基于單片機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電源電子密碼鎖設(shè)計(jì)

摘 要:在野外環(huán)境中往往不能方便地提供電源，傳統(tǒng)由控制部分提供的電源，電子鎖已不適用。介紹一種由手持部分提供電源，通過(guò)電源線完成通信功能的電子密碼鎖設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)場(chǎng)不能提供電源的問(wèn)題。重點(diǎn)分析了發(fā)送電路、接收電路、倒向電路、電機(jī)保護(hù)電路以及系統(tǒng)的通信協(xié)議。該系統(tǒng)已在多個(gè)場(chǎng)所得到應(yīng)用，其使用方便、安全可靠，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞:電子密碼鎖; STC12C2052; 倒向電路; 通信協(xié)議

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0177-03

Design of Field Powerless Electronic Secure Code Lock Based on SCM

MA Xiu-jun1， SUN Shi-ming1， WU Juan2， XIE Xing-zhou3

(1. Department of Computer and Communication Engineering， China University of Petroleum， Dongying 257061， China;

2. Dongxin Oil Plant， Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257000， China;

3. Gudao Oil Plant， Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257321， China)

Abstract: Since power supply can not be provided in the wild environment， the traditional electronic locks that is powered by control terminal is not applicable. The design of an electronic secure code lock which uses a hand terminal to provide power for the system and solves the problem that in the wild environment the power supply could not be provided is described. The signal sending circuits， receiving circuit， inverter circuits， protection circuit of motor and the communication protocol are analyzed emphatically. The lock has been applied in many places， and is converient， safe and reliable.

Keywords: electronic secure code lock; STC12C2052; inverter circuit; communication protocol

0 引 言

目前，市場(chǎng)上有多種基于IC卡設(shè)計(jì)的電子鎖，廣泛應(yīng)用于賓館、公寓、倉(cāng)庫(kù)、學(xué)校等場(chǎng)所 [1-2]。這些場(chǎng)合能夠提供很好的直流或交流電源，電子鎖的控制部分可以長(zhǎng)時(shí)間方便地獲取穩(wěn)定的電源。但是，在野外環(huán)境中往往不能為控制部分方便地提供電源，需要手持部分為控制部分提供電源，執(zhí)行開鎖和閉鎖操作，因此傳統(tǒng)由控制部分提供電源的電子鎖不能滿足野外環(huán)境的需要，例如采油井、注水站、電信通訊井等，在這些地方，尤其是偏遠(yuǎn)的地方，往往對(duì)安全性要求較高，提供電源又較為困難。

本文介紹了一種電子鎖，電子鎖系統(tǒng)分為控制和手持兩部分。手持部分的電源采用鋰電池，控制部分的工作電源由手持部分提供，數(shù)據(jù)線和電源線共用一根線，有效解決了上述問(wèn)題，使用方便。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子鎖由控制部分和手持部分組成。控制部分由STC12C2052單片機(jī)、信號(hào)接收電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路構(gòu)成，主要完成電子鎖鑰匙密碼的接收、驗(yàn)證、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)保護(hù)功能;手持部分主要由STC12C2052單片機(jī)、可充電電源電路、信號(hào)發(fā)送電路、鎖開關(guān)按鍵電路構(gòu)成，主要完成電子鎖系統(tǒng)電源的提供，開鎖、閉鎖信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)的發(fā)送功能。為了使用方便，控制部分和手持部分的連接采用紐扣式接頭[3]，外部為地，內(nèi)部為電源線，通過(guò)單根電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。開鎖、閉鎖操作的執(zhí)行由3 V直流變速電機(jī)完成，直流變速電機(jī)可以降低轉(zhuǎn)速，增大力矩。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電子鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 STC12C2052單片機(jī)

控制部分和手持部分微處理器采用STC12C2052單片機(jī)。STC12C2052除了具有運(yùn)算器、控制器、RAM、FLASH、定時(shí)器、串行接口等功能部件外，還具有以下特點(diǎn):SOP-20封裝，體積小;3.5～5.5 V寬工作電壓，具有ESD保護(hù)，高抗靜電干擾，抗4 kV快速脈沖干擾;-40~+80 ℃工作溫度范圍，低功耗的空閑和掉電工作模式，2 KB芯片內(nèi)E2PROM，ISP系統(tǒng)在線可編程，硬件看門狗(WDT)等特點(diǎn)[4]，適用于野外環(huán)境。

1.2 信號(hào)發(fā)送電路

手持部分的信號(hào)發(fā)送電路將開鎖、閉鎖信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)通過(guò)電源線發(fā)送到控制部分。信號(hào)發(fā)送電路由三極管Q1、二極管D1、電阻R1和線圈L1構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)單片機(jī)的P3.1輸出高電平時(shí)，Q1截止，輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，電源正極通過(guò)D1、限流電阻R1和Q1接地。此時(shí)，會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的低脈沖，表明有信號(hào)發(fā)送，低脈沖信號(hào)的不同頻率代表發(fā)送的是“0”，還是“1”。

1.3 信號(hào)接收電路

控制部分信號(hào)接收電路通過(guò)電源線接收開鎖、閉鎖控制信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)。接收電路包括電容C1，三極管Q2和一個(gè)反向器。電源通過(guò)線圈L2給控制部分提供電源，如圖3所示。手持部分通過(guò)電源線發(fā)送信號(hào)，產(chǎn)生瞬時(shí)的低電平脈沖，低脈沖信號(hào)通過(guò)C1加載到Q2的基極，使得Q2處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，反向器輸出低電平信號(hào)。無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，Q2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，反向器輸出高電平信號(hào)。根據(jù)信號(hào)頻率可以判斷發(fā)送來(lái)的是“0”，還是“1”。

圖2 信號(hào)發(fā)送電路

圖3 信號(hào)接收電路

1.4 直流電機(jī)倒向驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)采用帶有變速器的3 V直流電機(jī)，通過(guò)電機(jī)的順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)完成開鎖、閉鎖操作。倒向驅(qū)動(dòng)電路由三極管Q4，Q6，Q8，Q10，Q5，Q7，Q9，Q11組成，單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3分別經(jīng)反相器后接Q4，Q6，Q8，Q10的基極。電路如圖4所示。

當(dāng)單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3為低電平時(shí)，Q4，Q6，Q8，Q10截止，V1和V2處于浮空狀態(tài)，電機(jī)靜止;當(dāng)開鎖時(shí)，單片機(jī)的P1.0，P1.3為高電平，P1.1，P1.2為低電平，Q4，Q5，Q10，Q11導(dǎo)通，Q6，Q7，Q8，Q9截止，V1為正，V2為負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)開鎖;當(dāng)閉鎖時(shí)，單片機(jī)的P1.0，P1.3為低電平，P1.1，P1.2為高電平，Q4，Q5，Q10，Q11截止，Q6，Q7，Q8，Q9導(dǎo)通，V1為負(fù)，V2為正，電機(jī)反轉(zhuǎn)閉鎖。

在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，必須注意嚴(yán)禁P1.0，P1.1，P1.2，P1.3同時(shí)為高電平，即Q4，Q6，Q8，Q10同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4 電機(jī)倒向電路

1.5 電機(jī)保護(hù)電路

直流變速電機(jī)執(zhí)行開鎖、閉鎖操作一定時(shí)間后，外部機(jī)械裝置會(huì)迫使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不采取措施，會(huì)產(chǎn)生較大電流，損壞直流電機(jī)，所以保護(hù)電路是必不可少的。

保護(hù)電路由TLV2252運(yùn)算放大器、電阻R4，R5，R6組成，電路如圖5所示。TLV2252的1IN+(引腳3)接R5，R6構(gòu)成分壓電路;1IN-(引腳2)接電阻R4，電阻R4串聯(lián)到電機(jī)倒向驅(qū)動(dòng)電路的公共輸出端。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，通過(guò)R4的電流較小，TLV2252的輸出(引腳1)經(jīng)兩個(gè)反向驅(qū)動(dòng)后送給單片機(jī)的P3.3，此時(shí)為“1”，進(jìn)行正常的開關(guān)操作。當(dāng)外部機(jī)械裝置迫使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于直流電機(jī)負(fù)載過(guò)大，通過(guò)R4的電流較大，這時(shí)放大器TLV2522輸出經(jīng)兩個(gè)反向驅(qū)動(dòng)后送給單片機(jī)的P3.3，此時(shí)為“0”，利用此信號(hào)產(chǎn)生中斷信號(hào)，停止開鎖、閉鎖操作，以此起到對(duì)電機(jī)的保護(hù)作用。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由控制部分主程序、數(shù)據(jù)接收程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、手持部分主程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序組成。控制部分與手持部分傳送開門、關(guān)門信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)，其中鑰匙密碼信號(hào)用11位二進(jìn)制數(shù)，具有較好的安全性。

圖5 電機(jī)保護(hù)電路

2.1 數(shù)據(jù)“0”，“1”傳送方法

采用異步FSK通訊方式[5]，使用信號(hào)的不同頻率來(lái)區(qū)分“0”和“1”，如圖6所示。

當(dāng)信號(hào)頻率為20 kHz時(shí)，代表傳輸為“0”;當(dāng)信號(hào)頻率為10 kHz時(shí)，代表傳輸為“1”。當(dāng)晶振為12 MHz時(shí)，機(jī)器周期大約為1 μs。在接收部分，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1用來(lái)記錄機(jī)器周期的個(gè)數(shù)。當(dāng)記錄的機(jī)器周期個(gè)數(shù)在30~70之間時(shí)，可以確定接收到的是“0”(0的標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)為50個(gè));當(dāng)記錄的機(jī)器周期個(gè)數(shù)在80~120之間時(shí)，確定接收到的是“1”(1的標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)為100個(gè))，其他情況按錯(cuò)誤處理。

圖6 數(shù)據(jù)“0”，“1”傳送方法

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在傳送的信息中，一部分是開鎖、閉鎖控制命令信號(hào)，另一部分是鑰匙密碼信息。控制部分接收到鑰匙密碼信息，經(jīng)驗(yàn)證與本機(jī)的密碼一致后可以執(zhí)行開鎖、閉鎖操作。采用異步通信方式，定義協(xié)議格式為起始位、鑰匙密碼信息位、開/關(guān)位、校驗(yàn)位。其中，起始位為1位;鑰匙密碼信息為11位;開/關(guān)位為1位;校驗(yàn)位為4位。當(dāng)起始位為“0”時(shí)，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，加上此后連續(xù)的16位為一幀數(shù)據(jù)。

鑰匙信息共有2 048種組合，開/關(guān)位為 “1”，代表開鎖操作;開/關(guān)位為“0”，代表閉鎖操作;校驗(yàn)位由11鑰匙信息位和1為開/關(guān)位共12位(由高到低4位為1組)經(jīng)2次異或操作得到。

2.3 程序設(shè)計(jì)

手持部分主程序完成系統(tǒng)初始化、讀取按鍵，形成數(shù)幀，啟動(dòng)發(fā)送等任務(wù)。使用定時(shí)中斷T1，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送過(guò)程。當(dāng)為數(shù)據(jù)“0”時(shí)，定時(shí)器初值為65 535-50=65 485=FFC0(H);當(dāng)為數(shù)據(jù)“1”時(shí)，定時(shí)器初值為65535-100=FF9B(H)，逐次發(fā)送各位，直到將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。手持部分主程序和T1中斷程序流程如圖7和圖8所示。

控制部分采用定時(shí)器T0和外部中斷0實(shí)現(xiàn)，初始化設(shè)置定時(shí)器為內(nèi)部計(jì)數(shù)方式，計(jì)數(shù)初值為0。當(dāng)手持部分信號(hào)到達(dá)控制部分時(shí)，單片機(jī)的外部中斷0產(chǎn)生中斷，在中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值t。當(dāng) 30≤t≤70時(shí)，接收到的位為“0”;當(dāng) 80≤t≤120時(shí)，接收到的位為“1”。將接收的各位組合起來(lái)恢復(fù)發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗(yàn)處理正確無(wú)誤后進(jìn)行開鎖或閉鎖操作。

3 結(jié) 語(yǔ)

電子鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線和電源線采用一線制連接，使

用方便;鑰匙密碼以加密的方式寫入存儲(chǔ)器中，具有

很高的安全性;不需要現(xiàn)場(chǎng)提供電源，解決了傳統(tǒng)電子鎖需要現(xiàn)場(chǎng)提供電源的問(wèn)題。電子鎖系統(tǒng)已在勝利油田孤島采油廠、東辛采油廠注水井的安全保護(hù)和東營(yíng)移動(dòng)通信公司通信線路地井的防盜裝置上得到了應(yīng)用，具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值。

圖7 手持部分主程序流程圖

圖8 T1發(fā)送中斷程序流程圖

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