基于PLC的四位密碼鎖設(shè)計(jì)

文/周明理

1 引言

按照當(dāng)前新一代電子密碼鎖的情況來看，是一種由人們?cè)诿艽a輸入界面（鍵盤或觸摸屏等）上輸入密碼去控制某個(gè)核心元器件（如芯片）或者某個(gè)電路進(jìn)行工作，進(jìn)而讓相應(yīng)的機(jī)械開關(guān)進(jìn)行閉合或者斷開，達(dá)到閉鎖和開鎖目的的電子產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上擁有種類繁多的電子密碼鎖，有性能價(jià)格比相對(duì)比較高的基于芯片控制的產(chǎn)品，有使用結(jié)構(gòu)簡單的電路來制作的密碼鎖，也有的電子密碼鎖是基于PLC控制來設(shè)計(jì)的。主流的電子密碼鎖一般都會(huì)利用編寫程序的方式來完成、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。電子密碼鎖無論是在性能方面，還是在安全性方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)機(jī)械鎖。電子密碼鎖的特點(diǎn)主要有：

（1）靈活性。用戶不需要鑰匙也可以開鎖，這樣可以讓用戶不用攜帶笨重的鑰匙，更可以避免忘記帶鑰匙而無法進(jìn)門的煩惱。

（2）操作方面。電子密碼鎖比機(jī)械鎖操作要方便，只需要在操作界面（如鍵盤、觸摸屏等）輸入密碼即可完成開鎖的過程（密碼正確的前提下）。

（3）保密性。使用0-9這10個(gè)數(shù)字便可以得到很多的編碼量，這是機(jī)械鎖遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上的，這樣外人想試探打開鎖具基本上是不可能的。另外，密碼用戶可以隨時(shí)更改，這樣可以保證密碼鎖的密級(jí)。不像機(jī)械鎖那樣，鑰匙丟了以后為了保證安全性而需要更換鎖芯等繁瑣的工作。

（4）壽命方面。電子密碼鎖相對(duì)機(jī)械鎖而言壽命更長，因?yàn)殡娮用艽a鎖本身沒有活動(dòng)的零部件，這樣磨損方面會(huì)比機(jī)械鎖少得多。

（5）輸入保護(hù)性。電子密碼鎖自身有著報(bào)警和鎖定鍵盤的功能，如果輸入密碼時(shí)存在錯(cuò)誤，則會(huì)通過電路反饋提示輸入的密碼有誤；如果在輸入密碼這個(gè)階段，輸入的密碼發(fā)生差錯(cuò)的次數(shù)超過了設(shè)定的預(yù)置值，這時(shí)電子密碼鎖系統(tǒng)便啟動(dòng)報(bào)警單元電路進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，而且會(huì)鎖定鍵盤，這樣可以有效地防止不法分子多次試探開鎖。

表1：I/O分配表

圖1：四位電子密碼鎖的電路方框圖

2 設(shè)計(jì)控制要求

本文研究完成的電子密碼鎖，需要達(dá)到、實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）電子密碼鎖正常而且沒有用戶操作的時(shí)候，通過一個(gè)七段LED數(shù)碼管顯示字符“0”，處于等待用戶操作開鎖的狀態(tài)。

（2）開鎖條件：假設(shè)預(yù)先設(shè)置的正確密碼是2435，當(dāng)依次操作SB1按鍵2下、SB2按鍵4下、SB3按鍵3下、SB4按鍵5下，接著再按下SB5（確認(rèn)按鍵）按鍵之后，鎖具的電磁閥YV就會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，使得密碼鎖打開，完成開鎖功能，然后在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)進(jìn)行復(fù)位。在輸入密碼過程中，如果存在輸入錯(cuò)誤，可以按下SB6（取銷鍵）進(jìn)行撤銷輸入，然后再重新輸入密碼進(jìn)行開鎖操作。

（3）如果某一次輸入的開鎖密碼跟用戶預(yù)先設(shè)定的密碼不一致，那么在按下SB5（確認(rèn)按鍵）之后，則會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警（蜂鳴器HA響、報(bào)警燈HL亮），同時(shí)七段LED數(shù)碼管顯示字符“F”并且閃爍，在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)進(jìn)行復(fù)位。

3 控制方案的對(duì)比與選擇

3.1 基于單片機(jī)的控制方案

常用的單片機(jī)有51系列單片機(jī)、STM32單片機(jī)、PIC單片機(jī)、AVR單片機(jī)、MSP430單片機(jī)等，種類非常繁多，且不同種類的單片機(jī)使用的環(huán)境也不相同。為了能夠使單片機(jī)獲得最高的性價(jià)比，我們?cè)谶x擇單片機(jī)的時(shí)候需要多進(jìn)行比較，再進(jìn)行合理地選擇。比如，我們需要考慮單片機(jī)的輸入/輸出端口、運(yùn)行速率與性能、電源的供電電壓、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、計(jì)數(shù)器、具不具有上電復(fù)位的功能、抗不抗干擾等因素。基于單片機(jī)控制的電子密碼鎖可以選擇51系列單片機(jī)來作為核心控制元器件。

單片機(jī)擁有豐富的輸入/輸出端口，軟件設(shè)計(jì)時(shí)編寫程序靈活，控制性能比較準(zhǔn)確，然后配合外部電路（如用來輸入密碼的鍵盤單元電路、用來顯示操作結(jié)果的顯示單元電路等）便可以完成電子密碼鎖的功能。單片機(jī)控制方式具有控制準(zhǔn)確、造價(jià)低、密碼保密性高、控制靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，而且在擴(kuò)展能力方面也高。只是單片機(jī)控制方式也存在著某些不足的地方，比如穩(wěn)定性能方面還欠缺一些，在需要修改的時(shí)候存在不方便的地方，還不能夠滿足要求相對(duì)較高的環(huán)境場(chǎng)所。

3.2 基于數(shù)字電路的控制方案

數(shù)字電子電路在成長的歷史中出現(xiàn)得比較早，作為很多電子線路、自動(dòng)控制線路必不可少的基本單元，所以得到了廣泛的應(yīng)用?；跀?shù)字電路控制的電子密碼鎖，其核心控制元器件一般采用雙觸發(fā)器74LS112，再配以其他元器件或單元電路（如輸入密碼的鍵盤單元電路）構(gòu)成完整電子密碼鎖系統(tǒng)線路。

基于數(shù)字電路控制的電子密碼鎖具有報(bào)警、鎖定鍵盤等功能，設(shè)計(jì)方案優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、電路簡單，但存在的缺點(diǎn)是控制的靈活程度不夠好、控制的準(zhǔn)確程度也不夠高。

3.3 基于PLC的控制方案

隨著科技的不斷進(jìn)步以及PLC控制技術(shù)的日益發(fā)展、更新，PLC越來越廣泛地應(yīng)用于民用場(chǎng)所，而不再局限用于工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)化環(huán)境和場(chǎng)所，而且PLC的優(yōu)勢(shì)隨著時(shí)間的推移越來越明顯。因?yàn)镻LC的穩(wěn)定性很高、工作很可靠，而且PLC的指令系統(tǒng)非常的強(qiáng)大。因此，如果電子密碼鎖使用PLC來進(jìn)行控制，那么使用、型的、基本的PLC即可完成密碼鎖的所有功能。

用PLC設(shè)計(jì)完成的電子密碼鎖，工作穩(wěn)定、可靠，保密性好，在需要修改時(shí)也能非常方便地修改。PLC的價(jià)格會(huì)越來越低，所以其在民用市場(chǎng)的競爭力將會(huì)越來越大；而且用戶對(duì)電子密碼鎖的要求只會(huì)越來越高，這樣就會(huì)使得PLC的優(yōu)越性能越來越有價(jià)值，將會(huì)越來越多地進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域、這個(gè)市場(chǎng)。

綜上所述，本文選用基于PLC的控制方案來控制電子密碼鎖。選用的是德國西門子S7-200系列PLC。

4 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)控制的要求（見前面），本文設(shè)計(jì)的四位電子密碼鎖主要以S7-200為核心控制器件，輔以輸入密碼的鍵盤按鍵單元電路、顯示工作狀態(tài)的數(shù)碼管單元電路、開鎖單元電路、報(bào)警單元電路等來構(gòu)成，其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

PLC的外部接線圖如圖2所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四位電子密碼鎖編寫的程序主要由輸入密碼時(shí)的鍵盤輸入子程序、密碼執(zhí)行子程序及密碼顯示子程序等構(gòu)成。本文使用的編程軟件是西門子S7-200編程軟件STEP7 MicroWIN V4.0，由于篇幅的限制，在這里不再列寫詳細(xì)的梯形圖PLC程序，僅給出梯形圖編寫的流程圖。

PLC的I/O分配表如表1所示。

程序流程圖如圖3所示。

6 結(jié)束語

以上是根據(jù)電子密碼鎖的設(shè)計(jì)功能要求，而用PLC實(shí)現(xiàn)密碼鎖完整功能的研究。如果需要更改設(shè)計(jì)的控制要求，那么可以根據(jù)用戶的要求將程序和電路作相應(yīng)的調(diào)整、修改便可。PLC之前主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)控制中，因?yàn)镻LC具有編寫程序簡單、工作穩(wěn)定可靠、操作靈活方便及安全保密性好等優(yōu)點(diǎn)，所以是一種非?？煽康暮诵目刂破骷?。隨著PLC的功能日益增強(qiáng)，成本越來越低，技術(shù)的不斷創(chuàng)新、成長，PLC將會(huì)在除了工業(yè)領(lǐng)域以外的其他領(lǐng)域（比如民用領(lǐng)域等）發(fā)揮出更大、更強(qiáng)的作用。

圖2：PLC外部接線圖

圖3：程序流程圖