單片機電子密碼鎖加密模塊的研究與設計

潘雪峰 李臘元，2 楊威棣

(武漢生物工程學院計算機與信息工程系1，湖北 武漢 430415;武漢理工大學計算機科學與技術學院2，湖北 武漢 430063)

0 引言

安全問題是現代社會各界普遍關注的焦點之一。目前，常見的安全產品有指紋識別系統、IC卡辨識系統以及紅外防盜系統等。這些系統一般用于保密要求較高或供個人使用的保險箱(或保險柜)。雖然產品的安全性高，但由于其生產成本高，攜帶、安裝及使用不方便等缺點，在一定程度上限制了這類產品的普及和推廣［1-2］。針對這些缺點，基于單片機的電子密碼鎖使用8051單片機來實現多功能密碼模塊。這種電路設計具有加密更快速、可靠性更高、成本更低的特點，特別適用于家庭、辦公室、學生宿舍及賓館等場所，具有很強的社會推廣價值。

傳統電子密碼鎖的基本功能要求有:①一定的密碼位數與取值范圍，密碼位數決定鎖體健壯程度;②用戶自行設定和修改密碼;③按鍵時有相應提示，若輸入的開鎖密碼不正確，則需另行處理;④開鎖密碼錯誤次數超過限制則報警;⑤鍵入正確開鎖密碼后開鎖;⑥硬件成本低廉，軟件簡潔可靠，易于批量生產。

智能電子鎖的功能擴展要求有:①功能多樣化;②計算機及網絡通信擴展智能電子鎖的功能;③與智能現場儀器和中央監控系統連接;④模塊高度集成，結構簡單可靠，操作方便;⑤人機界面智能化、友善化;⑥智能識別系統，擴展信號提取技術［3-5］。

本設計基于單片機實現傳統電子密碼鎖基本功能，并引入嵌入式技術，減少了電子密碼鎖外圍元器件，硬件電路簡單;以C語言進行程序設計，簡化了源程序結構及代碼，降低了ROM空間的占用。

1 方案分析與設計

1.1 芯片的選擇

中央處理單元采用Intel 8051，其具有4個8位準雙向I/O口，只需1個晶振和2個電容即可工作。其結構簡單、運行可靠［6-8］。Intel 8051內置4 kB的程序ROM以及128 B的數據RAM［9-10］。為了降低成本，沒有外接存儲器，而是直接使用片內的存儲空間。由于鍵盤輸入密碼采用的是中斷方式，因而采用74LS21四輸入與非門作為單片機的中斷源。

1.2 功能設計

用戶通過矩陣式鍵盤中斷輸入密碼，中斷后系統調用密碼驗證函數。如果密碼輸入正確，單片機輸出開鎖信號開鎖。同時，實現鍵盤的中斷控制還要為鍵盤的擴展功能留出CPU時間。當用戶發現輸入錯誤時，可以清除重新輸入。此外，當密碼輸入后，可通過驗證程序進行判斷。如果密碼錯誤，則啟動出錯提示。當密碼錯誤次數達到一定次數，系統將鎖定鍵盤，一段時間內禁止輸入。

1.3 結構設計

1.3.1 單片機引腳的分配

在進行數據交換時，基于單片機的電子密碼鎖采用的是 Intel 8051 的4 個8 位 I/O 口，其中 P2.0～ P2.4作為掃描的輸入輸出口使用，而P3.2則作為輸出口使用。

1.3.2 存儲分配

用戶通過鍵盤進行輸入，需要為鍵盤分配一個用來存儲鍵入數據的緩沖區。由于密碼位數一般在10位以內，因此，分配10 B給該緩沖區。

在進行密碼驗證過程中，需要使用密碼表來存放密碼，因此，分配一個256 B的密碼表并存放在code區，同時，code區用來存代碼。

1.3.3 電路設計

Intel 8051通過8根數據線直接與鍵盤連接，其中4根作為行掃描線，掃描輸入高電平;另外4根與8051直接連接的是列掃描線，列掃描輸出線置低電平。當鍵盤按下時，將在中斷輸入產生一個上升沿的跳變，觸發中斷進入中斷處理程序。該信號通過四輸入與門發送給8051。8051電子密碼鎖原理如圖1所示。

圖1 8051電子密碼鎖原理圖Fig.1 Principle schematic of 8051 electronic cryptogram lock

2 系統程序模塊設計

目前，國內使用較多的是Hi-Tech的Hi-Tech PICC編譯器，且目前的單片機仿真器也支持Hi-Tech PICC編譯格式。因此，本文采用Hi-Tech C編譯器的格式編寫程序模塊。

程序模塊包括鍵盤接收模塊、加密模塊和驗證密碼模塊這3部分。在功能模塊之前，還要加上密碼格式定義的內容。該內容用于對密碼的長度和格式類型進行定義。密碼長度定義為10，類型定義為unsigned char。

2.1 鍵盤接收模塊

鍵盤接收模塊由兩個程序組成，分別是中斷例程和讀取鍵盤鍵值程序。中斷例程是一個中斷服務程序。該程序可記錄下按鍵次數;讀取鍵盤程序則是將輸入的鍵值記錄下來。

2.1.1 中斷例程

中斷例程的主要功能是當按下鍵盤任意一按鍵時產生中斷，此時執行中斷程序aa(void)。該程序首先將外部中斷位清0，然后調用讀取鍵值的程序readbyte()，記錄下按鍵次數，并判斷相應位數是否為10，最后將外部中斷位置1。程序代碼如下。

2.1.2 讀取鍵盤鍵值程序

讀取鍵盤鍵值程序的主要功能是根據單片機P2口相應引腳電平的變化情況，返回一個相應的鍵值。其程序代碼如下。

2.2 加密模塊代碼

加密模塊首先獲取系統時間，然后借助系統時間產生隨機數，通過循環初始化生成一個密碼矩陣。接著，程序會打開一個文件，如果文件成功打開，則將矩陣寫入該文件中;如果文件無法打開，則返回。在將矩陣寫入文件時，先寫入數組頭;然后格式化數組串，將矩陣分行寫入文件，每行尾部加上換行，寫入最后一個文件并加上數組結尾;加密模塊最后給出關閉文件句柄，并將寫好的文件關閉。其程序代碼如下。

2.3 驗證密碼模塊

在進行密碼驗證的過程中，主要是核對輸入的信息和存儲的信息是否一致，在此使用scanf_s()函數進行驗證。如果信息一致，即給出密碼驗證成功的提示;如果不一致，則給出相應編號。其程序代碼如下。

3 仿真測試

常用的電路仿真軟件有Multisim、Protel、Proteus、Pspice這4種。由于Mulstisim在模擬器件和一些分離器件的仿真方面功能較強，因此，在電路仿真測試中選用的是 Multisim 11.0。

使用Multisim 11.0時，可以借助特殊功能寄存器窗口對寄存器進行監控，同時還可以借助IRAM窗口對變量進行跟蹤。通過仿真測試，可觀測到flag變量地址為20H，值為0H。由于密碼長度被定義為10，因此用戶鍵盤的緩沖區的地址范圍為10 B，地址是從21H到2AH。在未按下任何按鍵時，該緩沖區的值均為0。

在鍵盤上按下預定的10位密碼后，中斷程序即進行響應，并執行讀鍵程序和判斷程序;驗證正確后，在開鎖控制端給出高電平。為了使試驗更直觀，在開鎖控制端接一個燈泡，根據燈泡是否發光來判斷試驗是否成功。

在仿真測試的過程中，當按鍵符合預設時，燈泡變亮，同時緩存區的數據顯示為11H，并將緩存區指針復位，測試結果與設計相符。

在完成系統功能測試的同時，在密碼輸入過程中對密碼驗證模塊進行了測試，使用6組不同的十六進制值來測試相應單元，測試值分別為 12h、34h、01h、bfh、21h和1dh。這6組不同的值，在仿真測試中均可以生成密碼，并能夠將驗證密碼模塊中的提示“密碼驗證成功!”逐個顯示。這就說明模塊完成了編譯運行工作［11-15］。

4 結束語

為降低密碼鎖的成本，設計了基于8051單片機的密碼鎖加密模塊。由于該模塊具有8位操作數，故能夠十分方便地移植到8位的8051上并高速、正確運行。同時，該系統模塊中的程序簡短，不需額外的存儲器來存放程序，為整個系統節省了成本。

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