一種二級電子加密機械鎖設計

陳陽+韓志宏+支澤云+盧佳藝

摘 要：出于提高安全性、便捷性與經濟性考慮，設計了一種二級電子加密的機械鎖。鎖具主體上增加了直流電磁鐵鎖定機構，電磁鐵的動作由STC89C52單片機控制；電子系統上電由鑰匙觸發，二級加密密碼由外接矩陣鍵盤輸入，并支持錯誤報警；鑰匙去除則斷電。系統電源由不間斷開關電源供給，以防止停電失效發生。

關鍵字：電子加密；機械鎖；直流電磁鐵

0 引言

隨著經濟的發展，時代變遷，生活水平的提高，物質生活的要求也越發突出，人們尤其對住宅安全問題看的很重。安全問題與人們的生活幸福指數緊密相關，鎖具的應用在人們的生活中也極為普遍[1]。在大多數的失竊事件中，鎖具被失效是主要的發生方式。盡管市面上不斷涌現出性能更強大的鎖具，但精密機構的應用推高了鎖的價格（如AB鎖）、多級保護設計帶來了開鎖過程的煩瑣（如轉盤密碼鎖）。

此外，市面上家用安全門的鎖具普遍都是一級加密，即只用鑰匙轉動鎖芯就可以開鎖。當發生鑰匙丟失，且被他人利用，安全問題除了更換鎖具別無他法。對于高端的虹膜驗證、指紋驗證等安防措施，一是存在經濟性的制約（消費不起），二是人體狀況的制約（受傷或炎癥），三是對特殊人群不適合（比如說殘障人員）。設計一種操作便捷、價格經濟且安全性高的鎖具個有重要的現實的意義和經濟價值。

1 整體功能設計

為了提高設計經濟性，采用在傳統的B級彈子鎖上加裝二級鎖定機構。在鎖具體尾端加工直通內圈的盲孔，由電磁鐵驅動的滑塊條在彈簧作用下伸入孔中，實現鎖具體的鎖死。電磁鐵上電吸合，滑塊條移出，鎖具恢復正常。

電磁鐵選用直流伸縮型，并通過外接光敏隔離電路與直流穩壓電源相聯，動作由單片機信號端口驅動在鎖具體尾端中部還加裝有分立彈簧導電塊，與電源正級相連；鎖具體外圈定子塊尾端加裝有導電塊，與直流轉換電路的5V端輸出端相連。分別與開關電源的二端相連。

系統控制采用STC89C52單片機，外接4×4矩陣鍵盤和LCD1602液晶顯示屏，并加裝有蜂鳴報警器。。電源選用12V穩壓開關電源（具有斷電蓄能器）對直流電磁鐵、蜂鳴報警器供電；通過LM7805CT模塊將12V轉5V電路，對單片機、液晶顯示屏供電。

鑰匙的插入觸發電路導通，單片機上電，液晶顯示屏點亮并提示輸入密碼；密碼輸入并確認，系統開始進行比對，比對正確則輸入動作信號，電磁鐵上電吸合，鎖具解鎖；如果連續三次比對錯誤則進行延時鎖死狀態，記時器啟動，鎖死時間可自行設計并調整。密碼設置支持多組不同密碼記憶，以避免密碼忘記事故發生。解鎖后2分鐘內，轉動鑰匙即可正常開鎖。在鑰匙插入且開鎖狀態下可以進行密碼的設置與重置操作，從而實現鎖具加密的私人定制功能。

鑰匙一旦拔下，則系統斷電，電磁鐵在彈簧作用下推桿伸出，實現鎖具鎖死。屋內鎖頭上裝有電磁鐵彈簧的撥叉裝置，同傳統鎖具相類似。

2 鎖具體結構

鎖具的主體結構如圖1中所示。鑰匙插入后壓到分立導電塊上，以鑰匙頭部、鎖具外圈（定子）、內圈（轉子）作為導體，實現了系統電路的導通，單片機上電。為了防止非工作期間的電路導通和人體觸電，鎖具體外部加裝絕緣層實現與門體的隔離，鑰匙柄部包覆絕緣橡膠層。

分立導電塊采用彈簧結構，以提高導電的可靠性，并避免對鑰匙長度的精度要求。鎖緊槽為由貫通外圈定子塊到內圈表面的盲孔，孔徑由推桿直徑確定。

3 系統電路設計

系統電路以STC89C52單片機為核心，具體可分為直流轉換模塊、電磁鐵驅動模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、報警模塊等，簡單介紹如下。

3.1 直流轉換模塊

直流轉換模塊的電源為12V的穩壓直流電源，由于系統電路單片機的供電電壓不能超過5V，所以利用三端穩壓集成電路LM7805將12V電源電壓轉換成5V的單片機輸入電壓。

3.2 電磁鐵驅動模塊

電磁鐵驅動模塊的電路如圖2中所示。當鍵盤輸入密碼經過多次比對顯示正確后，單片機STC89C52將微控制信號傳遞給電磁鐵驅動模塊，由驅動電路驅動電磁鐵吸合；多次輸入錯誤密碼，信號不能傳遞，驅動電路無法工作。在圖2電磁鐵驅動模塊電路中，T11和T12分別選用小功率三極管9013和中功率三極管2SC3358。D5為發光二極管作為電磁鐵吸合指示燈，D6和C24并聯在電磁鐵兩端是為了消除可能產生的反向高電壓和電磁干擾。電磁鐵驅動模塊的輸入電壓為12V穩壓開關電源，保證了該模塊工作的穩定性。

3.3 輸入鍵盤模塊

矩陣鍵盤的電路如圖3所示，各個按鍵對應單片機STC89C52電路板的各個引腳[2]。鍵盤共有16個鍵，其中包括修改密碼及管理密碼等功能的10個數字鍵和6個功能鍵：確認、刪除、F1、F2、F3、F4。確認鍵是對正確信息的運行；刪除鍵即刪除前一操作；F1鍵是開碼鍵，按下即可進入輸入密碼界面；F2鍵為密碼管理鍵，可提供密碼刪除，密碼添加，密碼儲存等功能；F3鍵為密碼修改鍵；F4鍵為恢復出廠設置鍵，可清除所有之前儲存的密碼信息。

3.4 顯示模塊

設計中采用的是字符型液晶模塊LCD1602[3]。P1口與1602液晶模塊的數據口連接傳輸數據。P3口分別控制RS、RW和使能端，RS為寄存器選擇。開鎖時，鑰匙正確插入導通電子控制部分，利用鍵盤上的9個數字鍵輸入密碼，每按下一個數字鍵后在顯示器上顯示一個*，輸入多少位就顯示多少個*。當密碼輸入完成時，如果輸入的密碼正確的話，使能端E端由高電平變成低電平，液晶模塊執行命令，LCD顯示屏會顯示“UNLOCK OK”，燈亮。如果密碼錯誤，使能端輸出的還是高電平，LCD顯示屏會顯示“ERROR”，鎖不能打開。通過LCD顯示屏，可以清楚地判斷出密碼鎖所處的狀態。

3.5 報警模塊

系統為了防止他人非法開鎖，設計了報警模塊，由蜂鳴器發聲作為警示。蜂鳴器接在STC89C52的P3.4引腳上，通過三極管T13將電流放大[4]，由單片機控制蜂鳴器的頻率和蜂鳴時間。出現三次密碼輸入錯誤，則啟動延時并觸發蜂鳴器發聲。

4 程序流程圖設計

程序部分的設計是以單片機C語言為基礎，以主程序為核心，設置拓展功能的子程序。其流程圖如圖6。系統的主要流程包括：系統初始化、LCD1602的讀寫、EEPROM的讀寫、密碼管理，密碼校驗、延時報警等幾個部分。

系統允許多用戶分別設置不同的密碼，以避免密碼忘記的事情發生。在密碼校驗時，系統會依次與密碼表中數據字串進行比對，如果正確，則可進入開鎖操作；如果密碼表中的所有字串均比對錯誤，則會觸發錯誤次數計數器工作。如果連續發生三次錯誤輸入，則系統進入延時等待循環并報警，延時定時器的時間可自行設計。

所有的密碼表設置、密碼修改、報警時長設置及系統復位等操作，均需要在鑰匙插入且開鎖狀態下才可以進行。

具體程序，限于篇幅，略。

5 結論

所設計的二級電子加密機械鎖，在傳統的鎖具上加裝了電子先導控制，實現高安全性加密，經濟性地提高鎖具的安全性；針對鑰匙丟失情形，增加了二級防護，只要電子密碼不同時泄漏，依舊安全；電子密碼可方便修改，支持密碼的私人定制。由于該設計只是在傳經鎖具上進行功能疊加，具有良好的可移植性，有著良好的社會效應與經濟價值。

參考文獻

[1]傅強，唐嵐，張興敢.一種新型電子機械鎖的設計[J].現代電子技術，2012，35（8）：171-174.

[2]徐緯.51單片機綜合學習系統--矩陣鍵盤篇[J].電子制作，2007（11）.

[3]太陽人電子.SMC1602A LCM使用說明書[Z].長沙，太陽人電子，2006.

[4]蔣立培，曹建樹，付小美.單片微機系統實用教程[M].北京，機械工業出版社.2004.

作者簡介

陳陽（1995-），男，本科，就讀于景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院

韓志宏（1975-），男，副教授，就職于景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院

支澤云（1995-），男，本科，就讀于景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院

盧佳藝（1996-），女，本科，就讀于景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院