基于單片機的智能電子密碼鎖設(shè)計

關(guān)鍵詞：單片機；智能電子密碼鎖；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計；安全性

中圖分類號：TP368.1；TS914.21 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，智能電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的重要組成部分，尤其在安全領(lǐng)域，傳統(tǒng)機械鎖逐漸被智能電子密碼鎖取代，后者以其便捷性、安全性、智能化等特點受到廣泛關(guān)注。智能電子密碼鎖核心在于其控制系統(tǒng)的智能化，而單片機作為控制系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響密碼鎖的安全性，單片機具有體積小、功耗低、成本適中、易于編程和擴展等優(yōu)點，適合用于智能電子密碼鎖的設(shè)計[1]。因此，本文探討了基于單片機的智能電子密碼鎖設(shè)計方案，旨在通過集成電路技術(shù)，實現(xiàn)對傳統(tǒng)鎖具的智能化升級。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文主要探討兩種基于單片機的智能電子密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計方案，其分別采用STC89C51 芯片和STM32F103 芯片，具體系統(tǒng)設(shè)計方案如下。

方案一：基于STC89C51 芯片的設(shè)計。STC89C51是一款經(jīng)典的8 位單片機，具有成本低、性能穩(wěn)定的特點。該設(shè)計方案包括以下組件：16 個鍵盤按鍵、LCD1602 液晶屏和繼電器。該方案優(yōu)點是成本較低，適合對成本敏感的應(yīng)用場景，但由于STC89C51 的處理能力有限，該方案可能不適合處理復(fù)雜的加密算法或需要快速響應(yīng)的場景。

方案二：基于STM32F103 芯片的設(shè)計。STM32F103是一款32 位高性能單片機，具有更強的處理能力和豐富的外設(shè)。該設(shè)計方案包括以下組件：16 個鍵盤按鍵、OLED 顯示屏、HC-05 藍牙模塊和0905有源蜂鳴器。該方案的優(yōu)點是功能強大，支持藍牙通信和復(fù)雜的用戶交互，但相應(yīng)的成本也較高。

兩種方案各有優(yōu)勢，設(shè)計者可根據(jù)實際需求和預(yù)算選擇合適的方案。對于需要高安全性和復(fù)雜功能的應(yīng)用，推薦使用基于STM32F103 芯片的方案；對于成本敏感且功能要求不高的應(yīng)用，基于STC89C51 芯片的方案則是較好的選擇。但無論選擇哪種方案，智能電子密碼鎖系統(tǒng)都將為用戶提供更加安全、便捷的體驗。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

在智能電子密碼鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，主控芯片的選擇至關(guān)重要，STM32F103 系列芯片以其高性能、低功耗、豐富的外設(shè)資源，成為智能電子密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計中的熱門選擇。本文將重點介紹STM32F103 系列芯片在不同存儲容量下的應(yīng)用，包括低容量（16 kB和32 kB）、平均容量（64 kB 和128 kB）以及高容量（256 kB、384 kB 和512 kB）。STM32F103 系列中容量較小的芯片有STM32F103C8T6（64 kB）和STM32F103CBT6（128 kB），適用于對存儲空間要求不高的智能密碼鎖系統(tǒng)，這類芯片雖然存儲容量較小，但可以滿足基本的密碼存儲和運算需求。在設(shè)計時，工作人員通過優(yōu)化代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，充分利用芯片的存儲資源，降低芯片的成本，有助于控制整個系統(tǒng)的成本。STM32F103 系列容量較為平均的芯片主要包括STM32F103RBT6（128 kB）和STM32F103RCT6（256 kB），其可以提供大量存儲空間并且處理能力強，這類芯片適用于需要存儲較多用戶信息和復(fù)雜算法的智能密碼鎖系統(tǒng)。在設(shè)計時，需考慮增加用戶管理、密碼策略設(shè)置等功能，以提升系統(tǒng)的智能化水平。STM32F103 系列高容量的芯片有STM32F103RET6（512 kB）和STM32F103VET6（512 kB），其擁有最大的存儲空間和最高的處理性能，主要被應(yīng)用于高端智能密碼鎖系統(tǒng)，具有支持復(fù)雜的安全算法、多用戶管理、遠程控制等功能[2]。因此，工作人員在設(shè)計時，需充分利用芯片的高性能，實現(xiàn)更加安全和便捷的用戶體驗，系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖1 所示。

2.2 報警電路

智能電子密碼鎖系統(tǒng)通常由控制模塊、輸入模塊、顯示模塊和報警模塊組成。其中，報警模塊在檢測到非法操作或錯誤輸入時，能夠及時發(fā)出警報，起到威懾和提醒的作用。報警電路核心組件是0905 有源蜂鳴器，這種蜂鳴器體積小、功耗低，適合集成在緊湊的電子密碼鎖系統(tǒng)中。由于0905 有源蜂鳴器的工作電壓為3 V，因此在設(shè)計電路時，需要確保電源電壓穩(wěn)定在3 V，工作人員要使用穩(wěn)壓芯片或者電池供電來保證電壓的穩(wěn)定性。由于有源蜂鳴器內(nèi)部已經(jīng)集成了驅(qū)動電路，因此無須外部復(fù)雜的驅(qū)動電路設(shè)計，只需通過單片機的輸入/ 輸出（input/output，I/O）口輸出高低電平信號，即可控制蜂鳴器的鳴叫。在單片機程序中，需要編寫相應(yīng)的控制邏輯，當(dāng)檢測到密碼輸入錯誤或非法操作時，單片機輸出高電平信號，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報。為了適應(yīng)不同的使用環(huán)境和用戶需求，需設(shè)計簡單的音量調(diào)節(jié)電路，通過改變驅(qū)動信號的占空比或頻率，合理地調(diào)節(jié)蜂鳴器的音量。在實際電路設(shè)計中，要選擇合適的電源管理芯片，確保輸出穩(wěn)定的電壓，再將0905 有源蜂鳴器連接到單片機的I/O 口，通常是連接到單片機的一個通用輸入/ 輸出（general purpose input/output，GPIO）引腳。在單片機程序中編寫相應(yīng)的代碼，當(dāng)檢測到異常情況時，該GPIO 引腳可以輸出高電平，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。通過上述設(shè)計，基于單片機的智能電子密碼鎖系統(tǒng)的報警電路能夠有效實現(xiàn)警報功能，提高了系統(tǒng)的安全性能。0905 有源蜂鳴器的使用不僅簡化了電路設(shè)計，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。隨著技術(shù)的不斷進步，智能電子密碼鎖系統(tǒng)的報警電路設(shè)計也將更加智能化[3]。

2.3 儲存電路

在智能電子密碼鎖系統(tǒng)中，儲存電路的主要功能是安全地存儲用戶的密碼信息和系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)。采用帶電可擦寫可編程只讀存儲器（electricallyerasable programmable read only memory，EEPROM）設(shè)計可以確保數(shù)據(jù)的安全性，選擇合適的EEPROM型號時，需要考慮存儲容量、讀寫速度、工作電壓、封裝形式等因素。對于密碼鎖系統(tǒng)，EEPROM容量為幾kB 到幾十kB 就可以滿足使用需求。EEPROM 與單片機的接口設(shè)計需要確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，常見接口有集成電路總線（inter-integratedcircuit，I2C）、串行外設(shè)接口（serial peripheralinterface，SPI）等，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)單片機的接口資源和EEPROM 的接口類型進行匹配。為了保證數(shù)據(jù)的安全，儲存電路需要有良好的電源管理設(shè)計，在系統(tǒng)掉電時應(yīng)確保EEPROM 中的數(shù)據(jù)不會丟失。設(shè)計中應(yīng)包含數(shù)據(jù)保護機制，如寫保護、數(shù)據(jù)校驗等，以防止數(shù)據(jù)被意外修改或損壞[4]。具體的實現(xiàn)步驟：①硬件連接。將EEPROM 通過I2C 或SPI接口與單片機連接，確保連接正確。②軟件編程。編寫單片機程序，實現(xiàn)對EEPROM 的讀寫操作。程序應(yīng)包括初始化、寫入數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗等功能。③測試驗證。在硬件設(shè)計完成后，進行系統(tǒng)測試，驗證儲存電路的穩(wěn)定性和可靠性。測試包括正常操作下的數(shù)據(jù)讀寫以及異常情況下的數(shù)據(jù)保護功能測試。

3 軟件設(shè)計

儲存電路是智能電子密碼鎖系統(tǒng)的核心部分，它負責(zé)存儲用戶的密碼信息、管理員信息以及指紋數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，采用具有非易失性的EEPROM作為儲存介質(zhì)，其能夠在斷電后保障數(shù)據(jù)不丟失。EEPROM 的地址分配和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)需要精心設(shè)計，以確保數(shù)據(jù)的安全性和讀寫效率。

第一，主流程設(shè)計。智能電子密碼鎖系統(tǒng)的主流程是整個軟件運行的骨架。主流程通常包括系統(tǒng)初始化、用戶輸入檢測、密碼驗證、開鎖控制等步驟。在系統(tǒng)初始化階段，單片機會配置各種外設(shè)，如液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）顯示屏、按鍵、指紋模塊等。用戶輸入檢測階段，系統(tǒng)會實時監(jiān)控是否有按鍵輸入或指紋識別請求。密碼驗證階段，系統(tǒng)會將用戶輸入的密碼與存儲在EEPROM 中的密碼進行比對。如果驗證通過，則執(zhí)行開鎖控制，否則系統(tǒng)將提示錯誤信息[5]。

第二，管理員模式子程序設(shè)計。管理員模式是智能電子密碼鎖系統(tǒng)中的一個重要功能，它允許管理員進行密碼的設(shè)置、修改和刪除，以及指紋數(shù)據(jù)的錄入和管理。管理員模式子程序需要設(shè)計一個安全的進入機制，通常是輸入特定的管理員密碼。進入管理員模式后，系統(tǒng)會提供一系列的菜單選項，供管理員操作。這些操作包括添加新用戶、刪除用戶、修改密碼、錄入指紋等。

第三，指紋解鎖子程序設(shè)計。指紋解鎖是智能電子密碼鎖系統(tǒng)的一個高級功能，它通過指紋識別技術(shù)來提高密碼鎖的安全性。指紋解鎖子程序首先需要調(diào)用指紋模塊進行指紋采集，然后將采集的指紋數(shù)據(jù)與存儲在EEPROM 中的指紋模板進行對比，如圖2所示。如果匹配成功，則執(zhí)行開鎖操作；如果匹配失敗，則提示用戶重新嘗試或使用其他解鎖方式[6]。

4 結(jié)語

綜上，隨著科技的不斷進步，智能電子密碼鎖作為一種新型的安全防護設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室、酒店等多個領(lǐng)域。本文基于單片機技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)一個智能電子密碼鎖系統(tǒng)，旨在提高鎖具的安全性。然而，本研究也存在局限性，密碼鎖的密碼輸入方式較為單一，未來可以考慮增加生物識別技術(shù)，如指紋識別、人臉識別等，以提高其安全性。系統(tǒng)的遠程控制功能尚未完善，這也是未來研究的重要方向。未來，將繼續(xù)深入研究智能電子密碼鎖，不斷優(yōu)化設(shè)計，以期為用戶提供安全的智能鎖具解決方案。