基于單片機的電子密碼鎖硬件系統(tǒng)設計

徐玉召 戴德偉 劉義 郭紅波

摘要：隨著社會發(fā)展與電子科學技術(shù)的不斷進步，人們對電子設備安全性的要求也越來也高，希望個人信息或個人設備信息能夠更加安全，應運而生的電子密碼鎖因此受到了很大的關(guān)注?；?1單片機的加密鎖使用RSA加密算法，其硬件系統(tǒng)內(nèi)置STC89C52芯片，利用藍牙設備接收信息和發(fā)送指令，由單片機完成處理信息和響應外部事件工作，從而實現(xiàn)電子鎖加密與解鎖等功能。

關(guān)鍵詞：電子密碼鎖；51單片機；藍牙

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0212-03

目前，在國外RSA電子加密鎖技術(shù)運用已經(jīng)非常成熟，尤其在美國、德國等計算機技術(shù)發(fā)達國家，它的運用已經(jīng)相當普遍，美國已經(jīng)將這項技術(shù)運用到了公鑰加密標準和電子商業(yè)中。電子密碼鎖包括圖形鎖、密碼鎖、指紋鎖、人臉識別等，這些安全鎖使用不同的設鎖和解鎖的模式，大多運用電容、機器碼、熱感等開鎖原理，具有很高的安全性，對于網(wǎng)絡用戶的個人信息和財務等方面的安全提供了有力保障。但是，還是有少部分高智商的犯罪分子仍然無視他們的存在，究其主要原因還是因為這些加密技術(shù)在現(xiàn)有的破鎖技術(shù)下可強破性很高，如此的結(jié)果就使的他們無法達到對更高機密的保護要求。

當下，RSA電子密碼鎖開鎖解鎖模式和美國所運用的RSA密碼鎖解鎖開鎖模式基本相符，只是運用的主要硬件有所不同，電子密碼鎖所使用的STC89C52單片機內(nèi)部使用匯編語言處理信息，對代碼的要求較低，提升了電子密碼鎖廣泛應用的可行性。而在本設計思路中運用了RSA密鑰加密技術(shù)，由于RSA加密技術(shù)在當下還屬于不可強破的加密技術(shù)，從而增加了密碼鎖的不可強破性，提高了電子密碼鎖的安保性能，操作簡單、性價比更高。

1電子密碼鎖單片機系統(tǒng)設計

1.1單片機的內(nèi)部引腳原件功能和外部實現(xiàn)

單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等，還包括顯示驅(qū)動電路、發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，具有接收信息、處理信息和做出外部響應的功能，以此來模擬密碼鎖。其內(nèi)部有四個八位并行I/O端口：記作P0、P1、P2和P3，每個端口都是準雙向口，包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。

P0口主要用于數(shù)碼管的顯示。P1口主要用于外部開鎖閉鎖和相對狀態(tài)的顯示，輸入輸出電路圖如圖1所示。P2端口的第1位（P2.1）接在繼電器的DIO端，在單片機內(nèi)控制高低電平，為P3口控制中斷提供指令。P3口主要是控制器，端口的第0位連接藍牙的TX端，是單片機串口的接收端，P3端口的第1位連接藍牙的RX端，是單片機串口的發(fā)送端。按鍵S4在內(nèi)部連接P3端口的第2位，為外部中斷0（低電位），按鍵S5在內(nèi)部連接P3端口的第3位，為部中斷1（高電位）。

P1口作為通用I/O口，被設計為電子密碼鎖的外部鎖頭的旋轉(zhuǎn)控制，對P1的操作可以采用字節(jié)操作，也可以采用位操作。復位以后，口鎖存器為“1”，對于作為輸入的口線，相應位的口鎖存器不能寫入“0”，在圖1中P1.0～P1.3作為輸出線，分別接，鎖身、鎖柄、開鎖狀態(tài)指示燈和閉鎖狀態(tài)指示燈，P1.4～P1.7作為輸入線，接四個開關(guān)S0～S3。圖1子程序采用字節(jié)操作指令將開關(guān)狀態(tài)送到P1.0～P1.3顯示，S1，S2閉合P1.0和P1.2分別處于開鎖和開鎖指示狀態(tài)，S3，S4閉合P1.1和P1.3分別處于閉鎖和閉鎖指示狀態(tài)，如果狀態(tài)指示燈不能與鎖頭鎖柄同步進行指示狀態(tài)，說明電子加密鎖出現(xiàn)故障，需要維修。

1.2 單片機的功能

1）連接：和連接轉(zhuǎn)換模塊一樣，藍牙模塊的RX連接單片機的TX，藍牙模塊的TX連接單片機的RX，此處說明單片機的RX和TX引腳分別為P3.0 RXD（串行輸入口）和P3.1 TXD（串行輸出口），之后可相互記錄彼此的IP地址。在藍牙模塊和單片機進行連接的時候，還要注意保持兩者的晶振相同，一般在12MHZ左右，晶振大小可在某平臺購買的時候在詳細數(shù)據(jù)參數(shù)中查詢。

2）傳送數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)傳送的匯編語言指令一共有28種，用到的助記符有如下8種：MOV、MOVC、XCH、XCHD、SWAP、PUSH、POP、MOVX，也可以使用C語言代碼中的UART_DMA_Enable傳送信息，電子加密鎖主要使用了UART_DMA_Enable調(diào)用dma（直接存儲器）的發(fā)送方式。傳送數(shù)據(jù)的類型可分為內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)傳輸指令和片外RAM的數(shù)據(jù)傳輸指令，片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)傳送指令可以分為立即型、直接型、寄存器型和寄存器間址型，立即型數(shù)據(jù)傳輸一般使用助記符MOV。而電子密碼鎖所使用的是片內(nèi)RAM的立即數(shù)據(jù)型傳送指令。

51單片機的串口，是個全雙工的串口，發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，還可以接收數(shù)據(jù)。當串行發(fā)送完畢后，將在標志位TI置1，同樣，當收到了數(shù)據(jù)后，也會在RI置1。無論RI或TI出現(xiàn)了1，只要串口中斷處于開放狀態(tài)，單片機都會進入串口中斷處理程序。在中斷程序中，要區(qū)分出來研究是發(fā)送引起的中斷，還是接收引起的中斷，然后分別進行處理。如果接收到1，則將P10置高電平，接收到0，P1.0置低電平。處于高電平時，開鎖狀態(tài)，輸入輸出電路如圖1所示，以此來完成開鎖請求。

3）接收信息：接收信息，代碼使用程序存儲器ROM取數(shù)據(jù)指令，這種指令只有兩條，完成從程序存儲器ROM中讀入數(shù)據(jù)，傳送至累加器。這兩條指令常用于查表操作，故又被稱之為查找指令，內(nèi)部主要依賴于P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）和P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）。串口接收程序基于串口中斷，單片機串口每次接收到一字節(jié)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次中斷，然后再讀取寄存器就可以得到串口所接收的數(shù)據(jù)。然而在實際應用當中，基本上不會有單字節(jié)接收的情況。一般都是基于一定串口通信協(xié)議的多字節(jié)通信。在422或者485通信中，還可能是一個主機（一般是計算機）帶多個從機（相應的有單片機的板卡）。這就要求單片機能夠在連續(xù)接收到的串口數(shù)據(jù)序列中識別出符合自己板卡對應的通信協(xié)議，來進行控制操作，不符合則不進行任何操作。簡而來說就是，單片機要在一串數(shù)據(jù)中找到符合一定規(guī)律的幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，來達到匹配效果。

2藍牙模塊原理和功能

2.1 藍牙模塊的功能和作用

藍牙模塊是指集成藍牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網(wǎng)絡通訊，大致可分為三大類型：數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠程控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。一般模塊具有半成品的屬性 ，是在芯片的基礎(chǔ)上進行加工，使后續(xù)應用更為方便。電子密碼鎖使用的是半成品藍牙模塊。電子密碼鎖藍牙模塊相當于開鎖裝置，是用來存儲RSA加密源碼和解秘源碼的模塊，同時具有與單片機進行藍牙方式連接、發(fā)送信息和接收信息的功能。

1）連接：使用的是HC-05型號的藍牙模塊，通過USB-TTL轉(zhuǎn)接器，在與單片機進行連接之前連接到電腦上，通過串口調(diào)試助手調(diào)試。進入命令調(diào)試模式，輸入AT指令，設置模塊的參數(shù)。設置藍牙的名稱，用指令AT+name=”xxx”＼r＼n設置藍牙模塊名字為xxx，方便后續(xù)查找。設置自動連接模式的串口波特率為9600，為了與藍牙模塊波特率進行匹配，用指令AT+uart=9600，0，0＼r＼n，設置波特率為9600，停止位1位，無校驗位。若藍牙模塊為手機時，可直接使用手機藍牙功能進行藍牙連接，在藍牙模塊的Java代碼內(nèi)進行波特率設置。

2）發(fā)送信息：配對完成后，設備之間已經(jīng)記錄了雙方的IP地址，通過點擊listView設備，觸發(fā)HandleMessage線程傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流以字節(jié)流的形式進行傳播。

3）接收數(shù)據(jù)：通過觸發(fā)handerler.sendMessage自動接收數(shù)據(jù)流，以字節(jié)的方式接收之后再進行字符形式的轉(zhuǎn)換，達到獲取數(shù)據(jù)的目的。

2.2硬件功能流程

開始使用電子密碼鎖時，首先對藍牙模塊和單片機進行初始化，主要是執(zhí)行重啟操作即可，第二步在藍牙模塊上只需要按請求鍵請求請求重新生成密碼密鑰，可在，單片機接收并信息處理信息，做出生成密碼和保存密碼的指令，單片機顯示屏會提示密碼設置完成，第三步，利用藍牙模塊發(fā)出解鎖請求信息，在液晶顯示屏上顯示開鎖成功，開鎖狀態(tài)指示燈點亮，鎖頭旋轉(zhuǎn)，達到解鎖的目的。解鎖開鎖的過程省去了手動輸入密碼是過程，在內(nèi)部使用函數(shù)直接調(diào)用接收信息端口。如圖2硬件功能實現(xiàn)流程圖所示。

3結(jié)語

電子加密鎖選擇51單片機，是因為它的指令簡單，外圍電路簡單，硬件設計方便，I/O口操作簡單，無方向寄存器，可用資源豐富，一般設計就可以滿足電子密碼鎖的需要，而且易學易懂，方便后期電子密碼鎖的維修工作。而藍牙模塊，價格便宜、容易購買，資料豐富容易獲得，程序編寫簡單，低功率，便于在停電的情況下使用小功率電池長期供電使用，而且使用藍牙通信，不受互聯(lián)網(wǎng)的限制，即便在沒有無線網(wǎng)的情況下也可以正常使用。所以基于51單片機模塊設計的電子密碼鎖將以其操作簡單、安全系數(shù)高和價格低廉等特點，被大眾所接受并得到廣泛的應用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】