第二章 整体方案设计

2.1 需求分析
搭建简单的智能门锁系统作品，需要相应的硬件与软件结合，本设计基于STM32的智能门锁系统主要实现的功能要求有：
(1)显示屏显示操作界面；
(2)使用者可以通过设置按键进入管理界面，可以修改密码，管理指纹库以及IC卡信息管理；
(3)密码断电也不会丢失，具有断电存储功能；
(4)支持虚伪密码，在正确密码前后可随意输入数字，保护真实密码；
(5)录入正确的指纹之后，当手指放在指纹识别模块上面，检测到指纹正确之后便会打开门锁；
(6)添加IC卡信息后，IC卡放在读卡模块上进行读取识别，检测到IC卡信息正确打开门锁；
(7)通过按键输入开锁密码，密码匹配正确则开锁；
(8)如果指纹、IC卡、密码等信息识别匹配错误，五次以上识别错误系统便会锁死；
(9)系统具备管理员密码，即使忘记密码之后，管理员密码也可以打开电磁锁。
以上的功能都需要使用不同的传感器模块来实现，比如输入密码需要使用矩阵按键模块；指纹识别需要用到生物指纹识别模块；IC卡识别需要使用射频读取模块；信息显示需要用到LCD显示屏等。通过STM32主芯片连接各种传感器进行数据处理，实现上述各项功能。
2.2 系统整体方案
硬件系统设计与软件系统设计的组合构成了基于STM32的智能门锁系统设计。硬件系统的设计由STM32F103C8T6单片机核心板电路、AS608生物指纹识别电路、RC522读卡模块识别电路、薄膜矩阵键盘电路、LCD12864液晶显示电路和蜂鸣器电路组成。在软件系统设计中，对指纹识别模块采集的指纹数据经过图像归一化、图像二值化、细化以及多重滤波等方式进行处理，再与存储的指纹进行识别匹配，同时在LCD12864液晶显示屏上显示处理过程信息。对通过RFID-RC522射频模块检测的IC卡进行匹配，查找内存中是否存在该卡信息，LCD12864液晶显示屏显示相关信息。对通过矩阵键盘输入的密码进行遍历匹配，查找输入的密码信息中是否存在正确密码，并且通过LCD液晶显示屏实时显示相关的操作信息。
2.3 系统整体框架图
为了实现上述需求，需要对各个传感器电路进行设计搭建，系统整体框架如下图2.1所示。

图2.1 系统整体框图

第三章硬件电路的设计

3.1 硬件电路总体设计
一种基于STM32的智能门锁系统的整体构成主要硬件是AS608生物指纹识别模块、RC522读卡模块、薄膜矩阵键盘模块、LCD12864液晶显示屏模块、有源蜂鸣器模块、以及STM32F103低功耗系列单片机及其电路组成的电路。还有电源部分，分别提供合适的电压电源给STM32单片机，硬件功能框如图3.1所示。

图3.1 硬件电路功能框图
3.2 传感器模块电路设计
3.2.1 STM32单片机核心电路设计
本设计采用STM32F103主控芯片，以ARM32位Cortex-M3高性能CPU为核心，工作频率为72 MHz。该芯片具有三种低功耗模式，包括睡眠模式，所有外围设备仅在CPU停止以及发生中断或事件时才连续运行，停止模式以最小的功耗保持寄存器和SRAM的内容[1]。同时，当STM32f103进入停止或待机状态时，相关的时钟不会停止，电池电压仅向实时时钟RTC和备份寄存器供电，以最大程度地提高能效并以最小的功耗完成任务。该芯片具有最高的集成度，内置复位电路、带唤醒功能的低电压检测功能、稳压器、兼容5V输入输出引脚以及精确的内部RC振荡器等，这为开发人员带来了灵活性。除了与突出的简单结构和制造工艺相关的节能特性之外，STM32f103系列还提供了额外的功能，使开发人员能够提高应用程序设计的效率和可行性。STM32f103还设置了两种调试模式，包括串行调试SWD接口，可通过ST-Link或J-Link进行调试。多达112个快速I / O端口，可轻松实现数字和模拟I / O。单片机核心板电路图如图3.2所示。

图3.2 STM32单片机核心板接口原理图
实物图如下图3.3所示。

图3.3 STM32单片机核心板实物图

第四章系统软件设计分析

4.1 单片机程序开发环境
本项目设计使用的开发环境是Keil uvisin5，它是当前比较流行的一种嵌入式开发环境。Keil uVision 5提供了完整的Windows开发环境界面，支持C/C++语言开发，具有很高的C语言编辑效率，使开发者可以非常方便地使用C语言进行研发[7]。Keil uvisin5的开发界面如图4.1所示。

图4.1 Keil uVision5软件开发界面图
其中Keil具有以下特点：
Keil支持Windows操作系统，提供了丰富的开发库和强大的开发调试工具；
Keil可以完成完整的软件开发工作，从编辑，编译，链接，调试到最终仿真的过程；
Keil uvisin5为Keil uvisin4ide添加了许多新功能。例如，Keil uvisin5增强了对Cortex-M核心微控制器的开发支持，并改进了Keil uvisin4的开发形式和接口。
4.2 ARM软件库开发流程
（1）首先建立“Project”工程，先在本地新建一个文件夹，用来保存工程的固件库文件；
（2）在工程文件里分别添加STARUP、CMSIS、STM32F4xx_StdPeriph_Driver、User、Doc组目录；
（3）在工具链中的C/C++选项卡里面指定头文件的目录；
（4）在工具链中的C/C++选项卡里面添加这两个宏：
USE_STDPERIPH_DRIVER,STM32F429_439xx,
（5）屏蔽掉不需要使用的文件：
stm32f4xx_cec.c,stm32f4xx_dsi.c,stm32f4xx_flash_ramfurc.c,stm32f4xx_fsmc.c,stm32f4xx_qspi.c
（6）删除stm32f4xx_it.c文件里的下面代码语句：
#include ”main.h”, TimingDelay_Decrement();
（7）最后所使用的配置仿真器即可完成工程的建立了。具体工程开发如下图4.2所示。

图4.2 Keil uVision5软件开发流程图

第五章系统的焊接与调试

5.1 电路焊接
手工焊接是一种最常见的原始焊接方法。目前，虽然许多工厂的焊接生产基本上不使用该方法，但在进行系统测试还是会经常使用手工焊接[8]。重要的是，如果焊接过程中出现问题，整个控制系统都会受到影响，可以说焊接会使控制系统不能使用。手工焊接主要有如下四步组成的：
第一步是开始焊接。要焊接的地方要清理干净，主要是去除油渍和灰尘，然后要焊接的部分要在一定方向上以两个角度折叠。小心不要交叉每个零件的腿，这会影响焊接。接下来，让焊接头接触待焊接部件的底部，并将其放在电线上。应该注意的是，焊头不能接触到其他零件的脚，否则这两个零件将被焊接在一起。
第二步是热焊接。在第一步之后，下一步是加热焊锡丝。主要是把一个热烙铁放在设备的引脚旁边，慢慢熔化焊丝。必须注意电烙铁的温度和加热时间。如果时间太长，它很可能被焊接到面包板衬垫上。通常建议将电烙铁的温度调节到大约400度。加热大约2秒钟。这一例外也是基于设备类别的具体差异。在焊接过程中，当需要移除焊接部分时，也需要加热焊接部分。主要操作是在焊接处修补焊丝，使焊点变圆，然后通过电火花加工加热焊接处。在加热过程中，可以直接移除部件。此时，必须采取注意时间，否则垫将被损坏。
第三部分是焊接表面的清洁。第二步完成后，有时会发现焊接不完美或害怕焊接错误，需要对焊接进行添加修改，主要会出现的主要有两种情况，一种是焊锡不足，焊点不圆。这时，有必要修理焊点。此时应注意，不能增加焊料的数量，否则在其他时间段内很容易连接到引脚。第二点是焊料过多。此时，您可以使用烙铁来回滑动焊料，这将带走多余的焊料。如果不能，则只能使用吸锡器。
第四部分是焊点检查。完成前面的三个步骤后，就需要对系统电路进行整体的观察，主要是查看焊接点是否完整，光亮，牢固，并是否与其他引脚连接以及是否有漏焊。
5.2 系统调试
记住必须认真观察焊接系统是否存在问题，例如正极和负极的反向连接或者连接，明显的断裂，虚焊问题等。然后使用万用表检查是否存在严重的电源问题，例如正极和负极之间的短路，以确保系统焊接没有问题。
配置完成调试平台后，我们需要调试软件程序。如果程序调试没有问题，请开始验证系统功能是否符合要求。如果功能没有满足设计要求或者存在问题，就继续重复进行调试程序，直到满足所有功能要求为止。
5.2.1 系统程序调试
在前面新建的工程里面完成整体代码的编写，然后单击keil uvisin5软件左上角的编译按钮，系统将对工程代码文件进行编译，可以在keil uvisin5软件下面的Build Output窗口中看到相应的提示信息。如果有错误消息，则必须按照提示查找并纠正错误，直到没有错误并且实物功能满足要求为止（如果是一般警告则可以忽略）。

图5.1 程序编译无误提示界面
5.2.2 系统硬件调试
软件调试完成后，接下来就是对整个硬件进行测试，主要使用各种调试设备对焊接板进行整体调试，例如：万用表、直流电源或示波器等。主要检查设备是否能够工作进行正常。
（1）肉眼进行观察。仔细观察每个焊接点是否有虚焊现象，每个器件之间是否有存在短接现象，从而导致系统短路。
（2）使用万用表进行调试。首先检查电源是否短路，然后测量引脚连接是否正确，是否存在接线错误。
（3）上电检查。完成第一步和第二步后，接下来，可以打开电源对系统进行通电。上电后，观察各个模块是否工作正常，然后逐个测试功能。
5.3 实物测试
最后是对整个系统进行软件与硬件联调，以达到项目设计的要求。它支持指纹、NFC、密码以及感应卡四种方式进行开锁；通过LCD12864液晶显示屏显示系统操作界面，分别有运行界面、密码管理界面、指纹管理界面以及IC卡管理界面；具有分级管理权限，管理员权限才可以进行增删信息，比如修改密码、添加或者删除指纹信息以及IC卡信息等；支持虚伪密码，在正确密码前后可随意输入数字，保护真实密码；多次密码或指纹开锁失败则劫持开锁，使用管理员密码即可开锁并恢复正常。
经过测试，系统各项功能测试正常，符合设计要求，如下图5.2所示。

图5.2 实物运行测试图

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