高可靠性電子鎖設計

張永強

（中北大學電子測試技術國家重點實驗室，儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

隨著人們生活質量的提高，科學技術也在飛速的進步，但是高科技盜賊也出現在我們的和諧的社會中，這使得如何實現安全有效的防盜受到越來越多人的關注。傳統的機械鎖由于其結構限制而使其安全性得不到大幅度有效提高，被撬的事件屢見不鮮，而電子鎖因其保密性強，使用靈活性好，安全系數高，受到廣大用戶的歡迎。現在市場上就已經出現了各種各樣的電子鎖，有語音鎖，指紋鎖，電腦感應鎖，錄像報警鎖等。這些鎖具出現后，成功的把不少盜賊拒之門外了，但還有少部分高智商的犯罪分子仍然無視他們的存在。究其主要原因是國家要求電子鎖必須有可以用機械方法開啟的裝置,如此的結果就是電子鎖無法體現防技術開啟的優點，本設計思路不但提高了電子鎖部分的防技術開啟性能，而且也提高了機械部分的防技術開啟的性能。

1 電子鎖的整體設計

1.1 電子鎖的結構

電子鎖的一般結構如圖1所示。

電子鎖的控制部分由輸入、存儲、編碼、鑒別、抗干擾、驅動、顯示和報警等單元組成。其中，編碼和鑒別電路是整個控制部分的核心。而電源則是電子鎖控制部分和執行部分都必不可少的。

圖1 電子鎖的一般結構

電子鎖的執行機構一般采用電磁鐵或微型電動機拖動鎖體。

1.2 電子鎖的設計

該電子密碼鎖利用單片機作為主控核心，單片機（AT89S51）所具有的特殊功能使得電子密碼鎖的保密性能大大加強，這樣就可以有效地防止多次試探密碼的可能性。隨著單片機和其他智能芯片的進一步開發，防盜鎖將實現智能化，這將使鎖的安全性能大大提高。本設計實現密碼一次輸入的提示功能，若密碼輸入不正確將發出“嘀嘀”的報警聲，引起他人警覺。同時可添加外圍設備實現遠程報警（如添加繼電器一類設備可以連接到主人的電話上，使主人知道家里有人非法操作，及時報警）。若密碼輸入正確將發出“叮咚”的門鈴聲。本系統使用的單片機所具有強大的功能能夠實現智能控制用來完成密碼的輸入、判斷和比較從而執行相應的開鎖顯示或報警等功能[1]。

2 電子鎖的具體設計

2.1 硬件設計

本設計由單片機（AT89S51）部分、4×4行列式鍵盤部分、七段數碼管部分、報警器部分、電機驅動芯片，以及電機6個部分所組成。

2.1.1 硬件設計原理結構框圖

硬件設計原理結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理結構框圖

2.1.2 單片機部分

主控器件是單片機，AT89S51是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內含4k字節的可編程系統的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準8051指令系統及引腳，既可在線編程(ISP)也可用傳統方法進行編程[2]。

2.1.3 各元器件（芯片）選型

(1)本設計采用4×4行列式鍵盤共計數字鍵10個，功能鍵6個，用4×4組成0～9數字鍵、確認鍵F及修改鍵C，10個數字鍵用來輸入密碼，另外6個功能鍵分別是：A、B、C、D、E、F。其中C鍵的功能是當輸入密碼錯誤的時候，清除前面已經輸入的數據，重新輸入。F鍵的功能是確認輸入的密碼[3-4]。

(2)數碼管選用共陰極4位一體數碼管SR420561K。

(3)電機驅動芯片選用比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N。

(4)電路中設計了ISP下載器的接口，選用了ISP-USB下載線。

(5)電子鎖采用的電動機需要體積小、效率高、啟動力矩大，而錄音機里的電動機就符合這一特點。最終選定電動機為錄音機電動機EG-530AD-6B，該電機工作電壓6V，轉速2400轉/分，方向CCW（反時針）。

(6)這里傳動部件選用塑料齒輪，定好傳動比，直接從市場上選取。

(7) 電子鎖鎖體、鎖舌與普通彈子鎖的結構、材料沒有特別要求，故這些元件可直接用改造的普通彈子鎖的即可[5]。

2.1.4 系統板上硬件連線

(1) 把4×4行列式鍵盤中的4條橫線、4條豎線分別連接到 P3．0-P3．3 和 P3．4-P3．7上，用來完成密碼的輸入。

(2) 把“單片機系統”區域中的P0．0用導線連接到報警器上，用來提示密碼輸入的正確或錯誤并發出相應的聲音。

(3) 把“單片機系統”區域中的 P1．0—P1．7用導線連接到數碼管顯示器的另一端，用來實現數碼管的顯示。

(4) 把“單片機系統”區域中的 P2．0—P2．7用導線連接到三極管的一端通過三極管放大輸入到數碼管顯示器上，由“單片機系統”區域中的P1口和P2口共同來完成數碼管的顯示。

(5) 把“單片機系統”區域中的 P0．1—P0．3 用導線連接到L298N芯片上，用來實現開鎖的控制。

2.2 軟件設計

本設計是以AT89S51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性，不但能實現基本的密碼鎖功能，還能添加聲光提示甚至添加遠程遙控控制功能。設計程序的內容為：① 密碼的設定，在此程序中密碼是固定在程序存儲器ROM中，密碼為6位。②密碼的輸入問題：根據事先設計好的密碼輸入，輸完后按確認鍵將執行相應的功能。本系統源程序采用C語言編寫[6]，設計程序流程總框圖如圖3所示。

2.2.1 鍵盤輸入部分

本系統中鍵盤采用4×4行列式鍵盤。鍵盤處理程序的任務是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態接地，另一個并行口輸入按鍵狀態，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能[7]。

圖3 程序流程總框圖

2.2.2 數碼顯示部分

本系統采用的是8位數碼管組成的顯示電路作為提示信息，初始化時，顯示“P”，接著輸入最大的6位數的密碼，當密碼輸入完后，按下確認鍵“F”，進行密碼比較，當輸入密碼正確時在數碼管上顯示“1HELLO”的提示信息，當輸入密碼錯誤時在數碼管上顯示“2ERROR”的提示信息。在輸入密碼過程中，每輸入一位密碼顯示器上只顯示一個“8．”從右到左依次顯示。當輸入密碼位數超過6位時，給出報警信息。在密碼輸入過程中，若輸入錯誤，可以利用“C”鍵刪除剛才輸入的錯誤的數字。在輸入密碼的過程中可以隨時對輸入的密碼進行修改。

2.2.3 蜂鳴器聲音提示部分

本系統把P0．0用作蜂鳴器報警的接口，對輸入的密碼與設定的密碼進行比較，若密碼正確，蜂鳴器發出“叮咚”聲；若密碼不正確，蜂鳴器發出“嘀、嘀”報警聲。

2.2.4 電機驅動部分

本系統把P0．1-P0．3接到電機驅動芯片上，通過程序驅動電機轉動，當密碼正確時則電機轉動。

3 電子鎖功能測試與擴展改進

3.1 電子鎖功能測試

根據編程設定一個初始密碼123456，采用4×4行列式鍵盤實現密碼的輸入功能，如圖4所示。初始化時，顯示管顯示“P”，密碼輸入時顯示管只顯示“8．”，當輸入密碼完成后按F鍵確認，密碼正確時數碼管顯示“1HELLO”，同時發出“叮咚”聲，并驅動電機開始轉動，這時可實現開鎖；電機轉后停下，若按下關鎖鍵A，則電機反轉，可實現關鎖。若密碼輸入不正確則顯示“2ERROR”作為提示信息，同時發出“嘀、嘀”報警聲。在密碼輸入的過程中可使用C鍵對輸入的密碼進行修改。開鎖后，可以按D鍵來設定新密碼。可以用B鍵來作為開關鍵，開關電源。E鍵返回上一級頁面。按以上步驟和操作測試，系統運行正常，基本功能可以實現。

圖4 按鍵鍵盤

3.2 電子鎖擴展改進

從發明電子鎖之日起，設計人員就不斷擴展其功能，使簡單的電子鎖演變為多功能型電子鎖，繼而又開發出智能型電子鎖——入門控制系統和身份識別系統。

入口控制系統的典型代表是卡閱讀系統。卡閱讀器用一類類似信用卡的塑料卡來代替機械鑰匙，閱讀機的面板上包含一個窄的縫隙，可以插入代碼數字各不相同的卡片。卡閱讀器被連接到中心控制計算機上。卡閱讀系統可以編程允許每個人在規定的時間內進入指定的房間，實現所謂的時間上的多級進出控制。系統能打印出在指定時間內進出人員的清單。卡閱讀的另一個重要功能是同一張卡不可以為兩個人先后使用。如若卡片被兩次記錄“IN”，則系統發出警報。當編碼卡遺失或被偷，或當某個人的進出權限已經變化或結束時，可由卡控制器重新編程使該卡立即失效。

由于對人的生理特征檢測技術的發展，入口控制系統已經發展成人員身份識別系統。它利用計算機識別模式技術，對人的生理特性進行驗證，如指紋、掌紋、手形、聲紋、視網膜圖和簽字等，其真實可靠性已被人們所普遍接受，因為生理特性難以模仿或被變換。身份識別驗證的最好辦法是利用人的生理特性和卡片、口令、身份標識數等組合，組成一個高度安全的入口控制系統——智能電子鎖。

還可以在以下方面改進：無論內層門把何時使用，門會自動上鎖，并且安全門把將防御任何非法闖入，當監測到門處于關閉狀態的時候會自動鎖住。當門鎖電量不足時，會發出警報和在LED屏幕上顯示警告。若電池電量完全用完，也可很輕易使用9 V標準電池作為緊急電源供給門鎖使用[8]。

4 結束語

本設計充分利用了AT89S51系統單片機軟、硬件資源，引入了智能化分析功能，提高了系統的可靠性和安全性。另外，智能密碼鎖在軟、硬件方面稍加改動，便可構成智能化的分布式監控網絡，實現某一范圍內的集中式監控管理，在金融、保險、軍事重地及其他安全防范領域具有廣泛的應用前景。

[1] 咸俊偉,陳波,梁書旺．基于AT89C51的紅外遙控電子密碼鎖的設計[J]．科技信息,2008(29):67-569．

[2] 李朝青．單片機原理及接口技術[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2005．

[3] 齊向東,劉立群．單片機控制技術實踐[M]．北京:中國電力出版社,2009:251-263．

[4] 顧光旭．智能密碼電子鎖設計[J]．鹽城工學院學報,2009,22(1):49-55．

[5] 李明喜．新型電子密碼鎖的設計[J]．機電產品開發與創新,2004,17(3):40．

[6] 宋彩利,孫友倉,吳宏岐．單片機原理與C51編程[M]．西安:西安交通大學出版社,2008:73-75,181-183．

[7] 畢滿清．電子技術試驗與課程設計[M]．北京:機械工業出版社,2006．

[8] 林麗純．基于iButton的新型電子鎖控制器設計[J]．廣東工業大學學報,2009,26(2):98-100．