基于單片機的智能電子密碼鎖設計

關鍵詞：單片機；智能電子密碼鎖；硬件設計；軟件設計；安全性

中圖分類號：TP368.1；TS914.21 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，智能電子設備已經成為現代生活的重要組成部分，尤其在安全領域，傳統機械鎖逐漸被智能電子密碼鎖取代，后者以其便捷性、安全性、智能化等特點受到廣泛關注。智能電子密碼鎖核心在于其控制系統的智能化，而單片機作為控制系統的核心部件，其性能直接影響密碼鎖的安全性，單片機具有體積小、功耗低、成本適中、易于編程和擴展等優點，適合用于智能電子密碼鎖的設計[1]。因此，本文探討了基于單片機的智能電子密碼鎖設計方案，旨在通過集成電路技術，實現對傳統鎖具的智能化升級。

1 系統方案設計

本文主要探討兩種基于單片機的智能電子密碼鎖系統設計方案，其分別采用STC89C51 芯片和STM32F103 芯片，具體系統設計方案如下。

方案一：基于STC89C51 芯片的設計。STC89C51是一款經典的8 位單片機，具有成本低、性能穩定的特點。該設計方案包括以下組件：16 個鍵盤按鍵、LCD1602 液晶屏和繼電器。該方案優點是成本較低，適合對成本敏感的應用場景，但由于STC89C51 的處理能力有限，該方案可能不適合處理復雜的加密算法或需要快速響應的場景。

方案二：基于STM32F103 芯片的設計。STM32F103是一款32 位高性能單片機，具有更強的處理能力和豐富的外設。該設計方案包括以下組件：16 個鍵盤按鍵、OLED 顯示屏、HC-05 藍牙模塊和0905有源蜂鳴器。該方案的優點是功能強大，支持藍牙通信和復雜的用戶交互，但相應的成本也較高。

兩種方案各有優勢，設計者可根據實際需求和預算選擇合適的方案。對于需要高安全性和復雜功能的應用，推薦使用基于STM32F103 芯片的方案；對于成本敏感且功能要求不高的應用，基于STC89C51 芯片的方案則是較好的選擇。但無論選擇哪種方案，智能電子密碼鎖系統都將為用戶提供更加安全、便捷的體驗。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

在智能電子密碼鎖系統的硬件設計中，主控芯片的選擇至關重要，STM32F103 系列芯片以其高性能、低功耗、豐富的外設資源，成為智能電子密碼鎖系統設計中的熱門選擇。本文將重點介紹STM32F103 系列芯片在不同存儲容量下的應用，包括低容量（16 kB和32 kB）、平均容量（64 kB 和128 kB）以及高容量（256 kB、384 kB 和512 kB）。STM32F103 系列中容量較小的芯片有STM32F103C8T6（64 kB）和STM32F103CBT6（128 kB），適用于對存儲空間要求不高的智能密碼鎖系統，這類芯片雖然存儲容量較小，但可以滿足基本的密碼存儲和運算需求。在設計時，工作人員通過優化代碼和數據結構，充分利用芯片的存儲資源，降低芯片的成本，有助于控制整個系統的成本。STM32F103 系列容量較為平均的芯片主要包括STM32F103RBT6（128 kB）和STM32F103RCT6（256 kB），其可以提供大量存儲空間并且處理能力強，這類芯片適用于需要存儲較多用戶信息和復雜算法的智能密碼鎖系統。在設計時，需考慮增加用戶管理、密碼策略設置等功能，以提升系統的智能化水平。STM32F103 系列高容量的芯片有STM32F103RET6（512 kB）和STM32F103VET6（512 kB），其擁有最大的存儲空間和最高的處理性能，主要被應用于高端智能密碼鎖系統，具有支持復雜的安全算法、多用戶管理、遠程控制等功能[2]。因此，工作人員在設計時，需充分利用芯片的高性能，實現更加安全和便捷的用戶體驗，系統硬件設計圖如圖1 所示。

2.2 報警電路

智能電子密碼鎖系統通常由控制模塊、輸入模塊、顯示模塊和報警模塊組成。其中，報警模塊在檢測到非法操作或錯誤輸入時，能夠及時發出警報，起到威懾和提醒的作用。報警電路核心組件是0905 有源蜂鳴器，這種蜂鳴器體積小、功耗低，適合集成在緊湊的電子密碼鎖系統中。由于0905 有源蜂鳴器的工作電壓為3 V，因此在設計電路時，需要確保電源電壓穩定在3 V，工作人員要使用穩壓芯片或者電池供電來保證電壓的穩定性。由于有源蜂鳴器內部已經集成了驅動電路，因此無須外部復雜的驅動電路設計，只需通過單片機的輸入/ 輸出（input/output，I/O）口輸出高低電平信號，即可控制蜂鳴器的鳴叫。在單片機程序中，需要編寫相應的控制邏輯，當檢測到密碼輸入錯誤或非法操作時，單片機輸出高電平信號，驅動蜂鳴器發出警報。為了適應不同的使用環境和用戶需求，需設計簡單的音量調節電路，通過改變驅動信號的占空比或頻率，合理地調節蜂鳴器的音量。在實際電路設計中，要選擇合適的電源管理芯片，確保輸出穩定的電壓，再將0905 有源蜂鳴器連接到單片機的I/O 口，通常是連接到單片機的一個通用輸入/ 輸出（general purpose input/output，GPIO）引腳。在單片機程序中編寫相應的代碼，當檢測到異常情況時，該GPIO 引腳可以輸出高電平，驅動蜂鳴器發出聲音。通過上述設計，基于單片機的智能電子密碼鎖系統的報警電路能夠有效實現警報功能，提高了系統的安全性能。0905 有源蜂鳴器的使用不僅簡化了電路設計，而且提高了系統的可靠性。隨著技術的不斷進步，智能電子密碼鎖系統的報警電路設計也將更加智能化[3]。

2.3 儲存電路

在智能電子密碼鎖系統中，儲存電路的主要功能是安全地存儲用戶的密碼信息和系統的配置數據。采用帶電可擦寫可編程只讀存儲器（electricallyerasable programmable read only memory，EEPROM）設計可以確保數據的安全性，選擇合適的EEPROM型號時，需要考慮存儲容量、讀寫速度、工作電壓、封裝形式等因素。對于密碼鎖系統，EEPROM容量為幾kB 到幾十kB 就可以滿足使用需求。EEPROM 與單片機的接口設計需要確保數據的穩定傳輸，常見接口有集成電路總線（inter-integratedcircuit，I2C）、串行外設接口（serial peripheralinterface，SPI）等，設計時應根據單片機的接口資源和EEPROM 的接口類型進行匹配。為了保證數據的安全，儲存電路需要有良好的電源管理設計，在系統掉電時應確保EEPROM 中的數據不會丟失。設計中應包含數據保護機制，如寫保護、數據校驗等，以防止數據被意外修改或損壞[4]。具體的實現步驟：①硬件連接。將EEPROM 通過I2C 或SPI接口與單片機連接，確保連接正確。②軟件編程。編寫單片機程序，實現對EEPROM 的讀寫操作。程序應包括初始化、寫入數據、讀取數據、數據校驗等功能。③測試驗證。在硬件設計完成后，進行系統測試，驗證儲存電路的穩定性和可靠性。測試包括正常操作下的數據讀寫以及異常情況下的數據保護功能測試。

3 軟件設計

儲存電路是智能電子密碼鎖系統的核心部分，它負責存儲用戶的密碼信息、管理員信息以及指紋數據。在本系統中，采用具有非易失性的EEPROM作為儲存介質，其能夠在斷電后保障數據不丟失。EEPROM 的地址分配和數據存儲結構需要精心設計，以確保數據的安全性和讀寫效率。

第一，主流程設計。智能電子密碼鎖系統的主流程是整個軟件運行的骨架。主流程通常包括系統初始化、用戶輸入檢測、密碼驗證、開鎖控制等步驟。在系統初始化階段，單片機會配置各種外設，如液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）顯示屏、按鍵、指紋模塊等。用戶輸入檢測階段，系統會實時監控是否有按鍵輸入或指紋識別請求。密碼驗證階段，系統會將用戶輸入的密碼與存儲在EEPROM 中的密碼進行比對。如果驗證通過，則執行開鎖控制，否則系統將提示錯誤信息[5]。

第二，管理員模式子程序設計。管理員模式是智能電子密碼鎖系統中的一個重要功能，它允許管理員進行密碼的設置、修改和刪除，以及指紋數據的錄入和管理。管理員模式子程序需要設計一個安全的進入機制，通常是輸入特定的管理員密碼。進入管理員模式后，系統會提供一系列的菜單選項，供管理員操作。這些操作包括添加新用戶、刪除用戶、修改密碼、錄入指紋等。

第三，指紋解鎖子程序設計。指紋解鎖是智能電子密碼鎖系統的一個高級功能，它通過指紋識別技術來提高密碼鎖的安全性。指紋解鎖子程序首先需要調用指紋模塊進行指紋采集，然后將采集的指紋數據與存儲在EEPROM 中的指紋模板進行對比，如圖2所示。如果匹配成功，則執行開鎖操作；如果匹配失敗，則提示用戶重新嘗試或使用其他解鎖方式[6]。

4 結語

綜上，隨著科技的不斷進步，智能電子密碼鎖作為一種新型的安全防護設備，已經廣泛應用于家庭、辦公室、酒店等多個領域。本文基于單片機技術，設計并實現一個智能電子密碼鎖系統，旨在提高鎖具的安全性。然而，本研究也存在局限性，密碼鎖的密碼輸入方式較為單一，未來可以考慮增加生物識別技術，如指紋識別、人臉識別等，以提高其安全性。系統的遠程控制功能尚未完善，這也是未來研究的重要方向。未來，將繼續深入研究智能電子密碼鎖，不斷優化設計，以期為用戶提供安全的智能鎖具解決方案。