基于STM32的單按鍵密碼鎖設計

孫賽偉　田曉光　田廣強

摘要：密碼鎖在生活中很常見，但其中大多數的密碼鎖均以陣列式按鍵作為輸入裝置，陣列式按鍵的密碼鎖有體積大、按鍵易損壞、密鑰易傳播的缺點。本文介紹一種以STM32為主控芯片的密碼鎖，其輸入裝置僅有一個按鍵，密鑰組成方式特殊，在僅具有一個按鍵的情況下能靈活的實現密鑰輸入與修改操作。單按鍵式密碼鎖在很大程度上減小了密碼鎖的體積，操作簡單，使用價值較高。

關鍵詞：STM32;密碼鎖;密鑰組成;單按鍵;體積

中圖分類號：TS914.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0161-02

1 前言

現在人們的生活水平越來越高，人們對自己的人身及財產安全也越來越重視。隨著科技的進步與發展，我們生活中的鎖具也在逐漸變化的越來越智能與安全。生活中常見的密碼鎖的解鎖方式多是數字組合或者采用能識別人體特征的裝置來解鎖，比如常見的電子密碼鎖、指紋鎖、感應卡片鎖、聲控鎖、人臉識別鎖等。這些鎖具的應用大大增加了人們生活的安全系數，保證了我們的財產及人身安全，讓不法分子無機可乘。但這些鎖在體積上變得越來越大，結構也變得越來越復雜，使得工人在安裝與維修的過程中遇到的問題也復雜多樣。在一些小體積裝置上使用密碼鎖變得越來越難。本文介紹一種小型的智能安全密碼鎖，其具有獨特的解鎖方式，僅利用單個按鍵來完成密鑰輸入，在不影響安全性的情況下極大的減小了智能鎖的體積。

2 硬件設計

單按鍵密碼鎖的硬件由六個部分組成（如圖1所示）：輸入裝置、微控制器、顯示設備、開關鎖控制電路、警報裝置、供電電路。

2.1 輸入裝置設計

輸入裝置是人機交互的一種必要設備，目前市場上最常見的密碼鎖多采用普通陣列式按鍵作為密鑰輸入裝置，用戶根據前期設置的數字密碼在陣列式按鍵上按壓對應的數字按鍵即可解開密碼鎖。而新型單按鍵密碼鎖采用單個按鍵作為輸入裝置，大大減少了按鍵的數量。由于采用了單個按鍵作為密鑰輸入裝置，這就需要重新定義一種新的密鑰組成方式。現有的單個按鍵作為輸入裝置的設計方案是通過利用按按鍵的次數與頻率組成密鑰即按壓按鍵一次計數加一。例如密碼為“5432”，按動按鍵方式為：連續按壓5次、連續按壓4次、連續按壓3次、連續按壓2次，密碼數與密碼數之間有明顯停頓[1]。

通過按按鍵的頻率與次數組成密鑰實際上是在單個按鍵上實現數字密鑰的特點。但在輸入的過程中一個數字需要按按鍵多次反而增加了密碼鎖的使用復雜度，在密鑰組成中有大數字的情況下以按按鍵次數轉化為數字會變得非常繁瑣。而本文在設計密鑰組成方式時采取長短電信號組合作為密鑰組成的特征元素，類似于摩爾斯電碼的單個字符組成方式。摩爾斯電碼由美國的摩爾斯在1844年發明，他有一個可輸入長短電信號的信號發生裝置，由操作者以不同時間間隔按壓信號發生裝置產生的長短電信號作為輸入密鑰。例如輸入一個字母X操作者需要操作信號發生裝置“長按-短按-短按-長按”形成“嗒-嘀-嘀-嗒”的長短電信號組合。我們也以長短信號組合作為密鑰組成，且重新定義長短電信號。以發生電平變化持續時間小于1S定義為短電信號大于1S定義為長電信號。例如初步設置密鑰組成為：長電信號、短電信號、短電信號、長電信號、長電信號，按照這種長短電信號組合按下按鍵，并且在一定時間內連續輸入密鑰，即可解鎖密碼鎖。這種密鑰組成方式使的密碼鎖使用起來更加方便，易錯率低。

密碼鎖在使用按鍵輸入時會出現按鍵抖動的現象。這是由于采用的機械式按鍵是依靠觸點的接觸來判斷接通與斷開，但在按鍵發生動作的瞬間會出現一連串的抖動，此時微控制器就會誤認為多次按下按鍵。為消除按鍵抖動的影響并保持輸入密鑰的穩定性，我們結合硬件消抖與軟件過濾按鍵抖動的方法。硬件消抖能將按鍵按下或松開時產生的抖動在信號輸入系統之前消除掉，這樣節約了CPU資源，提高了系統的響應速度。硬件消抖常采用基本RS觸發器硬件消抖、電容濾波消抖、中斷法消抖[2]。由于我們采取的按鍵為反彈式的單個按鍵，所以選取電容濾波消抖最為合適。電容濾波消抖相比于其他兩種方法其電路簡單，消除抖動效果顯著。通過在反彈式按鍵的兩個接線端并聯一個電容，利用電容的充放電特性延時平波，然后再經過施密特反向器就可以得到平滑的脈沖波。軟件消抖即在按鍵動作發生時執行一個延時程序，在延時程序執行完畢后程序再一次檢測按鍵狀態。這樣通過利用延時程序隔斷了抖動的影響。相比于普通陣列式按鍵密碼輸入裝置，單按鍵輸入裝置更容易過濾非正常的輸入信息，增加了輸入密鑰的正確性。

2.2 微控制器

微控制器的選用應考慮密碼鎖的體積，主控芯片應以體積小功耗低反應速度快為選取標準。常見的密碼鎖多以AT89C51單片機作為控制芯片，但AT89C51單片機內存小，功耗較高且接口資源有限。FPGA（Field-Programmable Gate Array）系列芯片價格昂貴，開發周期長。而STM32具有體積小性價比高的特點，基于ARM32位的Cortex-M3系列的內核，工作頻率可達到72MHZ片上集成16K至512k的Flash儲存器，最大64K字節的SRAM存儲器，其IO口、串口通訊接口豐富。STM32系列芯片具有多種配套的軟件和開發工具，其程序均是模塊化的，接口相對簡單些，工作速度快。選擇STM32在一定程度上降低了產品的開發設計周期與成本。

2.3 顯示設備與警報裝置

顯示設備是為了提示用戶正確而規范的操作，我們利用顯示屏實時提供信息提示。顯示屏采用市場中常見的LCD12864字符型液晶顯示屏，它具有4位或8位并行、2線或3線串行的多種接口，內置豐富的中文字庫。它可一次顯示多個字符，構成全中文的人機交互界面。LCD12864顯示屏與普通顯示屏相比較具有以下幾個特點：（1）顯示畫面清晰，無畫面抖動與亮度閃爍的情況，易于使用者實時觀查顯示屏上的提示信息。（2）能夠便捷的與STM32系列芯片連接，片上資源豐富，易于開發與制作。（3）LCD12864價格低廉，節約了硬件成本，而且耗電量小，使用時間長久。

警報裝置的應用是在一些不法分子試圖打開密碼鎖或他人非正常操作時能夠警示其操作，提高密碼鎖的安全性。

2.4 開關鎖控制電路

用戶經過提示后逐步輸入密鑰，密鑰輸入完畢后系統判斷密鑰是否正確，若輸入正確微控制器發出開門信號，開關鎖控制電路接收到信號后驅動機械設備即可將密碼鎖打開。開關鎖控制電路必須能經受強電磁干擾，必免控制設備由于強電磁干擾造成開鎖信號判斷錯誤或者電路紊亂等問題。

3 系統設計

當密碼鎖上電后，系統檢測門鎖的狀態，若密碼鎖為開啟狀態則系統在LCD12864液晶顯示屏上顯示“密碼鎖鎖已開啟”，若檢測到密碼鎖處于關閉狀態則LCD12864液晶顯示屏上顯示“請輸入密鑰”。在輸入密鑰的過程中LCD12864液晶顯示屏實時提示用戶“正在輸入密鑰中”，由于是通過單個按鍵的按壓形成的長短電信號作為輸入密鑰，則在密鑰輸入的過程中必須保證密鑰的連續性輸入即在一定時間內要完成密鑰輸入。當兩次電信號輸入時間間隔超過初始設定的時間值時，系統會自動認為用戶輸入密鑰的過程屬于非正常輸入狀態。被判定為非正常輸入狀態后系統自動返回到初始輸入狀態并在LCD12864液晶顯示屏上提醒用戶“請重新輸入密碼”。若一次性連續輸入密鑰則進行下一步——密鑰比對，微控制器將輸入的密鑰與初始設定的密鑰進行比對，當輸入密鑰與初始設定密鑰相同時則對開關鎖控制電路發出開鎖信號，若輸入密碼不正確則將重新提醒用戶“請重新輸入密鑰”。在輸入密鑰時間超時與輸入密鑰錯誤累加為三次的情況下密碼鎖發出警報，警示用戶密碼鎖正處于非正常操作狀態，警示時間過后方可再一次重新輸入。整體的解鎖流程如圖2所示。

當我們要對單按鍵密碼鎖的密鑰重新修改時，為了防止非常規性的操作，需要設置一定的密鑰修改保護措施，具體密鑰修改流程如圖3所示。首先密碼鎖應處于解鎖的狀態下，才能對密鑰進行修改，在解鎖狀態下長按三次按鍵形成三次長電信號即可進入密鑰修改模式。在密鑰修改模式下LCD12864液晶屏首先提示使用者輸入原始密鑰。當輸入原密鑰不正確時則需要再一次重新提醒輸入原始密鑰，若輸入兩次原始密鑰錯誤則自動退出密鑰修改模式。若輸入原密鑰正確則LCD12864液晶顯示屏提示下一步輸入兩次新密鑰，在按操作提醒后輸入兩次新密鑰，兩次輸入的新密鑰相同時則系統自動保存新密鑰，若不相同則自動退出密鑰修改模式。

4 Proteus仿真

我們通過電路仿真軟件Proteus對單按鍵密碼鎖進行模擬仿真，證明了單按鍵密碼鎖設計的可行性，可以在單個按鍵作為輸入設備的情況下靈活的對密碼鎖進行密鑰鎖解鎖與密碼修改等控制。在沒有實際制作硬件并測試時電路仿真減小了設計周期，并能多次調試發現設計中的不足之處。

5 應用前景

基于STM32的單按鍵密碼鎖可廣泛應用在一些中小型電子設備及生活用品上，不同于陣列式按鍵密碼鎖其體積小便于安裝與使用。例如應用到生活中的柜鎖、門鎖、車鎖等。獨特的密鑰組成方式增加了密碼鎖使用的安全性。

6 結語

單按鍵密碼鎖設計以硬件簡單、體積小、使用簡便為特點。該設計方案運用了STM32芯片、LCD12864液晶顯示屏、單個按鍵等常用的電子元件。實現了在簡單的結構和電路下設計出安全性高且易于操作的密碼鎖。該密碼鎖的創新點是密鑰輸入裝置為單個按鍵，密鑰以不同數量不同排序的長短電信號組成。不同于已有的陣列式按鍵密鑰輸入方式。新穎的密鑰輸入方式在一定程度上增加了密碼鎖的安全性與實用性，具有較高的使用價值。

參考文獻

[1] 李崗.單按鍵密碼鎖[J].電子制作，2003（06）：61-63.

[2] 楊偉.單片機按鍵消抖技術及其擴展應用[J].電子測試，2016（03）：96-97.

[3] 劉佳樂.基于單片機的電子密碼鎖設計[J].中國新技術新產品，2018（23）：7-8.

[4] 徐慶偉，郭振鐸，劉洲峰.基于STM32的電子密碼鎖設計[J].中原工學院學報，2018， 29（06）：61-65.

[5] 王英輝，劉世行，黃英凡，王澤楠.一種智能密碼鎖的設計與研究[J].中國新技術新產品，2019（01）：9-10.

Design of Single-button Password Lock Based on STM32

SUN Sai-wei ，TIAN Xiao-guang ，TIAN Guang-qiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Huanghe Jiaotong University，Jiaozuo Henan? 454150）

Abstract：Password locks are very common in life， but most of them use arrayed keys as input devices. The arrayed keys have the disadvantages of large size， easy to damage keys and easy to spread keys.This paper introduces a password lock with STM32 as the main control chip. Its input device has only one key， and the key composition is special. It can flexibly implement key input and modification operation with only one key.The single-button password lock reduces the size of the password lock to a great extent. It is easy to operate and has high value in use.

Key words：STM32;password lock;key composition;single button;volume