基于单片机的门锁设计（支持资料参考_相关定制）(源码+万字报告+讲解)

科学技术在现代的社会中不断地影响着我们的生活，各商业领域已经开始逐步向智能化门禁方面扩大市场。我们熟知的传统机械门锁在安全和便捷性方面存在着很多局限性，比如容易被技术手段破解等。为了更有效地解决这一挑战，让家居变得更加智能，可以考虑将传统的机械门锁升级为智能门锁。这样一来，人们可以通过输入密码或者使用手机远程控制来操作电路，进而控制门锁的开启和关闭，实现更便捷的门禁管理。从而更好地体验智能科技，改变生活[1]。

本课题为基于单片机的智能门锁系统的研究，采用指纹、密码和卡片的解锁方式，有效的预防钥匙丢失的问题，并解决了钥匙可能被复制的问题，大大提高了门锁使用的安全性。在创新技术方面，智能门锁可以与物联网及人工智能相融合，为用户提供更智能，更便携的解锁服务，进而提高科学技术的发展速度。随着科技的发展和人们对安全性要求的提高，用户对产品的个性化要求逐渐提升，智能门锁的设计可以被应用于各种商业模式，在未来具有极高的市场潜力。

1.2 智能门锁在国内外相关研究现状

全球市场。自欧美国家于上世纪90年代起源，并与后期传入日韩国家，但在中国市场则起步较晚[2]。但截至目前，智能门锁在全球市场呈稳步上升状态，市场需求量较大，尤其在中国地区，市场份额占全球一半以上，技术发展与应用场景位列全球前茅[3]。亚洲的日本和韩国市场主要采用非联网技术，如密码和智能卡片识别；反观欧美市场则以蓝牙技术为主，大部分产品支持互联网功能。中国市场则由于各大企业的激烈竞争崛起了很多智能门锁的新兴品牌，如小米，凯迪仕和德施曼等品牌[4]。

技术创新。智能门锁集机械、电子、物联网以及生物识别等技术，具备数据即时上传，状态即时更新和远程操控等特点。广泛应用于智慧酒店，智慧公寓以及智能出租屋和智慧园等多个领域。中国智能门锁行业在人工智能和物联网的共同推动下，产品质量及智能化程度不断提高，如实施更新的远程解锁和解锁共享家庭设置，更好的提升了门锁领域的安全性与实时便捷性[5]。

随着消费升级和居民收入水平的不断提高，智能门锁的实际定价将会有着明显下降。这意味着智能门锁将会在更多的领域得到发展，在家庭中，智能门锁提供更加安全和便捷的功能给消费者，通过物联网和人工智能的技术推动，智能猫眼可以更安全、迅速的提供给用户最真实的情况，以达到真正意义上的安全守护。在商业领域，智能门锁将携手物联网的发展，通过实名认证的方式，将各级用户通过授权的方式进入不同的区域，实现ID与区域同步，更安全的实时定位用户的地理位置和实时状态。在企业或公司领域，智能门锁的设计将会使员工在不同的岗位通过授权进入不同岗位的资料室调查相关资料，不会再因为岗位的不同而受到限制禁止访问。在个性化领域，智能门锁通过人工智能的技术，组建不同的解锁方式，例如人脸识别与指纹解锁相结合，或指纹解锁与按键相结合，将每一个按键依附指纹识别，采样使用者的指纹，对比原用户所设指纹，达到出其不意的解锁方式。

1.3 智能门锁的发展趋势

在产业发展中，智能门锁行业产业链涉及面广，技术壁垒高，上游包括芯片、生物识别、通信技术等领域的企业，中游涉及制造商、方案提供商、软件开发商等，下游则包括渠道商、安装售后服务企业、云平台等[6]。近期德施曼推出了新款龙霆电机，甚至可以举起2.5公斤的一辆SUV汽车。随着消费升级和居民收入水平的提高，智能门锁市场需求持续扩大，产品价格有望进一步下降[7]。指纹识别技术相比于传统的密码或钥匙具有更高的安全性，使用指纹识别技术开锁也更加便捷，用户无需携带额外物品，只需用手指轻按识别处即可完成识别和解锁操作，大大提升了用户的使用体验[8]。尤其指纹识别产品价格的大幅下降，带动其销量的快速增长，开始向着成为产品的标配方向发展。因此，指纹识别技术仍将是2024年智能门锁行业的主推技术之一。

智能家电、手机、手表等物联网( Internet of Things,IoT )设备的广泛使用带来了安全和隐私方面的担忧。随着来自恶意和非恶意来源的网络攻击日益盛行,安全性已成为物联网系统设计中的关键因素。特别地,由于物联网系统中存储的数据量越来越大,数据安全带来了重大挑战。不完善的安全措施可以让黑客远程接管物联网设备,造成重大损害[9]。

2023年我国智能门锁行业竞争更加激烈，企业数量达到3000家左右，同比增长50%。品牌格局方面，已形成小米、凯迪仕、德施曼等几大品牌竞争格局。智能门锁的价格逐渐下降，2023年平均价格约为2000元，相较于2022年的2500元，下降约20%。价格因素对消费者购买意愿的影响逐渐减小。根据相关数据，2023年我国智能门锁市场规模预计将达到1000亿元，相较于2022年的800亿元，同比增长25%。其中，消费级市场预计将达到600亿元。2023年我国智能门锁的渗透率预计将达到25%，相较于2022年的20%，同比增长5个百分点。预计到2025年，智能门锁的渗透率将达到40%[10]。

小米集团：2023年市场份额约为20%，位居行业首位。小米智能门锁凭借小米生态链的优势，产品品质和性价比受到消费者认可。凯迪仕：2023年市场份额约为15%，位居行业第二。凯迪仕专注于智能门锁的研发和生产，产品线丰富，覆盖高中低端市场。德施曼：2023年市场份额约为10%，位居行业第三。德施曼以指纹识别技术为核心，致力于为消费者提供安全便捷的智能门锁产品[11]。

通过分析以上各企业对智能门锁的市场竞争可以确定智能门锁在中国市场的未来发展有着不可忽略的影响力。通过对智能门锁的深入研究，能够更快提高智能门锁在该领域的发展速度。

2 智能门锁的基本原理

2.1 传统门锁存在的问题与智能门锁的优势

传统门锁往往需要钥匙或卡片进行解锁，但在大型公司或公共场合的应用往往需要大量的管理和更新，尤其是在更新锁的时候，对学生或员工是非常不方便的，更容易导致安全风险和少量成本输入。但是智能门锁在互联网的技术推动下，更新密码及远程操控都使锁的便捷性提高了，这意味着只有授权的人才会进入特定的区域，大幅提高了公共或商用场所的安全性。

随着科技的不断进步，门锁的智能化水平也日益提升。通过在传统门锁基础上增加Wi-Fi功能和键盘输入，使得门锁的操作变得更加便捷和智能化，为用户带来更便利的使用体验。采用单片机作为主控芯片，采用C语言的编写程序并结合外围的键盘输入、显示、报警、开锁等电路设计的一款智能门锁，可应用于住宅、办公室等场所，本设计还具有使用手机远程开关门，按键输入密码，输入密码错误报警，修改密码等多种功能，实用性比较强，有广泛的市场前景[12]。

最近几年，智能家居行业蓬勃发展，智能产品逐渐走进千家万户，其优势性能正在潜移默化地影响着我们的生活。作为智能家居硬件产品第一入口,智能门锁以其方便、解决“忘带钥匙”等优点深受大众认可[13]。有很多种智能锁解锁的方式。一些专家和科技人员已经开始研究如何解决这个问题，并提出了一系列的解决方案，包括密码锁、指纹锁、红外遥控锁、蓝牙密码锁等多种门锁系统。本文以实际情况为基础，采用单片机结合无线射频识别（RFID）和无线WiFi传输等物联网技术，设计了一种多模式智能门锁系统。用户可以通过按键输入密码解锁,也可以使用ID卡刷卡解锁,同时能通过手机端 App 进行解锁,安全可靠、成本较低[14]。

2.2 智能门锁的基本构成与功能

智能门锁的结构主要由步进电机模块、OLED显示屏模块、指纹识别模块、矩阵键盘模块、RFID-RC522卡片解锁模块等组成，其中步进电机锁体是整个智能门锁的核心部件，负责锁住门。针对不同的用户需求，智能门锁还有多种设计，如指纹识别、密码等多种开门方式。

本次基于单片机的智能门锁设计主要包含指纹解锁、数字密码解锁和智能卡片解锁三个方向功能。指纹解锁：通过指纹识别器认证用户身份后开启门锁。密码解锁：通过输入正确的密码解锁门。智能卡解锁：通过刷智能卡解锁门。

2.2.1 指纹解锁模块

本次指纹解锁采用AS608指纹识别技术（如下图2-1所示），该模块的厂商只是基于该芯片设计外围电路，集成一个可供二次开发的指纹模块；所以，只要是基于AS608芯片的指纹模块，其控制电路及控制协议几乎是一样的[15]。AS608模块的各引脚如图2-2所示，其中的WAK引脚用于检测手指是否按下。当有手指按下时，WAK引脚会输出高电平；而在没有手指按下时，WAK引脚会维持低电平状态。

图2-1 AS608指纹模块

图2-2 AS608各引脚状况说明

2.2.2 OLED显示屏模块

本次研究的智能门锁系统是通过OLED显示模块（如下图2-3）进行密码输入时和锁屏的日期显示。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术[16]。本次研究不选用LCD作为显示屏正是因为它可以自带光亮。这样同样的显示，OLED效果要来得好一些，例如在楼道内光线昏暗，OLED屏就可以通过自发光的特性让用户看的更清楚些。但是其缺点也显而易见，现在的技术还不能够把屏幕做大，不过在门禁方面其利大于弊。

图2-3 OLED模块

2.2.3 RFID RC522射频模块

MF RC522（如下图2-4所示）是一款由NXP公司推出的技术，本次智能门锁最突出的特点是低电压、低成本、体积小，所以将RFID卡采用为本次研究的理想板块。

图2-4 RFID RC522射频模块

2.2.4 28BYJ4步进电机和ULN2003驱动模块

本次智能门锁设计采用28BYJ4步进电机（如下图2-5所示）搭配ULN2003驱动模块（如下图2-6所示）共同实现开、关锁的目的。由于ULN2003驱动模块上有和步进电机相连接的连接器，所以能很好的将模块和电机联动，这就会让电动机连接到板上显得格外简单，并且该模块上还有四个LED指示灯，在步进电机运行时有良好的视觉效果。

图2-5 28BYJ4步进电机

图2-6 ULN2003驱动模块

2.3 单片机在智能门锁中的作用及应用

本次智能门锁的设计是基于STM32F407ZGT6单片机的基础上研发的，主要包含步进电机系统，矩阵键盘模块，指纹模块和RFID-RC522卡片模块。其中步进电机板块主要负责对锁芯的控制，达到即时解锁的目的。矩阵板块主要针对密码开锁的方式，通过提前录入自己设置的密码，然后再在关锁状态下输入正确的密码，以实现解锁。指纹解锁的方式则比较特殊，要提前采集使用者指纹才能开始使用，本次指纹解锁模块可以通过多次录入和修改，最高上限可达5个。卡片模块通过识别特定的ID卡进行解锁，本次智能门锁可以录入或删除ID卡片。

3 智能门锁系统设计

3.1 系统总体构架设计

本文设计的智能门锁系统主要由几个模块组成，包括主控制器模块、按键解锁模块、ID卡解锁模块、液晶显示模块和指纹解锁模块。门锁的控制器部分主要负责对数据的处理和开锁的控制，并且同时利用显示屏模块展示相关开锁信息。按键密码解锁模块主要用于在设置密码、修改密码或者解锁时使用；而ID卡刷卡解锁模块则通过识别卡片的技术，实现了简便的刷卡开锁操作，使刷卡即可进入成为可能。报警模块主要用于在密码多次未输入正确时发出警报，最高上限次数为5次。本次设计采用模块化设计方式，整体设计如图3-1所示。

图3-1 整体设计框架

3.2 电路设计及原理图

3.2.1 主控制器模块

本文选择了STM32F407ZGT6单片机作为主要控制器。它的外部I/O接口主要用于连接或控制其他模块的电路。单片机内部的电路能够对从外部获取的信息数据进行处理，并控制执行需要用到的的操作。

3.2.2 按键解锁模块

由于按键较多，按键模块选用 4×4 矩阵键盘,用于密码的输入、设置等操作，检测阶段，I/O口会不断地给低电平,如果检测到按键各行电平信号有高电平出现，即可判断哪个按键被按下。在屏幕上会显示每个按键对应输入什么，例如，“0~9”为密码字符键,“UP”为向上选择按键,“DOWN”为向下选择按键,“OK”为确认密码按键,“LOCK”为关锁键。

3.2.3 ID卡解锁模块

本文采用了无线射频识别（RFID）模块来进行ID卡的读卡和识别（如图3-2所示）。它支持读取卡片和删除卡片的操作。在使用的时候，当ID卡接近模块的识别感应区域时，就会识别并自动输入相应的卡号。对于已采集记录过的ID卡，模块的输出接口将输出高电平，否则输出低电平。当单片机检测到输出为高电平时，将控制驱动模块执行开锁操作。