基于單片機的智能門鎖系統設計

李曉磊　王學賀　成洪豪

摘要：文章采用STC89C52單片機為主控制器，結合無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸技術設計了一種智能門鎖系統。智能門鎖包含3種開鎖方式，即按鍵密碼解鎖、ID卡刷卡解鎖以及手機端App解鎖。文章詳細闡述了智能門鎖系統的硬件、軟件設計原理及測試過程，有效地實現了智能門鎖系統的無鑰匙解鎖和遠程解鎖功能。實驗證明，該門鎖系統具有智能方便、成本較低、安全性高的優點，在學校、工廠宿舍等場所具有一定的使用、推廣價值。

關鍵詞：單片機；物聯網技術；門鎖

中圖分類號：TN79文獻標志碼：A0引言近年來，智能家居發展迅速，在市面上得到普及，逐步改變著人們的生活方式。作為智能家居硬件產品第一入口，智能門鎖以其方便、解決“忘帶鑰匙”等優點深受大眾認可。智能鎖解鎖方式多種多樣。一些學者、科技人員為解決該問題做了部分研究，提出了密碼鎖、指紋鎖、紅外遙控鎖、藍牙密碼鎖等多種門鎖系統方案［1-2］。本文從實際出發，通過單片機結合無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸等物聯網技術，設計出一種多模式智能門鎖系統。用戶可以通過按鍵輸入密碼解鎖，也可以使用ID卡刷卡解鎖，同時能通過手機端App進行解鎖，安全可靠、成本較低。

1整體方案設計智能門鎖包含3種開鎖方式即按鍵密碼解鎖、ID卡刷卡解鎖以及手機端App解鎖，均可實現無鑰匙進入，能對應不同的使用場景。智能門鎖的控制器采用STC89C52單片機，用于數據處理和控制開鎖，采用LCD1602液晶進行數據顯示。按鍵密碼解鎖主要用于設置、修改密碼及安全解鎖；ID卡刷卡解鎖簡單方便，利用無線射頻識別RFID技術，有效實現了刷卡即入；手機端App解鎖方式，使用E4A軟件開發手機端App程序，結合無線WiFi傳輸技術實現與單片機的連接，可以實現近距離或遠程解鎖。在硬件、軟件設計方面，均采用模塊化設計方式，整體設計如圖1所示。

2硬件方案設計智能門鎖系統的硬件部分主要由主控制器模塊、按鍵解鎖模塊、ID卡解鎖模塊、無線WiFi傳輸模塊、繼電器與電磁鎖模塊、液晶顯示模塊組成，系統硬件電路如圖2所示。為了實現系統功能的最優化，方案設計如下。

2.1主控制器模塊系統選用STC89C52單片機為主控制器，該類型單片機內部集成了微處理器、存儲器及各種輸入、輸出接口等硬件資源［3］，STC89C52單片機最小系統電路如圖2中主控制器模塊部分所示。在本設計中，單片機的外圍I/O接口主要用于連接和控制其他模塊電路，單片機內部電路可以將采集的外部信息數據進行處理，控制執行相應的操作。

2.2按鍵解鎖模塊由于按鍵較多，按鍵模塊選用4×4矩陣鍵盤，用于密碼的輸入、設置等操作［4］。16個按鍵僅需占用8個I/O接口，相對于獨立鍵盤每個按鍵需要占用1個I/O接口，矩陣鍵盤能夠節省一半的I/O接口資源。在本設計中使用機械彈性開關作為按鍵，矩陣鍵盤兩端都與單片機I/O接口連接，按下開關閉合，線路處于導通狀態。在檢測時，單片機I/O接口循環給按鍵各列輸出低電平，通過檢測按鍵各行電平信號即可判斷哪個按鍵被按下。按鍵模塊電路如圖1中按鍵模塊部分所示，“0～9、*、#”為密碼字符鍵，“Res”為重置密碼鍵，“Esc”為取消輸入鍵，“Ent”為確認密碼鍵，“Shut”為關鎖鍵。

2.3ID卡解鎖模塊系統選用無線射頻識別RFID模塊進行ID卡讀卡識別，模塊工作電壓5 V，輸出電壓高電平有效，輸出電流≤15mA。該模塊能夠支持讀卡、刪除卡、注冊卡等操作，可注冊200張ID卡。在使用前，模塊需要通過USB轉TTL連接電腦，通過串口PC端軟件將ID卡進行注冊入庫。使用時，當ID卡接近模塊感應區域后，模塊將自動識別解碼輸出10位卡號，對于已經注冊的ID卡模塊的輸出接口輸出高電平，否則輸出低電平。該模塊電路如圖2中RFID讀卡識別模塊部分所示，模塊信號輸出OUT接口連接單片機P2.4接口，當單片機檢測到OUT輸出為高電平時，將控制繼電器模塊執行開鎖操作。

2.4無線WiFi傳輸模塊ESP8266 WiFi模塊是一款超低功耗且通信穩定的無線傳輸模塊［5］，模塊支持IEEE802.11b/g/n協議，內置TCP/IP協議棧。本系統利用模塊的TXD、RXD接口分別與單片機RXD、TXD接口連接，以實現單片機進行模塊串口通信，該模塊電路如圖2中ESP8266 WiFi模塊部分所示。本系統選用STA+AP運行模式，該模式下手機端App可通過兩種方式與單片機通信：（1）WiFi模塊通過連接互聯網實現單片機聯網，與手機端App進行遠程通信。（2）手機端App直接連接WiFi模塊產生的熱點，與單片機實現近距離的通信功能。

2.5繼電器與電磁鎖模塊繼電器模塊用于控制電磁鎖的開關狀態，電磁鎖的安全類型設置為斷電上鎖、通電斷鎖模式，繼電器信號輸入端與單片機P2.0接口連接，其電路如圖2中繼電器與電磁鎖模塊部分所示。單片機I/O接口默認輸出高電平，因此將繼電器模塊設置為低電平觸發模式。當密碼輸入正確、ID卡識別通過或主控器收到手機端開鎖命令時，單片機P2.0接口輸出控制電平，繼電器吸合，電路接通，電磁鎖開鎖，否則電磁鎖處于上鎖狀態。

2.6液晶顯示模塊系統采用LCD1602液晶模塊，液晶模塊內部控制器內帶有80 B的RAM緩沖區，該模塊使用并行接口進行數據傳輸，液晶數據口與單片機的P0口相連，E、R/W、RS引腳分別與P2.5、P2.6、P2.7連接，根據基本操作時序進行設置使用，其電路如圖2中液晶顯示模塊部分所示。液晶顯示模塊主用于密碼輸入、更改、開鎖提示等內容的顯示。系統中配置了蜂鳴器進行提示輔助，電路如圖2中液晶蜂鳴器部分所示。

3軟件方案設計系統的軟件方案主要由初始化程序、液晶顯示程序、按鍵解鎖程序、ID卡解鎖程序、WiFi串口通信程序5個模塊組成。在鍵盤檢測程序中，通過延時程序以達到消除按鍵抖動現象，減少誤差出現，密碼重置程序用于重新設置開鎖密碼；ESP8266 WiFi模塊STA+AP模式運行，指令AT+CWMODE=3；手機端App軟件開發由主窗口創建、連接服務器、按鍵命令操作、數據處理4部分組成。

系統上電后，首先進行液晶顯示、串口通信及ESP8266 WiFi服務器初始化，然后進行3種解鎖方式檢測程序，當滿足鍵盤密碼輸入正確、注冊的ID卡識別成功或單片機收到手機端App的開鎖命令后，單片機控制繼電器執行開鎖程序，軟件系統主程序流程如圖3所示。

4測試結果與分析本文在系統硬件、軟件的完成基礎上對智能門鎖系統進行了性能測試，以檢驗智能門鎖系統的性能優劣，具體測試記錄如下。

（1）按鍵解鎖，在鍵盤上輸入“000000”解鎖密碼，按“Ent”鍵確認，門鎖打開，蜂鳴器發出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語，按“Shut”鍵，門鎖關閉，蜂鳴器發出提示聲；當門鎖打開狀態下，按下“Res”重置密碼鍵，輸入新密碼“111111”修改密碼，按“Ent”鍵進行確認。

（2）ID卡解鎖，用注冊過的ID卡接近無線射頻識別RFID模塊感應區后，門鎖打開，蜂鳴器發出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語，3 s后自動關鎖；用未注冊的ID卡接近感應區，門鎖無反應。

（3）手機端App解鎖，在手機端App輸入IP地址和端口號成功登錄后，點擊“開鎖”按鈕，門鎖打開，蜂鳴器發出提示聲，液晶顯示“welcome”提示語；點擊“關鎖”按鈕，門鎖關閉，蜂鳴器發出提示聲，手機端App顯示“已關鎖”。

測試證明，本系統反應靈敏、運行穩定，達到了設計要求，實現了全部預設功能，具有較好的人機互動性。

5結語本文基于單片機與無線射頻識別RFID、無線WiFi傳輸等物聯網技術設計了一種智能門鎖系統。系統能夠支持按鍵密碼解鎖、ID卡解鎖以及手機端App解鎖多模式解鎖，有效地實現了智能門鎖系統的無鑰匙解鎖和遠程解鎖功能，同時系統具有實用可靠、操作性強、價格較低等優良特點，有利于在學校、工廠宿舍等多用戶場所進一步推廣使用。

參考文獻

［1］李友勝.一個指紋密碼鎖的設計與實現［J］.計算機與數字工程，2019（7）：1822-1826.

［2］王樂樂，李斌，曹驥龍，等.基于STC89C51的零接觸智能密碼鎖的設計與實現［J］.無線互聯科技，2021（19）：42-43.

［3］郭天祥.新概念51單片機C語言教程［M］.北京：電子工業出版社，2018.

［4］黃明霞，許澤恩，李如仁，等.基于FPGA的密碼鎖的設計［J］.計算機應用與軟件，2021（8）：329-331.

［5］錢烺，羅小娟，宋璐璐，等.基于物聯網的智能家居安防監控系統設計［J］.物聯網技術，2021（3）：28-30.

（編輯 王永超）

Research and design of intelligent door lock system based on single chip microcomputerLi? Xiaolei， Wang? Xuehe， Cheng? Honghao

（Heze Medical College， Heze 274000， China）Abstract：? This paper uses STC89C52 MCU as the main controller， combined with radio frequency identification （RFID）， wireless WiFi transmission technology to design an intelligent door lock system. Intelligent door lock system contains three unlocking modes， key password unlocking， ID card unlocking and mobile phone App unlocking. This paper elaborated the design principle and testing process of hardware and software of the intelligent door lock system， and effectively realized the keyless unlocking and remote unlocking functions. The experiment shows that the door lock system has the advantages of intelligence， convenience， low cost and high security， and has the value of use and promotion in schools， factory dormitories and other places.

Key words： single chip microcomputer; Internet of Things technology; door lock