基于AT89S51的多功能電子密碼鎖設計

張 云，周明輝， 周海林，李愛華， 孟 瑋

（1.軍械工程學院 河北 石家莊 050003；2.河北省石油化工建設工程質量監督站 河北 石家莊 050003）

當前雖然許多智能鎖（如指紋辨別、IC卡識別）已相繼問世，但這類產品是針對特定指紋或有效卡，只能適用于保密要求高且僅供個別人使用的箱、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、操作簡單等優點使其作為防盜衛士的角色越來越重要。現有國內市場上的電子密碼鎖有的是通過購買一些產品模塊再開發，不具備自主知識產權；有的是自主研發的，但其功耗與成本都比較高，不具備廣泛的應用價值[1-3]。為了克服這些缺點，從經濟實用角度出發，采用單片機AT89S51與低功耗CMOS型E2PROM AT24C02作為主控器件與數據存儲器單元，設計一款可更改密碼，具有報警、實時監控和遠程管理功能的電子密碼鎖。該電子密碼鎖體積小，易于開發、成本較低，安全性高，能將其存儲的現場歷史數據及時上報給上位機系統，實現網絡實時監控，方便管理人員及時分析和處理數據。

1 電子密碼鎖的硬件設計

電子密碼鎖的硬件由核心處理模塊、電源管理模塊，執行模塊和通信模塊組成，其電路結構如圖1所示。

圖1 電子密碼鎖結構圖

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，它不僅要對密碼鎖的信息進行處理，還要負責調度各種程序穩定的運行并控制其他模塊，其模塊主要由單片機，鍵盤，存儲器，顯示電路組成。其中，單片機是核心處理模塊的核心部分，其主要任務是配合軟件來完成信息處理和記錄、控制調度其他部分正常工作、電器的控制、密碼校對和修改等工作。從電子密碼鎖功能的需要、性價比、程序的數據量和接口電路等多方面綜合考慮，本文選用ATMEL公司的AT89S51單片機作為控制器的核心。鍵盤電路的設計采用4×4行列鍵盤的形式，直接由AT89S51的P1口的高、低字節構成。

電路中選用AT24C02作為密碼和開鎖信息的存儲器，該存儲器是一款具有I2C總線接口的串行EEPROM，由于AT89S51單片機沒有I2C總線接口，在電路上選用單片機的P2.2、P2.3分別與AT24C02的SCL和SDA線相連，軟件上實現模擬I2C總線接口。在該存儲器中還保存著用戶修改后的一級、二級權限密碼和最近20次開鎖的具體時間，以及非法偷、套密碼的提示信息，用戶通過按鍵可方便的實現查閱。存儲器與單片機的連接如圖2所示。鑒于該系統在功能上要求實現密碼輸入提示、開鎖信息的查閱、時間顯示等信息，并從低成本出發，故選用SMC1602A液晶顯示模塊作為顯示電路，其電路結構如圖3所示。

圖2 密碼存儲器電路

圖3 SMC1602與單片機連接

1.2 電源管理模塊

該設計需要使用+5 V直流電源為整個電路供電。電路中采用一個穩壓器將輸入的直流電源電壓轉換成+5 V的電壓。另外，如果僅僅依靠外接直流電源供電會出現因停電而無法開鎖的問題，為了解決這個問題，在設計電源管理模塊時加入了自動切換電路的方案，使電池組供電和外接直流電源供電這兩種方式能夠根據實際需要迅速自動切換，從而保證電子密碼鎖可以長時間不間斷工作。電源自動切換電路選用LTC4414器件。通過LTC4414對2個P溝道絕緣柵場效應管控制，實現2個電源高效“或”操作的自動切換電路。

1.3 執行模塊

執行電路通過單片機其中1個引腳線發出信號，經三極管放大后，由繼電器驅動電磁閥動作將鎖打開的方案，電路結構如圖4所示。另外，報警電路采用時基集成電路555及其輔助元件構成，在聯網的情況下，報警信號可通過串口擴展網絡發給主控制器，提醒管理人員注意。

圖4 密碼鎖執行電路

1.4 通信模塊

在通信電路設計中，采用MAX489進行全雙工通信，MAX489的引腳R0為接收器輸出，接TTL電平RXD信號；引腳DI為發送器輸入，接TTL電平TXD信號；引腳-VT、引腳+VT為發送器輸出，接發送傳輸線；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計

電子密碼鎖的軟件設計是整個電子密碼鎖可靠安全運行的關鍵，為了提高電子密碼鎖的安全性能，該設計引入安全體系概念，即在設計時建立一般的指導原則和約束條件，為電子密碼鎖提供了安全服務和安全機制，使其軟件程序構成一個完整的安全體系結構[4-6]。安全體系主要是由4種安全服務和4種安全機制構成，其中安全服務包括：鑒別、訪問控制、信息機密性、信息完整性；安全機制包括：鑒別交互機制、訪問控制機制、加密、信息完整性。安全體系主要是通過軟件設計來實現的。密碼鎖軟件總體分為兩部分：1）控制程序，其中包括主程序、延時子程序、時間設置子程序、修改密碼子程序、掃描鍵盤輸入子程序、報警子程序；2）網絡管理程序，其中包括開鎖信息查詢子程序、串行通信程序。軟件設計中，引入了二層權限加密的技術，對輸入的8位十進制基礎密碼進行判別，如果輸入密碼正確，則可以直接開鎖。如果不正確，并且3次以上輸入不正確，則封鎖輸入口并報警利用互聯網通知管理人員，存儲報警信息。如果要修改密碼，則需要在輸入基礎密碼判別正確后，輸入高級權限密碼，通過系統確認后方可修改密碼。電子密碼鎖利用AT89S51單片機軟、硬件資源，從而使系統具有很高的可靠性和安全性。

該系統設計程序流程如圖6所示，圖7和圖8給出人機交互界面和電子密碼鎖實物。

圖6 系統設計程序流程

圖7 人機交互界面

圖8 電子密碼鎖實物

3 結束語

該電子密碼鎖設計實現遠程監控、自動報警和開關鎖等功能，并具有結構簡單、功耗低、成本低等優點，但是設計電子密碼鎖需要結合實際綜合考慮很多因素，因此該電子密碼鎖設計需要在實際中進一步完善和改進。另外，在系統應用程序方面，該設計只實現了修改密碼、開關鎖、自動報警和遠程監控等功能，要想在現實生活中推廣，還必須針對實際應用場合的需要，進一步完善系統功能的程序。

[1]石文軒，宋薇.基于單片機MCS-51的智能密碼鎖設計[J].武漢工程職業技術學院學報，2004，10（2）：26-28.

[2]李建波.基于STC89C52單片機的電子密碼鎖[J].電子技術，2008，（23）：154-156.

[3]顧光旭.智能電子鎖設計[J].鹽城工學院學報：自然科學版，2009，22（1）：49-52.

[4]孟菊，王金海，趙雷新，等.基于ARM和DSP的嵌入式智能儀器系統設計[J].微計算機信息，2006，22（6-2）：198-200.

[5]Harn L.New digital signature scheme based on discrete logarithm[J].Electronic Letters，1994，30（5）：396-398.

[6]WU Li-zhen，HAO Xiao-hong.Design of optimal controller for networked control system based on Ethernet[J].Control Engineering China，2004，11（5）：428-431.