51單片機的新型密碼鎖的設計與研發

昌吉職業技術學院 李洪兵 李海濱 丁筱萱

隨著科技的發展和人性化需求的改變，開鎖已然從傳統的機械鎖演變到現在的電子密碼鎖。常見的電子密碼鎖使用特定的數字組合便可開鎖，然而沒有實體密鑰使得數字式密碼鎖易被破解。更為高端的生物鎖，因生物特征破損后無法開鎖的缺陷而無法被推廣。針對這兩類密碼鎖存在的弊端，采用STC89C52單片機為控制核心搭建以按鍵為主外圍電路設計一款以指紋、紅外和數字三種開鎖方式的新型密碼鎖。

在現實生活中，很多場所都需要鎖來保證安全，如家庭住宅的財產和公司的文件、收據和報表等。常見傳統的鎖主要分為針型鎖和機械密碼鎖兩種：針型鎖結構簡單且安全性差，機械密碼鎖通過改變系統結構復雜性提升安全性，但帶來了較高的成本。譬如使用多個傳統機械密碼鎖時，用戶必須攜帶多個鑰匙。鑰匙一旦發生丟失，就會影響安全。由于傳統鎖具功能的不完善和一些不能改進的特點，傳統鎖漸漸被“密碼鎖”所取代。

上一世紀80年代初，電子密碼鎖這一概念產品由日本最先提出，該產品采用門電路實現解鎖功能，但實際使用過程中安全性極差。隨著電子技術和生物技術的迅猛發展，人們不再是只依賴機械鎖保管重要財物，人們研制出安全性、可靠性和保密性高的生物鎖，而指紋作為無法復制的最典型生物特征，常被用于生物鎖的解鎖方式中。但在實際生活中，如果只是依靠單一指紋解鎖方式進行解鎖，效果并不理想，便在生物鎖的基礎上結合其他電子密碼鎖的解鎖方式，豐富開鎖方式且不丟失其安全性。

1 系統硬件設計

圖1所示為新型密碼鎖硬件連接示意圖，包含了6大部分：STC89C52芯片、LCD12864顯示器、紅外遙控器、指紋、AT24C02、4×4矩陣鍵盤、繼電器和電磁鎖。

圖1 硬件框架示意圖

STC89C52芯片是一款較為實用可編程的芯片，兼容性較好，抗干擾性能強且功耗低。本次設計中圍繞該芯片搭建了51單片機最小系統，并在基礎上完成系統的開發設計。

系統整體可分為6大部分：AT24C02芯片在新型密碼鎖設計中主要作為存儲密碼的功用，該芯片有一個突出的優點是掉電后不會丟失數據。LCD12864作為新型密碼鎖的人機交互顯示界面。矩陣鍵盤作為系統初始化參數的設置。繼電器是用于模擬開鎖的動作。輔助電路包含新型密碼鎖系統中的LED燈和蜂鳴器，LED用于顯示密碼鎖狀態，蜂鳴器用于提示系統的錯誤操作和報警。

新型密碼鎖的開鎖方式主要有三種：第一種紅外遙控器解鎖，紅外遙控器主要依靠紅外線上加載數據進行編碼，在接收頭接收后完成譯碼工作后實現連接。第二種指紋解鎖，通過采集器得到指紋特征，如果特征相符合方可開鎖。第三種是常見的數字組合，通過事先設定的指定數字組合，在輸入正確數字組合進行解鎖。

2 軟件設計

圖2所示為主程序工作流程圖，根據系統需求，主程序主由12864屏顯示、紅外調制解碼、通訊子程序和按鍵四個程序構成。主程序的主要作用：各個硬件功能模塊的初始化。此次設計源程序包括12864屏顯示、紅外模塊調制解調、鍵盤掃描、指紋模塊建立通信。

圖2 主程序流程圖

3 系統調試

系統調試之前，將實物與電路原理圖進行比較，確保電路焊接無漏焊、短路、虛焊，部分元器件無正負極接錯。若是出現以上情況，必須再次重新焊接。

調試分為部分調試和整體調試，部分調試包括輔助電路調試、液晶顯示屏調試和解鎖方式調試。輔助電路調試重點調試在系統上電后相關狀態指示燈和繼電器是否正常工作。顯示屏調試，將調試代碼下載至系統，上電后顯示屏能否顯示相關文字。開鎖方式調試主要對紅外遙控對接、設置數字密碼和指紋錄入幾個部分進行調試。待所有部分調試結束后使用ISP軟件燒寫程序至51芯片，按照主程序進行整體調試。

本文設計的“密碼鎖”是一款具有多元化開鎖的智能鎖。第一種主要開鎖方式指紋開鎖，在系統中存儲一定數量的指紋，通過指紋識別與對比實現開鎖。其余兩種開鎖模式分別利用紅外遙控模塊和按鍵矩陣。并系統中外擴液晶顯示屏用于顯示系統操作提示與結果，并多增一個LED和蜂鳴器用于提示系統誤操作，使系統更加智能化。