李長灝 楊帆 馬如龍 劉航 李偉 周慧

摘要：電子智能密碼鎖，是代指一類可以經(jīng)過操控電子電路或控制器的內(nèi)部操控芯片，從而達(dá)到操控電子密碼鎖的機(jī)械鎖芯開關(guān)或閉合的電子設(shè)備。其類型上既有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的集成電路產(chǎn)品，又有大量應(yīng)用集成電路晶片的高價(jià)格比的電子設(shè)備，但現(xiàn)在，在市場(chǎng)上使用比較普遍的就是以芯片為內(nèi)核的電子密碼鎖，應(yīng)用了C語言程序設(shè)計(jì)，將程序燒錄進(jìn)芯片中，再聯(lián)系各個(gè)模組完成開鎖的智能電子密碼鎖。

本次研究中以STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，結(jié)合矩形鍵盤電路、指紋模組、藍(lán)牙模組、LED數(shù)碼管顯示電路等，利用單片機(jī)其靈活編程能力以及豐富的I/O端口，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。本次項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)方法合理、成本極低、簡單易行、安全實(shí)用等特點(diǎn)，具有可持續(xù)發(fā)展的空間。

關(guān)鍵詞：電子密碼鎖;STC89C52單片機(jī);指紋識(shí)別;藍(lán)牙開鎖

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）12-0081-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

安全是現(xiàn)代社會(huì)更加關(guān)注的現(xiàn)象之一。盜竊事件常有發(fā)生，因此更需要一種工具來維護(hù)門戶安全。在此之前，掛鎖、子彈鎖和插入式鎖被廣泛使用。這些鎖結(jié)構(gòu)簡單、安全性低。撬鎖入室和入室盜竊的案件越來越多。因此，我們的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款電子智能密碼鎖。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要考慮了保證人們安全使用、使用方便、使用方便等綜合因素。電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括防探鍵盤輸入、智能控制解鎖、鎖定、報(bào)警、密碼重置等功能。其次，由于采用多位密鑰設(shè)置，具有保密性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1材料及研究過程

1.1材料、功能與研究對(duì)象

主要材料：單片機(jī)STC89C52、矩形鍵盤輸入、LCD液晶顯示屏、指紋模塊、藍(lán)牙模塊、繼電器、發(fā)光二極管、三極管。

主要功能：使用C語言來進(jìn)行主控芯片的編程，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，智能監(jiān)控上鎖、開鎖、報(bào)警、更改密碼功能等多項(xiàng)功能研究對(duì)象，把日常的普通密碼鎖系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

電子智能密碼鎖由STC89C52芯片作為核心芯片[2]，整個(gè)系統(tǒng)主要由矩陣鍵盤、藍(lán)牙模組、指紋模組、蜂鳴器等組成。通過C語言程序控制可以做到各個(gè)模組之間的相互配合，用戶可以自行選擇開鎖方式，系統(tǒng)通過發(fā)光二極管亮滅，模擬開鎖功能，原理圖如圖1所示。

1.3實(shí)驗(yàn)實(shí)例列舉

當(dāng)系統(tǒng)通電后，顯示屏顯示“歡迎使用”，按下“c”鍵后開始輸入六位密碼，初始密碼“123456”輸入完成之后按下“d”按鍵即可開鎖。若密碼錯(cuò)誤，顯示“Error”則說明密碼輸入錯(cuò)誤，按下“*”鍵重新輸入，累計(jì)若達(dá)到3次輸入錯(cuò)誤，則將會(huì)產(chǎn)生時(shí)間為2分鐘的報(bào)警。

如果輸送進(jìn)去的數(shù)字是正確的則密碼正確將會(huì)顯示“門鎖已開”如此就說明我們所輸送進(jìn)去的數(shù)字的密碼輸入正確，此時(shí)將開鎖。回到初始界面，也可以在指紋模塊按下指紋，如果當(dāng)前指紋與存儲(chǔ)器中的指紋匹配，即可顯示“門鎖已開”，若連續(xù)3次指紋對(duì)比失敗，依舊會(huì)產(chǎn)生2分鐘的報(bào)警。

如果需要修改密碼需按下“a”按鍵，進(jìn)入修改密碼界面，同上如果累計(jì)3次錯(cuò)誤，同樣產(chǎn)生2分鐘報(bào)警。如果輸送正確密碼則可以修改舊的密碼，再一次輸送兩次相同的密碼之后就會(huì)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器之中，再次按下“*”鍵即可立即關(guān)閉，并回到待機(jī)界面。

2程序設(shè)計(jì)

我們團(tuán)隊(duì)采用C語言進(jìn)行編寫該鎖的控制程序，利用keil uvision4將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)中系統(tǒng)流程如下圖2所示。

輸入電子密碼鎖密碼或指紋，單片機(jī)判斷密碼是否正確，如無誤，發(fā)光二極管亮，此時(shí)可以選擇修改密碼或指紋，若錯(cuò)誤，則重新輸入密碼，若輸錯(cuò)三次，此時(shí)蜂鳴器響，電子密碼鎖鎖定，此時(shí)需要等待5分鐘系統(tǒng)解鎖，然后再一次使用密鑰、指紋進(jìn)行開鎖[3]，流程圖如圖2所示。

3電路分析

3.1外部晶振設(shè)計(jì)

系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率上。

3.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來說，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把單片機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ)設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。

4單元模塊設(shè)計(jì)

4.1矩陣鍵盤設(shè)計(jì)

按鍵接口設(shè)計(jì)有兩種方法，獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式按鍵各鍵相互獨(dú)立，但是該設(shè)計(jì)方案I/O資源浪費(fèi)大。在本設(shè)計(jì)中，按鍵較多，考慮到系統(tǒng)可靠性和鍵盤設(shè)計(jì)簡單，故而采用矩陣按鍵。4x4矩陣鍵盤的電路圖如圖5所示。

行列式鍵盤的硬件結(jié)構(gòu)部分相較于其他鍵盤比較簡單，是依靠著行列輸出口而所構(gòu)成的行列式鍵盤，其按鍵設(shè)置在行與列的相交之處上。圖3-2中，1.0～1.3是行輸出口，1.4～1.7是列輸出口。行輸出和列輸出之間不重合的點(diǎn)，只有在鍵被按下時(shí)相應(yīng)的行和列才能相連[4]。這樣，只要檢測(cè)行和列之間有沒有連接就能夠得知是不是有鍵按下。

4.2指紋模塊設(shè)計(jì)

我們應(yīng)用ZFM60指紋模組作為我們的另一個(gè)打開方式。它是一款基礎(chǔ)的指紋鑒別模組，這款芯片所具有的優(yōu)點(diǎn)：成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、在一些極端氣候環(huán)境下也可以正常工作，具體工作流程：掃描指紋、生成特征、合成模板[5]。如圖6所示。

4.3 LCD顯示模板設(shè)計(jì)

在嵌入式單片機(jī)應(yīng)用中，常常使用的顯示儀器有單的發(fā)光二極管、八段LED顯示器、液晶顯示器（LCD）、屏幕顯示器（CRT）等。在此次產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)所要達(dá)到的功能和節(jié)省生產(chǎn)成本等實(shí)際情況，我們采用LCD12864作為此次產(chǎn)品的屏幕。

LCD12864是數(shù)字點(diǎn)陣式液晶屏幕，它里面含有128x64點(diǎn)的液晶顯示面板、CMOS驅(qū)動(dòng)。由于該模塊有整體的圖形點(diǎn)陣顯示，所以在用它來顯示圖像和文字時(shí)，因此它必須具有如下特征：

①CMOS集成度高的電路LCD驅(qū)動(dòng);

②大容量圖形類型，它可以顯示數(shù)字、字母、奇特符號(hào)、曲線、圖表和模型等;

③陽性驅(qū)動(dòng);

④高對(duì)比度、寬顯示范圍;

⑤1/64 分辨率。

圖7LED電路圖。

4.4 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

為使此密碼系統(tǒng)的操作方式不局限于指紋和鍵盤輸入，采用該藍(lán)牙模組用來完成手機(jī)應(yīng)用于帶電子智能密碼鎖之間的互聯(lián)。該藍(lán)牙模組有著明顯的優(yōu)點(diǎn)體積較為小，防塵美觀，能量損失較少，而且配有一個(gè)LED燈用來提醒用戶藍(lán)牙是否連接，當(dāng)藍(lán)牙未連接時(shí)，LED燈將急速閃爍，如果連接成功，LED燈將間隔一秒左右閃爍一次。該模組有效連接距離大概為10米左右，廣泛用于數(shù)據(jù)采集，智能小車等方面，完全滿足此系統(tǒng)需求[6]。藍(lán)牙模組引腳圖如圖8所示。

4.5開鎖設(shè)計(jì)

在本次的項(xiàng)目研究中是以發(fā)光二極管來代替電磁鎖，而當(dāng)二極管被點(diǎn)亮?xí)r意味著鎖是開啟狀態(tài)，所以我們可以做一個(gè)簡易的且可以點(diǎn)亮的二極管電路系統(tǒng)代替電磁鎖開鎖設(shè)備。發(fā)光二極管的電路圖如圖9所示。

5研究結(jié)果分析

隨著我們生活的家園日益增幅所導(dǎo)致以機(jī)械代替人工以及微型化技術(shù)的快速發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)也慢慢成為工業(yè)電子產(chǎn)品研究與發(fā)展過程中第一選擇的控制器，但是在單片微控制器被發(fā)明出來之前，人們使用簡單復(fù)雜的模擬集成外電路智能密碼鎖就可以做到，但是由于這樣的工業(yè)電子產(chǎn)品體積龐大且成本高昂，而且隨著長期應(yīng)用電子元器件老化現(xiàn)象加重，其控制器的準(zhǔn)確度當(dāng)然也就會(huì)逐漸降低。而在單片微型計(jì)算機(jī)誕生之后，人們只需在單片微型計(jì)算機(jī)外圍接上簡易的外設(shè)電路，而核心部分也只能由人為地寫入編程來實(shí)現(xiàn)。此電子產(chǎn)品的體積相較于其他產(chǎn)品較為小，所以此成本也就降低了許多，而且即使長時(shí)間應(yīng)用也不擔(dān)心準(zhǔn)確度達(dá)不到，而且由于其編程簡單易于更新完善。而且由于設(shè)備編號(hào)數(shù)量較多，保密性好，也因此增加了密碼鎖的安全系數(shù)，因而使得多功能智能密碼鎖能夠廣泛被應(yīng)用。

6總結(jié)

此次項(xiàng)目的電子智能密碼鎖使用了STC89C52為主的控制器件，加之附加電路及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，并采用了軟硬件組合的方法來完成設(shè)計(jì)，此電子密碼鎖共6位密鑰，每一個(gè)包括了0-9共十個(gè)數(shù)字，通過計(jì)算，三次機(jī)會(huì)中可以打開電子密碼鎖的概率是一千億分之三， 安全性極高，總之，電子密碼鎖的將來還有很大的進(jìn)步以及成長空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建波.基于STC89C52單片機(jī)的電子密碼鎖[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（23）：154-156.

[2] 梅麗鳳，郭棟，汪毓鐸.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[3] 朱彥龍，房新荷.基于51單片機(jī)的指紋電子密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析[J].電子元器件與信息技術(shù)，2018，2（10）：75-77.

[4] 劉柳.一種特色矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)方法：CN102637075A[P].2012-08-15.

[5] 沈睿.基于DSP的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.

[6] 吳娟.HC-05藍(lán)牙串口透傳模塊及其應(yīng)用實(shí)例[J].中國寬帶，2021（3）：80.

【通聯(lián)編輯：梁書】