高可靠性電子鎖設(shè)計

張永強

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，科學(xué)技術(shù)也在飛速的進步，但是高科技盜賊也出現(xiàn)在我們的和諧的社會中，這使得如何實現(xiàn)安全有效的防盜受到越來越多人的關(guān)注。傳統(tǒng)的機械鎖由于其結(jié)構(gòu)限制而使其安全性得不到大幅度有效提高，被撬的事件屢見不鮮，而電子鎖因其保密性強，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到廣大用戶的歡迎?，F(xiàn)在市場上就已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的電子鎖，有語音鎖，指紋鎖，電腦感應(yīng)鎖，錄像報警鎖等。這些鎖具出現(xiàn)后，成功的把不少盜賊拒之門外了，但還有少部分高智商的犯罪分子仍然無視他們的存在。究其主要原因是國家要求電子鎖必須有可以用機械方法開啟的裝置,如此的結(jié)果就是電子鎖無法體現(xiàn)防技術(shù)開啟的優(yōu)點，本設(shè)計思路不但提高了電子鎖部分的防技術(shù)開啟性能，而且也提高了機械部分的防技術(shù)開啟的性能。

1 電子鎖的整體設(shè)計

1.1 電子鎖的結(jié)構(gòu)

電子鎖的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子鎖的控制部分由輸入、存儲、編碼、鑒別、抗干擾、驅(qū)動、顯示和報警等單元組成。其中，編碼和鑒別電路是整個控制部分的核心。而電源則是電子鎖控制部分和執(zhí)行部分都必不可少的。

圖1 電子鎖的一般結(jié)構(gòu)

電子鎖的執(zhí)行機構(gòu)一般采用電磁鐵或微型電動機拖動鎖體。

1.2 電子鎖的設(shè)計

該電子密碼鎖利用單片機作為主控核心，單片機（AT89S51）所具有的特殊功能使得電子密碼鎖的保密性能大大加強，這樣就可以有效地防止多次試探密碼的可能性。隨著單片機和其他智能芯片的進一步開發(fā)，防盜鎖將實現(xiàn)智能化，這將使鎖的安全性能大大提高。本設(shè)計實現(xiàn)密碼一次輸入的提示功能，若密碼輸入不正確將發(fā)出“嘀嘀”的報警聲，引起他人警覺。同時可添加外圍設(shè)備實現(xiàn)遠程報警（如添加繼電器一類設(shè)備可以連接到主人的電話上，使主人知道家里有人非法操作，及時報警）。若密碼輸入正確將發(fā)出“叮咚”的門鈴聲。本系統(tǒng)使用的單片機所具有強大的功能能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制用來完成密碼的輸入、判斷和比較從而執(zhí)行相應(yīng)的開鎖顯示或報警等功能[1]。

2 電子鎖的具體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本設(shè)計由單片機（AT89S51）部分、4×4行列式鍵盤部分、七段數(shù)碼管部分、報警器部分、電機驅(qū)動芯片，以及電機6個部分所組成。

2.1.1 硬件設(shè)計原理結(jié)構(gòu)框圖

硬件設(shè)計原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計原理結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 單片機部分

主控器件是單片機，AT89S51是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k字節(jié)的可編程系統(tǒng)的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳，既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進行編程[2]。

2.1.3 各元器件（芯片）選型

(1)本設(shè)計采用4×4行列式鍵盤共計數(shù)字鍵10個，功能鍵6個，用4×4組成0～9數(shù)字鍵、確認(rèn)鍵F及修改鍵C，10個數(shù)字鍵用來輸入密碼，另外6個功能鍵分別是：A、B、C、D、E、F。其中C鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯誤的時候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。F鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼[3-4]。

(2)數(shù)碼管選用共陰極4位一體數(shù)碼管SR420561K。

(3)電機驅(qū)動芯片選用比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N。

(4)電路中設(shè)計了ISP下載器的接口，選用了ISP-USB下載線。

(5)電子鎖采用的電動機需要體積小、效率高、啟動力矩大，而錄音機里的電動機就符合這一特點。最終選定電動機為錄音機電動機EG-530AD-6B，該電機工作電壓6V，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，方向CCW（反時針）。

(6)這里傳動部件選用塑料齒輪，定好傳動比，直接從市場上選取。

(7) 電子鎖鎖體、鎖舌與普通彈子鎖的結(jié)構(gòu)、材料沒有特別要求，故這些元件可直接用改造的普通彈子鎖的即可[5]。

2.1.4 系統(tǒng)板上硬件連線

(1) 把4×4行列式鍵盤中的4條橫線、4條豎線分別連接到 P3．0-P3．3 和 P3．4-P3．7上，用來完成密碼的輸入。

(2) 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0．0用導(dǎo)線連接到報警器上，用來提示密碼輸入的正確或錯誤并發(fā)出相應(yīng)的聲音。

(3) 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的 P1．0—P1．7用導(dǎo)線連接到數(shù)碼管顯示器的另一端，用來實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。

(4) 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的 P2．0—P2．7用導(dǎo)線連接到三極管的一端通過三極管放大輸入到數(shù)碼管顯示器上，由“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1口和P2口共同來完成數(shù)碼管的顯示。

(5) 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的 P0．1—P0．3 用導(dǎo)線連接到L298N芯片上，用來實現(xiàn)開鎖的控制。

2.2 軟件設(shè)計

本設(shè)計是以AT89S51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設(shè)計和豐富的I/O端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加聲光提示甚至添加遠程遙控控制功能。設(shè)計程序的內(nèi)容為：① 密碼的設(shè)定，在此程序中密碼是固定在程序存儲器ROM中，密碼為6位。②密碼的輸入問題：根據(jù)事先設(shè)計好的密碼輸入，輸完后按確認(rèn)鍵將執(zhí)行相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)源程序采用C語言編寫[6]，設(shè)計程序流程總框圖如圖3所示。

2.2.1 鍵盤輸入部分

本系統(tǒng)中鍵盤采用4×4行列式鍵盤。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能[7]。

圖3 程序流程總框圖

2.2.2 數(shù)碼顯示部分

本系統(tǒng)采用的是8位數(shù)碼管組成的顯示電路作為提示信息，初始化時，顯示“P”，接著輸入最大的6位數(shù)的密碼，當(dāng)密碼輸入完后，按下確認(rèn)鍵“F”，進行密碼比較，當(dāng)輸入密碼正確時在數(shù)碼管上顯示“1HELLO”的提示信息，當(dāng)輸入密碼錯誤時在數(shù)碼管上顯示“2ERROR”的提示信息。在輸入密碼過程中，每輸入一位密碼顯示器上只顯示一個“8．”從右到左依次顯示。當(dāng)輸入密碼位數(shù)超過6位時，給出報警信息。在密碼輸入過程中，若輸入錯誤，可以利用“C”鍵刪除剛才輸入的錯誤的數(shù)字。在輸入密碼的過程中可以隨時對輸入的密碼進行修改。

2.2.3 蜂鳴器聲音提示部分

本系統(tǒng)把P0．0用作蜂鳴器報警的接口，對輸入的密碼與設(shè)定的密碼進行比較，若密碼正確，蜂鳴器發(fā)出“叮咚”聲；若密碼不正確，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀”報警聲。

2.2.4 電機驅(qū)動部分

本系統(tǒng)把P0．1-P0．3接到電機驅(qū)動芯片上，通過程序驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，當(dāng)密碼正確時則電機轉(zhuǎn)動。

3 電子鎖功能測試與擴展改進

3.1 電子鎖功能測試

根據(jù)編程設(shè)定一個初始密碼123456，采用4×4行列式鍵盤實現(xiàn)密碼的輸入功能，如圖4所示。初始化時，顯示管顯示“P”，密碼輸入時顯示管只顯示“8．”，當(dāng)輸入密碼完成后按F鍵確認(rèn)，密碼正確時數(shù)碼管顯示“1HELLO”，同時發(fā)出“叮咚”聲，并驅(qū)動電機開始轉(zhuǎn)動，這時可實現(xiàn)開鎖；電機轉(zhuǎn)后停下，若按下關(guān)鎖鍵A，則電機反轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)關(guān)鎖。若密碼輸入不正確則顯示“2ERROR”作為提示信息，同時發(fā)出“嘀、嘀”報警聲。在密碼輸入的過程中可使用C鍵對輸入的密碼進行修改。開鎖后，可以按D鍵來設(shè)定新密碼。可以用B鍵來作為開關(guān)鍵，開關(guān)電源。E鍵返回上一級頁面。按以上步驟和操作測試，系統(tǒng)運行正常，基本功能可以實現(xiàn)。

圖4 按鍵鍵盤

3.2 電子鎖擴展改進

從發(fā)明電子鎖之日起，設(shè)計人員就不斷擴展其功能，使簡單的電子鎖演變?yōu)槎喙δ苄碗娮渔i，繼而又開發(fā)出智能型電子鎖——入門控制系統(tǒng)和身份識別系統(tǒng)。

入口控制系統(tǒng)的典型代表是卡閱讀系統(tǒng)?？ㄩ喿x器用一類類似信用卡的塑料卡來代替機械鑰匙，閱讀機的面板上包含一個窄的縫隙，可以插入代碼數(shù)字各不相同的卡片?？ㄩ喿x器被連接到中心控制計算機上。卡閱讀系統(tǒng)可以編程允許每個人在規(guī)定的時間內(nèi)進入指定的房間，實現(xiàn)所謂的時間上的多級進出控制。系統(tǒng)能打印出在指定時間內(nèi)進出人員的清單?？ㄩ喿x的另一個重要功能是同一張卡不可以為兩個人先后使用。如若卡片被兩次記錄“IN”，則系統(tǒng)發(fā)出警報。當(dāng)編碼卡遺失或被偷，或當(dāng)某個人的進出權(quán)限已經(jīng)變化或結(jié)束時，可由卡控制器重新編程使該卡立即失效。

由于對人的生理特征檢測技術(shù)的發(fā)展，入口控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成人員身份識別系統(tǒng)。它利用計算機識別模式技術(shù)，對人的生理特性進行驗證，如指紋、掌紋、手形、聲紋、視網(wǎng)膜圖和簽字等，其真實可靠性已被人們所普遍接受，因為生理特性難以模仿或被變換。身份識別驗證的最好辦法是利用人的生理特性和卡片、口令、身份標(biāo)識數(shù)等組合，組成一個高度安全的入口控制系統(tǒng)——智能電子鎖。

還可以在以下方面改進：無論內(nèi)層門把何時使用，門會自動上鎖，并且安全門把將防御任何非法闖入，當(dāng)監(jiān)測到門處于關(guān)閉狀態(tài)的時候會自動鎖住。當(dāng)門鎖電量不足時，會發(fā)出警報和在LED屏幕上顯示警告。若電池電量完全用完，也可很輕易使用9 V標(biāo)準(zhǔn)電池作為緊急電源供給門鎖使用[8]。

4 結(jié)束語

本設(shè)計充分利用了AT89S51系統(tǒng)單片機軟、硬件資源，引入了智能化分析功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。另外，智能密碼鎖在軟、硬件方面稍加改動，便可構(gòu)成智能化的分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)某一范圍內(nèi)的集中式監(jiān)控管理，在金融、保險、軍事重地及其他安全防范領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 咸俊偉,陳波,梁書旺．基于AT89C51的紅外遙控電子密碼鎖的設(shè)計[J]．科技信息,2008(29):67-569．

[2] 李朝青．單片機原理及接口技術(shù)[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005．

[3] 齊向東,劉立群．單片機控制技術(shù)實踐[M]．北京:中國電力出版社,2009:251-263．

[4] 顧光旭．智能密碼電子鎖設(shè)計[J]．鹽城工學(xué)院學(xué)報,2009,22(1):49-55．

[5] 李明喜．新型電子密碼鎖的設(shè)計[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2004,17(3):40．

[6] 宋彩利,孫友倉,吳宏岐．單片機原理與C51編程[M]．西安:西安交通大學(xué)出版社,2008:73-75,181-183．

[7] 畢滿清．電子技術(shù)試驗與課程設(shè)計[M]．北京:機械工業(yè)出版社,2006．

[8] 林麗純．基于iButton的新型電子鎖控制器設(shè)計[J]．廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,26(2):98-100．