基于Arduino智能門鎖的設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................1

2產(chǎn)品方案遴選...........................................................................................................1

2.1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì).............................................................................................1

2.2開發(fā)板及芯片的選擇方案.........................................................................1

2.3液晶顯示屏的選擇.....................................................................................2

2.4按鍵的選擇.................................................................................................2

2.5藍(lán)牙模塊的選擇.........................................................................................2

2.6蜂鳴器的選擇.............................................................................................3

2.7舵機(jī)的選擇.................................................................................................3

3產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)...........................................................................................................3

3.1產(chǎn)品組成.....................................................................................................3

3.2產(chǎn)品功能.....................................................................................................4

4產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)...........................................................................................................4

4.1系統(tǒng)原理圖.................................................................................................4

4.2系統(tǒng)接線圖.................................................................................................4

4.3ArduinoUNOR3開發(fā)板............................................................................5

4.3.1ArduinoUNOR3開發(fā)板特征........................................................5

4.3.2ArduinoUNOR3開發(fā)板優(yōu)點(diǎn)........................................................5

4.4LCD1602液晶顯示屏（帶IIC）...............................................................6

4.54*4矩陣鍵盤..............................................................................................7

4.6BT-05藍(lán)牙模塊..........................................................................................7

4.7電磁式蜂鳴器.............................................................................................8

4.8RFID-RC522射頻識(shí)別模塊........................................................................8

4.9SG90舵機(jī)....................................................................................................9

5產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)...........................................................................................................9

5.1程序流程.....................................................................................................9

I

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5.2程序清單...................................................................................................11

6產(chǎn)品使用說明.........................................................................................................12

6.1產(chǎn)品裝配圖...............................................................................................12

6.2產(chǎn)品操作說明...........................................................................................12

7產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).................................................................................................13

參考資料.....................................................................................................................14

附錄.............................................................................................................................15

附錄1元器件清單............................................................................................15

附錄2電路原理圖..........................................................................................15

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖.............................................................................................16

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖............................................................................................16

附錄5程序代碼..............................................................................................17

II

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基于Arduino智能門鎖的設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

此說明書是以ArduinoUNO開發(fā)板控制各個(gè)組件實(shí)現(xiàn)開鎖功能，產(chǎn)品是以

ArduinoUNO開發(fā)板為主體部分，控制4*4矩陣鍵盤模塊、BT-05藍(lán)牙模塊、

RFID-RC522射頻識(shí)別模塊、LCD1602液晶顯示屏等，達(dá)到密碼、門禁卡與藍(lán)牙

控制開鎖，通過LCD1602液晶顯示屏顯示是否開鎖，SG90舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模擬門鎖內(nèi)

部機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁式蜂鳴器來(lái)辨認(rèn)密碼是否輸錯(cuò)，錯(cuò)誤則鳴叫報(bào)警。

2產(chǎn)品方案遴選

2.1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

LCD1602液

鍵盤模塊

晶顯示屏

Arduino

BT-05藍(lán)牙模塊UNO開SG90舵機(jī)

發(fā)板

RFID-RC522射頻電磁式蜂鳴

識(shí)別模塊器

圖2.1系統(tǒng)框圖

2.2開發(fā)板及芯片的選擇方案

方案一：選擇ArduinoUNOR3作為開發(fā)板?？梢酝ㄟ^程序或者外部輸入

1

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信號(hào)，控制LED燈亮滅。具備多種通信接口，可以和計(jì)算機(jī)、其他Arduino或

者其他控制器通信。并且編程語(yǔ)言更加簡(jiǎn)潔，豐富的第三方資源，Arduino無(wú)

論硬件還是軟件，全部都是開源，可以深入了解到底層的全部機(jī)理，方便查找

資料進(jìn)行創(chuàng)作。

方案二：選擇STC89C51是板子的核心主控，STC89C51是采用8051核的

ISP在系統(tǒng)可編程芯片，芯片配合PC端就可將程序代碼燒入到單片機(jī)，省去了

購(gòu)買編程器，而且速度比上一代更快。STC89C51單片機(jī)是兼容8051內(nèi)核單片

機(jī)，是高速、低功耗的新一代8051單片機(jī)。

如上所述，我選擇了方案一，因?yàn)楹?jiǎn)易的編程環(huán)境，也不用焊接。

2.3液晶顯示屏的選擇

方案一：選擇LCD1602液晶顯示屏。相比與其他顯示屏功耗低，體積小、

顯示操作簡(jiǎn)單，顯示質(zhì)量高，厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)。

方案二：選擇LCD1602液晶顯示屏（帶IIC）。在1602液晶顯示器的基礎(chǔ)

上集成了一個(gè)IIC擴(kuò)展芯片PCF8574T，可以使LCD1602使用更為簡(jiǎn)單,只需要

連接4根杜邦線。因此，兩線制的IIC總線可實(shí)現(xiàn)Arduino控制LCD1602顯

示，既簡(jiǎn)化了電路又節(jié)省了I/O口，使Arduino能實(shí)現(xiàn)更多功能。

如上所述，我選擇了方案二，因?yàn)楦雍?jiǎn)化電路布線，也能實(shí)現(xiàn)更多功

能。

2.4按鍵的選擇

方案一：獨(dú)立按鍵優(yōu)點(diǎn)：可以直接讀取，檢測(cè)占用時(shí)間較少，不受其他因

素影響，缺點(diǎn)：占用IO口資源較多，每一個(gè)按鍵都獨(dú)占一個(gè)IO口。

方案二：矩陣鍵盤優(yōu)點(diǎn)：占用IO口資源少，8個(gè)IO口控制16個(gè)按鍵，提

高IO口的利用率。缺點(diǎn)：必須掃描檢測(cè)按鍵情況，程序復(fù)雜，占用時(shí)間比較

多。

綜上所述，我選擇方案二，因?yàn)槊艽a解鎖需要按鍵數(shù)量較多，為了減少I

O口的占用，簡(jiǎn)化電路線路提高IO口的利用率。

2.5藍(lán)牙模塊的選擇

方案一：BT-05是藍(lán)牙4.0的模塊，是低功耗模塊，更加智能，安全性采

用加密算法，較短的時(shí)間轉(zhuǎn)換。

方案二：HC-05是藍(lán)牙2.1的模塊，高性能，靈敏性高，易于開發(fā)，低功

2

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耗模塊。

綜上所述，我選擇方案一，因?yàn)榍罢呦噍^于后者功耗更低。

2.6蜂鳴器的選擇

方案一：無(wú)源蜂鳴器優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易用，不需要外部電源驅(qū)動(dòng)；體積小，便

于安裝和集成在其他設(shè)備中使用；成本較低。缺點(diǎn)：聲音頻率固定，無(wú)法通過

外界輸入來(lái)改變聲音的頻率；聲音強(qiáng)度相對(duì)較弱，無(wú)法達(dá)到有源蜂鳴器的音量

和清晰度。

方案二：有源蜂鳴器優(yōu)點(diǎn)：聲音頻率可調(diào)，靈活性更高；聲音輸出更大、

更清晰，音量和清晰度都比無(wú)源蜂鳴器更高。需要外部電源驅(qū)動(dòng)，增加了使用

難度和成本。

綜上所述，我選擇方案二，因?yàn)橐袅扛蠓奖阌谇逦鷤鬟_(dá)。

2.7舵機(jī)的選擇

方案一：SG90舵機(jī)高精度，比較便宜，抖動(dòng)小，更大的角度固定力，響就

快，消耗電流較小。

方案二：MG90S舵機(jī)為模擬舵機(jī)，扭矩更大，適用于直升機(jī)斜盤舵機(jī)，精

度更高，價(jià)格更高。

綜上所述，我選擇方案一，因?yàn)楦m用于鎖轉(zhuǎn)動(dòng)模擬，電流也小。

3產(chǎn)品模塊設(shè)計(jì)

此產(chǎn)品使用ArduinoUNOR3開發(fā)板，外接了LCD1602液晶顯示屏（帶

ICC）、4*4矩陣鍵盤、BT-05藍(lán)牙模塊、RFID-RC522射頻識(shí)別模塊、電磁式蜂

鳴器與SG90舵機(jī)制作而成，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1產(chǎn)品組成

1、ArduinounoR3開發(fā)板

2、LCD1602液晶顯示屏（帶ICC）

3、4*4矩陣鍵盤

4、BT-05藍(lán)牙模塊

5、RFID-RC522射頻識(shí)別模塊

6、電磁式蜂鳴器

3

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7、SG90舵機(jī)

3.2產(chǎn)品功能

在運(yùn)行狀態(tài)，可以通過密碼解鎖、刷卡解鎖與藍(lán)牙解鎖然后發(fā)送信號(hào)給Ar

duinoUNO開發(fā)板，開發(fā)板再輸出通過蜂鳴器與舵機(jī)來(lái)表現(xiàn)出門鎖開鎖與報(bào)警

的模式，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)證明輸入的信息正確模擬門鎖的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，蜂鳴器鳴叫證明

輸入錯(cuò)誤報(bào)警模擬門鎖的報(bào)警系統(tǒng)防止外人進(jìn)去。該產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.提

高安全性。2．便于管理。3提高生活品質(zhì)。4．具有智能化功能。

4產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)原理圖

圖4.1硬件系統(tǒng)原理圖

4.2系統(tǒng)接線圖

4

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圖4.2接線圖

4.3ArduinoUNOR3開發(fā)板

ArduinoUNO是一款基于微控制器ATmega328P的開發(fā)板。它有14個(gè)數(shù)字

輸入/輸出引腳（這些引腳中有6個(gè)引腳可以作為PWM輸出引腳），6個(gè)模擬輸

入引腳，16MHz石英晶振，USB接口，電源接口，支持在線串行編程以及復(fù)位

按鍵。用戶只需要將開發(fā)板與電腦通過USB接口連接就可以使用。

4.3.1ArduinoUNOR3開發(fā)板特征

具有16MHz晶振

具有豐富的開發(fā)資源

開發(fā)板適應(yīng)電源范圍寬

開發(fā)板小巧，方便移植

能進(jìn)行快速、高效的開發(fā)

通過USB直接連接燒錄

開發(fā)板連接上位機(jī)后可以直接更新程序、通信或交互

4.3.2ArduinoUNOR3開發(fā)板優(yōu)點(diǎn)

1.可拓展性能非常高

2.便捷靈活，方便上手

3.系統(tǒng)比較完善

5

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4.論壇學(xué)習(xí)資源充足

5.跨平臺(tái)開發(fā)

6.具有硬件開發(fā)優(yōu)勢(shì)

圖4.3ArduinoUNO開發(fā)板實(shí)物圖

圖4.4ArduinoUNO開發(fā)板核心電路圖

4.4LCD1602液晶顯示屏（帶IIC）

LCD1602液晶顯示屏用于顯示字符，把接受到的信息通過顯示屏顯示出

來(lái)，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中使用的含IIC會(huì)使接線節(jié)省I/O口，更加直觀看到。

圖4.5LCD1602(IIC)背面圖

6

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圖4.6LCD1602(IIC)電路圖

4.54*4矩陣鍵盤

4*4矩陣鍵盤用于輸入數(shù)字密碼，可以通過*鍵修改密碼，更加接近于智能

門鎖的使用形式，本質(zhì)上用八個(gè)I/O口控制16個(gè)按鍵，在設(shè)計(jì)中節(jié)省I/O口

的使用。在本次設(shè)計(jì)中更加接近密碼開鎖的觀感。

圖4.7矩陣鍵盤原理圖

4.6BT-05藍(lán)牙模塊

BT05藍(lán)牙模塊可以通過藍(lán)牙協(xié)議無(wú)線連接手機(jī)、電腦等設(shè)備，然后遠(yuǎn)程

控制門鎖的打開。

7

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圖4.8藍(lán)牙模塊原理圖

4.7電磁式蜂鳴器

電磁式蜂鳴器是利用電磁線圈對(duì)蜂鳴片的作用來(lái)發(fā)聲的電子響訊器，用來(lái)

給電子產(chǎn)品作發(fā)聲器件。在此作品中可以模擬輸入錯(cuò)誤信息之后的報(bào)警系統(tǒng)。

圖4.9蜂鳴器模塊原理圖

4.8RFID-RC522射頻識(shí)別模塊

RFID-RC522射頻識(shí)別模塊是一種非接觸式讀寫卡芯片，共兩張磁卡，一張

為正確卡，另一張做對(duì)比卡，在本次設(shè)計(jì)里通過刷卡來(lái)門鎖開關(guān)模擬，磁卡正

確并在顯示屏上顯示卡的ID號(hào)，磁卡錯(cuò)誤，蜂鳴器一直報(bào)警，顯示屏顯示卡

號(hào)。

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圖4.10射頻識(shí)別模塊原理圖

4.9SG90舵機(jī)

SG90舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變

化并可以保持的控制系統(tǒng)。通過舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)模擬門鎖內(nèi)部器件的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，用舵

機(jī)代替開鎖的動(dòng)作。

圖4.11SG90舵機(jī)實(shí)物圖

圖4.12SG90舵機(jī)電路圖

5產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

5.1程序流程

9

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圖5.1程序流程圖

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5.2程序清單

圖5.2程序清單

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6產(chǎn)品使用說明

6.1產(chǎn)品裝配圖

ArduinoUNO

R3開發(fā)板1602液晶顯示屏

SG90舵機(jī)

BT-05藍(lán)

牙模塊

電磁式

蜂鳴器

RFID-RC522

射頻識(shí)別模塊4*4矩陣鍵盤

圖6.1產(chǎn)品裝配圖

6.2產(chǎn)品操作說明

1、4*4矩陣鍵盤密碼開鎖

4*4矩陣鍵盤密碼開鎖，默認(rèn)密碼為1234，輸入正確的密碼即可開鎖（舵

機(jī)旋轉(zhuǎn)100°，1S后自動(dòng)復(fù)位）；錯(cuò)誤密碼報(bào)警，可以按*鍵修改密碼，按*

后，輸入原始密碼1234，根據(jù)提示再輸入新的密碼即改密成功，原來(lái)的密碼自

動(dòng)失效，使用新密碼開鎖，改密為掉電不存儲(chǔ)，重新上電、復(fù)位后，密碼自動(dòng)

變?yōu)?234；連續(xù)輸錯(cuò)三次密碼，系統(tǒng)自動(dòng)鎖定一分鐘，期間三種開鎖方式均失

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效。

2.RFID射頻識(shí)別開鎖

共兩張磁卡，白卡（ID:4125531A）為正確的開門卡，藍(lán)卡（ID:7720D8

B4）為無(wú)效對(duì)比卡，使用磁卡開鎖時(shí)，當(dāng)卡號(hào)正確時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)100°開鎖，1

S后自動(dòng)復(fù)位，并在顯示屏上顯示卡的ID號(hào)，磁卡錯(cuò)誤，蜂鳴器一直報(bào)警，顯

示屏顯示卡號(hào)。

3.藍(lán)牙開鎖

使用手機(jī)APP：藍(lán)牙調(diào)試器（可在應(yīng)用商店下載，文件夾內(nèi)含有），通過藍(lán)

牙的方式開鎖，在設(shè)備連接界面找到BT05,點(diǎn)擊右側(cè)藍(lán)色加號(hào)，藍(lán)牙無(wú)連接

時(shí)，藍(lán)牙指示燈閃爍，連接成功后，保持常亮（藍(lán)色加號(hào)變?yōu)榧t色叉號(hào)），切

換到按鈕控制界面，點(diǎn)擊編輯模式，選擇按鈕1，

設(shè)置按下時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)為：2，松開時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)為2，點(diǎn)擊確定，關(guān)閉編

輯模式，即可使用藍(lán)牙開鎖。在連接藍(lán)牙時(shí)，刷卡會(huì)在APP端顯示卡號(hào)。

7產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過程標(biāo)準(zhǔn)

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范

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參考資料

[1]任潔琦.基于STC89C51單片機(jī)的模擬測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2013

[2]于鳳鳳．基于單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)[J].中國(guó)科技博覽,2013

[3]陳呂洲.《Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》[M].北京航天航空出版社，2014

[4]（美）布魯姆（Blum，J.）著,況琪，王俊升譯.Arduino魔法書：實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想的工具和技術(shù)[M].電

子工業(yè)出版社，2014

[5]SimonMonk著，唐樂譯．Arduino+Android互動(dòng)智作[M].北京：科學(xué)出版社，2013.1

[6]馬建國(guó)．電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2004.1.

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附錄

附錄1元器件清單

附表1.1元器件清單

附錄2電路原理圖

附圖2.1產(chǎn)品原理圖

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附錄3PCB設(shè)計(jì)圖

附圖3.1產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)圖

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖

附圖4.1產(chǎn)品實(shí)物圖正面

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附圖4.2產(chǎn)品實(shí)物圖反面

附錄5程序代碼

#include<SoftwareSerial.h>

#include<Keypad.h>

#include<LiquidCrystal_I2C.h>

#include<EEPROM.h>

#include<Servo.h>

#include<rfid.h>

RFIDrfid;

ucharserNum[5];

ServomyServo;

LiquidCrystal_I2Clcd(0x27,16,2);

charpasswd[4];

charinitial_password[4],new_password[4];

inti=0;

intj=0;

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intfmq=12;

charkey_pressed=0;

constbyterows=4;

constbytecolumns=4;

charhexaKeys[rows][columns]={

{'1','2','3','A'},

{'4','5','6','B'},

{'7','8','9','C'},

{'*','0','#','D'}

};

byterow_pins[rows]={9,8,7,6};

bytecolumn_pins[columns]={5,4,3,2};

Keypadkeypad_key=Keypad(makeKeymap(hexaKeys),row_pins,colu

mn_pins,rows,columns);

voidinitialpassword(){

for(intj=0;j<4;j++)

EEPROM.write(j,j+49);

for(intj=0;j<4;j++)

initial_password[j]=EEPROM.read(j);

}

voidsetup()

{

myServo.attach(13);

myServo.write(0);

Serial.begin(9600);

pinMode(fmq,OUTPUT);

lcd.init();

lcd.backlight();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("EnterPassword:");

lcd.setCursor(0,1);

initialpassword();

rfid.begin(10,A2,A1,A0,A3,11);//rfid.begin

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delay(100);

rfid.init();

delay(2000);

}

voidloop()

{

digitalWrite(fmq,LOW);

ucharstatus;

ucharstr[MAX_LEN];

status=rfid.request(PICC_REQIDL,str);

while(status==MI_OK)

{

rfid.showCardType(str);

status=rfid.anticoll(str);

Serial.print("Thecard'snumberis:");

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("ID:");

memcpy(serNum,str,5);

rfid.showCardID(serNum);

Serial.println();

uchar*id=serNum;

if(id[0]==0x41&&id[1]==0x25&&id[2]==0x53&&id[3]==0x1A)

{

myServo.write(100);

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Welcometohome!");

delay(2000);

lcd.clear();

myServo.write(0);

break;

}

else

19

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{

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("Pleasetryagain!");

digitalWrite(fmq,HIGH);

delay(250);

lcd.clear();

}

}

if(Serial.available()){

intvalue=Serial.read();

if(value=='2'){

myServo.write(100);

delay(1000);

}

}

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("EnterPassword:");

lcd.setCursor(0,1);

myServo.write(0);

key_pressed=keypad_key.getKey();

if(j<3){

if(key_pressed)

{

passwd[i++]=key_pressed;

lcd.print(key_pressed);

while(key_pressed=='*')

{

change();