基于MCU 的智能密碼鎖控制系統

孫鵬宇，魏立明

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春 130118）

0 引言

智能密碼鎖是靠密碼控制鎖的正常工作，當人們輸入密碼的時候，采用電路進行開鎖。智能鎖的樣式種類繁多：采用數字邏輯電路、采用FPGA 中VHDL 語言來控制、也有采用在電子行業中最基本的51 單片機驅動的。目前市場上應用較為廣泛的智能鎖都是以芯片為核心，通過編程使得軟硬件結合實現智能鎖的基本功能，以達到人們所需的基本要求。該智能鎖的性能及安全性已經遠遠超過了傳統的機械鎖，并且該鎖的特點在于保密性強，隨機輸入密碼成功開鎖的概率為零；可以隨時修改自己設置的密碼，從而防止密碼被竊；無需像傳統的機械鎖攜帶鑰匙才能開鎖，操作性簡單，使用的靈活性好并且壽命長。

1 系統簡介及工作原理

1.1 系統簡介

本文設計的電路是以STC89C52 為核心組成的閉環控制系統。利用單片機的靈活編程特點和I/O端口控制的準確性，從而實現智能密碼鎖的基本功能。該系統設計的總體框架如圖1 所示。

1.2 主芯片的原理

圖1 智能鎖設計的總框圖

本設計采用STC89C52，它是一款性價比高的芯片[1]。芯片中的掉電模式，該模式中除外部中斷外，復位電路、晶體振蕩器電路、定時器、串口等其他外部電路均處于停止工作狀態。另外一種模式是休眠模式，該模式中相關的外圍電路皆處于運作狀態，單片機中一些沒有接觸到的存儲器及寄存器里面的數值保持不變。因此，芯片正常工作時的功耗為4 mA～7 mA，在空閑模式時其功耗降至2 mA。STC89C52 的結構有40 個引腳，芯片的引腳可以分為電源引腳、時鐘引腳、控制引腳。該芯片內部結構和引腳分配如圖2 所示。

圖2 STC89C52 引腳分配圖

1.3 繼電器的原理

本文使用的繼電器主要用于解鎖功能。它是一種電控裝置，具有輸入輸出相互轉換的關系特性。每當輸入電壓和輸入電流達到一定值時，繼電器就會被電路控制的輸出電路斷開或接通。繼電器模塊本身具有非常明顯的特點，例如：占用空間小、使用壽命長、運行相對穩定等。該器件的內部是由3 個部分組成，即線圈、鐵片、接觸簧片。該器件的工作原理如下：插電時線圈就會自動產生電流從而發生磁現象，該器件當中的鐵片會因為磁性的關系，自動把彈簧貼到鐵片上，從而使繼電器正常工作[2]。相反，當電源斷開時，它們會互相排斥，從而達到電路通斷的效果。該繼電器的引腳如圖3 所示。

圖3 繼電器引腳圖

2 系統硬件電路設計模塊

2.1 液晶屏顯示設計模塊

為了使密碼鎖的密碼顯示效果更好，本系統采用LCD12864 液晶顯示器，本顯示器自帶中文庫，顯示時會更加簡潔[3]。因此，本設計的密碼顯示模塊采用液晶屏LCD12864 來完成。該液晶屏的工作原理是每當按下鍵盤上面的啟動鍵時，液晶屏就會自行開啟，使該顯示處于開啟狀態。反之，按下關閉鍵盤后，屏幕變黑處于關閉狀態。如果啟動鍵和關閉鍵都沒有按下去，液晶屏就會一直處于出廠時的狀態。當智能密碼鎖進行開啟時，只要按下開啟鍵，利用矩陣鍵盤上的數字0～9 來輸入自己所設置的密碼，當按下相應的數字，液晶顯示器就會自動顯示出一個*,設置了多少位密碼，該屏幕也會顯示對應的個數。當密碼輸入完成后按下確認鍵時，若密碼正確，該12864 型的LCD 顯示屏會顯示正確，從而會使單片機其中的引腳輸出低電平，會與液晶顯示屏模塊相連的器件自動導通，從而使密碼鎖打開，一旦輸入密碼錯誤，顯示不正確，此時單片機當中的引腳輸出高電平，使得密碼鎖無法打開。因此，只要利用該顯示模塊，就可以完全知道該智能鎖是否處于開鎖狀態。該液晶顯示模塊原理如圖4 所示。

2.2 開鎖設計模塊

本文開鎖模塊采用繼電器進行設計以實現模擬開鎖，該模塊主要是由電磁式繼電器、三極管及電阻組成[4]。該電路的主要功能就是當密碼輸入正確后會實現開鎖，本電路電阻的一個引腳與單片機其中的一個引腳相連接時，單片機產生低電平的時候，經過電阻和三極管的放大之后，從而驅動繼電器中的電磁閥以實現開鎖。當輸入密碼正確后，單片機才能將繼電器控制，繼電器中的閥門打開之后使電磁片下壓，從而使智能密碼鎖開鎖，反之一直處于初始狀態[5]。開鎖模塊的核心原理如圖5 所示。

圖4 12864 型LCD 液晶顯示模塊原理圖

圖5 繼電器驅動開鎖模塊原理圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序模塊設計

本文主要采用C 語言來進行程序設計，利用51單片機的編譯器完成。該智能密碼鎖的軟件設計主要是由主程序、矩陣鍵盤程序、報警程序、密碼設置程序、顯示程序等組成，其整體流程如圖6 所示。

3.2 開鎖程序模塊設計

本模塊當中，開鎖的程序也是跟之前一樣，當密碼輸入完成后，單片機會自動判斷出密碼正確與否，要是輸入密碼正確的話，繼電器就相當于模擬成開關，會自動的開鎖，要是輸入的密碼不正確且＞3 次，單片機中的報警模塊也會自動發生報警，該密碼鎖的程序流程如圖7 所示。

圖6 智能密碼鎖整體流程圖

圖7 智能鎖程序流程圖

4 系統調試

程序調試及編譯過程中如果出現錯誤需要訂正，根據對話框的錯誤提示雙擊，自動會顯示錯誤的地方然后修改，一直修改到正確為止，但由于程序的復雜性，若出現了小警告，可是沒有出現錯誤，在此也可以忽略小警告，如圖8 所示。

圖8 文件調試成功

5 結論

本文采取STC89C52 為核心模塊進行智能密碼鎖的控制設計，設計中將各個模塊電路區分開以形成模塊化，使得設計簡潔明了。硬件中對開鎖模塊、繼電器模塊、液晶顯示屏等進行詳細闡述，軟件程序中對主程序、開鎖程序的流程圖進行了說明。最后進行系統編譯與調試，為智能密碼鎖的應用奠定理論基礎。