动态电子密码锁的设计与实现

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞 523419）

一、引言

随着科技的快速革新和人们生活水平的显著提高，科技越来越广泛地应用在安全防范方面。为保障财产安全，便捷有效的动态密码开始进入人们的视野，诸如支付宝、QQ安全中心、将军令等APP均有相似的应用[1]。

基于此，本文设计并实现了一种基于单片机的动态电子密码锁。用户在使用过程中需输入两组密码：一组为预设的静态密码，另一组为通过移动钥匙端或手机端获取的动态密码。一旦输入错误三次，锁头将被锁死，同时约定手机将接收到电话警示，极大提升了财产安全性。（1）相较于传统钥匙，此设计让用户拥有更高的控制权，避免钥匙的丢失与盗用。（2）在保障传统电子密码锁基本功能前提下，实时显示万年历功能[2-3]，给用户更人性化的视觉体验。（3）实时检测并显示当前环境温湿度[4-5]，方便有特殊储存环境物品要求的用户。（4）在输入静态密码开锁的基础上，加入了动态密码的输入检测环节，对财产保障更安全。（5）加入GSM模块，在有人尝试解锁失败后，会自动拨打电话给约定主人的手机，播报相应警示语音，安全实时保障。总体来说，该动态电子密码锁实用性更强，安全性能更高，具有较好的市场推广价值。

二、系统设计

（一）总体结构设计

本设计动态密码锁的系统主机结构如图1所示，包括单片机主控制器、空气温湿度传感器、2.4G无线传输、GSM通信模块、电子密码锁组成的终端和从机移动钥匙。用户通过输入预设静态密码，再输入在移动钥匙上得到动态密码，两次输入均正确后驱动继电器开启电磁锁；若输入错误三次，系统将拨打电话给约定手机警示。

该密码锁总体结构主要由电子密码锁主机部分（图1）和负责接收动态密码的移动钥匙（图2）两部分构成。

图1 系统主机结构图

图2 系统从机结构图

（二）硬件设计

该系统的硬件主要由密码锁锁体部分（图3）和无线钥匙（图4）两部分构成[6-7]。由于主机程序较大，普通8051系列单片机不能满足设计要求[8]，本文选用STC12C5A60S2作为主机的主控芯片，该芯片目前售价与传统51单片机接近，市场供应充足，且支持串口程序烧写和加密，具有性价比高、方便实用的特点。

从机无线钥匙的设计要求是轻便实用，因此，显示方面选用了内部结构较简单外观小巧的0.96寸OLED屏，主控芯片方面选择了满足设计要求的STC15W408AS单片机。

图3 密码锁锁体原理图

图4 无线钥匙原理图

（三）软件设计

1.系统主机程序设计

根据STC12C5A60S2主机硬件设计要求，控制主程序流程如图5所示。系统上电后，单片机上电进行程序初始化操作，对2.4G无线模块，GSM通信模块等外围器件进行数据初始化；初始化完成后，12864显示屏显示温湿度和密码锁模式选择，输入正确静态密码后,主机CPU产生动态密码通过2.4G无线模块发送给从机移动钥匙，当密码输入错误三次，GSM模块拨打电话警示用户。

图5 系统主机程序流程图

2.系统从机程序设计

根据从机移动钥匙硬件设计要求，控制从机程序流程如图6所示。系统上电运行后，单片机上电进行程序的初始化操作，对DS1302时钟芯片、2.4G无线模块和OLED显示屏进行数据初始化；初始化完成后，启动这些模块，显示时间并等待接收主机发送的动态密码。

图6 系统从机程序流程图

三、系统调试

动态密码锁锁体和无线钥匙的实物分别如图7和图8所示。按下电源开关后，各模块初始化完成后，主机开始工作。如图9所示，默认模式可观测到环境温湿度值，按“A”键进入“输入密码”模式，按“B”键进入“修改密码”模式。

图7 动态密码锁锁体实物图

图8 动态密码锁无线钥匙实物图

图9 默认模式状态

如图10所示，在按下“B”键进入修改密码模式后，将有语音指示操作“请输入原始密码”。用户需要通过4×4键盘连续输入两次正确新静态密码，才能修改静态密码。

图10 修改静态密码模式

如图11所示，在按“A”键进入输入密码模式后，将有语音指示操作“请输入静态密码”。用户需要通过4×4键盘输入静态密码。密码输入将用“*”显示以增强安全性。按“#”键可以退格。

图11 输入静态密码

如图12所示，当输入正确的静态密码后，将有语音指示操作“请输入动态密码”。

如图13所示，此时用户需要查看移动钥匙的OLED屏幕，OLED屏幕使用5V电池作电源。DS1302时钟芯片获取实时时间在OLED屏显示出来。在用户输入正确的静态密码后，移动钥匙将接收到主机发送的六位动态密码，在OLED屏显示出来。用户需要通过4×4键盘输入动态密码。密码输入将用“*”显示以增强安全性。按“#”键可以退格。

图12 输入动态密码

图13 无线钥匙显示动态密码

如图14所示，当输入正确的动态密码后，动态密码锁将通过继电器驱动电磁锁开启。

图14 开锁成功

如图15所示，若密码输入失败三次，密码锁键盘将不能操作，锁体自动锁死2分钟。同时GSM模块将拨打电话给约定手机，播放“请注意，密码输入错误三次”的语音。

图15 密码错误示警的手机

如图16所示，为防止忘记静态密码后无法操作。系统内置一个“恢复出厂密码”按键，当投入实际生产时，此按键应放置在只有用户知道的隐蔽处。按下后可以恢复出厂密码“123456”。

图16 密码恢复出厂

四、总结

该动态密码锁系统由S T C 12 C 5 A 60S 2和STC15W408AS单片机作为主从CPU，密码锁具有修改密码、恢复出厂密码的基本功能。

主机通过DTH11温湿度传感器检测环境温湿度，并用12864显示屏显示。每一步操作都会有语音指示。通过4×4矩阵键盘输入正确静态密码后，主机通过2.4G无线模块传输六位动态密码给从机。输入正确的动态密码后，主机通过继电器驱动电磁锁锁头收缩。若密码输入错误三次，锁体将锁死两分钟，同时通过GSM模块的AT指令，拨打电话给指定手机，警示“请注意密码输入错误三次”。

从机使用STC15W408AS单片机，通过2.4G无线模块接收动态密码，DS1302时钟芯片获取时间，在0.96寸的OLED显示屏显示时间以及动态密码。作为移动钥匙，小巧轻便，便于携带。

本设计融合了传感器、2.4G、GSM、单片机以及通信技术来实现动态密码锁的研究和开发，具有更人性化和更强实用性的动态密码锁系统，拥有较好的市场推广价值。

[1] 冯思远.一种数字密码锁及其应用[P].中国专利:CN105608778A,2016-05-25.

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[4] 杨居义.单片机原理及应用项目教程[M].清华大学出版社,2007.

[5] 王为青,程国钢.单片机Keil C×51应用开发技术[M].人民邮电出版社,2007.

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[6] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].华中科技大学出版社,2000.

[7] 刘菊荣,库锡树.电子技术实验教程[M].电子工业出版社,2013.

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