高可靠性电子锁设计

张永强

（中北大学电子测试技术国家重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

随着人们生活质量的提高，科学技术也在飞速的进步，但是高科技盗贼也出现在我们的和谐的社会中，这使得如何实现安全有效的防盗受到越来越多人的关注。传统的机械锁由于其结构限制而使其安全性得不到大幅度有效提高，被撬的事件屡见不鲜，而电子锁因其保密性强，使用灵活性好，安全系数高，受到广大用户的欢迎。现在市场上就已经出现了各种各样的电子锁，有语音锁，指纹锁，电脑感应锁，录像报警锁等。这些锁具出现后，成功的把不少盗贼拒之门外了，但还有少部分高智商的犯罪分子仍然无视他们的存在。究其主要原因是国家要求电子锁必须有可以用机械方法开启的装置,如此的结果就是电子锁无法体现防技术开启的优点，本设计思路不但提高了电子锁部分的防技术开启性能，而且也提高了机械部分的防技术开启的性能。

1 电子锁的整体设计

1.1 电子锁的结构

电子锁的一般结构如图1所示。

电子锁的控制部分由输入、存储、编码、鉴别、抗干扰、驱动、显示和报警等单元组成。其中，编码和鉴别电路是整个控制部分的核心。而电源则是电子锁控制部分和执行部分都必不可少的。

图1 电子锁的一般结构

电子锁的执行机构一般采用电磁铁或微型电动机拖动锁体。

1.2 电子锁的设计

该电子密码锁利用单片机作为主控核心，单片机（AT89S51）所具有的特殊功能使得电子密码锁的保密性能大大加强，这样就可以有效地防止多次试探密码的可能性。随着单片机和其他智能芯片的进一步开发，防盗锁将实现智能化，这将使锁的安全性能大大提高。本设计实现密码一次输入的提示功能，若密码输入不正确将发出“嘀嘀”的报警声，引起他人警觉。同时可添加外围设备实现远程报警（如添加继电器一类设备可以连接到主人的电话上，使主人知道家里有人非法操作，及时报警）。若密码输入正确将发出“叮咚”的门铃声。本系统使用的单片机所具有强大的功能能够实现智能控制用来完成密码的输入、判断和比较从而执行相应的开锁显示或报警等功能[1]。

2 电子锁的具体设计

2.1 硬件设计

本设计由单片机（AT89S51）部分、4×4行列式键盘部分、七段数码管部分、报警器部分、电机驱动芯片，以及电机6个部分所组成。

2.1.1 硬件设计原理结构框图

硬件设计原理结构框图如图2所示。

图2 硬件设计原理结构框图

2.1.2 单片机部分

主控器件是单片机，AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k字节的可编程系统的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，既可在线编程(ISP)也可用传统方法进行编程[2]。

2.1.3 各元器件（芯片）选型

(1)本设计采用4×4行列式键盘共计数字键10个，功能键6个，用4×4组成0～9数字键、确认键F及修改键C，10个数字键用来输入密码，另外6个功能键分别是：A、B、C、D、E、F。其中C键的功能是当输入密码错误的时候，清除前面已经输入的数据，重新输入。F键的功能是确认输入的密码[3-4]。

(2)数码管选用共阴极4位一体数码管SR420561K。

(3)电机驱动芯片选用比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N。

(4)电路中设计了ISP下载器的接口，选用了ISP-USB下载线。

(5)电子锁采用的电动机需要体积小、效率高、启动力矩大，而录音机里的电动机就符合这一特点。最终选定电动机为录音机电动机EG-530AD-6B，该电机工作电压6V，转速2400转/分，方向CCW（反时针）。

(6)这里传动部件选用塑料齿轮，定好传动比，直接从市场上选取。

(7) 电子锁锁体、锁舌与普通弹子锁的结构、材料没有特别要求，故这些元件可直接用改造的普通弹子锁的即可[5]。

2.1.4 系统板上硬件连线

(1) 把4×4行列式键盘中的4条横线、4条竖线分别连接到 P3．0-P3．3 和 P3．4-P3．7上，用来完成密码的输入。

(2) 把“单片机系统”区域中的P0．0用导线连接到报警器上，用来提示密码输入的正确或错误并发出相应的声音。

(3) 把“单片机系统”区域中的 P1．0—P1．7用导线连接到数码管显示器的另一端，用来实现数码管的显示。

(4) 把“单片机系统”区域中的 P2．0—P2．7用导线连接到三极管的一端通过三极管放大输入到数码管显示器上，由“单片机系统”区域中的P1口和P2口共同来完成数码管的显示。

(5) 把“单片机系统”区域中的 P0．1—P0．3 用导线连接到L298N芯片上，用来实现开锁的控制。

2.2 软件设计

本设计是以AT89S51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加声光提示甚至添加远程遥控控制功能。设计程序的内容为：① 密码的设定，在此程序中密码是固定在程序存储器ROM中，密码为6位。②密码的输入问题：根据事先设计好的密码输入，输完后按确认键将执行相应的功能。本系统源程序采用C语言编写[6]，设计程序流程总框图如图3所示。

2.2.1 键盘输入部分

本系统中键盘采用4×4行列式键盘。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能[7]。

图3 程序流程总框图

2.2.2 数码显示部分

本系统采用的是8位数码管组成的显示电路作为提示信息，初始化时，显示“P”，接着输入最大的6位数的密码，当密码输入完后，按下确认键“F”，进行密码比较，当输入密码正确时在数码管上显示“1HELLO”的提示信息，当输入密码错误时在数码管上显示“2ERROR”的提示信息。在输入密码过程中，每输入一位密码显示器上只显示一个“8．”从右到左依次显示。当输入密码位数超过6位时，给出报警信息。在密码输入过程中，若输入错误，可以利用“C”键删除刚才输入的错误的数字。在输入密码的过程中可以随时对输入的密码进行修改。

2.2.3 蜂鸣器声音提示部分

本系统把P0．0用作蜂鸣器报警的接口，对输入的密码与设定的密码进行比较，若密码正确，蜂鸣器发出“叮咚”声；若密码不正确，蜂鸣器发出“嘀、嘀”报警声。

2.2.4 电机驱动部分

本系统把P0．1-P0．3接到电机驱动芯片上，通过程序驱动电机转动，当密码正确时则电机转动。

3 电子锁功能测试与扩展改进

3.1 电子锁功能测试

根据编程设定一个初始密码123456，采用4×4行列式键盘实现密码的输入功能，如图4所示。初始化时，显示管显示“P”，密码输入时显示管只显示“8．”，当输入密码完成后按F键确认，密码正确时数码管显示“1HELLO”，同时发出“叮咚”声，并驱动电机开始转动，这时可实现开锁；电机转后停下，若按下关锁键A，则电机反转，可实现关锁。若密码输入不正确则显示“2ERROR”作为提示信息，同时发出“嘀、嘀”报警声。在密码输入的过程中可使用C键对输入的密码进行修改。开锁后，可以按D键来设定新密码。可以用B键来作为开关键，开关电源。E键返回上一级页面。按以上步骤和操作测试，系统运行正常，基本功能可以实现。

图4 按键键盘

3.2 电子锁扩展改进

从发明电子锁之日起，设计人员就不断扩展其功能，使简单的电子锁演变为多功能型电子锁，继而又开发出智能型电子锁——入门控制系统和身份识别系统。

入口控制系统的典型代表是卡阅读系统。卡阅读器用一类类似信用卡的塑料卡来代替机械钥匙，阅读机的面板上包含一个窄的缝隙，可以插入代码数字各不相同的卡片。卡阅读器被连接到中心控制计算机上。卡阅读系统可以编程允许每个人在规定的时间内进入指定的房间，实现所谓的时间上的多级进出控制。系统能打印出在指定时间内进出人员的清单。卡阅读的另一个重要功能是同一张卡不可以为两个人先后使用。如若卡片被两次记录“IN”，则系统发出警报。当编码卡遗失或被偷，或当某个人的进出权限已经变化或结束时，可由卡控制器重新编程使该卡立即失效。

由于对人的生理特征检测技术的发展，入口控制系统已经发展成人员身份识别系统。它利用计算机识别模式技术，对人的生理特性进行验证，如指纹、掌纹、手形、声纹、视网膜图和签字等，其真实可靠性已被人们所普遍接受，因为生理特性难以模仿或被变换。身份识别验证的最好办法是利用人的生理特性和卡片、口令、身份标识数等组合，组成一个高度安全的入口控制系统——智能电子锁。

还可以在以下方面改进：无论内层门把何时使用，门会自动上锁，并且安全门把将防御任何非法闯入，当监测到门处于关闭状态的时候会自动锁住。当门锁电量不足时，会发出警报和在LED屏幕上显示警告。若电池电量完全用完，也可很轻易使用9 V标准电池作为紧急电源供给门锁使用[8]。

4 结束语

本设计充分利用了AT89S51系统单片机软、硬件资源，引入了智能化分析功能，提高了系统的可靠性和安全性。另外，智能密码锁在软、硬件方面稍加改动，便可构成智能化的分布式监控网络，实现某一范围内的集中式监控管理，在金融、保险、军事重地及其他安全防范领域具有广泛的应用前景。

[1] 咸俊伟,陈波,梁书旺．基于AT89C51的红外遥控电子密码锁的设计[J]．科技信息,2008(29):67-569．

[2] 李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2005．

[3] 齐向东,刘立群．单片机控制技术实践[M]．北京:中国电力出版社,2009:251-263．

[4] 顾光旭．智能密码电子锁设计[J]．盐城工学院学报,2009,22(1):49-55．

[5] 李明喜．新型电子密码锁的设计[J]．机电产品开发与创新,2004,17(3):40．

[6] 宋彩利,孙友仓,吴宏岐．单片机原理与C51编程[M]．西安:西安交通大学出版社,2008:73-75,181-183．

[7] 毕满清．电子技术试验与课程设计[M]．北京:机械工业出版社,2006．

[8] 林丽纯．基于iButton的新型电子锁控制器设计[J]．广东工业大学学报,2009,26(2):98-100．