藍牙遙控密碼鎖畢設(shè)

1、武漢紡織大學 畢業(yè)設(shè)計論文 題目：藍牙遙控密碼鎖學 院： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 光電信息工程 姓 名： 雷 航 指導教師： 王 閔 2016年6月4日摘 要隨著社會的發(fā)展和進步，家居智能化越來越成為未來的發(fā)展趨勢。目前市場上的電鎖門禁主要采用按鍵的機械密碼鎖，一定程度上安全度不夠高，且使用不夠人性化。本文設(shè)計了一種基于單片機微控制器控制的藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)，能讓用戶通過手機控制密碼鎖的開關(guān)，且脫機情況下能夠通過按鍵解鎖。本項目系統(tǒng)設(shè)計分為硬件和軟件兩部分。硬件部分主要分為電鎖控制器的主板設(shè)計和電鎖受控模塊的設(shè)計。軟件部分包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、藍牙通信模塊等。系統(tǒng)實現(xiàn)功能主要有藍牙遠程控制功

2、能，按鍵密碼輸入功能，干接點弱電控制功能等。實驗表明，該系統(tǒng)能夠在手機藍牙發(fā)送控制信號以及密碼的方式下控制密碼鎖的開合狀態(tài)，并且在藍牙控制受限的情況下，還能夠通過主機攜帶的按鍵密碼輸入控制密碼鎖的開合，具有設(shè)計成本低、可靠性高的特點，達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：密碼鎖；藍牙收發(fā)模塊；STM32F4；uCOSII系統(tǒng)；智能手機ABSTRACTWith the development and progress of society, intelligent household more and more to become the future development trend. At presen

3、t, mechanical cipher lock is mainly to be used on the market, to a certain extent, security is not high enough, and the use of lack of humanization. This thesis present an bluetooth remote control cipher lock system based on micro-controller, which can allow users to control the password lock switch

4、 by mobile phone bluetooth, and through the keys to unlock in the offline condition. The system contains hardware module and software module. The former contains the controller of electric lock and the controlled of clectric module, and the latter contains data transmission and buletooth communicati

5、on module. The mainly functions contain bluetooth remote controller, key password input, electric controller, etc. Experiments show that the system can not only be controlled by bluetooth of smart phone , but also can be controlled by key password. The system has the characteristics of low cost, hig

6、h reliability, and satisfies the design requirements.Keywords: Coded Lock; Bluetooth Transceiver; STM32F4; uCOSII Syestem; Smart Phone目 錄 1. 緒論.11.1 課題意義.11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.3 主要研究內(nèi)容. .22. 藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)方案設(shè)計.22.1 系統(tǒng)總體功能分析. .22.2 系統(tǒng)設(shè)計流程.32.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計.32.4 系統(tǒng)工作流程.53. 系統(tǒng)硬件設(shè)計.63.1 系統(tǒng)模塊芯片特性.63.1.1 STM32F4微控制器芯片.6

7、3.1.2 MP2359電源芯片.93.1.3 HC05藍牙接收芯片.103.1.4 TLP521-1光耦隔離芯片.113.1.5 GT9147觸摸屏驅(qū)動芯片.123.2 主板硬件電路設(shè)計.123.2.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計.123.2.2 電源電路設(shè)計.163.2.3 藍牙接收模塊.173.2.4 TFT觸摸屏模塊.183.2.5 LED驅(qū)動電路.203.2.6 蜂鳴器驅(qū)動電路.203.2.7 干接點輸出電路.213.2.8 干接點檢測電路.214. 系統(tǒng)軟件設(shè)計.224.1 HC05通過USART接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收.224.2 觸摸屏驅(qū)動.274.3 脫機鍵盤的C語言實現(xiàn).314.4 系

8、統(tǒng)運行狀態(tài)指示模塊.464.5 密碼的掉電存儲.475. 總結(jié).49參考文獻.52致謝.53武漢紡織大學2016屆畢業(yè)設(shè)計論文1 緒論1.1 課題意義在人們的日常生活中，鎖被廣泛使用，人們常用鎖具來保證一些貴重物品乃至自己家庭的安全，目的就是為了提高安全性。常見的鎖有普通機械鎖、機械密碼鎖、電磁卡鎖、指紋（虹膜）鎖等。普通的機械鎖極容易被強行破壞，安全系數(shù)不高，并且需要攜帶過多的鑰匙，給生活帶來不便；機械密碼鎖雖然安全系數(shù)高但造價相對較高；電磁卡鎖由于磁卡信息極易受外界干擾而失磁導致無法開鎖，而指紋（虹膜）鎖雖然安全性很好，但會因手指劃傷或虹膜充血等收到限制。生活在提高，時代在進步，人類在向文

9、明邁進。因此研究一種新型的密碼鎖具有很高的現(xiàn)實需求性。21世紀是科技蓬勃發(fā)展的年代，各種高科技產(chǎn)品層出不窮。隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質(zhì)量。正是由于人們對于居住環(huán)境智能化，舒適程度等要求的提高，家居智能化在這種形勢下應(yīng)運而生的，這將會給智能家居的發(fā)展提供了很大的市場空間，家居智能化已成為必然的趨勢。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備（如音頻設(shè)備，照明系統(tǒng)，窗簾控制，空調(diào)控制，安防系統(tǒng)，數(shù)字影院系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)家電）。智能家居系統(tǒng)細分大致

10、有二十類：控制主機，智能照明系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，家庭背景音樂，家庭影院系統(tǒng)，對講系統(tǒng)，視屏監(jiān)控，防盜報警，電鎖門禁，智能窗簾，暖通空調(diào)系統(tǒng)，太陽能與節(jié)能設(shè)備，自動抄表，智能家居軟件，家居布線系統(tǒng)，家庭網(wǎng)絡(luò)，廚衛(wèi)電視系統(tǒng)，運動與健康監(jiān)測，花草自動澆灌，寵物照看與動物管制。本文研究的范圍僅僅是智能家居系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，電鎖門禁。就目前而言，大多數(shù)人越來越依賴手機，特別是年輕人甚至是手機不離身?；诖?，本文將設(shè)計一款藍牙遙控密碼鎖，使其同時具有觸摸按鍵和手機APP兩種種開鎖方式。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電子鎖的研究從上世紀30年代就開始了，在某些特殊場合早有應(yīng)用。研究這種鎖的初衷是提高鎖具的安全性，

11、因為密碼鎖的密碼量很大，可以和機械鎖配合，避免因鑰匙被仿制而出現(xiàn)的問題。在安全性提高的前提下不需要鑰匙被越來越多的人所欣賞。現(xiàn)代生活對鑰匙的要求是的鑰匙從有形變成無形，安全要求也使得數(shù)據(jù)量小的機械鑰匙逐漸被數(shù)據(jù)量多的數(shù)字密碼鎖升值是數(shù)字量更多的生物資料識別系統(tǒng)所取代。特別是進入20世紀80年代以后，隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn)，電子鎖的體積縮小、可靠性提高，廉價產(chǎn)品開始出現(xiàn)，給電子鎖進入大眾生活提供了可能。目前，在西方發(fā)達國家，電子密碼鎖已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)中，通過多種更加安全，更加可靠的技術(shù)實現(xiàn)門窗管理。在我國電子密碼鎖的成本還很高，應(yīng)用還不廣泛。希望通過努力，使電子密碼鎖在我國也得到

12、廣泛應(yīng)用。1.3 主要研究內(nèi)容由于本文研究的藍牙遙控密碼鎖想融入智能家居系統(tǒng)，那么它必將具有以下四點非常重要的功能：穩(wěn)定的通信功能；設(shè)備的自足性功能（脫機功能）；設(shè)備的人性化；交互系統(tǒng)。根據(jù)本文的研究內(nèi)容，論文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章簡要介紹課題研究的意義，密碼鎖的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并簡要介紹了本文的主要工作。第2章確定系統(tǒng)設(shè)計方案，分析系統(tǒng)設(shè)計總體功能及流程，設(shè)計系統(tǒng)功能模塊。第3章詳細介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計，包括控制器的主板和電控鎖模塊等。第4章詳細介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括ucosII單片機實時操作系統(tǒng)，智能手機指令發(fā)送app等。第5章在詳細介紹實驗情況的基礎(chǔ)上，對藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)進行總結(jié)，并對未

13、來工作進行展望。2 藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體功能分析本課題所設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖是基于單片機的智能電鎖系統(tǒng)1，作為智能家居系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它需要具有以下功能：穩(wěn)定的通信功能：指藍牙密碼鎖能夠與智能家居的控制終端系統(tǒng)進行穩(wěn)定的通信。并且藍牙密碼鎖，還要能夠接受控制終端的命令，執(zhí)行控制終端的命令實現(xiàn)密碼傳輸以及開關(guān)控制。藍牙協(xié)議采用標準藍牙通信協(xié)議，確保系統(tǒng)的擴充性和擴展性，保證不同廠商之間系統(tǒng)可以兼容與互聯(lián)。自足性（脫機功能）功能：是指在控制終端系統(tǒng)由于各種原因（包括控制終端系統(tǒng)死機），無法與主機系統(tǒng)正常通信的情況下，藍牙密碼鎖能夠通過鍵盤密碼方式進行開關(guān)，不需要控制終端的控

14、制干預。人性化功能：由于藍牙密碼鎖最終的使用者是廣大的消費者，而不是專門的電子的工程師，那么他必須要要有易于使用的功能。涉及到易于使用那么，那么他的接線就必須是傻瓜式的，操作就必須是一鍵式的。交互系統(tǒng)：由于藍牙遙控密碼鎖的使用者需要了解密碼鎖的狀態(tài)，密碼鎖的開關(guān)狀態(tài)，密碼輸入的位數(shù)，密碼的回刪，以及重置密碼，所以本系統(tǒng)需要一個可視化的交互界面。2.2 系統(tǒng)設(shè)計流程為了使藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，并可以方便地對系統(tǒng)進行調(diào)試和改進，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計的思想，將其分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。本課題基本的研究步驟如下：翻閱大量文獻資料，確定藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計思路及其基本實現(xiàn)方案；選取系統(tǒng)

15、設(shè)計中需要的元器件型號，詳細了解其產(chǎn)品規(guī)格；了解所選控制器的內(nèi)部資源及結(jié)構(gòu)，并掌握其使用方法和編程技巧；查閱各功能模塊所使用的器件的相關(guān)資料，了解具體控制架構(gòu)；學習ucosII單片機實時操作系統(tǒng)，并編寫可視化交互界面；將編譯通過的程序下載到檢測好的硬件電路上進行各模塊調(diào)試；各模塊調(diào)試通過后進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；完成系統(tǒng)設(shè)計，并進行系統(tǒng)功能測試。2.3 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為主板設(shè)計和干接點弱點控制模塊兩部分。其中，兩部分主要模塊包含以下幾個部分：微控制器模塊：此模塊是本課題設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)的核心部分。目前，單片機的種類較多，由于本系統(tǒng)所設(shè)計的微控制器功能并不是很復雜

16、，所以不需要過于高端的ARM處理器，同時為了保證系統(tǒng)的運行速度也不采用51內(nèi)核的單片機1。因而選用了較為先進的ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407單片機2，其擁有豐富的外設(shè)，完全能夠滿足本次設(shè)計的要求，也有利于日后產(chǎn)品升級的需求，且成本較低，易于產(chǎn)業(yè)化。電源模塊2：藍牙遙控密碼鎖的主板所需要的電源高效、穩(wěn)定的5 V，因此本課題選用了DC-DC芯片（MP2359），由于采用了DC-DC芯片，所以主板系統(tǒng)的供電范圍十分寬（只要在DC6-16 V供電就可以），何以適應(yīng)較大范圍的供電電源。在耗電較大的情況下，比如本課題用到的觸摸屏實時監(jiān)測，這種供電方式也能夠為系統(tǒng)提供足夠的供電電流。觸摸

17、屏模塊：此模塊是本課題設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)的脫機使用的核心部分。本系統(tǒng)使用的ALIENTEK4.7寸TFTLCD模塊自帶的觸摸屏3，該電容觸摸屏具有手感好、無需校準、支持多點觸控、透光性好等優(yōu)點。由于本密碼鎖系統(tǒng)主要用于家用，所以不僅滿足了電容觸摸屏的使用環(huán)境要求，且會提供較好的用戶體驗。藍牙發(fā)送模塊：本課題設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)要實現(xiàn)通過手機藍牙向主控器發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，本調(diào)試過程中使用的安卓手機的藍牙系統(tǒng)，通過安裝Bluetooth Serial control APP來完成藍牙信號的發(fā)送。藍牙接收模塊：由于本次設(shè)計需要能夠藍牙遙控控制窗簾的開合，利用微控制器驅(qū)動藍牙模塊來接收上位機發(fā)

18、送過來的指令。因此，系統(tǒng)藍牙接收模塊選用了HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊，采用SPI通信，非常易于連接到單片機。蜂鳴器反饋模塊：主板接收到遙控傳來的信息后，會通過聲音的形式將接收狀態(tài)反饋給用戶，顯示出正常接收結(jié)果。蜂鳴器并無特別要求，由于系統(tǒng)設(shè)計主板電源模塊采用的5 V供電，因此只需要選擇5 V的蜂鳴器即可。干接點弱電控制模塊：為了避免外接的干接點影響到系統(tǒng)功能，對于干接點模塊采用弱電控制，并采取隔離的方式。因而，可以利用光耦隔離繼電器來獲得電接點信號，其中光耦驅(qū)動器采用TLP521芯片。LED反饋模塊4：當用戶想在較遠的地方了解到密碼鎖的開關(guān)狀態(tài)時候，可以通過判斷密碼鎖主板上面的LED反饋

19、燈的顏色快速了解密碼鎖的狀態(tài)。LED無特殊要求，由于系統(tǒng)設(shè)計主板電源模塊采用的5 V供電，因此只需要選擇5 V的LED即可。電控鎖模塊：由于系統(tǒng)設(shè)計過程主要考慮功能實現(xiàn)的可能性，電控鎖選用了比較經(jīng)濟的賽瑞XG-03 DC12 V/24 V小電鎖，該電控鎖模塊通過干接點弱點控制來實現(xiàn)，用戶可根據(jù)自身實際要求選用不同的電鎖模塊。2.4 系統(tǒng)的工作流程與傳統(tǒng)控制窗簾的方式不同，本課題所設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)具有以下兩種控制方式：藍牙遙控控制電鎖的開關(guān)；脫機觸摸鍵盤控制電鎖的開關(guān)。這兩種方式均可以訪問系統(tǒng)。藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)的藍牙遙控以及脫機鍵盤控制功能主要通過對主板部分的設(shè)計實現(xiàn)，并能實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置

20、及遠程通信功能。如圖2-1所示為藍牙遙控密碼鎖主板的系統(tǒng)工作框架。圖2-1 藍牙遙控密碼鎖系統(tǒng)主板工作框架系統(tǒng)通過高頻率的掃描系統(tǒng)獲取藍牙指令或觸摸屏指令控制信息，根據(jù)所獲信息利用主板部分的微控制器STM32F4判斷密碼的正確性，正確則產(chǎn)生干接點信號，控制光耦繼電器的開閉，來選擇連通驅(qū)動電源與電控鎖。同時，用戶還可以選擇密碼可見或不可見，用戶也可以修改密碼。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計本課題所設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖設(shè)計不少硬件模塊，具體如下：微控制器STM32F407芯片，MP2359電源芯片，藍牙接收模塊ATK-HC05，光耦隔離芯片TLP521-1，TFTLCD電容觸摸屏驅(qū)動芯片。下面對各功能模塊的芯片

21、特性進行詳細介紹及分析。3.1 系統(tǒng)模塊芯片特性3.1.1 STM32F407微控制器芯片藍牙遙控密碼鎖的核心部分是主機部分的微控制器。目前，單片機的種類較多，由于本系統(tǒng)所設(shè)計的微控制器功能并不是很復雜，所以不需要過于高端的ARM處理器，同時為了保證系統(tǒng)的運行速度也不采用51內(nèi)核的單片機。因而選用了較為先進的ARM Cortex-M45內(nèi)核的STM32F407ZGT6單片機，其擁有豐富的外設(shè)，完全能夠滿足本次設(shè)計的要求，也有利于日后產(chǎn)品升級的需求，且成本較低，易于產(chǎn)業(yè)化。此系列芯片的工作頻率為168 MHz，內(nèi)嵌ARM Cortex-M4的核，內(nèi)置高速存儲器，是一種中高端的32位的微控制器。S

22、TM32F407增強型系列的芯片具有省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求，共包含一個512 K FLASH、192K SRAM、硬件FPU、12個16位定時器、2個32位定時器還包含許多標準的和先進的通信接口，適合于多種應(yīng)用場合。STM32F407主系統(tǒng)包含一個Cortex-M4的內(nèi)核主系統(tǒng)由32位多層AHB總線矩陣構(gòu)成，可以實現(xiàn)以下部分的互連：8條 主控總線：Cortex-M4F內(nèi)核I總線、D總線、S總線，DMA1存儲總線，DMA2存儲總線，DMA外設(shè)總線，以太網(wǎng)DMA總線、USB OTG HS DMA總線。七條被控總線：內(nèi)部Flash ICode總線，內(nèi)部Flash DCode總線，主要內(nèi)部SRA

23、M1(112 KB)，輔助內(nèi)部SRAM（16 KB），輔助內(nèi)部SRAM3（64 KB）（僅適用于STM32F42xxx和STM32F43xxx器件），AHB1外設(shè)（外設(shè)AHB-APB總線橋和APB外設(shè)），AHB2外設(shè)，F(xiàn)SMC。借助總線矩陣，可以實現(xiàn)主控總線到被控總線的訪問，這樣即使在多個高速外設(shè)同時運行期間，系統(tǒng)也可以實現(xiàn)并發(fā)訪問和高效運行，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1 STM32F407系統(tǒng)結(jié)構(gòu)STM32F407可以使用三種不同的時鐘源來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘（SYSCLK）的：HSI振蕩器時鐘、高速外部時鐘信號（HSE）振蕩器時鐘、及PLL時鐘，如圖3-2所示為STM32F407時鐘樹。HS

24、I時鐘信號由內(nèi)部8 MHz的RC振蕩器產(chǎn)生；HSE可以由HSE外部晶體和陶瓷諧振器兩種時鐘源產(chǎn)生；內(nèi)部PLL可以用來倍頻HSI RC的輸出時鐘或HSE晶體輸出時鐘。 圖3-2 STM32F103時鐘樹在STM32F4中，有五個最重要的時鐘源，為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。其中PLL實際是分為兩個時鐘源，分別為主PLL和專用PLL。從時鐘頻率來分可以分為高速時鐘源和低速時鐘源，在這五個中HSI，HSE以及PLL是高速時鐘，LSI和LSE是低速時鐘。從來源可分為外部時鐘源和內(nèi)部時鐘源，外部時鐘源就是從外部通過接晶振的方式獲取時鐘源，其中HSE和LSE是外部時鐘源，其他的是內(nèi)部時鐘源。該

25、器件具有以下兩個次級時鐘源：2 kHz低速內(nèi)部RC（LSI RC），該RC用于驅(qū)動獨立看門狗，也可選擇提供給RTC用于停機/待機模式下的自動喚醒。32.768 kHz低速外部晶振（LSE晶振），用于驅(qū)動RTC時鐘（RTCCLK）。3.1.2 MP2359電源芯片藍牙遙控密碼鎖的主板所需要的電源為5 V，因此選用MP2359開關(guān)電源芯片，其引腳圖如圖3-3所示。圖3-3 MP2359引腳圖MC2359芯片的輸入電壓范圍為616 V，輸出電壓范圍為3.3 V，輸出電流可達1.2 A，工作頻率最高可達1.4 MHz，其價格便宜，且可實現(xiàn)的電源降壓，滿足主板系統(tǒng)的工作要求，其降壓電路如圖3-4所示。圖

26、3-4 MP2359降壓電路降壓電路工作過程為：比較器的反相輸入端（腳5）通過外接分壓電阻R1、R2監(jiān)視輸出電壓Uo，根據(jù)公式Uo=1.25(1+ R2/R1)，可以知道Uo與R1、R2數(shù)值有關(guān)，如果R1、R2阻值不變，Uo也保持穩(wěn)定。利用內(nèi)部比較器對腳5及內(nèi)部基準電壓1.25 V進行比較。當腳5的電壓值低于1.25 V時，比較器輸出為跳變電壓，R-S觸發(fā)器的S腳控制門被開啟，Q端為高電平，驅(qū)動管T2導通，T1也導通，向電容Co充電，Uo增加。當腳5的電壓值高于1.25 V時，R-S觸發(fā)器的S腳控制門被封鎖，Q端為低電平狀態(tài)，T2截止，T1也截止。振蕩器的Ipk輸入（腳7）用于監(jiān)視開關(guān)管T1的

27、峰值電流，以控制振蕩器的脈沖輸出到R-S觸發(fā)器的Q端。腳3外接振蕩器所需要的定時電容Co大小決定振蕩器頻率的高低，也決定開關(guān)管T1的通斷時間。3.1.3 HC05藍牙接收芯片ATK-HC05模塊，是ALIENTEK生成的一款高新能主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等智能終端配對，該模塊支持非常寬的波特率范圍：48001382400，并且模塊兼容5 V或3.3 V單片機系統(tǒng)，可以很方便與您的產(chǎn)品進行連接，使用非常靈活，方便。ATK-HC05模塊非常小巧，模塊通過6個2.54 mm間距的排針與外部連接，模塊外觀如圖3-5所示。圖3-5 ATK-HC05

28、模塊外觀圖3.1.4 TLP521-1光耦隔離芯片藍牙遙控密碼鎖采用干接點弱點控制模塊，實現(xiàn)單片機低電壓控制12 V外部驅(qū)動電源的通斷，采用光耦隔離芯片TLP521-1實現(xiàn)電路的隔離與保護。TLP521-1引腳圖如圖3-6所示。圖3-6 TLP521-1引腳圖TLP521-1是可控制的光電耦合器件，光電耦合器件廣泛用在電腦終端系統(tǒng)、可控硅系統(tǒng)設(shè)備、測量儀器、家電等。電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增強安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計。3.1.5 TFTLCD電容觸摸屏驅(qū)動芯片GT9147是采用最新的電容檢測技術(shù)，內(nèi)置高性能微信號檢測電路，可很好解決LCD干擾和共模干擾問題

29、。軟件算法方面，專門基于單層互容的電氣環(huán)境所設(shè)計，可支持五點觸控。芯片原理圖如圖3-7所示。圖3-7 GT9147芯片原理圖該芯片具有眾多突出優(yōu)點：內(nèi)置電容檢測電路及高性能MPU，電容屏傳感器，環(huán)境適應(yīng)性能（初始化自動校準、自動溫度補償），先進的通訊接口（標準IIC通訊接口），響應(yīng)時間短，單電源供電，電源紋波小支持多種應(yīng)用開發(fā)工具（可支持觸摸屏模組參數(shù)偵測及配置參數(shù)自動生成，觸摸屏模組性能綜合測試工具，模組量產(chǎn)測試工具，主控軟件開發(fā)參考驅(qū)動）。3.2 主板硬件電路設(shè)計本課題所設(shè)計的藍牙遙控密碼鎖，各硬件部分功能模塊的電路設(shè)計如下。3.2.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計STM32單片機的最小系統(tǒng)包括

30、：電源電路，復位電路，時鐘電路，BOOT電路，SWD調(diào)試電路。STM32電源電路由于系統(tǒng)中采用的是單電源設(shè)計，模擬電源和數(shù)字電源用相同的電源會相互干擾，因此在設(shè)計中必須要采用模擬電源和數(shù)字電源隔離的做法。STM32電源電路分為數(shù)字電源部分和模擬電源部分，其中數(shù)字電源部分主要是提供電源給STM32內(nèi)部數(shù)字外設(shè)如IO口，SPI等外設(shè)，而模擬電源主要是提供電源給STM32內(nèi)部模擬外設(shè)如ADC，系統(tǒng)中利用電感隔離數(shù)字電源與模擬電源，如圖3-8所示。圖3-8 數(shù)字電源與模擬電源隔離電路STM32復位電路為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，需要設(shè)計復位電路，就是利用它把電路恢復到起始狀態(tài)，復位電路具有三個要

31、求：在給電路通電時馬上進行復位操作；在必要時可以由手動操作；根據(jù)程序或者電路運行的需要自動地進行。常見的復位方式有：手動按鈕復位，上電復位。本系統(tǒng)的復位電路是上電復位，工作供電電源為4.755.25 V，STM32上電復位電路如圖3-9所示。當主板上電時，對電容充電，NRST引腳保持低電平一定時間，低電平持續(xù)的時間通過電阻值為1 k和電容值0.1 F控制，進而實現(xiàn)STM32復位。圖3-9 STM32上電復位電路STM32時鐘電路本系統(tǒng)利用單片機晶振提供基本的時鐘信號，且一般系統(tǒng)共用一個晶振保持各部分同步。但是有些通信系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，也可以通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。STM3

32、2的時鐘由高速時鐘和低速時鐘構(gòu)成，其中STM32內(nèi)部自帶高速RC和低速RC振蕩器。但是內(nèi)部RC時鐘的不穩(wěn)定將會影響STM32的內(nèi)部外設(shè)，因此在條件允許的情況下，盡量使用外部時鐘。在設(shè)計中我們將高速時鐘使用外部晶振震蕩電路。如圖3-10所示為STM32的時鐘電路。圖3-10 STM32時鐘電路STM32 BOOT電路STM32芯片內(nèi)置三種啟動模式：用戶閃存（芯片內(nèi)置的Flash）；SRAM（芯片內(nèi)置的RAM區(qū)，即內(nèi)存）；系統(tǒng)存儲器（芯片內(nèi)的ROM區(qū)）。在每個STM32的芯片上都有兩個管腳BOOT0和BOOT1，這兩個管腳在芯片復位時的電平狀態(tài)決定了芯片復位后從哪個區(qū)域開始執(zhí)行程序，如圖3-11所

33、示為STM32的BOOT電路。用戶閃存啟動，正常的工作模式：BOOT1=x，BOOT0=0；廠家設(shè)置的系統(tǒng)存儲器啟動模式：BOOT1=0，BOOT0=1；內(nèi)置SRAM啟動的調(diào)試模式：BOOT1=1，BOOT0=1。一般不使用內(nèi)置SRAM啟動，因為SRAM掉電后數(shù)據(jù)就丟失。多數(shù)情況下SRAM只是在調(diào)試時使用，也可用于故障的局部診斷，寫一段小程序加載到SRAM中診斷板上的其他電路，或用此方法讀寫板上的Flash或EEPRO等。圖3-11 STM32 BOOT電路STM32 JTAG調(diào)試接口JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組）是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯

34、片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試。目前大多數(shù)比較復雜的器件如ARM、DSP、FPGA等都含有支持JTAG協(xié)議的模塊。處理器上標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數(shù)據(jù)輸入和測試數(shù)據(jù)輸出。目前JTAG接口的連接有兩種標準，即14針接口和20針接口。這里，我采用的是標準的JTAG接法，開發(fā)板上的處理器一般都采用標準的4線JTAG接口，即包含TMS、TCK、TDI、TDO接口（引腳）。還可能包含nTRST（測試系統(tǒng)復位信號）接口。STM32開發(fā)板板載的標準20針JTAG/SWD接口如圖3-12所示。圖3-12 STM32 JTAG調(diào)試接口若要用J

35、-link工具來實現(xiàn)對開發(fā)板處理器中的程序的調(diào)試（在線）與仿真，則開發(fā)板上需要建立一個20針的排針，將J-Link工具上的JTAG接口通過排線連接到排針上，然后再將開發(fā)板上的處理器中有關(guān)JTAG接口引出到此排針上，以跟JTAG接口對應(yīng)的引腳相連。這里，我們采用的是標準的JTAG接法，但是STM32還有SWD接口，SWD只需最少兩根線（SWCLK和SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼了，這同我們使用串口下載代碼差不多。STM32F407最小系統(tǒng)如圖3-13所示為STM32單片機的最小系統(tǒng)的各電路模塊。圖3-13 STM32最小系統(tǒng)3.2.2 電源電路設(shè)計線性電源的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性相對較高

36、，電流紋波率可以很容易的做到比較低，維修也較為方便。與傳統(tǒng)的線性電源相比，開關(guān)電源效率高、損耗較小、發(fā)熱較低、不需要體積/重量非常大的散熱器，但其工作頻率較高，會對電網(wǎng)及周圍設(shè)備造成干擾，必須妥善處理此問題。實際電路中，一般將開關(guān)電源電路和線性電源電路組合使用，如圖3-14所示為系統(tǒng)的電源電路7。圖3-14 電源電路3.2.3 藍牙接收模塊ATK-HC05模塊，是ALIENTEK生產(chǎn)的一款高性能主從一體藍牙串口模塊，可以同各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機等智能終端配對，模塊兼容5 V或3.3 V單片機系統(tǒng)，應(yīng)用方便靈活，模塊的原理圖如圖3-15所示。圖3-15 藍牙接收模塊原理圖模塊與單片

37、機連接最少只需要4根線即可：VCC、GND、TXD、RXD，VCC和GND用于給模塊供電，模塊TXD和RXD則連接單片機的RXD和TXD即可。本模塊兼容5 V 和3.3 V單片機系統(tǒng)，所以可以很方便的連接到你的系統(tǒng)里面去。ATK-HC05模塊與單片機系統(tǒng)的典型連接方式如圖3-16所示。圖3-16 ATK-HC05 模塊與單片機系統(tǒng)連接圖3.2.4 TFT觸摸屏模塊現(xiàn)在幾乎所有智能手機，包括平板電腦都是采用電容屏作為觸屏，電容屏是利用人體感應(yīng)進行觸點檢測控制，不需要直接接觸或只需要輕微接觸，通過檢測感應(yīng)電流來定位觸摸坐標。ALIENTEK 4.3寸TFTLCD模塊自帶的觸摸屏采用的是電容式觸摸屏

38、，下面簡要介紹一下電容式觸摸屏的原理。電容式觸摸屏主要分為兩種：表面電容式觸摸屏表面電容式觸摸屏技術(shù)是利用ITO（銦錫氧化物，是一種透明的導電材料）導電膜，通過電場感應(yīng)方式感測屏幕表面的觸摸行為進行。但是表面電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識別一個手指或者一次觸摸。投射電容式觸摸屏此種觸摸屏的傳感器利用觸摸屏電極發(fā)射出靜電場線。一般用于投射電容傳感技術(shù)的電容類型有兩種：自我電容和交互電容。自我電容又稱絕對電容，是最廣為采用的一種方法，自我電容通常是指掃描電極與地構(gòu)成的電容。在玻璃表面有用ITO制成的橫向與縱向的掃描電極，這些電極和地之間就構(gòu)成一個電容的兩極。當用手或觸摸筆觸摸的時候就會并聯(lián)一個

39、電容到電路中去，從而使在該條掃描線上的總體的電容量有所改變。在掃描的時候，控制IC依次掃描縱向和橫向電極，并根據(jù)掃描前后的電容變化來確定觸摸點坐標位置。筆記本電腦觸摸輸入板就是采用的這種方式，筆記本電腦的輸入板采用X*Y的傳感電極陣列形成一個傳感格子，當手指靠近觸摸輸入板時，在手指和傳感電極之間產(chǎn)生一個小量電荷。采用特定的運算法則處理來自行、列傳感器的信號來確定手指的位置。交互電容又叫做跨越電容，它是在玻璃表面的橫向和縱向的ITO電極的交叉處形成電容。交互電容的掃描方式就是掃描每個交叉處的電容變化，來判定觸摸點的位置。當觸摸的時候就會影響到相鄰電極的耦合，從而改變交叉處的電容量，交互電容的掃面

40、方法可以偵測到每個交叉點的電容值和觸摸后電容變化，因而它需要的掃描時間與自我電容的掃描方式相比要長一些，需要掃描檢測X*Y根電極。目前智能手機/平板電腦等的觸摸屏，都是采用交互電容技術(shù)，ALIENTEK所選擇的電容觸摸屏，也是采用的是投射式電容屏（交互電容類型），所以后面僅以投射式電容屏作為介紹。透射式電容觸摸屏采用縱橫兩列電極組成感應(yīng)矩陣，來感應(yīng)觸摸。以兩個交叉的電極矩陣，即：X軸電極和Y軸電極，來檢測每一格感應(yīng)單元的電容變化，如圖3-17所示。圖3-17 投射式電容屏電極矩陣示意圖示意圖中的電極，實際是透明的，這里是為了方便大家理解。圖中，X、Y軸的透明電極電容屏的精度、分辨率與X、Y軸的

41、通道數(shù)有關(guān)，通道數(shù)越多，精度越高。電容觸摸屏具有手感好、無需校準、支持多點觸摸、透光性好等優(yōu)點，但是其成本高、精度不高、抗干擾能力差。TFTLCD模塊的觸摸屏總共有五根線與STM32F4連接，連接電路圖如圖3-18所示。圖3-18 TFTLCD模塊連接圖3.2.5 LED驅(qū)動電路當用戶想在較遠的地方了解到密碼鎖的開關(guān)狀態(tài)時候，可以通過判斷密碼鎖主板上面的LED反饋燈的顏色快速了解密碼鎖的狀態(tài)。LED無特殊要求，由于系統(tǒng)設(shè)計主板電源模塊采用的3.3 V供電，因此只需要選擇3.3 V的LED即可。一般采用串接電阻的方式來限流并控制LED亮度，電路如圖3-19所示。圖3-19 LED連接電路圖3.2

42、.6 蜂鳴器驅(qū)動電路主板接收到遙控傳來的信息后，會通過聲音的形式將接收狀態(tài)反饋給用戶，顯示出正常接收結(jié)果。蜂鳴器并無特別要求，由于系統(tǒng)設(shè)計主板電源模塊采用的3.3 V供電，因此只需要選擇3.3 V的蜂鳴器即可。由于STM32單片機的IO口驅(qū)動能力有限，如果將其IO口直接連接到IO口是無法正常驅(qū)動蜂鳴器，因而需要增加功率放大來驅(qū)動蜂鳴器。驅(qū)動蜂鳴器最常見的方式是利用三極管驅(qū)動，如圖3-20所示為利用NPN三極管驅(qū)動蜂鳴器。圖3-20蜂鳴器驅(qū)動電路3.2.7 干接點輸出電路為了避免外接的干接點影響到系統(tǒng)功能，對于干接點模塊采用弱電控制，并采取隔離的方式。干接點信號是一種無源開關(guān)信號，最常見實現(xiàn)方式

43、是利用繼電器的開合。但是繼電器的機械性碰觸有使用壽命限制，并且繼電器的反應(yīng)速度遠不及半導體的。光耦繼電器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)干接點信號，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)良好的隔離，保證電路的穩(wěn)定。因而，可以利用光耦驅(qū)動器來獲得電接點信號，其中光耦驅(qū)動器采用TLP521芯片，如圖3-21所示為干接點輸出電路。圖3-21 干接點輸出電路3.2.8 干接點檢測電路單片機檢測干接點信號將干接點信號引入電信號，利用三極管的飽和與截止功能來實現(xiàn)將干接點信號轉(zhuǎn)化為高低電平。利用光耦驅(qū)動器能夠隔離外部電路保護內(nèi)部電路的作用，本系統(tǒng)中采用光耦驅(qū)動器來實現(xiàn)檢測干接點信號。圖3-22 干接點檢測電路如圖3-22所示為干接點信號檢測電路，2為

44、公共端，當端子座1、3與其段斷開時，光耦的3號引腳輸出低電平，當端子座1、3與2短接時，與之對應(yīng)的光耦的3號引腳輸出高電平。以此實現(xiàn)檢測干接點信號。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件部分主要包含：HC05通過USART接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、觸摸屏驅(qū)動、脫機鍵盤的C語言實現(xiàn)、系統(tǒng)運行狀態(tài)指示模塊，密碼的掉電存儲。4.1 HC05通過USART接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收HC05藍牙模塊接收手機藍牙發(fā)送的指令，并發(fā)送至單片機進行信息處理。整個過程中采用的串行通信。串行通信6是指數(shù)據(jù)一位一位串行按順序傳送的通信方式，即構(gòu)成的二進制代碼序列在1條信道上，以位（碼元）為單位，按時間順序且按位輸入方式。典型的串行傳輸通常由2根信號線構(gòu)

45、成，包括數(shù)據(jù)信號線和時鐘信號線。按數(shù)據(jù)流的方向分可分為單工、半雙工和全雙工等3種方式；按數(shù)據(jù)信號和時鐘信號同步與。串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位串行按順序傳送的通信方式，即構(gòu)成的二進制代碼序列在1條信道上，以位（碼元）為單位，按時間順序且按位輸入方式。典型的串行傳輸通常由2根信號線構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)信號線和時鐘信號線。按數(shù)據(jù)流的方向分可分為單工、半雙工和全雙工等3種方式；按數(shù)據(jù)信號和時鐘信號同步與否可以分為同步通信方式和異步通信方式2種。生活中我們通常稱呼的串行通信，其實是UART接口的通信，它是一種異步通信，我們在本次設(shè)計中也是采用這種方式。下面來介紹一下這種通信方式，最重要的參數(shù)是比特率、數(shù)據(jù)位、停

46、止位和奇偶校驗。比特率：這是一個衡量通信速度的參數(shù)。數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。停止位：用于表示單個包的最后一位。奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。異步通信中，每傳輸1幀字符，在字符的前面都必須加上起始位“0”，后面加個停止位“1”，這是一種起止式的通信方式，字符之間沒有固定的間隔長度，但占用了傳輸時間，在要求傳送數(shù)據(jù)量較大的場合，速度就慢得多。異步數(shù)據(jù)發(fā)送器先送出1個起始位，再送出具有一定格式的串行數(shù)據(jù)位、奇偶檢驗位和停止位。在不傳送字符時，應(yīng)插入空閑位，空閑位保持為“1”。接收端不斷檢測線路的狀態(tài)，當數(shù)據(jù)發(fā)送器要發(fā)送1個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送1個起始位信號“0”，數(shù)據(jù)接

47、收器檢測到這個“0”，就開始準備接收。所以起始位用于表示字符傳送開始，同時還被用做同步接收端時鐘，以保證以后的接收正確。起始位后面是數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位可以有5、6、7或8位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位從最低位開始傳送。數(shù)據(jù)位之后發(fā)送奇偶檢驗位，它只占據(jù)1位，通信雙方在通信時須約定一致的奇偶校驗位和數(shù)據(jù)位（在沒有奇偶檢驗時）之后發(fā)送停止位，停止位有1位、1位半和2位，它一定是“1”，停止位用來表示1個字符數(shù)據(jù)的結(jié)束。數(shù)據(jù)接收器收到停止位后，知道前一個符傳送結(jié)束，同時也為接收下一個字符做準備，如果再收到“0”信號，就表示有新的字符要傳送，否則就表示目前的通信結(jié)束。異步通信的數(shù)據(jù)格式如下：1位起始，為低電平；5-8位數(shù)

48、據(jù)位接著起始位，表示要傳送的有效數(shù)據(jù)；1位奇偶檢驗位（可加也可不加）；1位或1位半或2位停止位，為高電平。每一個字符由起始位、數(shù)據(jù)位、檢驗位、停止位構(gòu)成，稱為1幀，其典型的格式如圖4-1所示。圖4-1 異步傳送一幀數(shù)據(jù)格式在STM32單片機平臺上，編寫串口驅(qū)動程序比較簡單。意法半導體公司提供STM32官方固件庫。編寫STM32底層驅(qū)動，只需調(diào)用固件庫API函數(shù)7，無需操作復雜的寄存器，非常利于項目的開發(fā)。利用官方的固件庫，可以十分流暢地操作串口發(fā)送數(shù)據(jù)。本次設(shè)計中需要利用串口發(fā)送字符串，發(fā)送字符串比較常用的方法是利用特殊字符，特殊字符在字符串結(jié)尾，當檢測到特殊字符時，表明接收字符串完成。利用特

49、殊字符發(fā)送字符串能夠完成字符串的發(fā)送接收，他的優(yōu)點在于軟件編寫簡單，缺點是特殊字符的增加了字符串額外的長度，那么數(shù)據(jù)在傳輸過程中更加容易出現(xiàn)錯誤。再者由于特殊字符串的引入必然導致特殊字符不能夠作為信息字符使用?；谝陨先秉c發(fā)送字符串應(yīng)該使用別的的方法。本次設(shè)計中使用的字符串發(fā)送接收方法是時間間隔處理。具體的做法是發(fā)送字符串的每個字符間時間間隔在10 ms之內(nèi)，通過檢測兩個字符接收之間的時間間隔是否在10 ms之內(nèi)來判斷當前接收的字符是否在當前的字符串內(nèi)。具體到單片機的操作的方法是，利用串口中斷與定時器。發(fā)送字符串比較簡單，將字符串中的每個字符依次發(fā)送出去即可。接收字符串時，利用串口接收中斷。每

50、次串口接收中斷將接收到的字符添加到字符串緩沖器中，并且開啟時間間隔為10 ms的定時中斷如果定時中斷打開那么清零定時器。如果10 ms定時中斷發(fā)生，那么表明此次的字符串接收完成。USART數(shù)據(jù)收發(fā)模塊串口中段程序清單如下：void uart_init(u32 bound)/GPIO端口設(shè)置GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA,E

51、NABLE); /使能GPIOA時鐘RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1,ENABLE);/使能USART1時鐘 /串口1對應(yīng)引腳復用映射GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource9,GPIO_AF_USART1); /GPIOA9復用為USART1GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource10,GPIO_AF_USART1); /GPIOA10復用為USART1/USART1端口配置GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_

52、Pin_10; /GPIOA9與GPIOA10GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;/復用功能GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;/速度50MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; /推挽復用輸出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; /上拉GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); /初始化PA9，PA10/USART1 初始化設(shè)置USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;/波特率設(shè)置USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;/字長為8位數(shù)據(jù)格式USART_InitStructure.USART_StopBits = USAR