高，通过打开继电器开关，继电器内部的另外一条与电子锁相连的电路被连通，使其通电开锁，电路如图8 所示。

图8 电子锁电路

2.7 语音电路

该文设计的语音模块可以播放单片机预存的常用的语句，例如：“你好，请输入开锁密码”，“暂未识别指纹，请再试一次”等，单片机接收到特定的指令，可以控制扬声器播放相应的声音，当连续输入错误的密码时，也发出报警提示，扬声器通过PA8013 放大[10-11]音量，如图9 所示。

图9 扬声器电路

3 软件设计

该文研究的电子密码锁系统的主程序主要是实现综合控制，在不同的操作触发下调用不同的子程序来实现相应功能。包括光学指纹模块程序、矩阵键盘程序、液晶显示程序等，通过整合上述各子程序来实现系统的最终流畅运行，程序流程如图10 所示。

图10 程序流程图

指纹模块采用UART 与单片机通信，对命令、数据、结果的接收和发送，都采用数据包的形式。当指纹匹配时，通过指纹传感器录入要验证的指纹图像并进行处理，然后与模块中的指纹模板进行匹配比较，模块给出匹配结果（通过或失败），最后单片机控制电子锁动作[12-13]。

按键模块的主要作用是通过用户按下不同的按键来实现对程序的控制并且实现相应的功能。按下按键的时候需要扫描键盘，目的是为了确认是否有按键按下以及按下的按键是哪一个，从而确定将要执行的具体功能。按键模块中，用户选择按键密码开门后，将进入按键密码验证程序。若密码匹配成功则驱动电子锁，若输入密码错误超过3 次就会进行键盘自锁和报警，同时加入了按键消抖的程序[14-16]。

液晶屏显示模块的主要目的是为了实现人机的界面交互，也就是用户根据页面显示的操作指令来完成自己想要的操作，同时也会把操作的执行情况和结果显示在屏幕上，让用户进行下一步操作。

4 实验与结果分析

4.1 指纹功能测试

指纹验证是用户进行指纹开锁的关键所在。在指纹匹配之前录好指纹，当开锁时，通过指纹传感器采集用户的指纹并且进行相应的处理得到指纹图像，然后与以前录好的指纹也就是模块中的指纹进行对比，如果两个指纹是相同的，系统将会开锁。

该文设计的指纹模块与单片机是通过UART 协议通信，通过测试，指纹识别功能正常。

4.2 显示功能测试

显示屏的调试主要是通过程序来完成的，将显示屏的程序烧写到单片机上再运行，看显示屏上能不能正确地显示出输入的信息。经验证，显示功能正常，满足实际需求。

4.3 语音功能测试

通过常用语句测试语音识别功能，具体语音信息可根据需求自行设定，测试语音输出是否正确。经验证，语音输出功能正常，满足实际需求。

5 结论

该文主要研究了基于STM32F103C8T6 单片机的智能密码锁的设计，可通过密码和指纹开门，具有设置管理员密码、录入指纹、指纹登录、设置4 位数字密码、更改数字密码、记录删除的功能，并通过显示屏来显示信息，同时还可以进行语言播报，该系统具有性价比高、体积小、方便、易操作、安全性高等优点。