基于单片机与串行通信的电子密码锁设计分析

姚龙

【摘要】本文基于传统电子密码锁的基本功能分析其中存在的安全性低、自动化程度低等问题，提出新时期电子密码锁所应具备的智能化、监控性、集成化等特点，并在这一设计需求上提出一种基于单片机与串行通信的电子密码锁设计方案，详细论述其软硬件的设计与实现。

【关键词】电子密码锁;单片机;串行通信;功能;通信

传统的机械锁有构造简单、锁芯外露、容易被撬等问题，而新兴电子密码锁则具有较高的可靠性，便于进行计算机网络控制和智能化、自动化管理，且设计制作较为简单，密码设置灵活多样，成本不高，市场价值高。作为一个普遍关注的社会问题——安全问题一直是学界、业内研究的重点，人们试图运用现代技术研究出更好的安全产品，保护人们的信息、财产等的安全，常见的安全产品有：指纹识别系统、红外防盗系统，其成本较高，一般用于保密级别较高的产品。而电子密码锁虽然没有这些产品的安全性高，但相较于传统机械锁而言，依然具有很高的可靠性，加密快速简单，成本低，非常适用于家庭、办公室、宿舍等场所，推广价值高。

1.传统电子密码锁的基本功能

传统基于单片机与串行通信的电子密码锁的功能有：（1）一定位数的密码以及取值范围，这个位数多少决定了安全性能的高低。（2）用户可自行根据需要设定、修改密码。（3）用户在按密码时会有相应的语音提示，若密码错误，则需另行处理。（4）密码错误次数超过限额自动报警，一般来说，当密码错误三次之后就会启动报警系统。（5）输入正确密码后自动开锁。（6）硬软件成本低，可靠性高，能进行批量化生产。

新兴基于单片机和串行通信的电子密码锁在原来的基础有一些扩展功能，如：智能化水平高，电子密码锁与中央的监控仪器连接起来，具有监控功能;集成化水平高，各个模块高度集成，设计简单，操作方便。这种新电子密码锁与传统电子密码锁相比，引入嵌入技术，有效减少元器件的使用，硬件系统设计更为简单，并不断朝着网络化、在线化、智能化方向发展，利用网络实现电子密码锁的全过程实时监控，并自动进行报警处理等。

2.基于单片机和串行通信的电子密码锁设计方案

2.1 总体结构设计

电子密码锁采用两级控制、总线型的计算机网络拓扑结构。键盘为4×4方阵形式排列，键盘的扫描电路以行的方式进行扫描，利用电子开关结构，键盘上的所有按键均是有效的，按键分成功能按键和数字按键两种。主控芯片为AT89S51单片机，单片机具有存储密码、输入密码和上传密码的功能。微型计算机分析和处理数据信息，并建立完整的数据库，形成一个计算机网络控制的电子密码锁。利用串行通信延长数据传输距离，使得连接方式变得更加简单，操作更方便，保证数据传输的可靠性。如图1所示为总体结构示意图。

图1 总体结构

2.2 主要芯片

主控芯片为AT89S51，是一款低功耗、高性能的CMOS8位单片机，内含4k Bytes ISP可反复擦写的Flash只读程序存储器，该存储器采用高密度存储技术，件容乃公标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构，是许多嵌入式控制系统的首选。该单片机具有如下特点：有40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128bytes随机存储器，32个外部双向I/O接口，5个中断优先级，2个双全工串行通信口。

2.3 通信协议设计

总线通信接口电路采用串行通信，该通信方式灵活性强，肩负着管理、传输数据的任务，负责主控微型计算机与控制部件之间的通信。

3.电子密码锁的实现

3.1 硬件设计

电子密码锁的硬件主要包括核心处理模块、存储模块、人机交互界面模块和通信模块，下面简要分析其具体设计：

3.1.1 核心处理模块

核心处理模块是整个电子密码锁关键，不仅需要处理密码信息，同时还负责统筹调度管理其他模块的工作，该模块主要由单片机、键盘、存储器、显示电路组成。单片机为该部分的核心，任务是：配合软件完成相关数据信息的记录、分析处理、调度以及其他部分正常工作的控制、密码校对、密码修改等。从该电子密码锁的功能、安全性、数据量、接口电路等因素考虑，决定选用AT89S51单片机。键盘采用4×4阵列结构，这16个按键分别为0-9这10个数字、#、*、lock、modify、cel、enter。

3.1.2 存储模块

采用AT24C02存储器，负责密码和开锁等信息的存储，该存储器有I?C总线接口，是一款串行存储器。由于AT89S51单片机上没有I?C总线接口，故而在电路连接上，使得单片机上的P2.2、P2.3分别与存储器上的SCL、SDA相连，在软件上模拟设计出I?C总线接口。该存储器可以保存最近20次的开锁时间信息、用户修改后的一级二级权限密码、非法套取密码信息等，用户可根据语音提示进行相应操作查询到这些信息。

3.1.3 人机交互界面设计

键盘以4×4方阵形式排列开来，在行线与列线的交叉处设置按键，行线设置为低电平，然后检测出列线的实际输入情况，从而明确该相交处的按键是否被按下。考虑到开锁信息、时间信息、密码提示信息等，考慮到电子密码锁设计的经济性，决定选用SMC1602A液晶屏作为电路的显示模块，该液晶屏为标准字符型液晶显示屏，采用点阵型液晶显示器（LCD），可显示16个字符X2行西文字符，字符尺寸为2.95X4.35（WXH）mm，内置HD44780及兼容芯片接口型液晶显示控制器，可与MCU单片机直接连接，背光电流小，整体模块电流更低。3.3V低电压工作产品，更方便与低电压单片机连接，被广泛应用于各类仪器仪表及电子设备。选用这一液晶屏体现出人机友好交互。采用双层通信协议，两层通信协议相互独立，结构简单，利用RS-232C接口实现对单片机引脚TXD、RXD的定时输出高低电平，实现双方数据的良好通信。

3.1.4 通信模块设计

该电子密码锁采用总线型通信结构，控制设备在上电复位后开始工作，利用中断方式等待串行通信的弧线，利用全双工互锁方式实现电子密码锁的通信正常。串行通信的总线控制位于通信的主机，总线通信和网络中下位的电子密码锁管理设备设立在串行通信数据信息的链路上，构建出一个完整的主从形式总线型通信网络拓扑结构。同时，网络中的电子密码锁管理部件为电子密码锁提供充足的电能资源，所有的电路经DC-DC模块电路转换后，为电子密码锁的电路提供稳定、安全的电源。

在单片机的通信设计上，其通信模块的第一级通信协议中，采用串口通信方式。在数据信息的传输过程中，串口处于已传输状态，当数据写入到串口的缓冲位置时，串口就处于已接受状态，并将数据读取到缓冲区域，实现同口处的无障碍通信。第二级通信协议完成软件的判别工作，接收来自第一级通信协议的数据资料，并判断其正确性和完整性，然后将本季中的数据写入到通信缓冲区域，利用C语言来完成解析过程。

3.2 软件设计

软件设计是关系电子密码锁安全性的重要部分，为提高其安全性能，必须在软件设计中引入安全理念，也就是说，在软件设计中，引入一系列的约束条件、安全指导原则，为电子密码锁的安全设计提供安全机制和安全服务。其中，安全服务包括、鉴别、访问控制、信息保密性、信息完整性;安全机制包括鉴别交互及占比、访问控制机制、机密、信息完整性。这一安全机制和安全服务是通过软件设计实现的。

电子密码锁的软件设计可分成两个部分：（1）控制程序，如：主程序、延时子程序、时间子程序、修改密码子程序、键盘扫描子程序、报警子程序等，如图2所示为主程序的设计流程。（2）网络管理程序，包括串行通信程序、信息查询程序等。运用二级权限加密技术，判别输入的密码是否正确，正确则开锁，当错误超过3次时则自动封锁输入口并启动报警器，存储报警信息。若要修改密码，则需要在密码输入正确后输入高级权限密码，当系统确认后方可修改密码。

图2 主程序设计流程

4.结束语

随着社会经济的快速发展，电子密码锁在人们的生活中已非常常见，本文提出一种基于单片机和串行通信的电子密码锁设计方案，该密码锁具有成本低、操作简单、网络化、智能化、集成化等优点，安全性高，值得大力推广。

参考文献

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