基于STC89C52RC的智能電子鎖設(shè)計

楊清志　徐宏

【摘? ?要】? ?設(shè)計一種基于STC89C52RC單片機的廉價智能電子鎖。采用單片機作為控制核心，可通過編程選擇實現(xiàn)修改開鎖模式和異常開鎖報警等功能，相比于市場上同類產(chǎn)品，使用更靈活、安全性更高、成本更低，具有較高的實用價值。

【關(guān)鍵詞】? ?指紋識別;矩陣鍵盤;STC89C52RC;報警

Design of An Intelligent Electronic Lock Based on STC89C52RC

Yang Qingzhi， Xu Hong

（Bozhou Vocational and Technical College， Bozhou 236800， China）

【Abstract】? ? This paper designs a cheap intelligent electronic lock based on STC89C52RC. Compared with the similar products in the market， this design adopts the one-chip computer as the control core. It has some practical functions， such as selecting and modifying the unlocking mode through programming and abnormal unlocking alarm. It has characteristics like flexibility of usage， high standard safety and low cost， thus holding high practical value.

【Key words】? ? ?fingerprint identification; matrix keyboard; STC89C52RC; alarm

0? ? ? 引言

傳統(tǒng)的機械鎖或智能IC卡鎖需要配備鑰匙，使用不便，特別是對于實驗室、辦公室、機房等相對重要而門鎖又較多的場所，管理人員往往需要配備大盤鑰匙。工作人員時常會因為遺忘鑰匙或IC卡損壞等原因而無法開門，同時還存在因丟失鑰匙而造成的安全隱患。為了克服這一缺點，目前市場上已推出了無需利用鑰匙開鎖的指紋鎖和電子密碼鎖，因其使用方便、安全高效而成為一種趨勢。但目前市場上的指紋鎖或電子密碼鎖價格普遍較高，且開鎖模式單一、使用不夠靈活[1-2]。針對這種情況，本文用FPM10A模塊進行指紋采集，用矩陣鍵盤進行密碼輸入，用STC89C52RC單片機作為控制器，設(shè)計了一種廉價的智能電子鎖。設(shè)計的電子鎖成本較低、安全性能高，能實現(xiàn)異常開鎖報警，同時預(yù)留了其他功能開發(fā)，具有較高的實用價值。

1? ? ?系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計由指紋模塊、密碼鍵盤、功能切換按鍵、存儲模塊、主控單片機、聲光報警器、液晶顯示器以及電源模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本工作原理是：存儲模塊存儲程序設(shè)置參數(shù)，包括開鎖模式、指紋信息和密碼信息。主控單片機將輸入部分的輸入信息，根據(jù)程序設(shè)置與存儲信息進行對比、確認(rèn)，然后將處理結(jié)果送給輸出部分進行相應(yīng)操作。其中，輸入部分包括指紋信息獲取模塊、密碼輸入鍵盤和功能選擇切換按鍵。為了開鎖方便，系統(tǒng)默認(rèn)首選指紋開鎖，然后是密碼開鎖。若要進行其他操作，可按下功能切換鍵進入管理模式，此時需要輸入超級密碼，驗證通過后可進行指紋錄入與刪除、開鎖密碼修改、臨時開鎖密碼設(shè)置以及開鎖模式修改等，比如為了增強安全性，可以將默認(rèn)的“指紋或密碼”的開鎖方式修改為“指紋+密碼”的開鎖方式?？刂撇糠植捎肧TC89C52RC單片機作為控制核心，根據(jù)程序設(shè)置輸入指令執(zhí)行相應(yīng)操作。輸出部分包括報警器、顯示器和繼電器控制，報警器進行開鎖異常情況報警，比如連續(xù)三次輸入指紋或密碼錯誤;顯示器顯示輸入信息;繼電器用于控制電磁鎖開鎖機構(gòu)的動作。由于各個模塊的工作電壓不完全相同，由電源管理模塊完成各模塊的供電管理。

2? ? ?硬件選擇與設(shè)計

2.1? ?指紋識別模塊

本設(shè)計中指紋識別模塊選用技術(shù)比較成熟的FPM10A型光學(xué)指紋識別模塊[3]，該模塊圖像錄入快，存儲容量大（最大可達880枚指紋信息），錯誤接受率 （False Acceptance Rate，F(xiàn)AR）<0.001%，錯誤拒絕率 False Rejection Rate，F(xiàn)RR）<1.0%，工作電壓3.6 ～ 6V，設(shè)計中采用5.0V電壓供電，其電路如圖2所示。

2.2? ?密碼鍵盤

本設(shè)計的密碼鍵盤采用4×4矩陣鍵盤[4]，各鍵代表的符號意義如圖3所示，電路設(shè)計如圖4所示。密碼鍵盤工作原理是：第一步，判斷是否有按鍵。若有按鍵會使該鍵所在的行線和列線電平發(fā)生變化;第二步，判斷按鍵所在位置。根據(jù)行線和列線電平變化，尋找該鍵所在位置;第三步，建碼計算。根據(jù)各鍵所代表的符號及意義，執(zhí)行相應(yīng)操作，若按鍵為特殊功能鍵（“確定”、“取消”、“退出”、“重置”）會進行即時操作，其中“重置”為管理員模式，需要輸入超級密碼，然后進入管理模式。若按鍵為普通符號鍵（“0～9”及“*”和“#”）則按順序排列記憶存儲，直至按下“確認(rèn)”鍵結(jié)束，然后與存儲的密碼進行對比確認(rèn)，執(zhí)行后續(xù)開鎖、報警等操作。為了安全起見，若按鍵后超過10秒無操作，系統(tǒng)自動退出。

2.3? ?電磁鎖控制模塊

本設(shè)計采用繼電器控制電磁鎖鎖舌的動作，電路設(shè)計如圖5所示[5]。為了安全起見，保證電磁鎖的可靠動作，設(shè)計采用電源適配器提供12V直流電壓對電磁鎖供電，繼電器則采用5V直流電壓供電。當(dāng)接收到開鎖指令后，單片機會通過P2.2口輸出一個低電平信號使光耦得電導(dǎo)通，從而接通繼電器工作，執(zhí)行開鎖操作。未接到開鎖指令時，P2.2口為高電平，光耦不工作，電磁鎖處于閉鎖狀態(tài)。

2.4? ?存儲模塊

本設(shè)計的存儲模塊采用AT24C02[6]。AT24C02采用低功耗CMOS工藝，具有100萬次擦寫周期，數(shù)據(jù)保存達100年，不會因為斷電而丟失數(shù)據(jù)，完全滿足設(shè)計需要，且價格相對較低。AT24C02模塊的SDA（管腳5）和SCL（管腳6）分別于單片機的P3.5和P3.4口連接，連接電路如圖6所示。

2.5? ?單片機及其外圍電路

本設(shè)計沒有太復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算，但要求可靠性高。綜合比較各種微控器，選用宏晶公司的8位增強型單片機STC89C52RC[7-8]。該單片機技術(shù)成熟、成本低，自帶ADC，簡化外圍器件設(shè)計。信息存儲采用AT24C02模塊，液晶顯示器采用LCD1602顯示器，報警器采用聲光報警，當(dāng)輸入指紋或密碼連續(xù)三次錯誤時，輸入模塊強制退出，同時單片機會通過P2.1端口輸出一個低電平信號使三極管Q2導(dǎo)通，接通聲光報警器進行聲光報警。

2.6? ?電源模塊

本系統(tǒng)設(shè)計中，電磁鎖采用12V電壓供電，可直接采用電源適配器供電，單片機和繼電器、顯示器等外圍器件采用5V電壓供電，設(shè)計采用LM2596-5模塊將電源適配器輸出電壓轉(zhuǎn)化成5.0V電壓[9]。

3? ? ?程序設(shè)計

3.1? ?默認(rèn)解鎖程序

考慮到指紋解鎖快捷、方便，系統(tǒng)首選指紋解鎖，如果指紋識別模塊無動作則進入到密碼解鎖。指紋解鎖中，如果指紋比對失敗會通過液晶顯示器進行提示，超過三次則關(guān)閉指紋識別模塊。考慮到指紋模塊可能會因為手指出汗等原因比對失敗，此時不報警，提示選擇輸入密碼解鎖。密碼解鎖中，設(shè)置了6位由“0”～“9”及“*”和“#”12個符號組成的普通解鎖密碼和臨時解鎖密碼，位數(shù)過低會降低安全性，位數(shù)過高又會影響工作效率與可靠性。若選擇“重置”鍵則進入管理員模式，可進行密碼修改、指紋錄入與刪除等操作，此時需要輸入9位超級密碼。無論是普通解鎖密碼、臨時解鎖密碼還是超級密碼，輸入錯誤系統(tǒng)會進行提示，如果錯誤輸入超過三次則自動關(guān)閉解鎖系統(tǒng)，同時啟動聲光報警。聲光報警器延時10秒退出，解鎖系統(tǒng)關(guān)閉150秒后恢復(fù)待機狀態(tài)，系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

3.2? ?重置與拓展功能

為了增加系統(tǒng)使用的靈活性，本系統(tǒng)設(shè)計的程序可以進行修改、重置。

（1）修改密碼。在不太重要的場合，可以采用4位密碼，快速高效。同樣，在重要的場合可以采用9位密碼及更多位數(shù)的超級密碼。臨時密碼默認(rèn)使用一次即失效，也可以改為按時間記憶，比如啟動12小時后失效。

（2）開鎖模式。在非常重要的場合，為了提高安全防護級別，可以采用“密碼+指紋”的方式開鎖。此時安全級別高，不設(shè)置臨時密碼，開鎖時系統(tǒng)首先驗證密碼，三次錯誤即報警。然后再次驗證指紋（管理員模式的超級密碼除外），三次比對錯誤也報警。但“密碼+指紋”的驗證方式要確保指紋錄入無誤，手指不能有汗?jié)n、油污及傷口等。

（3）功能拓展。由于采用單片機作為控制器，這種智能電子鎖可以通過無線通信的方式與其他設(shè)備建立聯(lián)系，實現(xiàn)遙控解鎖。比如手機終端解鎖、紅外遙控器解鎖等[10-11]。

4? ? ?系統(tǒng)測試

為檢驗設(shè)計的可靠性，進行了系統(tǒng)的硬件測試。針對預(yù)定的指紋解鎖、密碼解鎖以及錯誤報警等功能進行逐一測試，結(jié)果顯示，系統(tǒng)誤動和報警器誤報均為零，證明了系統(tǒng)工作的可靠性。

5? ? ?結(jié)語

本文設(shè)計的智能電子鎖利用指紋或密碼即可開鎖，無需配備鑰匙或IC卡等開鎖裝置，使用方便，符合門禁系統(tǒng)發(fā)展趨勢;采用單片機作為控制核心，可以通過程序設(shè)定選擇和修改開鎖模式，使用靈活，安全性高;設(shè)計的智能鎖利用單片機與外界的通信鏈接，很容易與智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈等深度融合，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制與報警等功能拓展，有著廣闊的應(yīng)用前景。

[參考文獻]

[1] 張萍，馬樹軍，史可福.基于51單片機的指紋電子密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2018（8）：134-138+161.

[2] 李永偉.基于STC89C52的電子指紋密碼鎖設(shè)計[J].太原學(xué)院學(xué)報，2017（4）：44-47.

[3] 楊鵬飛，聶亮，陳靖，等.基于STC89C52單片機的指紋密碼鎖系設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020（5）：81-83+86.

[4] 劉志君，王亭.基于單片機的密碼鎖設(shè)計[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報，2017（12）：7-9.

[5] 楊清志，王杰.基于SHT21的中藥材倉庫溫濕度無線監(jiān)控與自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，16（2）：36-39.

[6] 徐金榮，高磊. 多功能生物識別智能鎖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（16）：78-81.

[7] 楊清志，孫式運.基于熱釋電傳感器多點監(jiān)控與無線報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].曲靖師范學(xué)院學(xué)報，2017（3）：49-52.

[8] 楊清志，張喜紅.基于STC89C52輸液監(jiān)測報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015，

15（6）：51-54.

[9] 楊清志，蔣偉，許春雷.基于多智能體的交直流混合微電網(wǎng)監(jiān)控設(shè)計與分層控制研究[J].高電壓技術(shù)，2020，

46（7）：2327-2339.

[10] 馮蓉珍. 基于51單片機和無線通信的紅外智能密碼鎖設(shè)計 [J].甘肅科技縱橫，2019（4）：1-3.

[11] 鄢秋榮，馬耀中，柏歡，等. 基于STM32單片機和移動通信模塊的門戶智能鎖網(wǎng)絡(luò)[J].實驗室研究與探索，2016（3）：115-118+146.