DIY宿舍蓝牙门锁

从此告别出门带钥匙的繁琐

Posted by Shao Guoji on May 12, 2016

断断续续搞了半年,蓝牙门锁开发基本完成,现决定分享制作过程及开源程序。个人原创作品,仅供交流及分享,未经同意请勿用于任何商业用途。

关于门锁的最新动态我会更新在这个回答下:什么可以提高大学寝室生活的质量? - 知乎

演示视频:蓝牙门锁APP宣传视频

一、前言

由于要把蓝牙门锁拿去参加“仲园学术科技主题展览”,正好借着这次机会继续改进门锁、并回顾记录整个制作过程,也同时给想制作的朋友一点参考。其实很有必要把自己当初“一时冲动”做出来的东西重新整理一下(早就想这样干了,一直拖着),而这次展览,就是一个“逼自己”的好机会,不然这个带有一堆缺陷的“半成品”真的就这样over了~~~

——2016-04-16

声明:“本作品属业余纯手工制作、结构简单,仅限于功能的简易实现,只针对特定型号门锁,且尚处于测试阶段,安全性有限,仅限于小型场合使用。不适用于高级别安防需求。”



二、功能介绍及原理实现

智能家居曾经也是火了一把,市场上的蓝牙门锁动辄几百上千,装在宿舍有点不现实,也也没必要。而自己做一个玩玩,仅仅几十块的成本就能体验一把智能家居,更能享受DIY的乐趣,说干就干。

主要功能

  • 手机App蓝牙免钥匙遥控开门
  • 关门状态实时监测
  • 内置时钟,可断电走时
  • 忘关门提醒
  • 防盗报警
  • 串口字符串命令系统

宿舍蓝牙门锁通过把舵机嵌入门锁内部机械机构,从而实现电动开门。配合外部单片机控制电路、蓝牙模块、指示灯及门锁状态开关,更可用手机APP免钥匙蓝牙遥控开门,实时监测门锁状态。而时钟芯片的引入、增加了忘关门提醒、防盗报警等人性化功能,可通过串口发送字符串命令对门锁进行设置、获取状态信息等,乃居家旅行、杀人越货、装逼撩妹必备神器,那么,就让我们开始门锁的制作吧。

注:本制作需一定动手、焊接能力,工科屌丝男可自行摸索,妹纸请找男票帮忙……



三、材料准备

prepare

元件 数量 单价(参考)
宿舍门锁 1 ¥20
STC12C4052AD单片机 1 ¥5
20脚芯片座 2 ¥0.14
STC单片机下载器 1 ¥4
12M晶振 1 ¥0.2
30pF瓷片电容 2 ¥0.01
HC-05蓝牙模块 1 ¥16
SG90 9g舵机 1 ¥6
有源蜂鸣器 1 ¥0.5
5mmLED(颜色你喜欢) 1 ¥0.05
DS1302时钟芯片 1 ¥0.5
8脚芯片座 1 ¥0.05
圆柱型3*8mm 32.768MHz晶振 1 ¥1.5
CR2032纽扣电池(带焊脚) 1 ¥1
micro-USB转接板 1 ¥1
排针 若干 ¥0.1
5CM*7CM洞洞板 1 ¥0.2
塑胶外壳 1 ¥1.20
USB充电线 1 ¥7
母对母杜邦线 1 ¥3.9
易拉罐 1
订书钉 2
螺丝 2
导线、锡线、烙铁、钳子、热熔胶枪等工具 1
Keil软件、STC-ISP软件 1
对电子制作热情的心 1
  总计 ¥68.35



四、单片机程序的下载

额一开始是先写硬件部分的,但发现舵机调试需要单片机输出控制信号,无奈又回来强插一段软件内容。烧写程序,学过单片机的同学一定很熟悉,那么首先你将需要:

把下载器先插上电脑,装好驱动后在系统的“设备管理器”中就能看到串口设备,记住所用的COM口:

设备管理器

然后把单片机和下载器按图示连接(注意电源别接反!× 3):

单片机连接下载器

图片来源:杜洋工作室

打开STC-ISP软件,按图示步骤操作,记得选择刚刚的COM口。点击下载后给单片机重新上电(把电源断开再连接),等待几秒,程序下载完成。

烧写程序



五、焊接电路板

1、电路板焊接

出于成本考虑(其实因为我不会画PCB),电路板采用洞洞板直接焊接元件的方式,以达到电路稳定工作的目的(PS:之前一直用面包板一堆线的十分不稳定),所以对焊接技术有一定要求。

根据外壳大小,对洞洞板进行裁剪,我用的外壳较小,把洞洞板剪成11*22孔(55*27mm)大小勉强放得下除纽扣电池外所有元件并恰好装进外壳中。(塑胶外壳外壳购买链接,记得叫卖家给广告费我!!!)

然后根据下面洞洞板布线图进行焊接,如果你有更好的布线方案就更好咯……

洞洞板布线图

元件解释

  • IC1为20脚单片机芯片座,缺口朝上,注意芯片座内焊有两个30pF电容
  • IC2为蓝牙模块插座,由于排母太高,这里用钳子从另一个20芯片座上“拆下”了一个单排6脚芯片座。引脚定义(从上往下):EN、5V、GND、TXD、RXD、STATE
  • IC3为8脚DS1302芯片座,缺口朝上
  • IC4为micro-USB转接板,用排针焊接
  • 右上角棕色圆圈是蜂鸣器焊点
  • 其他各色的小圆圈是排针引出:左下角红色是DS1302备用电源接口,右侧是舵机接口(红-VCC,黑-GND,橙-信号),右下蓝色:LED指示灯接口,黑色:门锁状态开关接口
  • 左下角二极管D1是我用来隔离手动拉线开门亮灯电源用的,可以去掉

注意上图是正面元件图,在反面锡接过线时需自行脑补走线图。焊接过程要细心耐心,注意防止短路。焊接完成后会像这样:

洞洞板焊接完成图正面

洞洞板焊接完成图背面

很遗憾的是这里用了四根跳线,因为跳线越少电路越稳定,越美观。所以我们要尽量防止跳线的使用,就算跳也要跳的漂亮一点(请原谅我布线技术有限)。另外注意元件之间的位置摆放、确保所有器件都能放得下。

确保正确焊接完成后把元件插上,蓝牙模块需用钳子把排针掰成与模块垂直并修剪排针长度再插,上电看看蓝牙模块指示灯是否正常闪烁。 把板子放进外壳试一下,刚刚好。

插上元件

板子放进外壳

2、备用电池的焊接、外壳开孔

要实现时钟芯片断电走时,需外加备用电池,这里选用带焊脚的CR2032纽扣电池。把一根母对母杜邦线中间剪短,与电池引脚焊接,再插到刚刚预留的时钟芯片备用电源排针上即可(注意正负)。由于要排针(备用电源的除外)外插杜邦线,所以先把排针向外弯曲,然后对排针、USB口在外壳上对应的位置进行开孔,注意开孔位置的准确性

备用电池

外壳开孔

为了插线方便,可用纸胶带在开孔处标明USB、舵机、指示灯及门锁状态开关的引脚定义:

USB

舵机

指示灯及门锁状态开关

最后再把电路板和备用电池装进外壳,排针、USB接口对准外壳开孔,如果能顺利把盖子合上,那么电路板及外壳这一部分就算是制作完成了。

所有元件装进外壳



六、配置蓝牙模块

要让买来的蓝牙模块按照我们的意愿去工作、收发数据,要先对模块进行配置。配置包括设备名称、连接密码、通讯波特率……不过用担心,之前我已经专门写了一篇关于蓝牙模块配置的文章,所以这里就不啰嗦了,请戳——>HC-05蓝牙模块的参数设置与使用-蓝牙门锁开发笔记



七、手机控制端——“蓝牙门锁”App

下载、安装、运行app

配置好蓝牙模块之后,就可以和它开心的“聊天”(通讯)啦,和PC端的“串口助手”一样,这里我们使用的是舍友开发的安卓手机端的“蓝牙门锁”APP(APK安装包下载地址:蓝牙门锁.apk))。即可实现手机与蓝牙模块之间的通讯。

APP使用说明详见:“蓝牙门锁”APP发布– 蓝牙门锁开发笔记



八、门锁机械部分改装

接下来就是重头戏了,也是比较难搞、需多次调试而且很难用语言描述清楚的一部分——门锁的改装,其实就是把舵机加进去。由于学校宿舍用的是老式的弹簧门锁,所以我的改装也是专门针对此类门锁,至于其他类型的门锁,应该大同小异,你们可以自己尝试拆开摸索改装一下。

1、门锁的拆除

用螺丝刀趁舍管不在的时候将门锁拆下来,打开后盖,你将看到门锁内部机械结构全貌:

拆门锁

2、舵机安装

最烦人的时候来了。要实现电动开门就必须使用舵机,这是因为舵机的旋转角度可通过PWM波的占空比精确控制,能让舵机提供动力、“拉开”门锁(比其他各种电磁铁、电机靠谱多了有木有啊!)。红色框框部分就是舵机的安装位置,有一个不太人性化的地方:粘死舵机后,反锁的旋钮(就是卡住不让开门那个东东)就用不了了,所以我干脆把它拆了……还有,舵机只能控制锁舌,而不能反锁,这也是个小缺陷。

舵机安装位置

舵机下面需用橡皮擦、硬纸板或厚塑料片随便什么你能想到的东西垫高一下下,并把舵机一旁的螺丝固定孔剪掉,用透明胶固定一下导线,再放入舵机,导线可从旁边的孔穿出:

剪掉螺丝固定孔

放置舵机

舵机传动轴的修剪

把随舵机配套的传动轴的“只有一边”的那种拿出来,用剪刀修剪传动轴的长度,一次不要剪太多,剪一点再装上舵机放到门锁上量一下。只要保证不会因为舵机位置太高合不上门锁后盖,也不会因为传动轴太低而碰到门锁外壳影响舵机转动就行。

修剪传动轴

效果

舵机传动曲轴的制作

由于航模舵机只有一根传动轴,与我们开锁方向不一致,为实现“转动变推拉”的传动方向改变,我们要手动增加一根传动曲轴,而这个传动曲轴的材料选择也是十分麻烦、我是用反锁旋钮拆下的弹簧硬铁丝剪一小段,弯成U字形,插入传动轴的两个孔中,再用钳子缠绕而成。憋说话,看图:

硬铁丝

缠绕成传动曲轴

传动轴位置的调整

再把舵机的三根线接到电路板上,上电。发送指令让舵机产生“开锁”和“松锁”的转动,不断调整传动轴与齿轮的角度,确保“松锁”状态下传动轴与舵机的“长”垂直,“开锁”状态下传动轴与舵机的“长”平行(可能转不了那么大角度,差不多就行)。貌似很难理解,来个图吧:

舵机位置示意图

舵机位置的调整

把弄好传动曲轴的舵机放到门锁上,比对位置,红色圈圈的地方就是舵机传动曲轴与门锁接触传动的位置,把门锁稍微拉开一点,就能把传动曲轴放入:

舵机传动曲轴位置

把舵机连接电路发送开锁及松锁命令,注意舵机运动时用手大力按住固定舵机,保证舵机的转动能有效对门锁进行控制。不断移动舵机调整前后左右位置,增加或减少铺垫材料调整上下位置,必要时可把传动轴拆出来调整角度再装回去。总之就是让舵机的力量充分发挥,达到能把门锁拉开和复位的较稳定状态,实在难以调整的话,可根据具体门锁结构修改单片机程序调整舵机转动幅度

舵机位置调整

传动轴的最终固定

当你觉得舵机位置基本调整好了以后,记得把舵机拿出来,在传动轴与舵机连接齿轮处涂上502胶水固定传动轴(最好先向外松一下齿轮,涂上502后再按紧),否则转几次就飞出来了,当然此时传动轴已经固定死在也拿不下来了。等待胶水完全风干,。最后再进行开锁和松锁的测试,确保舵机正常旋转、力道十足。

舵机的最终固定

当你觉得舵机的位置非常完美的时候,就可以用热熔胶进行舵机的最终固定了。规则只有一个:粘紧就好。没错,就是那么简单粗暴!!!上图:

舵机的固定

注意别粘到左边的反锁装置(红色框),不然反锁功能又没了……

注意反锁装置

等待热熔胶硬了之后再把门锁后盖盖上、螺丝扭上。如果舵机与后盖之间有空隙就塞点什么弄紧点。如果舵机位置太高后盖盖不上,那就用力点吧……(之前都说了注意舵机位置不要太高的……)最后再输出信号开锁松锁试一下是否正常……

盖上后盖

如果门锁能正常开关,那么恭喜你,最难的门锁改装部分已经完成,你离成功也不远了……



九、门锁整体安装

1、门外LED指示灯的安装

其实这个LED指示灯是可有可无的,当初还是手动拉绳开门时,外面的人不知道门开了,每次都要我大喊一声:”推~~~推~~~推(没人鸟我)。。。你妹推门啊!“所以就想到弄个LED灯提示一下,然后就一直保留到现在……额好像扯远了。

那么其实LED指示灯的安装也很简单,门外固定一个LED,在LED正负极焊上两根长长的导线,然后从内侧门缝由外而内穿过,导线末端焊上母头杜邦线即可。你也可以像我一样加个“灯亮请推门”之类的提示语:

门外LED

门内走线

杜邦线母头

2、门锁状态开关的制作与安装

增加“门锁状态开关”是很有必要的,单片机通过状态输入来获取当前门锁的状态,门有没有关(准确来讲有没有关好),这是实现“开门自动复位门锁”、“忘关门提醒”和“防盗报警”功能的前提。我采用的制作方法很简单:两枚订书钉+一小片铝片。

开关触点的制作

在门侧边上用两枚订书钉作为开关触点。直接用掰开的订书机在木门侧边订两枚订书钉(暴力一点应该能钉进去),开孔间隔5mm,距门内侧边沿10mm,位置像这样:

订书钉位置

然后用烙铁在订书钉另一头弯折处焊公对母头杜邦线(我这里焊了双公头的面包板线再用双母头杜邦线作延长),不影响门的正常关闭、不会掉就行:

触点杜邦线

开关触片的制作

从垃圾桶捡来一个易拉罐(有时捡垃圾比捡钱还爽),用剪刀把罐体展开成平面,剪下大约12*55mm的条状铝片,亮面朝外对折两次:

易拉罐剪裁

铝片对折

把门关上,在触点对应的门框位置做标记,把折起来的铝条用胶带固定两端在门框上:

门框触片

关门

接触面打磨

由于订书钉和易拉罐表面有涂层,会影响导通性,所以最后一定记得用砂纸对接触面进行打磨

3、门锁的安装

把改造好的门锁装回门上,记得把舵机线引出。用螺丝把外壳电路固定在门上,插接好舵机线、LED线、门锁状态开关线,插上USB电源线供电,打开APP,万事俱备,芝麻开门!

安装门锁

安装电路



十、最后的废话

当初急急忙忙把展览模型做出来,然后就一直不断改进,加上DS1302实时时钟、忘关门提醒及防盗报警功能,现在舍友正在编写我们自己安卓APP控制软件(我们IT文化节APP大赛的作品,本来想自己写,但不会安卓~~~),门锁功能基本定型了,是时候汇报一下了。

今晚把门锁程序最后一点代码注释整理好,如释重负,但舍友的APP依然需要努力。

半年前,致力实现“偷懒开门”的我尝试写了舵机的控制程序,也就是门锁最初版本的程序,一直断断续续增删功能,没有高大上的编程技巧,全凭热情,维护着这个小小的个人项目。直到把DS1302时钟芯片加上,把“命令系统”重写一遍,代码才规范许多,看起来舒服许多。单片机部分算告一段落了,接下来,看舍友咯——尽情期待我们的专属App!



十一、总结

这里一般都会写一些什么“经过这次制作学到很多,收货很多……”之类的废话,但我想说,这次制作并没有什么太大技术含量,也没有没有学到什么,单片机、串口、PWM等都是之前就知道的(能做出来一切都好像在意料之中),不过舵机和蓝牙模块倒是新知识,但这些技术不是重点(比我这个渣渣牛逼的大神一抓一大把),重点是从生活的实际需求出发去制作。都不是什么高深莫测的东西,而是用来解决生活中的实际问题的。或许对于别人来说,写不出一个程序没什么关系,但我写不出的话连门都进不了啊!压力山大有木有。

所做的一切,不是装逼、不是无病呻吟,只是想尽量用有限的知识让生活更美好、更有趣好玩,仅此而已。

——20160512



项目github地址:https://github.com/shaoguoji/bluedoor



有什么问题可以评论留言。对了,有成功做出来的朋友也可以留个言,毕竟我对这随手做的东西没抱太大希望……



参考文章

HC-05蓝牙模块的参数设置与使用-蓝牙门锁开发笔记

宿舍蓝牙门锁命令详解-蓝牙门锁开发笔记