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，是一種由人們在密碼輸入界面（鍵盤或觸摸屏等）上輸入密碼去控制某個核心元器件（如芯片）或者某個電路進行工作，進而讓相應(yīng)的機械開關(guān)進行閉合或者斷開，達到閉鎖和開鎖目的的電子產(chǎn)品。目前市場上擁有種類繁多的電子密碼鎖，有性能價格比相對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)計的。主流的電子密碼鎖一般都會利用編寫程序的方式來完成、實現(xiàn)設(shè)計要求。電子密碼鎖無論是在性能方面，還是在安全性方面，遠遠大于傳統(tǒng)機械鎖。電子密碼鎖的特點主要有：

（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門的煩惱。

（2）操作方面。電子密碼鎖比機械鎖操作要方便，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個數(shù)字便可以得到很多的編碼量，這是機械鎖遠遠趕不上的，這樣外人想試探打開鎖具基本上是不可能的。另外，密碼用戶可以隨時更改，這樣可以保證密碼鎖的密級。不像機械鎖那樣，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。電子密碼鎖相對機械鎖而言壽命更長，因為電子密碼鎖本身沒有活動的零部件，這樣磨損方面會比機械鎖少得多。

（5）輸入保護性。電子密碼鎖自身有著報警和鎖定鍵盤的功能，如果輸入密碼時存在錯誤，則會通過電路反饋提示輸入的密碼有誤；如果在輸入密碼這個階段，輸入的密碼發(fā)生差錯的次數(shù)超過了設(shè)定的預(yù)置值，這時電子密碼鎖系統(tǒng)便啟動報警單元電路進入報警狀態(tài)，而且會鎖定鍵盤，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)計控制要求

本文研究完成的電子密碼鎖，需要達到、實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）電子密碼鎖正常而且沒有用戶操作的時候，通過一個七段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（確認按鍵）按鍵之后，鎖具的電磁閥YV就會發(fā)生對應(yīng)的動作，使得密碼鎖打開，完成開鎖功能，然后在設(shè)定的時間到達時進行復(fù)位。在輸入密碼過程中，如果存在輸入錯誤，可以按下SB6（取銷鍵）進行撤銷輸入，然后再重新輸入密碼進行開鎖操作。

（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（確認按鍵）之后，則會進行聲光報警（蜂鳴器HA響、報警燈HL亮），同時七段LED數(shù)碼管顯示字符“F”并且閃爍，在設(shè)定的時間到達時進行復(fù)位。

3 控制方案的對比與選擇

3.1 基于單片機的控制方案

常用的單片機有51系列單片機、STM32單片機、PIC單片機、AVR單片機、MSP430單片機等，種類非常繁多，且不同種類的單片機使用的環(huán)境也不相同。為了能夠使單片機獲得最高的性價比，我們在選擇單片機的時候需要多進行比較，再進行合理地選擇。比如，我們需要考慮單片機的輸入/輸出端口、運行速率與性能、電源的供電電壓、定時器、存儲器、計數(shù)器、具不具有上電復(fù)位的功能、抗不抗干擾等因素?；趩纹瑱C控制的電子密碼鎖可以選擇51系列單片機來作為核心控制元器件。

單片機擁有豐富的輸入/輸出端口，軟件設(shè)計時編寫程序靈活，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。單片機控制方式具有控制準(zhǔn)確、造價低、密碼保密性高、控制靈活多樣等優(yōu)點，而且在擴展能力方面也高。只是單片機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，在需要修改的時候存在不方便的地方，還不能夠滿足要求相對較高的環(huán)境場所。

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警、鎖定鍵盤等功能，設(shè)計方案優(yōu)點是設(shè)計簡單、電路簡單，但存在的缺點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)用于民用場所，而不再局限用于工業(yè)領(lǐng)域的自動化環(huán)境和場所，而且PLC的優(yōu)勢隨著時間的推移越來越明顯。因為PLC的穩(wěn)定性很高、工作很可靠，而且PLC的指令系統(tǒng)非常的強大。因此，如果電子密碼鎖使用PLC來進行控制，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，在需要修改時也能非常方便地修改。PLC的價格會越來越低，所以其在民用市場的競爭力將會越來越大；而且用戶對電子密碼鎖的要求只會越來越高，這樣就會使得PLC的優(yōu)越性能越來越有價值，將會越來越多地進入這個領(lǐng)域、這個市場。

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

根據(jù)設(shè)計控制的要求（見前面），本文設(shè)計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

本文設(shè)計的四位電子密碼鎖編寫的程序主要由輸入密碼時的鍵盤輸入子程序、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)計功能要求，而用PLC實現(xiàn)密碼鎖完整功能的研究。如果需要更改設(shè)計的控制要求，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)域的自動控制中，因為PLC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，所以是一種非?？煽康暮诵目刂破骷?。隨著PLC的功能日益增強，成本越來越低，技術(shù)的不斷創(chuàng)新、成長，PLC將會在除了工業(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、更強的作用。

圖2：PLC外部接線圖

圖3：程序流程圖