一種電子密碼鎖的設計

馮美艷 宋志陽

（安陽學院航空工程學院，河南 安陽 455000）

單片機控制的電子密碼鎖不僅操作簡單、成本低而且準確性高，正常情況下可以通過指紋開鎖，安全性高。在鑰匙管理員請假或不在工作崗位時，可以通過密碼來開鎖，使用之后可以及時零成本的更換密碼[1]，極大的方便租房、實驗室和買賣看房等業務，同時也解決了傳統機械鑰匙和IC 容易丟失的問題。

1 系統總體設計

系統如圖1 所示：由STC89C52 單片機系統、LCD 顯示系統、ZFM-60 指紋識別系統、FLASH 系統、按鍵系統、報警系統、電子鎖系統和電源系統組成[2]。

圖1 系統總體設計圖

系統由設置模式和開鎖模式兩部分組成。系統上電，若設置按鍵按下，系統進入設置模式。設置模式中，需要先輸入一次密碼確認。確認密碼后，選擇設置指紋或設置密碼。設置指紋系統中可以選擇錄入指紋和刪除指紋。設置密碼模式中可以選擇注冊、更新和刪除密碼。設置模式完成后，系統保存新數據。系統上電，若沒有設置按鍵按下，則進入開鎖模式。如果識別到指紋，則進入指紋開鎖模式，指紋識別系統將識別到的指紋特征文件通過UART 傳到單片機，單片機將接受到的指紋特征文件同FLASH 中保存的指紋特征文件進行比對，比對成功則亮綠燈開鎖。反之不開鎖，示警。若按鍵按下的不是設置鍵則進入密碼開鎖模式，輸入六個數字，通過串口送入單片機模塊。單片機模塊將輸入的密碼同FLASH 中存儲的密碼相比對，比對成功亮綠燈開鎖，反之示警[3]。

2 系統硬件設計

2.1 單片機最小系統

STC89C52 單片機有40 個管腳，32 個I/O 口，3 個定時器和4 路中斷。連接正確的復位系統、晶振系統和電源系統就可以讓單片機運行。

復位系統連接在單片機的RST 接口處，作用為：系統上電，復位系統將單片機寄存器和存儲系統恢復初始值或整定值。同時復位系統配置有一個機械開關。如果需要人為復位時，可以按下按鍵實現強制復位。本設計中選用了10μF 的電容以及10kΩ 的電阻作為復位電路的電容與電阻[4]。

晶振系統和單片機的XTAL1 和XTAL2 連接。作用為：產生時鐘信號，提供合適的時鐘頻率。

電源系統采用5V 轉3.3V 模塊實現，可以為單片機提供3.3V 電壓或5V 電壓[5]。

2.2 指紋識別系統

指紋識別系統采用ZFM-60 模塊。模塊可以實現指紋采集、強化、生成特征文件。系統在FLASH 中配有指紋緩沖區或指紋庫用于存儲指紋特征文件。模塊的通信方式可以為UART 或USB。本次設計采用的將模塊是4 和5 管腳與單片機系統與單片機的P3.0（第10 管腳RXD）和P3.1（第11 管腳TXD）連接進行UART 通信。系統上電后，指紋識別系統向單片機發送一個握手信號0x55，握手成功后可以進行通信。

2.3 LCD 顯示系統

LCD 顯示系統如圖2 所示，主要采用LCD12864 模塊。該設計將LCD 顯示系統的第4～6 管腳和單片機的P0.5～P0.7 管腳（第32～34 管腳）相連接、LCD 顯示系統的7～14 管腳和單片機的P2 口（第21～27 管腳）連接。作用為：

圖2 LCD 顯示系統原理圖

（1）顯示當前密碼鎖的狀態。系統上電，顯示請輸入密碼或刷指紋。

（2）在進行指紋的錄入、刪除、保存和密碼的注冊、更新、刪除和保存時，起提示下一步和顯示作用。

（3）開鎖成功時，顯示歡迎光臨，開鎖成功。開鎖不成功時，顯示密碼錯誤/指紋錯誤，請輸入密碼或刷指紋。三次開鎖不成功時，顯示系統鎖定，請三分鐘后再試。

2.4 按鍵系統

按鍵系統如圖3 所示：由矩陣鍵盤組成。8 個接口同與單片機最小系統的P1 口（第10～17 管腳）連接，優點是可以提高I/O的利用率。它用4 條I/O 線作為行線，4 條I/O 線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵個數是4×4 個。分別表示數字0～9、返回上一步、確定、設置、向上鍵和向下鍵。當有按鍵按下時且為按下數字鍵時，進入密碼開鎖模式，密碼正確，綠燈亮開鎖。當按下設置鍵時進入設置模式。向上鍵和向下鍵為在系統做選擇時使用。

圖3 按鍵系統原理圖

2.5 報警系統

報警系統主要由蜂鳴器系統和燈光顯示系統組成。蜂鳴器系統與單片機系統的P0.3 接口（第36 管腳）連接。蜂鳴器報警系統主要由一個1K 電阻、蜂鳴器和三極管組成。燈光顯示系統與單片機系統的P0.4 接口（第35 管腳）連接。燈光顯示系統由一個1K 電阻和紅色發光二極管D1 組成。當輸入正確的密碼或指紋時，單片機向蜂鳴器和發光二極管D1 發送一個高電平，示警系統不工作。當輸入錯誤的密碼或指紋時，單片機向蜂鳴器和發光二極管D1 發送一個低電平，D1 亮紅燈和蜂鳴器滴滴5s示警。

2.6 電子鎖系統

電子鎖系統如圖4 所示：單片機系統的P3.0 接口（第10 管腳）接電子鎖系統，控制電子鎖的打開和關閉。電子鎖系統如圖4 所示由2 個1K 電阻，1 個綠色發光二極管D3、1 個接觸器線圈、1 個繼電器和電源組成。作用為：當輸入正確的指紋或密碼時，單片機向電子鎖系統發送一個低電平，三極管導通，接觸器線圈帶電，繼電器吸合，綠色發光二極管D3 亮，鎖打開。反之發送一個高電平，發光二極管D3 不亮，繼電器斷開，鎖閉合。接觸器外反解一個穩壓二極管，其保護接觸器的作用。當門鎖沒電時，可以通過在J3 接電源強制門鎖打開。

圖4 電子鎖系統原理圖

2.7 存儲系統

存儲系統電路圖如圖5 所示。可以存儲100 枚指紋，系統采用AT24C02 存儲指紋特征文件。存儲系統的第12347 管腳接地，第8 管腳直接接地，第56 管腳和單片機系統的P3.1 和P3.2管腳（第11 和第12 管腳）連接用于讀寫指紋特征文件。

圖5 存儲系統原理圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用KEIL 軟件編譯。KEIL 軟件采用C 語言進行編譯，相對于匯編代碼來說在結構上、可讀性上、功能性和可維護性上由明顯的進步。

系統軟件流程主要分為設置模式流程和開鎖模式流程。系統的優先級為設置模式大于開鎖模式。開鎖模式中指紋開鎖模式大于密碼開鎖模式。系統上電，系統就不斷掃描是否有設置按鍵按下，有則進入設置模式，無則進入開鎖模式。如圖6 所示，設置模式中需要確定系統密碼，確定后可以選擇設置指紋還是設置密碼。設置指紋中可以進行指紋的錄入、增加和刪除。設置密碼中可以進行密碼的更改和刪除。設置完成后，將最新信息存入FLASH。

圖6 設置模式流程圖

開鎖模式中，如圖7 所示，系統不斷掃描是否有指紋輸入，若有則進入指紋開鎖模式，將輸入的指紋的特征文件同系統中存儲的特征文件進行比對，比對成功則開鎖，反之示警。若無指紋輸入但有0～9 的按鍵按下，則進入密碼開鎖模式。密碼正確開鎖，密碼不正確示警。電子鎖開鎖后倒計時120s 后自動閉合。連續示警三次后，電子鎖鎖定三分鐘，不允許任何形式的開鎖。

圖7 開鎖模式流程圖

3.1 指紋識別系統程序

設置模式中如果要錄入新的指紋，要先與單片機進行握手，握手成功后，采集兩次指紋，生成一個指紋特征文件，存入FLASH 中。

3.2 LCD 顯示系統程序

LCD 顯示系統程序主要實現上電顯示歡迎光臨，請刷指紋或輸入密碼。在設置模式時顯示，請輸入密碼，分兩行顯示指紋模式和密碼模式。進入指紋模式后上下顯示錄入新指紋和刪除指紋。進入密碼模式顯示更換密碼和刪除密碼。完成后顯示返回和保存，保存后返回首頁。

LCD12864_pos(1,2);

LCD12864_writebyte("歡迎光臨，請刷指紋或輸入密碼");//上電顯示

LCD12864_pos(0,1);

LCD12864_writebyte("指紋模式");

LCD12864_pos(1,1);

LCD12864_writebyte("密碼模式");//顯示選擇模式界面

3.3 按鍵系統程序

16 個按鍵對應的信息不同。有按鍵按下且進入開鎖模式時，輸入六個數字開鎖。如果為設置模式且為密碼模式時，對比新舊密碼，將新密碼存入密碼數組。當按下返回鍵時，系統返回初始界面。

4 結論與展望

本文設計的電子密碼鎖能夠實現指紋開鎖和密碼開鎖兩種開鎖方式。指紋密碼鎖系統能有效地完成指紋錄入、指紋搜索、指紋比對和刪除指紋開鎖方式安全、便捷。密碼開鎖模式可以實現密碼注冊、更新和刪除開鎖方式方便，不需要特定人群就可以開鎖。