楊清志　徐宏

【摘? ?要】? ?設(shè)計(jì)一種基于STC89C52RC單片機(jī)的廉價(jià)智能電子鎖。采用單片機(jī)作為控制核心，可通過編程選擇實(shí)現(xiàn)修改開鎖模式和異常開鎖報(bào)警等功能，相比于市場(chǎng)上同類產(chǎn)品，使用更靈活、安全性更高、成本更低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】? ?指紋識(shí)別;矩陣鍵盤;STC89C52RC;報(bào)警

Design of An Intelligent Electronic Lock Based on STC89C52RC

Yang Qingzhi， Xu Hong

（Bozhou Vocational and Technical College， Bozhou 236800， China）

【Abstract】? ? This paper designs a cheap intelligent electronic lock based on STC89C52RC. Compared with the similar products in the market， this design adopts the one-chip computer as the control core. It has some practical functions， such as selecting and modifying the unlocking mode through programming and abnormal unlocking alarm. It has characteristics like flexibility of usage， high standard safety and low cost， thus holding high practical value.

【Key words】? ? ?fingerprint identification; matrix keyboard; STC89C52RC; alarm

0? ? ? 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械鎖或智能IC卡鎖需要配備鑰匙，使用不便，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室、辦公室、機(jī)房等相對(duì)重要而門鎖又較多的場(chǎng)所，管理人員往往需要配備大盤鑰匙。工作人員時(shí)常會(huì)因?yàn)檫z忘鑰匙或IC卡損壞等原因而無法開門，同時(shí)還存在因丟失鑰匙而造成的安全隱患。為了克服這一缺點(diǎn)，目前市場(chǎng)上已推出了無需利用鑰匙開鎖的指紋鎖和電子密碼鎖，因其使用方便、安全高效而成為一種趨勢(shì)。但目前市場(chǎng)上的指紋鎖或電子密碼鎖價(jià)格普遍較高，且開鎖模式單一、使用不夠靈活[1-2]。針對(duì)這種情況，本文用FPM10A模塊進(jìn)行指紋采集，用矩陣鍵盤進(jìn)行密碼輸入，用STC89C52RC單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)了一種廉價(jià)的智能電子鎖。設(shè)計(jì)的電子鎖成本較低、安全性能高，能實(shí)現(xiàn)異常開鎖報(bào)警，同時(shí)預(yù)留了其他功能開發(fā)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1? ? ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由指紋模塊、密碼鍵盤、功能切換按鍵、存儲(chǔ)模塊、主控單片機(jī)、聲光報(bào)警器、液晶顯示器以及電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本工作原理是：存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)程序設(shè)置參數(shù)，包括開鎖模式、指紋信息和密碼信息。主控單片機(jī)將輸入部分的輸入信息，根據(jù)程序設(shè)置與存儲(chǔ)信息進(jìn)行對(duì)比、確認(rèn)，然后將處理結(jié)果送給輸出部分進(jìn)行相應(yīng)操作。其中，輸入部分包括指紋信息獲取模塊、密碼輸入鍵盤和功能選擇切換按鍵。為了開鎖方便，系統(tǒng)默認(rèn)首選指紋開鎖，然后是密碼開鎖。若要進(jìn)行其他操作，可按下功能切換鍵進(jìn)入管理模式，此時(shí)需要輸入超級(jí)密碼，驗(yàn)證通過后可進(jìn)行指紋錄入與刪除、開鎖密碼修改、臨時(shí)開鎖密碼設(shè)置以及開鎖模式修改等，比如為了增強(qiáng)安全性，可以將默認(rèn)的“指紋或密碼”的開鎖方式修改為“指紋+密碼”的開鎖方式。控制部分采用STC89C52RC單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)程序設(shè)置輸入指令執(zhí)行相應(yīng)操作。輸出部分包括報(bào)警器、顯示器和繼電器控制，報(bào)警器進(jìn)行開鎖異常情況報(bào)警，比如連續(xù)三次輸入指紋或密碼錯(cuò)誤;顯示器顯示輸入信息;繼電器用于控制電磁鎖開鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。由于各個(gè)模塊的工作電壓不完全相同，由電源管理模塊完成各模塊的供電管理。

2? ? ?硬件選擇與設(shè)計(jì)

2.1? ?指紋識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)中指紋識(shí)別模塊選用技術(shù)比較成熟的FPM10A型光學(xué)指紋識(shí)別模塊[3]，該模塊圖像錄入快，存儲(chǔ)容量大（最大可達(dá)880枚指紋信息），錯(cuò)誤接受率 （False Acceptance Rate，F(xiàn)AR）<0.001%，錯(cuò)誤拒絕率 False Rejection Rate，F(xiàn)RR）<1.0%，工作電壓3.6 ～ 6V，設(shè)計(jì)中采用5.0V電壓供電，其電路如圖2所示。

2.2? ?密碼鍵盤

本設(shè)計(jì)的密碼鍵盤采用4×4矩陣鍵盤[4]，各鍵代表的符號(hào)意義如圖3所示，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。密碼鍵盤工作原理是：第一步，判斷是否有按鍵。若有按鍵會(huì)使該鍵所在的行線和列線電平發(fā)生變化;第二步，判斷按鍵所在位置。根據(jù)行線和列線電平變化，尋找該鍵所在位置;第三步，建碼計(jì)算。根據(jù)各鍵所代表的符號(hào)及意義，執(zhí)行相應(yīng)操作，若按鍵為特殊功能鍵（“確定”、“取消”、“退出”、“重置”）會(huì)進(jìn)行即時(shí)操作，其中“重置”為管理員模式，需要輸入超級(jí)密碼，然后進(jìn)入管理模式。若按鍵為普通符號(hào)鍵（“0～9”及“*”和“#”）則按順序排列記憶存儲(chǔ)，直至按下“確認(rèn)”鍵結(jié)束，然后與存儲(chǔ)的密碼進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)，執(zhí)行后續(xù)開鎖、報(bào)警等操作。為了安全起見，若按鍵后超過10秒無操作，系統(tǒng)自動(dòng)退出。

2.3? ?電磁鎖控制模塊

本設(shè)計(jì)采用繼電器控制電磁鎖鎖舌的動(dòng)作，電路設(shè)計(jì)如圖5所示[5]。為了安全起見，保證電磁鎖的可靠動(dòng)作，設(shè)計(jì)采用電源適配器提供12V直流電壓對(duì)電磁鎖供電，繼電器則采用5V直流電壓供電。當(dāng)接收到開鎖指令后，單片機(jī)會(huì)通過P2.2口輸出一個(gè)低電平信號(hào)使光耦得電導(dǎo)通，從而接通繼電器工作，執(zhí)行開鎖操作。未接到開鎖指令時(shí)，P2.2口為高電平，光耦不工作，電磁鎖處于閉鎖狀態(tài)。

2.4? ?存儲(chǔ)模塊

本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)模塊采用AT24C02[6]。AT24C02采用低功耗CMOS工藝，具有100萬次擦寫周期，數(shù)據(jù)保存達(dá)100年，不會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失數(shù)據(jù)，完全滿足設(shè)計(jì)需要，且價(jià)格相對(duì)較低。AT24C02模塊的SDA（管腳5）和SCL（管腳6）分別于單片機(jī)的P3.5和P3.4口連接，連接電路如圖6所示。

2.5? ?單片機(jī)及其外圍電路

本設(shè)計(jì)沒有太復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算，但要求可靠性高。綜合比較各種微控器，選用宏晶公司的8位增強(qiáng)型單片機(jī)STC89C52RC[7-8]。該單片機(jī)技術(shù)成熟、成本低，自帶ADC，簡(jiǎn)化外圍器件設(shè)計(jì)。信息存儲(chǔ)采用AT24C02模塊，液晶顯示器采用LCD1602顯示器，報(bào)警器采用聲光報(bào)警，當(dāng)輸入指紋或密碼連續(xù)三次錯(cuò)誤時(shí)，輸入模塊強(qiáng)制退出，同時(shí)單片機(jī)會(huì)通過P2.1端口輸出一個(gè)低電平信號(hào)使三極管Q2導(dǎo)通，接通聲光報(bào)警器進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.6? ?電源模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電磁鎖采用12V電壓供電，可直接采用電源適配器供電，單片機(jī)和繼電器、顯示器等外圍器件采用5V電壓供電，設(shè)計(jì)采用LM2596-5模塊將電源適配器輸出電壓轉(zhuǎn)化成5.0V電壓[9]。

3? ? ?程序設(shè)計(jì)

3.1? ?默認(rèn)解鎖程序

考慮到指紋解鎖快捷、方便，系統(tǒng)首選指紋解鎖，如果指紋識(shí)別模塊無動(dòng)作則進(jìn)入到密碼解鎖。指紋解鎖中，如果指紋比對(duì)失敗會(huì)通過液晶顯示器進(jìn)行提示，超過三次則關(guān)閉指紋識(shí)別模塊。考慮到指紋模塊可能會(huì)因?yàn)槭种赋龊沟仍虮葘?duì)失敗，此時(shí)不報(bào)警，提示選擇輸入密碼解鎖。密碼解鎖中，設(shè)置了6位由“0”～“9”及“*”和“#”12個(gè)符號(hào)組成的普通解鎖密碼和臨時(shí)解鎖密碼，位數(shù)過低會(huì)降低安全性，位數(shù)過高又會(huì)影響工作效率與可靠性。若選擇“重置”鍵則進(jìn)入管理員模式，可進(jìn)行密碼修改、指紋錄入與刪除等操作，此時(shí)需要輸入9位超級(jí)密碼。無論是普通解鎖密碼、臨時(shí)解鎖密碼還是超級(jí)密碼，輸入錯(cuò)誤系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行提示，如果錯(cuò)誤輸入超過三次則自動(dòng)關(guān)閉解鎖系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警。聲光報(bào)警器延時(shí)10秒退出，解鎖系統(tǒng)關(guān)閉150秒后恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)，系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

3.2? ?重置與拓展功能

為了增加系統(tǒng)使用的靈活性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序可以進(jìn)行修改、重置。

（1）修改密碼。在不太重要的場(chǎng)合，可以采用4位密碼，快速高效。同樣，在重要的場(chǎng)合可以采用9位密碼及更多位數(shù)的超級(jí)密碼。臨時(shí)密碼默認(rèn)使用一次即失效，也可以改為按時(shí)間記憶，比如啟動(dòng)12小時(shí)后失效。

（2）開鎖模式。在非常重要的場(chǎng)合，為了提高安全防護(hù)級(jí)別，可以采用“密碼+指紋”的方式開鎖。此時(shí)安全級(jí)別高，不設(shè)置臨時(shí)密碼，開鎖時(shí)系統(tǒng)首先驗(yàn)證密碼，三次錯(cuò)誤即報(bào)警。然后再次驗(yàn)證指紋（管理員模式的超級(jí)密碼除外），三次比對(duì)錯(cuò)誤也報(bào)警。但“密碼+指紋”的驗(yàn)證方式要確保指紋錄入無誤，手指不能有汗?jié)n、油污及傷口等。

（3）功能拓展。由于采用單片機(jī)作為控制器，這種智能電子鎖可以通過無線通信的方式與其他設(shè)備建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遙控解鎖。比如手機(jī)終端解鎖、紅外遙控器解鎖等[10-11]。

4? ? ?系統(tǒng)測(cè)試

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可靠性，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件測(cè)試。針對(duì)預(yù)定的指紋解鎖、密碼解鎖以及錯(cuò)誤報(bào)警等功能進(jìn)行逐一測(cè)試，結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤動(dòng)和報(bào)警器誤報(bào)均為零，證明了系統(tǒng)工作的可靠性。

5? ? ?結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能電子鎖利用指紋或密碼即可開鎖，無需配備鑰匙或IC卡等開鎖裝置，使用方便，符合門禁系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì);采用單片機(jī)作為控制核心，可以通過程序設(shè)定選擇和修改開鎖模式，使用靈活，安全性高;設(shè)計(jì)的智能鎖利用單片機(jī)與外界的通信鏈接，很容易與智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈等深度融合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制與報(bào)警等功能拓展，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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