姚龍

【摘要】本文基于傳統(tǒng)電子密碼鎖的基本功能分析其中存在的安全性低、自動(dòng)化程度低等問題，提出新時(shí)期電子密碼鎖所應(yīng)具備的智能化、監(jiān)控性、集成化等特點(diǎn)，并在這一設(shè)計(jì)需求上提出一種基于單片機(jī)與串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述其軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】電子密碼鎖;單片機(jī);串行通信;功能;通信

傳統(tǒng)的機(jī)械鎖有構(gòu)造簡(jiǎn)單、鎖芯外露、容易被撬等問題，而新興電子密碼鎖則具有較高的可靠性，便于進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制和智能化、自動(dòng)化管理，且設(shè)計(jì)制作較為簡(jiǎn)單，密碼設(shè)置靈活多樣，成本不高，市場(chǎng)價(jià)值高。作為一個(gè)普遍關(guān)注的社會(huì)問題——安全問題一直是學(xué)界、業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)，人們?cè)噲D運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)研究出更好的安全產(chǎn)品，保護(hù)人們的信息、財(cái)產(chǎn)等的安全，常見的安全產(chǎn)品有：指紋識(shí)別系統(tǒng)、紅外防盜系統(tǒng)，其成本較高，一般用于保密級(jí)別較高的產(chǎn)品。而電子密碼鎖雖然沒有這些產(chǎn)品的安全性高，但相較于傳統(tǒng)機(jī)械鎖而言，依然具有很高的可靠性，加密快速簡(jiǎn)單，成本低，非常適用于家庭、辦公室、宿舍等場(chǎng)所，推廣價(jià)值高。

1.傳統(tǒng)電子密碼鎖的基本功能

傳統(tǒng)基于單片機(jī)與串行通信的電子密碼鎖的功能有：（1）一定位數(shù)的密碼以及取值范圍，這個(gè)位數(shù)多少?zèng)Q定了安全性能的高低。（2）用戶可自行根據(jù)需要設(shè)定、修改密碼。（3）用戶在按密碼時(shí)會(huì)有相應(yīng)的語音提示，若密碼錯(cuò)誤，則需另行處理。（4）密碼錯(cuò)誤次數(shù)超過限額自動(dòng)報(bào)警，一般來說，當(dāng)密碼錯(cuò)誤三次之后就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。（5）輸入正確密碼后自動(dòng)開鎖。（6）硬軟件成本低，可靠性高，能進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

新興基于單片機(jī)和串行通信的電子密碼鎖在原來的基礎(chǔ)有一些擴(kuò)展功能，如：智能化水平高，電子密碼鎖與中央的監(jiān)控儀器連接起來，具有監(jiān)控功能;集成化水平高，各個(gè)模塊高度集成，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便。這種新電子密碼鎖與傳統(tǒng)電子密碼鎖相比，引入嵌入技術(shù)，有效減少元器件的使用，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，并不斷朝著網(wǎng)絡(luò)化、在線化、智能化方向發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警處理等。

2.基于單片機(jī)和串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子密碼鎖采用兩級(jí)控制、總線型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鍵盤為4×4方陣形式排列，鍵盤的掃描電路以行的方式進(jìn)行掃描，利用電子開關(guān)結(jié)構(gòu)，鍵盤上的所有按鍵均是有效的，按鍵分成功能按鍵和數(shù)字按鍵兩種。主控芯片為AT89S51單片機(jī)，單片機(jī)具有存儲(chǔ)密碼、輸入密碼和上傳密碼的功能。微型計(jì)算機(jī)分析和處理數(shù)據(jù)信息，并建立完整的數(shù)據(jù)庫，形成一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的電子密碼鎖。利用串行通信延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸距離，使得連接方式變得更加簡(jiǎn)單，操作更方便，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。如圖1所示為總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

2.2 主要芯片

主控芯片為AT89S51，是一款低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，內(nèi)含4k Bytes ISP可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器采用高密度存儲(chǔ)技術(shù)，件容乃公標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和80C51引腳結(jié)構(gòu)，是許多嵌入式控制系統(tǒng)的首選。該單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：有40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes隨機(jī)存儲(chǔ)器，32個(gè)外部雙向I/O接口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)雙全工串行通信口。

2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

總線通信接口電路采用串行通信，該通信方式靈活性強(qiáng)，肩負(fù)著管理、傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)，負(fù)責(zé)主控微型計(jì)算機(jī)與控制部件之間的通信。

3.電子密碼鎖的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

電子密碼鎖的硬件主要包括核心處理模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互界面模塊和通信模塊，下面簡(jiǎn)要分析其具體設(shè)計(jì)：

3.1.1 核心處理模塊

核心處理模塊是整個(gè)電子密碼鎖關(guān)鍵，不僅需要處理密碼信息，同時(shí)還負(fù)責(zé)統(tǒng)籌調(diào)度管理其他模塊的工作，該模塊主要由單片機(jī)、鍵盤、存儲(chǔ)器、顯示電路組成。單片機(jī)為該部分的核心，任務(wù)是：配合軟件完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的記錄、分析處理、調(diào)度以及其他部分正常工作的控制、密碼校對(duì)、密碼修改等。從該電子密碼鎖的功能、安全性、數(shù)據(jù)量、接口電路等因素考慮，決定選用AT89S51單片機(jī)。鍵盤采用4×4陣列結(jié)構(gòu)，這16個(gè)按鍵分別為0-9這10個(gè)數(shù)字、#、*、lock、modify、cel、enter。

3.1.2 存儲(chǔ)模塊

采用AT24C02存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)密碼和開鎖等信息的存儲(chǔ)，該存儲(chǔ)器有I?C總線接口，是一款串行存儲(chǔ)器。由于AT89S51單片機(jī)上沒有I?C總線接口，故而在電路連接上，使得單片機(jī)上的P2.2、P2.3分別與存儲(chǔ)器上的SCL、SDA相連，在軟件上模擬設(shè)計(jì)出I?C總線接口。該存儲(chǔ)器可以保存最近20次的開鎖時(shí)間信息、用戶修改后的一級(jí)二級(jí)權(quán)限密碼、非法套取密碼信息等，用戶可根據(jù)語音提示進(jìn)行相應(yīng)操作查詢到這些信息。

3.1.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

鍵盤以4×4方陣形式排列開來，在行線與列線的交叉處設(shè)置按鍵，行線設(shè)置為低電平，然后檢測(cè)出列線的實(shí)際輸入情況，從而明確該相交處的按鍵是否被按下?？紤]到開鎖信息、時(shí)間信息、密碼提示信息等，考慮到電子密碼鎖設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，決定選用SMC1602A液晶屏作為電路的顯示模塊，該液晶屏為標(biāo)準(zhǔn)字符型液晶顯示屏，采用點(diǎn)陣型液晶顯示器（LCD），可顯示16個(gè)字符X2行西文字符，字符尺寸為2.95X4.35（WXH）mm，內(nèi)置HD44780及兼容芯片接口型液晶顯示控制器，可與MCU單片機(jī)直接連接，背光電流小，整體模塊電流更低。3.3V低電壓工作產(chǎn)品，更方便與低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)連接，被廣泛應(yīng)用于各類儀器儀表及電子設(shè)備。選用這一液晶屏體現(xiàn)出人機(jī)友好交互。采用雙層通信協(xié)議，兩層通信協(xié)議相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用RS-232C接口實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)引腳TXD、RXD的定時(shí)輸出高低電平，實(shí)現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)的良好通信。

3.1.4 通信模塊設(shè)計(jì)

該電子密碼鎖采用總線型通信結(jié)構(gòu)，控制設(shè)備在上電復(fù)位后開始工作，利用中斷方式等待串行通信的弧線，利用全雙工互鎖方式實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的通信正常。串行通信的總線控制位于通信的主機(jī)，總線通信和網(wǎng)絡(luò)中下位的電子密碼鎖管理設(shè)備設(shè)立在串行通信數(shù)據(jù)信息的鏈路上，構(gòu)建出一個(gè)完整的主從形式總線型通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的電子密碼鎖管理部件為電子密碼鎖提供充足的電能資源，所有的電路經(jīng)DC-DC模塊電路轉(zhuǎn)換后，為電子密碼鎖的電路提供穩(wěn)定、安全的電源。

在單片機(jī)的通信設(shè)計(jì)上，其通信模塊的第一級(jí)通信協(xié)議中，采用串口通信方式。在數(shù)據(jù)信息的傳輸過程中，串口處于已傳輸狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入到串口的緩沖位置時(shí)，串口就處于已接受狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)讀取到緩沖區(qū)域，實(shí)現(xiàn)同口處的無障礙通信。第二級(jí)通信協(xié)議完成軟件的判別工作，接收來自第一級(jí)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)資料，并判斷其正確性和完整性，然后將本季中的數(shù)據(jù)寫入到通信緩沖區(qū)域，利用C語言來完成解析過程。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是關(guān)系電子密碼鎖安全性的重要部分，為提高其安全性能，必須在軟件設(shè)計(jì)中引入安全理念，也就是說，在軟件設(shè)計(jì)中，引入一系列的約束條件、安全指導(dǎo)原則，為電子密碼鎖的安全設(shè)計(jì)提供安全機(jī)制和安全服務(wù)。其中，安全服務(wù)包括、鑒別、訪問控制、信息保密性、信息完整性;安全機(jī)制包括鑒別交互及占比、訪問控制機(jī)制、機(jī)密、信息完整性。這一安全機(jī)制和安全服務(wù)是通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。

電子密碼鎖的軟件設(shè)計(jì)可分成兩個(gè)部分：（1）控制程序，如：主程序、延時(shí)子程序、時(shí)間子程序、修改密碼子程序、鍵盤掃描子程序、報(bào)警子程序等，如圖2所示為主程序的設(shè)計(jì)流程。（2）網(wǎng)絡(luò)管理程序，包括串行通信程序、信息查詢程序等。運(yùn)用二級(jí)權(quán)限加密技術(shù)，判別輸入的密碼是否正確，正確則開鎖，當(dāng)錯(cuò)誤超過3次時(shí)則自動(dòng)封鎖輸入口并啟動(dòng)報(bào)警器，存儲(chǔ)報(bào)警信息。若要修改密碼，則需要在密碼輸入正確后輸入高級(jí)權(quán)限密碼，當(dāng)系統(tǒng)確認(rèn)后方可修改密碼。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程

4.結(jié)束語

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電子密碼鎖在人們的生活中已非常常見，本文提出一種基于單片機(jī)和串行通信的電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案，該密碼鎖具有成本低、操作簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，安全性高，值得大力推廣。

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