基于STC15單片機和射頻模塊的電子密碼鎖設計

徐海華++劉玉芹++余陳鋒

摘 要：針對傳統機械鎖的各種缺點以及當前使用的電子密碼鎖價格昂貴、功能受限的現狀，提出以STC15F2K32S2單片機為主控芯片，輔以射頻模塊、OLED、DS1302時鐘芯片等一些電子元器件，利用C語言編程，實現了一電子密碼鎖系統的設計。此密碼鎖具有密碼正確開鎖、錯誤聲光報警、誤輸超次鍵盤鎖死、密碼修改、實時顯示時間與溫度、溫度超限報警提示、使用射頻模塊恢復初始密碼等功能。經調試證明：此系統安全可靠、使用方便、易于擴展其功能，值得推廣使用。

關鍵詞：電子密碼鎖 STC15F2K32S2單片機 射頻模塊 按鍵輸入 報警提示

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（c）-0099-06

Abstract： In view of the shortcomings of traditional mechanical locks and the current situation of expensive and limited function electronic code locks， a system design about an electronic code lock is provided with C language programming. STC15F2K32S2 MCU acted as the master chip， RF module， OLED， DS1302 clock chip and some other electronic components constitute the system. The functions of the code lock include： correct password to unlock， wrong password to alarm with sound and light， overtimes of wrong input to lock the keyboard， password modification， real-time time and temperature to display， temperature limit to alarm， the initial password restored by RF module and so on. It demonstrated by debugging that the system is safe， reliable， convenient use and easy to expand its functions. It is worth popularizing.

Key Words：Electronic code lock； STC15F2K32S2 MCU； RF module； Keyboard input； Alarm prompt

隨著社會物質財富的日益增長和人們生活水平的逐步提高，安全防盜已備受全社會關注。雖然人們仍在使用容易丟失鑰匙的彈子鎖和結構較為復雜、成本高、易于出現故障的機械密碼鎖，但因這些鎖固有的劣勢而逐漸催生出一代代的電子密碼鎖[1-5]。當前已研發出的電子密碼鎖具有防試探按鍵輸入、報警、修改密碼等功能，其多采用ARM和單片機控制[6]。針對單片機的優點以及電子密碼鎖所需功用的增加，本文設計了以STC15F2K32S2單片機[7]為主控芯片，具有密碼正確開鎖、錯誤聲光報警、誤輸超次鍵盤鎖死、密碼修改、實時顯示時間與溫度、溫度超限報警提示、使用射頻模塊恢復初始密碼等功能的電子密碼鎖。

1 系統整體設計思想

以8位單片機STC15F2K32S2作為系統控制處理器，配備所需電源、RFID-RC522射頻模塊、OLED顯示器、DS18B20溫度傳感器、3×4鍵盤、DS1302時鐘芯片、電磁鎖、蜂鳴器、LED以及其他一些電子元器件構成了電子密碼鎖的硬件系統平臺，接著在KeiluVsion4軟件平臺下用C語言進行了編程，實現了由單片機所控制的八位密碼按鍵輸入正確—驅動電磁執行器開鎖（OLED顯示Right Open）、錯誤—蜂鳴器和二極管聲光報警（OLED顯示Wrong Retry！）、錯誤超過3次—鍵盤鎖定；如果忘記了修改過的密碼，可以利用射頻卡恢復初始密碼（預先設定寫入卡片中）；顯示屏實時顯示環境溫度、當前時間、密碼輸入提示文字以及溫度超過軟件設置的溫度限進行報警等功能的電子密碼鎖。系統整體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

選用宏晶公司生產的STC15F2K32S28位單片機作為主控芯片，其具有32K程序存儲空間、2K數據存儲空間、內置29K的E2PROM足以保證所設計的電子密碼鎖的程序與數據的運行以及密碼和溫度報警限的存儲，無需外擴存儲電路，縮小了實物體積。整個電子密碼鎖系統的線路連接原理圖用Altium Designer09軟件畫出，部分硬件電路連接如圖2所示。下面用文字說明密碼鎖系統硬件的主干部分。

2.1 鍵盤輸入模塊

系統為了減少實物體積，僅采用數字密碼輸入，所以設計了3×4矩陣式鍵盤，占用單片機7個I/O口（P1.0～P1.6），除0～9的10個數字鍵外，還設置了清除鍵和確定鍵。利用這12個按鍵完成密碼輸入、確認、修改密碼與報警限設置的功能。輸入密碼只是直接輸入相應的數字即可。然而進入修改密碼模式需同時按下“0”鍵和清除鍵，輸入原始密碼正確后，才能修改密碼；接著同時按下“0”鍵和清除鍵進入修改報警溫度值。若需要取消按鍵提示音，同時按下清除鍵和“1”鍵，恢復按鍵提示音則再同時按下清除鍵和“1”鍵。

2.2 OLED顯示器

用來顯示密碼輸入提示、溫度、時間等信息的是OLED顯示器，其有多種接口方式，本系統選用I2C接口方式—4引腳OLED，僅占用單片機的P2.6～P2.7兩個I/O口。因本屏所用的驅動IC為SSD1306，其具有內部升壓功能，所以沒有專門設計升壓電路。

2.3 射頻模塊

射頻卡[8]又叫感應卡、非接觸IC卡，是將射頻識別技術和IC卡技術結合起來的電路卡片，無需接觸，無源，如今被廣泛地應用于各種領域。本系統用來恢復初始密碼的射頻卡選定的是PHILIPS公司的Mifare one S50非接觸式IC卡，其有8K位E2PROM，分為16個扇區，每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制，讀寫距離在10cm以內；所用RC522射頻模塊占用單片機5個I/O口（P2.1～P2.5），其工作電壓為3.3V。

2.4 電磁鎖模塊

電磁鎖模塊主要由場效應管A1SHB、常閉電磁鎖構成。場效應管的開關速度快、輸入電阻低，當單片機P3.4口給出一個低電平時，場效應管導通，電磁鎖工作，鎖打開。

2.5 測溫模塊

系統采用DS18B20芯片進行測溫，其測溫范圍為-55℃～+125℃。它是DALLAS公司推出的單總線溫度傳感器（與單片機P5.5相接），直接將被測溫度轉換為數字量，不需要外加其他的轉換電路。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計采用模塊化的思想，在Keil uVsion4軟件開發系統下用C語言進行的編程。經過調試并修改程序中的語法錯誤和邏輯錯誤，成功后，利用下載工具STC-ISP將程序下載進STC15F2K32S2單片機。程序設計主要有主程序模塊、按鍵模塊程序、射頻卡模塊程序、顯示模塊程序、DS1302模塊程序、DS18B20模塊程序和報警模塊程序等，下面主要介紹主程序、按鍵模塊程序、射頻卡模塊程序的功能。

3.1 主程序設計

主程序主要完成顯示初始化、讀取E2PROM中的密碼（#define IAP_ADDRESS 0x00000 //第一扇區）、按鍵音標志位（#define alarmflag_ADDRESS 0x00400 //第三扇區）和溫度報警值（#define alarm_IAP_ADDRESS 0x01000 //第九扇區）；然后利用while（1）語句使啟動溫度轉換、顯示溫度、讀取當前時間并顯示、按鍵掃描與處理和射頻卡讀寫處理程序在沒有復位鍵按下情況下始終處于循環工作狀態，其流程圖如圖3所示。其中E2PROM的讀取程序如下：

for（i=0；i<3；i++） //讀取溫度報警值

{

tem[i]=IapReadByte（alarm_IAP_ADDRESS+i）；

}

alarmtem=tem[0]*100+tem[1]*10+tem[2]；

Delay_50ms（50）；

for（i=0；i<8；i++） //讀取密碼

{

password[i]=IapReadByte（IAP_ADDRESS+i）；

}

Delay_50ms（50）；

alarmflag=IapReadByte（alarmflag_ADDRESS）； //讀取按鍵音標志位

3.2 射頻卡模塊程序設計

系統增加射頻模塊以及編寫射頻模塊程序主要是為了在用戶忘記密碼后仍然能夠使用此電子密碼鎖。利用事先所編寫程序語句，即：status = PcdWrite（2， data1）把密碼寫入到S50卡片E2PROM塊2中。然后在系統實際運行時通過不斷調用射頻卡模塊程序來識別是否使用了要求的S50卡。如是，將對電子密碼鎖恢復出廠密碼，同時開鎖，否則返回主程序繼續運行。在此模塊程序中需要兩次密碼驗證，一是驗證卡片密碼是否正確，另一個是二重密碼驗證。此射頻卡模塊程序流程圖如圖4所示。

3.3 按鍵模塊程序設計

按鍵作為外部輸入器件，其功能的實現需要借助于程序。此系統中按鍵模塊程序要完成的任務如下。

（1）密碼的輸入。輸入八位數字密碼后按下確認鍵后，輸入的密碼與存儲在E2PROM中的密碼比較，密碼正確電子密碼鎖才能打開，否則報警提示且繼續等待密碼輸入。3次錯誤輸入將使鍵盤鎖死。

（2）修改密碼。為了安全起見，密碼鎖需要經常更換密碼，此系統設置了修改鍵。第一次按下修改鍵后，先輸入原始密碼，按下確定鍵通過后，才能輸入要修改的密碼。

（3）修改溫度報警限。通常，電子鎖如果用于出行車輛或者溫度對于所保管的物品相當重要，就需要對溫度進行設限以保證被保護的對象處于安全溫度范圍內。此系統修改溫度報警限仍然使用修改鍵，而且是改完密碼后緊接著二次按下修改鍵才能更改。

（4）按鍵提示音設置。為了清晰提示有否按鍵輸入或者避免提示音給他人造成干擾和引起他人注意，系統設置了按鍵提示音鍵，在不同需要時提供不同的設置。按鍵處理程序流程圖如圖5所示。

4 結語

此電子密碼鎖系統充分利用了STC15F2K32S2單片機資源，配備RFID-RC522射頻模塊等一些電子元器件，利用C語言編程，實現了具有密碼修改、使用射頻模塊恢復初始密碼、聲光報警、誤輸超次鍵盤鎖死、實時顯示時間和溫度以及溫度超限報警等功能。其安全可靠、價格低廉、使用方便等性能，尤其適用于所保護物品對溫度敏感或靠電動車出行的大眾在戶外防盜、防高溫條件下使用。

參考文獻

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