基于AT89S51的多功能電子密碼鎖設(shè)計(jì)

張 云，周明輝， 周海林，李愛(ài)華， 孟 瑋

（1.軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003；2.河北省石油化工建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 河北 石家莊 050003）

當(dāng)前雖然許多智能鎖（如指紋辨別、IC卡識(shí)別）已相繼問(wèn)世，但這類產(chǎn)品是針對(duì)特定指紋或有效卡，只能適用于保密要求高且僅供個(gè)別人使用的箱、柜、房間等。另外，卡片式的IC卡易丟失和損壞，加上其成本較高，在一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。

電子密碼鎖具有安全性能高、成本低、功耗低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)使其作為防盜衛(wèi)士的角色越來(lái)越重要。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電子密碼鎖有的是通過(guò)購(gòu)買(mǎi)一些產(chǎn)品模塊再開(kāi)發(fā)，不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；有的是自主研發(fā)的，但其功耗與成本都比較高，不具備廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。為了克服這些缺點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用角度出發(fā)，采用單片機(jī)AT89S51與低功耗CMOS型E2PROM AT24C02作為主控器件與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元，設(shè)計(jì)一款可更改密碼，具有報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理功能的電子密碼鎖。該電子密碼鎖體積小，易于開(kāi)發(fā)、成本較低，安全性高，能將其存儲(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)及時(shí)上報(bào)給上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便管理人員及時(shí)分析和處理數(shù)據(jù)。

1 電子密碼鎖的硬件設(shè)計(jì)

電子密碼鎖的硬件由核心處理模塊、電源管理模塊，執(zhí)行模塊和通信模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子密碼鎖結(jié)構(gòu)圖

1.1 核心處理模塊

核心處理模塊是電子密碼鎖工作的核心，它不僅要對(duì)密碼鎖的信息進(jìn)行處理，還要負(fù)責(zé)調(diào)度各種程序穩(wěn)定的運(yùn)行并控制其他模塊，其模塊主要由單片機(jī)，鍵盤(pán)，存儲(chǔ)器，顯示電路組成。其中，單片機(jī)是核心處理模塊的核心部分，其主要任務(wù)是配合軟件來(lái)完成信息處理和記錄、控制調(diào)度其他部分正常工作、電器的控制、密碼校對(duì)和修改等工作。從電子密碼鎖功能的需要、性價(jià)比、程序的數(shù)據(jù)量和接口電路等多方面綜合考慮，本文選用ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)作為控制器的核心。鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)采用4×4行列鍵盤(pán)的形式，直接由AT89S51的P1口的高、低字節(jié)構(gòu)成。

電路中選用AT24C02作為密碼和開(kāi)鎖信息的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器是一款具有I2C總線接口的串行EEPROM，由于AT89S51單片機(jī)沒(méi)有I2C總線接口，在電路上選用單片機(jī)的P2.2、P2.3分別與AT24C02的SCL和SDA線相連，軟件上實(shí)現(xiàn)模擬I2C總線接口。在該存儲(chǔ)器中還保存著用戶修改后的一級(jí)、二級(jí)權(quán)限密碼和最近20次開(kāi)鎖的具體時(shí)間，以及非法偷、套密碼的提示信息，用戶通過(guò)按鍵可方便的實(shí)現(xiàn)查閱。存儲(chǔ)器與單片機(jī)的連接如圖2所示。鑒于該系統(tǒng)在功能上要求實(shí)現(xiàn)密碼輸入提示、開(kāi)鎖信息的查閱、時(shí)間顯示等信息，并從低成本出發(fā)，故選用SMC1602A液晶顯示模塊作為顯示電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 密碼存儲(chǔ)器電路

圖3 SMC1602與單片機(jī)連接

1.2 電源管理模塊

該設(shè)計(jì)需要使用+5 V直流電源為整個(gè)電路供電。電路中采用一個(gè)穩(wěn)壓器將輸入的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成+5 V的電壓。另外，如果僅僅依靠外接直流電源供電會(huì)出現(xiàn)因停電而無(wú)法開(kāi)鎖的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)電源管理模塊時(shí)加入了自動(dòng)切換電路的方案，使電池組供電和外接直流電源供電這兩種方式能夠根據(jù)實(shí)際需要迅速自動(dòng)切換，從而保證電子密碼鎖可以長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作。電源自動(dòng)切換電路選用LTC4414器件。通過(guò)LTC4414對(duì)2個(gè)P溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管控制，實(shí)現(xiàn)2個(gè)電源高效“或”操作的自動(dòng)切換電路。

1.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行電路通過(guò)單片機(jī)其中1個(gè)引腳線發(fā)出信號(hào)，經(jīng)三極管放大后，由繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作將鎖打開(kāi)的方案，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。另外，報(bào)警電路采用時(shí)基集成電路555及其輔助元件構(gòu)成，在聯(lián)網(wǎng)的情況下，報(bào)警信號(hào)可通過(guò)串口擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)發(fā)給主控制器，提醒管理人員注意。

圖4 密碼鎖執(zhí)行電路

1.4 通信模塊

在通信電路設(shè)計(jì)中，采用MAX489進(jìn)行全雙工通信，MAX489的引腳R0為接收器輸出，接TTL電平RXD信號(hào)；引腳DI為發(fā)送器輸入，接TTL電平TXD信號(hào)；引腳-VT、引腳+VT為發(fā)送器輸出，接發(fā)送傳輸線；引腳-VT，引腳+VT為接收器輸入，接收傳輸線；引腳DE為發(fā)送使能端，接+5 V；引腳RE是接收使能端，接地，通信電路如圖5所示。

圖5 通信電路

2 電子密碼鎖的軟件設(shè)計(jì)

電子密碼鎖的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)電子密碼鎖可靠安全運(yùn)行的關(guān)鍵，為了提高電子密碼鎖的安全性能，該設(shè)計(jì)引入安全體系概念，即在設(shè)計(jì)時(shí)建立一般的指導(dǎo)原則和約束條件，為電子密碼鎖提供了安全服務(wù)和安全機(jī)制，使其軟件程序構(gòu)成一個(gè)完整的安全體系結(jié)構(gòu)[4-6]。安全體系主要是由4種安全服務(wù)和4種安全機(jī)制構(gòu)成，其中安全服務(wù)包括：鑒別、訪問(wèn)控制、信息機(jī)密性、信息完整性；安全機(jī)制包括：鑒別交互機(jī)制、訪問(wèn)控制機(jī)制、加密、信息完整性。安全體系主要是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。密碼鎖軟件總體分為兩部分：1）控制程序，其中包括主程序、延時(shí)子程序、時(shí)間設(shè)置子程序、修改密碼子程序、掃描鍵盤(pán)輸入子程序、報(bào)警子程序；2）網(wǎng)絡(luò)管理程序，其中包括開(kāi)鎖信息查詢子程序、串行通信程序。軟件設(shè)計(jì)中，引入了二層權(quán)限加密的技術(shù)，對(duì)輸入的8位十進(jìn)制基礎(chǔ)密碼進(jìn)行判別，如果輸入密碼正確，則可以直接開(kāi)鎖。如果不正確，并且3次以上輸入不正確，則封鎖輸入口并報(bào)警利用互聯(lián)網(wǎng)通知管理人員，存儲(chǔ)報(bào)警信息。如果要修改密碼，則需要在輸入基礎(chǔ)密碼判別正確后，輸入高級(jí)權(quán)限密碼，通過(guò)系統(tǒng)確認(rèn)后方可修改密碼。電子密碼鎖利用AT89S51單片機(jī)軟、硬件資源，從而使系統(tǒng)具有很高的可靠性和安全性。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序流程如圖6所示，圖7和圖8給出人機(jī)交互界面和電子密碼鎖實(shí)物。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序流程

圖7 人機(jī)交互界面

圖8 電子密碼鎖實(shí)物

3 結(jié)束語(yǔ)

該電子密碼鎖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警和開(kāi)關(guān)鎖等功能，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)電子密碼鎖需要結(jié)合實(shí)際綜合考慮很多因素，因此該電子密碼鎖設(shè)計(jì)需要在實(shí)際中進(jìn)一步完善和改進(jìn)。另外，在系統(tǒng)應(yīng)用程序方面，該設(shè)計(jì)只實(shí)現(xiàn)了修改密碼、開(kāi)關(guān)鎖、自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，要想在現(xiàn)實(shí)生活中推廣，還必須針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需要，進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能的程序。

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