【嵌入式实践】【芝麻】【设计篇-2】从0到1给电动车添加指纹锁：项目可行性分析

news2024/9/30 9:23:07

0. 前言

该项目是基于stm32F103和指纹模块做了一个通过指纹锁控制电动车的小工具。支持添加指纹、删除指纹，电动车进入P档等待时计时，计时超过5min则自动锁车，计时过程中按刹车可中断P档状态，同时中断锁车计时。改项目我称之为“芝麻”，取自芝麻开门（明明是车，哪里来的“门”，因为插钥匙的地方被修车师傅称之为“电门锁”）。

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软件、硬件、机械原件存放位置：zhima: 电动车改装 - 指纹锁，芝麻开门

1. 能否通过继电器控制电门锁？

1.1 初识“电门锁”

因为没有过维修电动车的经验，对电动车内部线路不是很了解，不知道在什么位置添加控制。所以我第一步就是在B站、西瓜视频等网站疯狂的搜索电动车维修相关的视频。直到学习到一个新词：“电门锁”，才得知钥匙插入的部件有专门的称谓。紧接着我就根据电门锁这个关键词继续搜索相关的视频，慢慢的对电动车控制电路就有了初步的了解。总的来说，可以通过控制电门锁来控制电车的开关。

1.2 电门锁的控制原理

电门锁的结构类似上图。我的小电车并没有上图的防水盖，当我拆开电车头的时候，就直接看到了上图右侧裸露在外面的电线和焊盘。我使用万用表测试了在打开电车、打开大灯这2种情况下线路的连接情况。最终绘制了如下电门锁简化模型（因为没拆开电门锁，模型和实际可能存在偏差）：

模型图虽然画的简单，但是已经能够准确的表示电门锁的原理了。上图中红色表示电源，即使不打开电动车，红色部分的电路也带有48V的电压，橙色和棕色分别接向电车电源和大灯。电门锁一共会有上述3种状态：上图-A，表示电动车处于关闭状态，上图-B，表示电动车打开，但未打开大灯的状态，上图-C，表示电动车打开，大灯同时打开的状态。

通过上述的简单小实验，我们能得到这样一个结论，我们可以通过控制红线、橙线、棕线的连接情况来控制电动车状态。这一点很重要，证明了我们能够介入电动车控制。

2. 电源选择

芝麻项目选择是STM32F103系列的一款芯片，供电电压是3.3V，这就涉及到如何给电路板供电，电源如何选择的问题。我们很容易能够想到3种供电方式：多节电池，3.7V锂电池，电动车电瓶。

2.1 多节电池

使用蓄电池最大的优势就是能够快速更换电源，无需充电。在我们这个项目中，如果选择电池作为电源，我们就不得不解决这2个问题：电池体积大；需要考虑更复杂的机械结构，以能够保证电池更换便捷，且不易被他人获取到。

2.2 锂电池

锂电池体积相对较小，可以反复使用，不需要频繁更换。不过，如果选用锂电池，我们需要在电路板中额外维护一套充放电电路，且需要将充电口引到电车头外面用移动电源充电，或者将电路板拆出来充电。这样也不是很便捷。

2.3 电动车电瓶

用电瓶给电路板供电能相对容易的解决上面的问题：不需要额外设计机械结构保护电源，没有增大电路板体积，不需要换电池、不需要单独给电路板充电。选用此方案也有一个好处，就是可以把电瓶当成一个大的充电宝。（这一点在项目设计思路理也提到了，你可以点击这个链接去查看）通过这几个电源的对比，我打算使用电瓶作为电路板电源。下图红框中的电路就是选用此方案的电源电路，还是比较简洁的：

3. 机械结构方案选择

3.1 电车控制部分和用户交互部分合一

这里说的电车控制部分就是通过继电器控制电门锁的相关电路；用户交互部分指的就是指纹锁、按键和USB充电口。因为和用户交互部分的电路也集成到了单板上，我们就必须把这部分放置在外面，这样用户才能接触到。整个单板都放到外侧，那么就需要设计一个外壳将整个电路包起来，类似这样：

正如你看到这个图片时的第一感觉一样，丑，我也是这么认为的。我曾经想过如何美化这些凸出的结构，改为卡通形象、做些倒圆角（倒圆角 == 高端），总是不太满意。除了外观，其实还有一个比较大的隐患，因为这整个结构都要放置到外侧，那么控制电门锁的那几根线就会暴露在外侧，这个时候我们只需要一个剪刀，剪断线路，短接那3根线，就可以把你的爱车骑走了。