基于51單片機的電子智能密碼鎖

李長灝 楊帆 馬如龍 劉航 李偉 周慧

摘要：電子智能密碼鎖，是代指一類可以經過操控電子電路或控制器的內部操控芯片，從而達到操控電子密碼鎖的機械鎖芯開關或閉合的電子設備。其類型上既有結構相對簡單的集成電路產品，又有大量應用集成電路晶片的高價格比的電子設備，但現在，在市場上使用比較普遍的就是以芯片為內核的電子密碼鎖，應用了C語言程序設計，將程序燒錄進芯片中，再聯系各個模組完成開鎖的智能電子密碼鎖。

本次研究中以STC89C52單片機作為系統核心，結合矩形鍵盤電路、指紋模組、藍牙模組、LED數碼管顯示電路等，利用單片機其靈活編程能力以及豐富的I/O端口，對整個系統進行控制。本次項目研究設計方法合理、成本極低、簡單易行、安全實用等特點，具有可持續發展的空間。

關鍵詞：電子密碼鎖;STC89C52單片機;指紋識別;藍牙開鎖

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）12-0081-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

安全是現代社會更加關注的現象之一。盜竊事件常有發生，因此更需要一種工具來維護門戶安全。在此之前，掛鎖、子彈鎖和插入式鎖被廣泛使用。這些鎖結構簡單、安全性低。撬鎖入室和入室盜竊的案件越來越多。因此，我們的團隊設計了一款電子智能密碼鎖。產品的設計主要考慮了保證人們安全使用、使用方便、使用方便等綜合因素。電路產品設計包括防探鍵盤輸入、智能控制解鎖、鎖定、報警、密碼重置等功能。其次，由于采用多位密鑰設置，具有保密性好、靈敏度高等優點[1]。

1材料及研究過程

1.1材料、功能與研究對象

主要材料：單片機STC89C52、矩形鍵盤輸入、LCD液晶顯示屏、指紋模塊、藍牙模塊、繼電器、發光二極管、三極管。

主要功能：使用C語言來進行主控芯片的編程，對系統設計與軟件系統進行設計，智能監控上鎖、開鎖、報警、更改密碼功能等多項功能研究對象，把日常的普通密碼鎖系統作為重點研究對象。

1.2實驗原理

電子智能密碼鎖由STC89C52芯片作為核心芯片[2]，整個系統主要由矩陣鍵盤、藍牙模組、指紋模組、蜂鳴器等組成。通過C語言程序控制可以做到各個模組之間的相互配合，用戶可以自行選擇開鎖方式，系統通過發光二極管亮滅，模擬開鎖功能，原理圖如圖1所示。

1.3實驗實例列舉

當系統通電后，顯示屏顯示“歡迎使用”，按下“c”鍵后開始輸入六位密碼，初始密碼“123456”輸入完成之后按下“d”按鍵即可開鎖。若密碼錯誤，顯示“Error”則說明密碼輸入錯誤，按下“*”鍵重新輸入，累計若達到3次輸入錯誤，則將會產生時間為2分鐘的報警。

如果輸送進去的數字是正確的則密碼正確將會顯示“門鎖已開”如此就說明我們所輸送進去的數字的密碼輸入正確，此時將開鎖。回到初始界面，也可以在指紋模塊按下指紋，如果當前指紋與存儲器中的指紋匹配，即可顯示“門鎖已開”，若連續3次指紋對比失敗，依舊會產生2分鐘的報警。

如果需要修改密碼需按下“a”按鍵，進入修改密碼界面，同上如果累計3次錯誤，同樣產生2分鐘報警。如果輸送正確密碼則可以修改舊的密碼，再一次輸送兩次相同的密碼之后就會存儲到存儲器之中，再次按下“*”鍵即可立即關閉，并回到待機界面。

2程序設計

我們團隊采用C語言進行編寫該鎖的控制程序，利用keil uvision4將程序燒錄進單片機中系統流程如下圖2所示。

輸入電子密碼鎖密碼或指紋，單片機判斷密碼是否正確，如無誤，發光二極管亮，此時可以選擇修改密碼或指紋，若錯誤，則重新輸入密碼，若輸錯三次，此時蜂鳴器響，電子密碼鎖鎖定，此時需要等待5分鐘系統解鎖，然后再一次使用密鑰、指紋進行開鎖[3]，流程圖如圖2所示。

3電路分析

3.1外部晶振設計

系統里都有晶振，在單片機系統里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率上。

3.2復位電路設計

單片機的置位和復位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態，一般來說，單片機復位電路作用是把單片機初始化到空狀態，而在單片機內部，復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。

4單元模塊設計

4.1矩陣鍵盤設計

按鍵接口設計有兩種方法，獨立式按鍵和矩陣式鍵盤。獨立式按鍵各鍵相互獨立，但是該設計方案I/O資源浪費大。在本設計中，按鍵較多，考慮到系統可靠性和鍵盤設計簡單，故而采用矩陣按鍵。4x4矩陣鍵盤的電路圖如圖5所示。

行列式鍵盤的硬件結構部分相較于其他鍵盤比較簡單，是依靠著行列輸出口而所構成的行列式鍵盤，其按鍵設置在行與列的相交之處上。圖3-2中，1.0～1.3是行輸出口，1.4～1.7是列輸出口。行輸出和列輸出之間不重合的點，只有在鍵被按下時相應的行和列才能相連[4]。這樣，只要檢測行和列之間有沒有連接就能夠得知是不是有鍵按下。

4.2指紋模塊設計

我們應用ZFM60指紋模組作為我們的另一個打開方式。它是一款基礎的指紋鑒別模組，這款芯片所具有的優點：成本低、適應性強、在一些極端氣候環境下也可以正常工作，具體工作流程：掃描指紋、生成特征、合成模板[5]。如圖6所示。

4.3 LCD顯示模板設計

在嵌入式單片機應用中，常常使用的顯示儀器有單的發光二極管、八段LED顯示器、液晶顯示器（LCD）、屏幕顯示器（CRT）等。在此次產品設計中，根據設計所要達到的功能和節省生產成本等實際情況，我們采用LCD12864作為此次產品的屏幕。

LCD12864是數字點陣式液晶屏幕，它里面含有128x64點的液晶顯示面板、CMOS驅動。由于該模塊有整體的圖形點陣顯示，所以在用它來顯示圖像和文字時，因此它必須具有如下特征：

①CMOS集成度高的電路LCD驅動;

②大容量圖形類型，它可以顯示數字、字母、奇特符號、曲線、圖表和模型等;

③陽性驅動;

④高對比度、寬顯示范圍;

⑤1/64 分辨率。

圖7LED電路圖。

4.4 藍牙模塊設計

為使此密碼系統的操作方式不局限于指紋和鍵盤輸入，采用該藍牙模組用來完成手機應用于帶電子智能密碼鎖之間的互聯。該藍牙模組有著明顯的優點體積較為小，防塵美觀，能量損失較少，而且配有一個LED燈用來提醒用戶藍牙是否連接，當藍牙未連接時，LED燈將急速閃爍，如果連接成功，LED燈將間隔一秒左右閃爍一次。該模組有效連接距離大概為10米左右，廣泛用于數據采集，智能小車等方面，完全滿足此系統需求[6]。藍牙模組引腳圖如圖8所示。

4.5開鎖設計

在本次的項目研究中是以發光二極管來代替電磁鎖，而當二極管被點亮時意味著鎖是開啟狀態，所以我們可以做一個簡易的且可以點亮的二極管電路系統代替電磁鎖開鎖設備。發光二極管的電路圖如圖9所示。

5研究結果分析

隨著我們生活的家園日益增幅所導致以機械代替人工以及微型化技術的快速發展，單片微型計算機也慢慢成為工業電子產品研究與發展過程中第一選擇的控制器，但是在單片微控制器被發明出來之前，人們使用簡單復雜的模擬集成外電路智能密碼鎖就可以做到，但是由于這樣的工業電子產品體積龐大且成本高昂，而且隨著長期應用電子元器件老化現象加重，其控制器的準確度當然也就會逐漸降低。而在單片微型計算機誕生之后，人們只需在單片微型計算機外圍接上簡易的外設電路，而核心部分也只能由人為地寫入編程來實現。此電子產品的體積相較于其他產品較為小，所以此成本也就降低了許多，而且即使長時間應用也不擔心準確度達不到，而且由于其編程簡單易于更新完善。而且由于設備編號數量較多，保密性好，也因此增加了密碼鎖的安全系數，因而使得多功能智能密碼鎖能夠廣泛被應用。

6總結

此次項目的電子智能密碼鎖使用了STC89C52為主的控制器件，加之附加電路及相應的程序設計，并采用了軟硬件組合的方法來完成設計，此電子密碼鎖共6位密鑰，每一個包括了0-9共十個數字，通過計算，三次機會中可以打開電子密碼鎖的概率是一千億分之三， 安全性極高，總之，電子密碼鎖的將來還有很大的進步以及成長空間。

參考文獻：

[1] 李建波.基于STC89C52單片機的電子密碼鎖[J].現代電子技術，2008，31（23）：154-156.

[2] 梅麗鳳，郭棟，汪毓鐸.單片機原理及接口技術[M].4版.北京：清華大學出版社，2018.

[3] 朱彥龍，房新荷.基于51單片機的指紋電子密碼鎖的設計與實現分析[J].電子元器件與信息技術，2018，2（10）：75-77.

[4] 劉柳.一種特色矩陣鍵盤的設計方法：CN102637075A[P].2012-08-15.

[5] 沈睿.基于DSP的自動指紋識別系統的研究與開發[D].北京：北京郵電大學，2007.

[6] 吳娟.HC-05藍牙串口透傳模塊及其應用實例[J].中國寬帶，2021（3）：80.

【通聯編輯：梁書】