基于PLC的四位密码锁设计

文/周明理

1 引言

按照当前新一代电子密码锁的情况来看，是一种由人们在密码输入界面（键盘或触摸屏等）上输入密码去控制某个核心元器件（如芯片）或者某个电路进行工作，进而让相应的机械开关进行闭合或者断开，达到闭锁和开锁目的的电子产品。目前市场上拥有种类繁多的电子密码锁，有性能价格比相对比较高的基于芯片控制的产品，有使用结构简单的电路来制作的密码锁，也有的电子密码锁是基于PLC控制来设计的。主流的电子密码锁一般都会利用编写程序的方式来完成、实现设计要求。电子密码锁无论是在性能方面，还是在安全性方面，远远大于传统机械锁。电子密码锁的特点主要有：

（1）灵活性。用户不需要钥匙也可以开锁，这样可以让用户不用携带笨重的钥匙，更可以避免忘记带钥匙而无法进门的烦恼。

（2）操作方面。电子密码锁比机械锁操作要方便，只需要在操作界面（如键盘、触摸屏等）输入密码即可完成开锁的过程（密码正确的前提下）。

（3）保密性。使用0-9这10个数字便可以得到很多的编码量，这是机械锁远远赶不上的，这样外人想试探打开锁具基本上是不可能的。另外，密码用户可以随时更改，这样可以保证密码锁的密级。不像机械锁那样，钥匙丢了以后为了保证安全性而需要更换锁芯等繁琐的工作。

（4）寿命方面。电子密码锁相对机械锁而言寿命更长，因为电子密码锁本身没有活动的零部件，这样磨损方面会比机械锁少得多。

（5）输入保护性。电子密码锁自身有着报警和锁定键盘的功能，如果输入密码时存在错误，则会通过电路反馈提示输入的密码有误；如果在输入密码这个阶段，输入的密码发生差错的次数超过了设定的预置值，这时电子密码锁系统便启动报警单元电路进入报警状态，而且会锁定键盘，这样可以有效地防止不法分子多次试探开锁。

表1：I/O分配表

图1：四位电子密码锁的电路方框图

2 设计控制要求

本文研究完成的电子密码锁，需要达到、实现以下目标：

（1）电子密码锁正常而且没有用户操作的时候，通过一个七段LED数码管显示字符“0”，处于等待用户操作开锁的状态。

（2）开锁条件：假设预先设置的正确密码是2435，当依次操作SB1按键2下、SB2按键4下、SB3按键3下、SB4按键5下，接着再按下SB5（确认按键）按键之后，锁具的电磁阀YV就会发生对应的动作，使得密码锁打开，完成开锁功能，然后在设定的时间到达时进行复位。在输入密码过程中，如果存在输入错误，可以按下SB6（取销键）进行撤销输入，然后再重新输入密码进行开锁操作。

（3）如果某一次输入的开锁密码跟用户预先设定的密码不一致，那么在按下SB5（确认按键）之后，则会进行声光报警（蜂鸣器HA响、报警灯HL亮），同时七段LED数码管显示字符“F”并且闪烁，在设定的时间到达时进行复位。

3 控制方案的对比与选择

3.1 基于单片机的控制方案

常用的单片机有51系列单片机、STM32单片机、PIC单片机、AVR单片机、MSP430单片机等，种类非常繁多，且不同种类的单片机使用的环境也不相同。为了能够使单片机获得最高的性价比，我们在选择单片机的时候需要多进行比较，再进行合理地选择。比如，我们需要考虑单片机的输入/输出端口、运行速率与性能、电源的供电电压、定时器、存储器、计数器、具不具有上电复位的功能、抗不抗干扰等因素。基于单片机控制的电子密码锁可以选择51系列单片机来作为核心控制元器件。

单片机拥有丰富的输入/输出端口，软件设计时编写程序灵活，控制性能比较准确，然后配合外部电路（如用来输入密码的键盘单元电路、用来显示操作结果的显示单元电路等）便可以完成电子密码锁的功能。单片机控制方式具有控制准确、造价低、密码保密性高、控制灵活多样等优点，而且在扩展能力方面也高。只是单片机控制方式也存在着某些不足的地方，比如稳定性能方面还欠缺一些，在需要修改的时候存在不方便的地方，还不能够满足要求相对较高的环境场所。

3.2 基于数字电路的控制方案

数字电子电路在成长的历史中出现得比较早，作为很多电子线路、自动控制线路必不可少的基本单元，所以得到了广泛的应用。基于数字电路控制的电子密码锁，其核心控制元器件一般采用双触发器74LS112，再配以其他元器件或单元电路（如输入密码的键盘单元电路）构成完整电子密码锁系统线路。

基于数字电路控制的电子密码锁具有报警、锁定键盘等功能，设计方案优点是设计简单、电路简单，但存在的缺点是控制的灵活程度不够好、控制的准确程度也不够高。

3.3 基于PLC的控制方案

随着科技的不断进步以及PLC控制技术的日益发展、更新，PLC越来越广泛地应用于民用场所，而不再局限用于工业领域的自动化环境和场所，而且PLC的优势随着时间的推移越来越明显。因为PLC的稳定性很高、工作很可靠，而且PLC的指令系统非常的强大。因此，如果电子密码锁使用PLC来进行控制，那么使用、型的、基本的PLC即可完成密码锁的所有功能。

用PLC设计完成的电子密码锁，工作稳定、可靠，保密性好，在需要修改时也能非常方便地修改。PLC的价格会越来越低，所以其在民用市场的竞争力将会越来越大；而且用户对电子密码锁的要求只会越来越高，这样就会使得PLC的优越性能越来越有价值，将会越来越多地进入这个领域、这个市场。

综上所述，本文选用基于PLC的控制方案来控制电子密码锁。选用的是德国西门子S7-200系列PLC。

4 硬件设计

根据设计控制的要求（见前面），本文设计的四位电子密码锁主要以S7-200为核心控制器件，辅以输入密码的键盘按键单元电路、显示工作状态的数码管单元电路、开锁单元电路、报警单元电路等来构成，其系统方框图如图1所示。

PLC的外部接线图如图2所示。

5 软件设计

本文设计的四位电子密码锁编写的程序主要由输入密码时的键盘输入子程序、密码执行子程序及密码显示子程序等构成。本文使用的编程软件是西门子S7-200编程软件STEP7 MicroWIN V4.0，由于篇幅的限制，在这里不再列写详细的梯形图PLC程序，仅给出梯形图编写的流程图。

PLC的I/O分配表如表1所示。

程序流程图如图3所示。

6 结束语

以上是根据电子密码锁的设计功能要求，而用PLC实现密码锁完整功能的研究。如果需要更改设计的控制要求，那么可以根据用户的要求将程序和电路作相应的调整、修改便可。PLC之前主要应用于工业领域的自动控制中，因为PLC具有编写程序简单、工作稳定可靠、操作灵活方便及安全保密性好等优点，所以是一种非常可靠的核心控制器件。随着PLC的功能日益增强，成本越来越低，技术的不断创新、成长，PLC将会在除了工业领域以外的其他领域（比如民用领域等）发挥出更大、更强的作用。

图2：PLC外部接线图

图3：程序流程图