陳陽+韓志宏+支澤云+盧佳藝

摘 要：出于提高安全性、便捷性與經(jīng)濟(jì)性考慮，設(shè)計了一種二級電子加密的機(jī)械鎖。鎖具主體上增加了直流電磁鐵鎖定機(jī)構(gòu)，電磁鐵的動作由STC89C52單片機(jī)控制；電子系統(tǒng)上電由鑰匙觸發(fā)，二級加密密碼由外接矩陣鍵盤輸入，并支持錯誤報警；鑰匙去除則斷電。系統(tǒng)電源由不間斷開關(guān)電源供給，以防止停電失效發(fā)生。

關(guān)鍵字：電子加密；機(jī)械鎖；直流電磁鐵

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，時代變遷，生活水平的提高，物質(zhì)生活的要求也越發(fā)突出，人們尤其對住宅安全問題看的很重。安全問題與人們的生活幸福指數(shù)緊密相關(guān)，鎖具的應(yīng)用在人們的生活中也極為普遍[1]。在大多數(shù)的失竊事件中，鎖具被失效是主要的發(fā)生方式。盡管市面上不斷涌現(xiàn)出性能更強(qiáng)大的鎖具，但精密機(jī)構(gòu)的應(yīng)用推高了鎖的價格（如AB鎖）、多級保護(hù)設(shè)計帶來了開鎖過程的煩瑣（如轉(zhuǎn)盤密碼鎖）。

此外，市面上家用安全門的鎖具普遍都是一級加密，即只用鑰匙轉(zhuǎn)動鎖芯就可以開鎖。當(dāng)發(fā)生鑰匙丟失，且被他人利用，安全問題除了更換鎖具別無他法。對于高端的虹膜驗證、指紋驗證等安防措施，一是存在經(jīng)濟(jì)性的制約（消費不起），二是人體狀況的制約（受傷或炎癥），三是對特殊人群不適合（比如說殘障人員）。設(shè)計一種操作便捷、價格經(jīng)濟(jì)且安全性高的鎖具個有重要的現(xiàn)實的意義和經(jīng)濟(jì)價值。

1 整體功能設(shè)計

為了提高設(shè)計經(jīng)濟(jì)性，采用在傳統(tǒng)的B級彈子鎖上加裝二級鎖定機(jī)構(gòu)。在鎖具體尾端加工直通內(nèi)圈的盲孔，由電磁鐵驅(qū)動的滑塊條在彈簧作用下伸入孔中，實現(xiàn)鎖具體的鎖死。電磁鐵上電吸合，滑塊條移出，鎖具恢復(fù)正常。

電磁鐵選用直流伸縮型，并通過外接光敏隔離電路與直流穩(wěn)壓電源相聯(lián)，動作由單片機(jī)信號端口驅(qū)動在鎖具體尾端中部還加裝有分立彈簧導(dǎo)電塊，與電源正級相連；鎖具體外圈定子塊尾端加裝有導(dǎo)電塊，與直流轉(zhuǎn)換電路的5V端輸出端相連。分別與開關(guān)電源的二端相連。

系統(tǒng)控制采用STC89C52單片機(jī)，外接4×4矩陣鍵盤和LCD1602液晶顯示屏，并加裝有蜂鳴報警器。。電源選用12V穩(wěn)壓開關(guān)電源（具有斷電蓄能器）對直流電磁鐵、蜂鳴報警器供電；通過LM7805CT模塊將12V轉(zhuǎn)5V電路，對單片機(jī)、液晶顯示屏供電。

鑰匙的插入觸發(fā)電路導(dǎo)通，單片機(jī)上電，液晶顯示屏點亮并提示輸入密碼；密碼輸入并確認(rèn)，系統(tǒng)開始進(jìn)行比對，比對正確則輸入動作信號，電磁鐵上電吸合，鎖具解鎖；如果連續(xù)三次比對錯誤則進(jìn)行延時鎖死狀態(tài)，記時器啟動，鎖死時間可自行設(shè)計并調(diào)整。密碼設(shè)置支持多組不同密碼記憶，以避免密碼忘記事故發(fā)生。解鎖后2分鐘內(nèi)，轉(zhuǎn)動鑰匙即可正常開鎖。在鑰匙插入且開鎖狀態(tài)下可以進(jìn)行密碼的設(shè)置與重置操作，從而實現(xiàn)鎖具加密的私人定制功能。

鑰匙一旦拔下，則系統(tǒng)斷電，電磁鐵在彈簧作用下推桿伸出，實現(xiàn)鎖具鎖死。屋內(nèi)鎖頭上裝有電磁鐵彈簧的撥叉裝置，同傳統(tǒng)鎖具相類似。

2 鎖具體結(jié)構(gòu)

鎖具的主體結(jié)構(gòu)如圖1中所示。鑰匙插入后壓到分立導(dǎo)電塊上，以鑰匙頭部、鎖具外圈（定子）、內(nèi)圈（轉(zhuǎn)子）作為導(dǎo)體，實現(xiàn)了系統(tǒng)電路的導(dǎo)通，單片機(jī)上電。為了防止非工作期間的電路導(dǎo)通和人體觸電，鎖具體外部加裝絕緣層實現(xiàn)與門體的隔離，鑰匙柄部包覆絕緣橡膠層。

分立導(dǎo)電塊采用彈簧結(jié)構(gòu)，以提高導(dǎo)電的可靠性，并避免對鑰匙長度的精度要求。鎖緊槽為由貫通外圈定子塊到內(nèi)圈表面的盲孔，孔徑由推桿直徑確定。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)電路以STC89C52單片機(jī)為核心，具體可分為直流轉(zhuǎn)換模塊、電磁鐵驅(qū)動模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、報警模塊等，簡單介紹如下。

3.1 直流轉(zhuǎn)換模塊

直流轉(zhuǎn)換模塊的電源為12V的穩(wěn)壓直流電源，由于系統(tǒng)電路單片機(jī)的供電電壓不能超過5V，所以利用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805將12V電源電壓轉(zhuǎn)換成5V的單片機(jī)輸入電壓。

3.2 電磁鐵驅(qū)動模塊

電磁鐵驅(qū)動模塊的電路如圖2中所示。當(dāng)鍵盤輸入密碼經(jīng)過多次比對顯示正確后，單片機(jī)STC89C52將微控制信號傳遞給電磁鐵驅(qū)動模塊，由驅(qū)動電路驅(qū)動電磁鐵吸合；多次輸入錯誤密碼，信號不能傳遞，驅(qū)動電路無法工作。在圖2電磁鐵驅(qū)動模塊電路中，T11和T12分別選用小功率三極管9013和中功率三極管2SC3358。D5為發(fā)光二極管作為電磁鐵吸合指示燈，D6和C24并聯(lián)在電磁鐵兩端是為了消除可能產(chǎn)生的反向高電壓和電磁干擾。電磁鐵驅(qū)動模塊的輸入電壓為12V穩(wěn)壓開關(guān)電源，保證了該模塊工作的穩(wěn)定性。

3.3 輸入鍵盤模塊

矩陣鍵盤的電路如圖3所示，各個按鍵對應(yīng)單片機(jī)STC89C52電路板的各個引腳[2]。鍵盤共有16個鍵，其中包括修改密碼及管理密碼等功能的10個數(shù)字鍵和6個功能鍵：確認(rèn)、刪除、F1、F2、F3、F4。確認(rèn)鍵是對正確信息的運行；刪除鍵即刪除前一操作；F1鍵是開碼鍵，按下即可進(jìn)入輸入密碼界面；F2鍵為密碼管理鍵，可提供密碼刪除，密碼添加，密碼儲存等功能；F3鍵為密碼修改鍵；F4鍵為恢復(fù)出廠設(shè)置鍵，可清除所有之前儲存的密碼信息。

3.4 顯示模塊

設(shè)計中采用的是字符型液晶模塊LCD1602[3]。P1口與1602液晶模塊的數(shù)據(jù)口連接傳輸數(shù)據(jù)。P3口分別控制RS、RW和使能端，RS為寄存器選擇。開鎖時，鑰匙正確插入導(dǎo)通電子控制部分，利用鍵盤上的9個數(shù)字鍵輸入密碼，每按下一個數(shù)字鍵后在顯示器上顯示一個*，輸入多少位就顯示多少個*。當(dāng)密碼輸入完成時，如果輸入的密碼正確的話，使能端E端由高電平變成低電平，液晶模塊執(zhí)行命令，LCD顯示屏?xí)@示“UNLOCK OK”，燈亮。如果密碼錯誤，使能端輸出的還是高電平，LCD顯示屏?xí)@示“ERROR”，鎖不能打開。通過LCD顯示屏，可以清楚地判斷出密碼鎖所處的狀態(tài)。

3.5 報警模塊

系統(tǒng)為了防止他人非法開鎖，設(shè)計了報警模塊，由蜂鳴器發(fā)聲作為警示。蜂鳴器接在STC89C52的P3.4引腳上，通過三極管T13將電流放大[4]，由單片機(jī)控制蜂鳴器的頻率和蜂鳴時間。出現(xiàn)三次密碼輸入錯誤，則啟動延時并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲。

4 程序流程圖設(shè)計

程序部分的設(shè)計是以單片機(jī)C語言為基礎(chǔ)，以主程序為核心，設(shè)置拓展功能的子程序。其流程圖如圖6。系統(tǒng)的主要流程包括：系統(tǒng)初始化、LCD1602的讀寫、EEPROM的讀寫、密碼管理，密碼校驗、延時報警等幾個部分。

系統(tǒng)允許多用戶分別設(shè)置不同的密碼，以避免密碼忘記的事情發(fā)生。在密碼校驗時，系統(tǒng)會依次與密碼表中數(shù)據(jù)字串進(jìn)行比對，如果正確，則可進(jìn)入開鎖操作；如果密碼表中的所有字串均比對錯誤，則會觸發(fā)錯誤次數(shù)計數(shù)器工作。如果連續(xù)發(fā)生三次錯誤輸入，則系統(tǒng)進(jìn)入延時等待循環(huán)并報警，延時定時器的時間可自行設(shè)計。

所有的密碼表設(shè)置、密碼修改、報警時長設(shè)置及系統(tǒng)復(fù)位等操作，均需要在鑰匙插入且開鎖狀態(tài)下才可以進(jìn)行。

具體程序，限于篇幅，略。

5 結(jié)論

所設(shè)計的二級電子加密機(jī)械鎖，在傳統(tǒng)的鎖具上加裝了電子先導(dǎo)控制，實現(xiàn)高安全性加密，經(jīng)濟(jì)性地提高鎖具的安全性；針對鑰匙丟失情形，增加了二級防護(hù)，只要電子密碼不同時泄漏，依舊安全；電子密碼可方便修改，支持密碼的私人定制。由于該設(shè)計只是在傳經(jīng)鎖具上進(jìn)行功能疊加，具有良好的可移植性，有著良好的社會效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)價值。

參考文獻(xiàn)

[1]傅強(qiáng)，唐嵐，張興敢.一種新型電子機(jī)械鎖的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：171-174.

[2]徐緯.51單片機(jī)綜合學(xué)習(xí)系統(tǒng)--矩陣鍵盤篇[J].電子制作，2007（11）.

[3]太陽人電子.SMC1602A LCM使用說明書[Z].長沙，太陽人電子，2006.

[4]蔣立培，曹建樹，付小美.單片微機(jī)系統(tǒng)實用教程[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

作者簡介

陳陽（1995-），男，本科，就讀于景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

韓志宏（1975-），男，副教授，就職于景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

支澤云（1995-），男，本科，就讀于景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

盧佳藝（1996-），女，本科，就讀于景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院