基于单片机的智能电子密码锁设计

关键词：单片机；智能电子密码锁；硬件设计；软件设计；安全性

中图分类号：TP368.1；TS914.21 文献标识码：A

0 引言

随着社会经济的不断发展，智能电子设备已经成为现代生活的重要组成部分，尤其在安全领域，传统机械锁逐渐被智能电子密码锁取代，后者以其便捷性、安全性、智能化等特点受到广泛关注。智能电子密码锁核心在于其控制系统的智能化，而单片机作为控制系统的核心部件，其性能直接影响密码锁的安全性，单片机具有体积小、功耗低、成本适中、易于编程和扩展等优点，适合用于智能电子密码锁的设计[1]。因此，本文探讨了基于单片机的智能电子密码锁设计方案，旨在通过集成电路技术，实现对传统锁具的智能化升级。

1 系统方案设计

本文主要探讨两种基于单片机的智能电子密码锁系统设计方案，其分别采用STC89C51 芯片和STM32F103 芯片，具体系统设计方案如下。

方案一：基于STC89C51 芯片的设计。STC89C51是一款经典的8 位单片机，具有成本低、性能稳定的特点。该设计方案包括以下组件：16 个键盘按键、LCD1602 液晶屏和继电器。该方案优点是成本较低，适合对成本敏感的应用场景，但由于STC89C51 的处理能力有限，该方案可能不适合处理复杂的加密算法或需要快速响应的场景。

方案二：基于STM32F103 芯片的设计。STM32F103是一款32 位高性能单片机，具有更强的处理能力和丰富的外设。该设计方案包括以下组件：16 个键盘按键、OLED 显示屏、HC-05 蓝牙模块和0905有源蜂鸣器。该方案的优点是功能强大，支持蓝牙通信和复杂的用户交互，但相应的成本也较高。

两种方案各有优势，设计者可根据实际需求和预算选择合适的方案。对于需要高安全性和复杂功能的应用，推荐使用基于STM32F103 芯片的方案；对于成本敏感且功能要求不高的应用，基于STC89C51 芯片的方案则是较好的选择。但无论选择哪种方案，智能电子密码锁系统都将为用户提供更加安全、便捷的体验。

2 硬件设计

2.1 主控芯片

在智能电子密码锁系统的硬件设计中，主控芯片的选择至关重要，STM32F103 系列芯片以其高性能、低功耗、丰富的外设资源，成为智能电子密码锁系统设计中的热门选择。本文将重点介绍STM32F103 系列芯片在不同存储容量下的应用，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 系列中容量较小的芯片有STM32F103C8T6（64 kB）和STM32F103CBT6（128 kB），适用于对存储空间要求不高的智能密码锁系统，这类芯片虽然存储容量较小，但可以满足基本的密码存储和运算需求。在设计时，工作人员通过优化代码和数据结构，充分利用芯片的存储资源，降低芯片的成本，有助于控制整个系统的成本。STM32F103 系列容量较为平均的芯片主要包括STM32F103RBT6（128 kB）和STM32F103RCT6（256 kB），其可以提供大量存储空间并且处理能力强，这类芯片适用于需要存储较多用户信息和复杂算法的智能密码锁系统。在设计时，需考虑增加用户管理、密码策略设置等功能，以提升系统的智能化水平。STM32F103 系列高容量的芯片有STM32F103RET6（512 kB）和STM32F103VET6（512 kB），其拥有最大的存储空间和最高的处理性能，主要被应用于高端智能密码锁系统，具有支持复杂的安全算法、多用户管理、远程控制等功能[2]。因此，工作人员在设计时，需充分利用芯片的高性能，实现更加安全和便捷的用户体验，系统硬件设计图如图1 所示。

2.2 报警电路

智能电子密码锁系统通常由控制模块、输入模块、显示模块和报警模块组成。其中，报警模块在检测到非法操作或错误输入时，能够及时发出警报，起到威慑和提醒的作用。报警电路核心组件是0905 有源蜂鸣器，这种蜂鸣器体积小、功耗低，适合集成在紧凑的电子密码锁系统中。由于0905 有源蜂鸣器的工作电压为3 V，因此在设计电路时，需要确保电源电压稳定在3 V，工作人员要使用稳压芯片或者电池供电来保证电压的稳定性。由于有源蜂鸣器内部已经集成了驱动电路，因此无须外部复杂的驱动电路设计，只需通过单片机的输入/ 输出（input/output，I/O）口输出高低电平信号，即可控制蜂鸣器的鸣叫。在单片机程序中，需要编写相应的控制逻辑，当检测到密码输入错误或非法操作时，单片机输出高电平信号，驱动蜂鸣器发出警报。为了适应不同的使用环境和用户需求，需设计简单的音量调节电路，通过改变驱动信号的占空比或频率，合理地调节蜂鸣器的音量。在实际电路设计中，要选择合适的电源管理芯片，确保输出稳定的电压，再将0905 有源蜂鸣器连接到单片机的I/O 口，通常是连接到单片机的一个通用输入/ 输出（general purpose input/output，GPIO）引脚。在单片机程序中编写相应的代码，当检测到异常情况时，该GPIO 引脚可以输出高电平，驱动蜂鸣器发出声音。通过上述设计，基于单片机的智能电子密码锁系统的报警电路能够有效实现警报功能，提高了系统的安全性能。0905 有源蜂鸣器的使用不仅简化了电路设计，而且提高了系统的可靠性。随着技术的不断进步，智能电子密码锁系统的报警电路设计也将更加智能化[3]。

2.3 储存电路

在智能电子密码锁系统中，储存电路的主要功能是安全地存储用户的密码信息和系统的配置数据。采用带电可擦写可编程只读存储器（electricallyerasable programmable read only memory，EEPROM）设计可以确保数据的安全性，选择合适的EEPROM型号时，需要考虑存储容量、读写速度、工作电压、封装形式等因素。对于密码锁系统，EEPROM容量为几kB 到几十kB 就可以满足使用需求。EEPROM 与单片机的接口设计需要确保数据的稳定传输，常见接口有集成电路总线（inter-integratedcircuit，I2C）、串行外设接口（serial peripheralinterface，SPI）等，设计时应根据单片机的接口资源和EEPROM 的接口类型进行匹配。为了保证数据的安全，储存电路需要有良好的电源管理设计，在系统掉电时应确保EEPROM 中的数据不会丢失。设计中应包含数据保护机制，如写保护、数据校验等，以防止数据被意外修改或损坏[4]。具体的实现步骤：①硬件连接。将EEPROM 通过I2C 或SPI接口与单片机连接，确保连接正确。②软件编程。编写单片机程序，实现对EEPROM 的读写操作。程序应包括初始化、写入数据、读取数据、数据校验等功能。③测试验证。在硬件设计完成后，进行系统测试，验证储存电路的稳定性和可靠性。测试包括正常操作下的数据读写以及异常情况下的数据保护功能测试。

3 软件设计

储存电路是智能电子密码锁系统的核心部分，它负责存储用户的密码信息、管理员信息以及指纹数据。在本系统中，采用具有非易失性的EEPROM作为储存介质，其能够在断电后保障数据不丢失。EEPROM 的地址分配和数据存储结构需要精心设计，以确保数据的安全性和读写效率。

第一，主流程设计。智能电子密码锁系统的主流程是整个软件运行的骨架。主流程通常包括系统初始化、用户输入检测、密码验证、开锁控制等步骤。在系统初始化阶段，单片机会配置各种外设，如液晶显示器（liquid crystal display，LCD）显示屏、按键、指纹模块等。用户输入检测阶段，系统会实时监控是否有按键输入或指纹识别请求。密码验证阶段，系统会将用户输入的密码与存储在EEPROM 中的密码进行比对。如果验证通过，则执行开锁控制，否则系统将提示错误信息[5]。

第二，管理员模式子程序设计。管理员模式是智能电子密码锁系统中的一个重要功能，它允许管理员进行密码的设置、修改和删除，以及指纹数据的录入和管理。管理员模式子程序需要设计一个安全的进入机制，通常是输入特定的管理员密码。进入管理员模式后，系统会提供一系列的菜单选项，供管理员操作。这些操作包括添加新用户、删除用户、修改密码、录入指纹等。

第三，指纹解锁子程序设计。指纹解锁是智能电子密码锁系统的一个高级功能，它通过指纹识别技术来提高密码锁的安全性。指纹解锁子程序首先需要调用指纹模块进行指纹采集，然后将采集的指纹数据与存储在EEPROM 中的指纹模板进行对比，如图2所示。如果匹配成功，则执行开锁操作；如果匹配失败，则提示用户重新尝试或使用其他解锁方式[6]。

4 结语

综上，随着科技的不断进步，智能电子密码锁作为一种新型的安全防护设备，已经广泛应用于家庭、办公室、酒店等多个领域。本文基于单片机技术，设计并实现一个智能电子密码锁系统，旨在提高锁具的安全性。然而，本研究也存在局限性，密码锁的密码输入方式较为单一，未来可以考虑增加生物识别技术，如指纹识别、人脸识别等，以提高其安全性。系统的远程控制功能尚未完善，这也是未来研究的重要方向。未来，将继续深入研究智能电子密码锁，不断优化设计，以期为用户提供安全的智能锁具解决方案。