一种电子密码锁的设计

2021-10-20冯美艳宋志阳

科学技术创新 2021年28期

冯美艳宋志阳

（安阳学院航空工程学院，河南安阳 455000）

单片机控制的电子密码锁不仅操作简单、成本低而且准确性高，正常情况下可以通过指纹开锁，安全性高。在钥匙管理员请假或不在工作岗位时，可以通过密码来开锁，使用之后可以及时零成本的更换密码[1]，极大的方便租房、实验室和买卖看房等业务，同时也解决了传统机械钥匙和IC 容易丢失的问题。

1 系统总体设计

系统如图1 所示：由STC89C52 单片机系统、LCD 显示系统、ZFM-60 指纹识别系统、FLASH 系统、按键系统、报警系统、电子锁系统和电源系统组成[2]。

图1 系统总体设计图

系统由设置模式和开锁模式两部分组成。系统上电，若设置按键按下，系统进入设置模式。设置模式中，需要先输入一次密码确认。确认密码后，选择设置指纹或设置密码。设置指纹系统中可以选择录入指纹和删除指纹。设置密码模式中可以选择注册、更新和删除密码。设置模式完成后，系统保存新数据。系统上电，若没有设置按键按下，则进入开锁模式。如果识别到指纹，则进入指纹开锁模式，指纹识别系统将识别到的指纹特征文件通过UART 传到单片机，单片机将接受到的指纹特征文件同FLASH 中保存的指纹特征文件进行比对，比对成功则亮绿灯开锁。反之不开锁，示警。若按键按下的不是设置键则进入密码开锁模式，输入六个数字，通过串口送入单片机模块。单片机模块将输入的密码同FLASH 中存储的密码相比对，比对成功亮绿灯开锁，反之示警[3]。

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

STC89C52 单片机有40 个管脚，32 个I/O 口，3 个定时器和4 路中断。连接正确的复位系统、晶振系统和电源系统就可以让单片机运行。

复位系统连接在单片机的RST 接口处，作用为：系统上电，复位系统将单片机寄存器和存储系统恢复初始值或整定值。同时复位系统配置有一个机械开关。如果需要人为复位时，可以按下按键实现强制复位。本设计中选用了10μF 的电容以及10kΩ 的电阻作为复位电路的电容与电阻[4]。

晶振系统和单片机的XTAL1 和XTAL2 连接。作用为：产生时钟信号，提供合适的时钟频率。

电源系统采用5V 转3.3V 模块实现，可以为单片机提供3.3V 电压或5V 电压[5]。

2.2 指纹识别系统

指纹识别系统采用ZFM-60 模块。模块可以实现指纹采集、强化、生成特征文件。系统在FLASH 中配有指纹缓冲区或指纹库用于存储指纹特征文件。模块的通信方式可以为UART 或USB。本次设计采用的将模块是4 和5 管脚与单片机系统与单片机的P3.0（第10 管脚RXD）和P3.1（第11 管脚TXD）连接进行UART 通信。系统上电后，指纹识别系统向单片机发送一个握手信号0x55，握手成功后可以进行通信。

2.3 LCD 显示系统

LCD 显示系统如图2 所示，主要采用LCD12864 模块。该设计将LCD 显示系统的第4～6 管脚和单片机的P0.5～P0.7 管脚（第32～34 管脚）相连接、LCD 显示系统的7～14 管脚和单片机的P2 口（第21～27 管脚）连接。作用为：

图2 LCD 显示系统原理图

（1）显示当前密码锁的状态。系统上电，显示请输入密码或刷指纹。

（2）在进行指纹的录入、删除、保存和密码的注册、更新、删除和保存时，起提示下一步和显示作用。

（3）开锁成功时，显示欢迎光临，开锁成功。开锁不成功时，显示密码错误/指纹错误，请输入密码或刷指纹。三次开锁不成功时，显示系统锁定，请三分钟后再试。

2.4 按键系统

按键系统如图3 所示：由矩阵键盘组成。8 个接口同与单片机最小系统的P1 口（第10～17 管脚）连接，优点是可以提高I/O的利用率。它用4 条I/O 线作为行线，4 条I/O 线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上设置一个按键。这样键盘中按键个数是4×4 个。分别表示数字0～9、返回上一步、确定、设置、向上键和向下键。当有按键按下时且为按下数字键时，进入密码开锁模式，密码正确，绿灯亮开锁。当按下设置键时进入设置模式。向上键和向下键为在系统做选择时使用。

图3 按键系统原理图

2.5 报警系统

报警系统主要由蜂鸣器系统和灯光显示系统组成。蜂鸣器系统与单片机系统的P0.3 接口（第36 管脚）连接。蜂鸣器报警系统主要由一个1K 电阻、蜂鸣器和三极管组成。灯光显示系统与单片机系统的P0.4 接口（第35 管脚）连接。灯光显示系统由一个1K 电阻和红色发光二极管D1 组成。当输入正确的密码或指纹时，单片机向蜂鸣器和发光二极管D1 发送一个高电平，示警系统不工作。当输入错误的密码或指纹时，单片机向蜂鸣器和发光二极管D1 发送一个低电平，D1 亮红灯和蜂鸣器滴滴5s示警。

2.6 电子锁系统

电子锁系统如图4 所示：单片机系统的P3.0 接口（第10 管脚）接电子锁系统，控制电子锁的打开和关闭。电子锁系统如图4 所示由2 个1K 电阻，1 个绿色发光二极管D3、1 个接触器线圈、1 个继电器和电源组成。作用为：当输入正确的指纹或密码时，单片机向电子锁系统发送一个低电平，三极管导通，接触器线圈带电，继电器吸合，绿色发光二极管D3 亮，锁打开。反之发送一个高电平，发光二极管D3 不亮，继电器断开，锁闭合。接触器外反解一个稳压二极管，其保护接触器的作用。当门锁没电时，可以通过在J3 接电源强制门锁打开。

图4 电子锁系统原理图

2.7 存储系统

存储系统电路图如图5 所示。可以存储100 枚指纹，系统采用AT24C02 存储指纹特征文件。存储系统的第12347 管脚接地，第8 管脚直接接地，第56 管脚和单片机系统的P3.1 和P3.2管脚（第11 和第12 管脚）连接用于读写指纹特征文件。

图5 存储系统原理图

3 系统软件设计

系统软件设计采用KEIL 软件编译。KEIL 软件采用C 语言进行编译，相对于汇编代码来说在结构上、可读性上、功能性和可维护性上由明显的进步。

系统软件流程主要分为设置模式流程和开锁模式流程。系统的优先级为设置模式大于开锁模式。开锁模式中指纹开锁模式大于密码开锁模式。系统上电，系统就不断扫描是否有设置按键按下，有则进入设置模式，无则进入开锁模式。如图6 所示，设置模式中需要确定系统密码，确定后可以选择设置指纹还是设置密码。设置指纹中可以进行指纹的录入、增加和删除。设置密码中可以进行密码的更改和删除。设置完成后，将最新信息存入FLASH。

图6 设置模式流程图

开锁模式中，如图7 所示，系统不断扫描是否有指纹输入，若有则进入指纹开锁模式，将输入的指纹的特征文件同系统中存储的特征文件进行比对，比对成功则开锁，反之示警。若无指纹输入但有0～9 的按键按下，则进入密码开锁模式。密码正确开锁，密码不正确示警。电子锁开锁后倒计时120s 后自动闭合。连续示警三次后，电子锁锁定三分钟，不允许任何形式的开锁。