基于單片機的現(xiàn)場無電源電子密碼鎖設(shè)計

2010-04-12 00:00:00馬秀軍1,孫士明,吳娟,謝星周

現(xiàn)代電子技術(shù) 2010年9期

摘要:在野外環(huán)境中往往不能方便地提供電源，傳統(tǒng)由控制部分提供的電源，電子鎖已不適用。介紹一種由手持部分提供電源，通過電源線完成通信功能的電子密碼鎖設(shè)計，解決了現(xiàn)場不能提供電源的問題。重點分析了發(fā)送電路、接收電路、倒向電路、電機保護電路以及系統(tǒng)的通信協(xié)議。該系統(tǒng)已在多個場所得到應用，其使用方便、安全可靠，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞:電子密碼鎖; STC12C2052; 倒向電路; 通信協(xié)議

中圖分類號:TP29 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0177-03

Design of Field Powerless Electronic Secure Code Lock Based on SCM

MA Xiu-jun1， SUN Shi-ming1， WU Juan2， XIE Xing-zhou3

(1. Department of Computer and Communication Engineering， China University of Petroleum， Dongying 257061， China;

2. Dongxin Oil Plant， Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257000， China;

3. Gudao Oil Plant， Sinopec Shengli Oilfield Company， Dongying 257321， China)

Abstract: Since power supply can not be provided in the wild environment， the traditional electronic locks that is powered by control terminal is not applicable. The design of an electronic secure code lock which uses a hand terminal to provide power for the system and solves the problem that in the wild environment the power supply could not be provided is described. The signal sending circuits， receiving circuit， inverter circuits， protection circuit of motor and the communication protocol are analyzed emphatically. The lock has been applied in many places， and is converient， safe and reliable.

Keywords: electronic secure code lock; STC12C2052; inverter circuit; communication protocol

0 引言

目前，市場上有多種基于IC卡設(shè)計的電子鎖，廣泛應用于賓館、公寓、倉庫、學校等場所 [1-2]。這些場合能夠提供很好的直流或交流電源，電子鎖的控制部分可以長時間方便地獲取穩(wěn)定的電源。但是，在野外環(huán)境中往往不能為控制部分方便地提供電源，需要手持部分為控制部分提供電源，執(zhí)行開鎖和閉鎖操作，因此傳統(tǒng)由控制部分提供電源的電子鎖不能滿足野外環(huán)境的需要，例如采油井、注水站、電信通訊井等，在這些地方，尤其是偏遠的地方，往往對安全性要求較高，提供電源又較為困難。

本文介紹了一種電子鎖，電子鎖系統(tǒng)分為控制和手持兩部分。手持部分的電源采用鋰電池，控制部分的工作電源由手持部分提供，數(shù)據(jù)線和電源線共用一根線，有效解決了上述問題，使用方便。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

電子鎖由控制部分和手持部分組成?？刂撇糠钟蒘TC12C2052單片機、信號接收電路、電機驅(qū)動電路、保護電路構(gòu)成，主要完成電子鎖鑰匙密碼的接收、驗證、直流電機驅(qū)動、電機保護功能;手持部分主要由STC12C2052單片機、可充電電源電路、信號發(fā)送電路、鎖開關(guān)按鍵電路構(gòu)成，主要完成電子鎖系統(tǒng)電源的提供，開鎖、閉鎖信號和鑰匙密碼信號的發(fā)送功能。為了使用方便，控制部分和手持部分的連接采用紐扣式接頭[3]，外部為地，內(nèi)部為電源線，通過單根電源線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。開鎖、閉鎖操作的執(zhí)行由3 V直流變速電機完成，直流變速電機可以降低轉(zhuǎn)速，增大力矩。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電子鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 STC12C2052單片機

控制部分和手持部分微處理器采用STC12C2052單片機。STC12C2052除了具有運算器、控制器、RAM、FLASH、定時器、串行接口等功能部件外，還具有以下特點:SOP-20封裝，體積小;3.5～5.5 V寬工作電壓，具有ESD保護，高抗靜電干擾，抗4 kV快速脈沖干擾;-40~+80 ℃工作溫度范圍，低功耗的空閑和掉電工作模式，2 KB芯片內(nèi)E2PROM，ISP系統(tǒng)在線可編程，硬件看門狗(WDT)等特點[4]，適用于野外環(huán)境。

1.2 信號發(fā)送電路

手持部分的信號發(fā)送電路將開鎖、閉鎖信號和鑰匙密碼信號通過電源線發(fā)送到控制部分。信號發(fā)送電路由三極管Q1、二極管D1、電阻R1和線圈L1構(gòu)成，如圖2所示。當單片機的P3.1輸出高電平時，Q1截止，輸出低電平時，Q1導通，電源正極通過D1、限流電阻R1和Q1接地。此時，會在電源線上產(chǎn)生一個瞬時的低脈沖，表明有信號發(fā)送，低脈沖信號的不同頻率代表發(fā)送的是“0”，還是“1”。

1.3 信號接收電路

控制部分信號接收電路通過電源線接收開鎖、閉鎖控制信號和鑰匙密碼信號。接收電路包括電容C1，三極管Q2和一個反向器。電源通過線圈L2給控制部分提供電源，如圖3所示。手持部分通過電源線發(fā)送信號，產(chǎn)生瞬時的低電平脈沖，低脈沖信號通過C1加載到Q2的基極，使得Q2處于截止狀態(tài)。此時，反向器輸出低電平信號。無脈沖信號時，Q2處于飽和導通狀態(tài)。此時，反向器輸出高電平信號。根據(jù)信號頻率可以判斷發(fā)送來的是“0”，還是“1”。

圖2 信號發(fā)送電路

圖3 信號接收電路

1.4 直流電機倒向驅(qū)動電路

系統(tǒng)采用帶有變速器的3 V直流電機，通過電機的順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)完成開鎖、閉鎖操作。倒向驅(qū)動電路由三極管Q4，Q6，Q8，Q10，Q5，Q7，Q9，Q11組成，單片機的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3分別經(jīng)反相器后接Q4，Q6，Q8，Q10的基極。電路如圖4所示。

當單片機的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3為低電平時，Q4，Q6，Q8，Q10截止，V1和V2處于浮空狀態(tài)，電機靜止;當開鎖時，單片機的P1.0，P1.3為高電平，P1.1，P1.2為低電平，Q4，Q5，Q10，Q11導通，Q6，Q7，Q8，Q9截止，V1為正，V2為負，電機正轉(zhuǎn)開鎖;當閉鎖時，單片機的P1.0，P1.3為低電平，P1.1，P1.2為高電平，Q4，Q5，Q10，Q11截止，Q6，Q7，Q8，Q9導通，V1為負，V2為正，電機反轉(zhuǎn)閉鎖。

在程序?qū)崿F(xiàn)時，必須注意嚴禁P1.0，P1.1，P1.2，P1.3同時為高電平，即Q4，Q6，Q8，Q10同時處于導通狀態(tài)。

圖4 電機倒向電路

1.5 電機保護電路

直流變速電機執(zhí)行開鎖、閉鎖操作一定時間后，外部機械裝置會迫使電機停止轉(zhuǎn)動，如果不采取措施，會產(chǎn)生較大電流，損壞直流電機，所以保護電路是必不可少的。

保護電路由TLV2252運算放大器、電阻R4，R5，R6組成，電路如圖5所示。TLV2252的1IN+(引腳3)接R5，R6構(gòu)成分壓電路;1IN-(引腳2)接電阻R4，電阻R4串聯(lián)到電機倒向驅(qū)動電路的公共輸出端。當電機正常工作時，通過R4的電流較小，TLV2252的輸出(引腳1)經(jīng)兩個反向驅(qū)動后送給單片機的P3.3，此時為“1”，進行正常的開關(guān)操作。當外部機械裝置迫使電機停止轉(zhuǎn)動時，由于直流電機負載過大，通過R4的電流較大，這時放大器TLV2522輸出經(jīng)兩個反向驅(qū)動后送給單片機的P3.3，此時為“0”，利用此信號產(chǎn)生中斷信號，停止開鎖、閉鎖操作，以此起到對電機的保護作用。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件由控制部分主程序、數(shù)據(jù)接收程序、電機驅(qū)動程序、手持部分主程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序組成?？刂撇糠峙c手持部分傳送開門、關(guān)門信號和鑰匙密碼信號，其中鑰匙密碼信號用11位二進制數(shù)，具有較好的安全性。

圖5 電機保護電路

2.1 數(shù)據(jù)“0”，“1”傳送方法

采用異步FSK通訊方式[5]，使用信號的不同頻率來區(qū)分“0”和“1”，如圖6所示。

當信號頻率為20 kHz時，代表傳輸為“0”;當信號頻率為10 kHz時，代表傳輸為“1”。當晶振為12 MHz時，機器周期大約為1 μs。在接收部分，定時器/計數(shù)器1用來記錄機器周期的個數(shù)。當記錄的機器周期個數(shù)在30~70之間時，可以確定接收到的是“0”(0的標準個數(shù)為50個);當記錄的機器周期個數(shù)在80~120之間時，確定接收到的是“1”(1的標準個數(shù)為100個)，其他情況按錯誤處理。

圖6 數(shù)據(jù)“0”，“1”傳送方法

2.2 通信協(xié)議設(shè)計

在傳送的信息中，一部分是開鎖、閉鎖控制命令信號，另一部分是鑰匙密碼信息?？刂撇糠纸邮盏借€匙密碼信息，經(jīng)驗證與本機的密碼一致后可以執(zhí)行開鎖、閉鎖操作。采用異步通信方式，定義協(xié)議格式為起始位、鑰匙密碼信息位、開/關(guān)位、校驗位。其中，起始位為1位;鑰匙密碼信息為11位;開/關(guān)位為1位;校驗位為4位。當起始位為“0”時，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，加上此后連續(xù)的16位為一幀數(shù)據(jù)。

鑰匙信息共有2 048種組合，開/關(guān)位為 “1”，代表開鎖操作;開/關(guān)位為“0”，代表閉鎖操作;校驗位由11鑰匙信息位和1為開/關(guān)位共12位(由高到低4位為1組)經(jīng)2次異或操作得到。

2.3 程序設(shè)計

手持部分主程序完成系統(tǒng)初始化、讀取按鍵，形成數(shù)幀，啟動發(fā)送等任務。使用定時中斷T1，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送過程。當為數(shù)據(jù)“0”時，定時器初值為65 535-50=65 485=FFC0(H);當為數(shù)據(jù)“1”時，定時器初值為65535-100=FF9B(H)，逐次發(fā)送各位，直到將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束。手持部分主程序和T1中斷程序流程如圖7和圖8所示。

控制部分采用定時器T0和外部中斷0實現(xiàn)，初始化設(shè)置定時器為內(nèi)部計數(shù)方式，計數(shù)初值為0。當手持部分信號到達控制部分時，單片機的外部中斷0產(chǎn)生中斷，在中斷程序中讀取計數(shù)器的計數(shù)值t。當 30≤t≤70時，接收到的位為“0”;當 80≤t≤120時，接收到的位為“1”。將接收的各位組合起來恢復發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)，經(jīng)檢驗處理正確無誤后進行開鎖或閉鎖操作。

3 結(jié) 語

電子鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線和電源線采用一線制連接，使

用方便;鑰匙密碼以加密的方式寫入存儲器中，具有

很高的安全性;不需要現(xiàn)場提供電源，解決了傳統(tǒng)電子鎖需要現(xiàn)場提供電源的問題。電子鎖系統(tǒng)已在勝利油田孤島采油廠、東辛采油廠注水井的安全保護和東營移動通信公司通信線路地井的防盜裝置上得到了應用，具有較好的實用推廣價值。

圖7 手持部分主程序流程圖

圖8 T1發(fā)送中斷程序流程圖

參考文獻

[1]周明輝，張云.基于AT89C2051的多功能電子密碼鎖[J].中國科技博覽，2009(14):230-231.

[2]王志宏，薛增濤.智能卡電子鎖的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(9):104-105.

[3]林麗純.基于iButton的新型電子鎖控制器設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學學報，2009，26(2):98-100.

[4]STC12C2052AD系列單片機用戶手冊[EB/OL].[2008-05-30].http://www.mcu-memory.com/datasheet/STC12-C2052AD.pdf.

[5]馬衛(wèi)濤，吳昆.異步FSK無線數(shù)據(jù)通信接口的研制[J].核電子學與探測技術(shù)，2006(5):676-677.