STC89C52RC智能電子鎖設計研究

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【摘要】設計一種基于stc89c52rc單片機的廉價智能電子鎖。采用單片機作為控制核心，可通過編程選擇實現修改開鎖模式和異常開鎖報警等功能，相比于市場上同類產品，使用更靈活、安全性更高、成本更低，具有較高的實用價值。

【關鍵詞】指紋識別；矩陣鍵盤；STC89C52RC；報警

傳統的機械鎖或智能IC卡鎖需要配備鑰匙，使用不便，特別是對于實驗室、辦公室、機房等相對重要而門鎖又較多的場所，管理人員往往需要配備大盤鑰匙。工作人員時常會因為遺忘鑰匙或IC卡損壞等原因而無法開門，同時還存在因丟失鑰匙而造成的安全隱患。為了克服這一缺點，目前市場上已推出了無需利用鑰匙開鎖的指紋鎖和電子密碼鎖，因其使用方便、安全高效而成為一種趨勢。但目前市場上的指紋鎖或電子密碼鎖價格普遍較高，且開鎖模式單一、使用不夠靈活［1-2］。針對這種情況，本文用FPM10A模塊進行指紋采集，用矩陣鍵盤進行密碼輸入，用STC89C52RC單片機作為控制器，設計了一種廉價的智能電子鎖。設計的電子鎖成本較低、安全性能高，能實現異常開鎖報警，同時預留了其他功能開發，具有較高的實用價值。

1系統設計

本設計由指紋模塊、密碼鍵盤、功能切換按鍵、存儲模塊、主控單片機、聲光報警器、液晶顯示器以及電源模塊等組成，系統結構如圖1所示。其基本工作原理是：存儲模塊存儲程序設置參數，包括開鎖模式、指紋信息和密碼信息。主控單片機將輸入部分的輸入信息，根據程序設置與存儲信息進行對比、確認，然后將處理結果送給輸出部分進行相應操作。其中，輸入部分包括指紋信息獲取模塊、密碼輸入鍵盤和功能選擇切換按鍵。為了開鎖方便，系統默認首選指紋開鎖，然后是密碼開鎖。若要進行其他操作，可按下功能切換鍵進入管理模式，此時需要輸入超級密碼，驗證通過后可進行指紋錄入與刪除、開鎖密碼修改、臨時開鎖密碼設置以及開鎖模式修改等，比如為了增強安全性，可以將默認的“指紋或密碼”的開鎖方式修改為“指紋+密碼”的開鎖方式。控制部分采用STC89C52RC單片機作為控制核心，根據程序設置輸入指令執行相應操作。輸出部分包括報警器、顯示器和繼電器控制，報警器進行開鎖異常情況報警，比如連續三次輸入指紋或密碼錯誤；顯示器顯示輸入信息；繼電器用于控制電磁鎖開鎖機構的動作。由于各個模塊的工作電壓不完全相同，由電源管理模塊完成各模塊的供電管理。

2硬件選擇與設計

2.1指紋識別模塊

本設計中指紋識別模塊選用技術比較成熟的FPM10A型光學指紋識別模塊［3］，該模塊圖像錄入快，存儲容量大（最大可達880枚指紋信息），錯誤接受率(FalseAcceptanceRate，FAR)<0.001%，錯誤拒絕率FalseRejectionRate，FRR)<1.0%，工作電壓3.6~6V，設計中采用5.0V電壓供電，其電路如圖2所示。

2.2密碼鍵盤

本設計的密碼鍵盤采用4×4矩陣鍵盤［4］，各鍵代表的符號意義如圖3所示，電路設計如圖4所示。密碼鍵盤工作原理是：第一步，判斷是否有按鍵。若有按鍵會使該鍵所在的行線和列線電平發生變化；第二步，判斷按鍵所在位置。根據行線和列線電平變化，尋找該鍵所在位置；第三步，建碼計算。根據各鍵所代表的符號及意義，執行相應操作，若按鍵為特殊功能鍵（“確定”、“取消”、“退出”、“重置”）會進行即時操作，其中“重置”為管理員模式，需要輸入超級密碼，然后進入管理模式。若按鍵為普通符號鍵（“0~9”及“*”和“#”）則按順序排列記憶存儲，直至按下“確認”鍵結束，然后與存儲的密碼進行對比確認，執行后續開鎖、報警等操作。為了安全起見，若按鍵后超過10秒無操作，系統自動退出。

2.3電磁鎖控制模塊

本設計采用繼電器控制電磁鎖鎖舌的動作，電路設計如圖5所示［5］。為了安全起見，保證電磁鎖的可靠動作，設計采用電源適配器提供12V直流電壓對電磁鎖供電，繼電器則采用5V直流電壓供電。當接收到開鎖指令后，單片機會通過P2.2口輸出一個低電平信號使光耦得電導通，從而接通繼電器工作，執行開鎖操作。未接到開鎖指令時，P2.2口為高電平，光耦不工作，電磁鎖處于閉鎖狀態。

2.4存儲模塊

本設計的存儲模塊采用AT24C02［6］。AT24C02采用低功耗CMOS工藝，具有100萬次擦寫周期，數據保存達100年，不會因為斷電而丟失數據，完全滿足設計需要，且價格相對較低。AT24C02模塊的SDA（管腳5）和SCL（管腳6）分別于單片機的P3.5和P3.4口連接，連接電路如圖6所示。

2.5單片機及其外圍電路

本設計沒有太復雜的數據運算，但要求可靠性高。綜合比較各種微控器，選用宏晶公司的8位增強型單片機STC89C52RC［7-8］。該單片機技術成熟、成本低，自帶ADC，簡化外圍器件設計。信息存儲采用AT24C02模塊，液晶顯示器采用LCD1602顯示器，報警器采用聲光報警，當輸入指紋或密碼連續三次錯誤時，輸入模塊強制退出，同時單片機會通過P2.1端口輸出一個低電平信號使三極管Q2導通，接通聲光報警器進行聲光報警。

2.6電源模塊

本系統設計中，電磁鎖采用12V電壓供電，可直接采用電源適配器供電，單片機和繼電器、顯示器等外圍器件采用5V電壓供電，設計采用LM2596-5模塊將電源適配器輸出電壓轉化成5.0V電壓［9］。

3程序設計

3.1默認解鎖程序

考慮到指紋解鎖快捷、方便，系統首選指紋解鎖，如果指紋識別模塊無動作則進入到密碼解鎖。指紋解鎖中，如果指紋比對失敗會通過液晶顯示器進行提示，超過三次則關閉指紋識別模塊。考慮到指紋模塊可能會因為手指出汗等原因比對失敗，此時不報警，提示選擇輸入密碼解鎖。密碼解鎖中，設置了6位由“0”~“9”及“*”和“#”12個符號組成的普通解鎖密碼和臨時解鎖密碼，位數過低會降低安全性，位數過高又會影響工作效率與可靠性。若選擇“重置”鍵則進入管理員模式，可進行密碼修改、指紋錄入與刪除等操作，此時需要輸入9位超級密碼。無論是普通解鎖密碼、臨時解鎖密碼還是超級密碼，輸入錯誤系統會進行提示，如果錯誤輸入超過三次則自動關閉解鎖系統，同時啟動聲光報警。聲光報警器延時10秒退出，解鎖系統關閉150秒后恢復待機狀態，系統工作流程如圖7所示。

3.2重置與拓展功能

為了增加系統使用的靈活性，本系統設計的程序可以進行修改、重置。（1）修改密碼。在不太重要的場合，可以采用4位密碼，快速高效。同樣，在重要的場合可以采用9位密碼及更多位數的超級密碼。臨時密碼默認使用一次即失效，也可以改為按時間記憶，比如啟動12小時后失效。（2）開鎖模式。在非常重要的場合，為了提高安全防護級別，可以采用“密碼+指紋”的方式開鎖。此時安全級別高，不設置臨時密碼，開鎖時系統首先驗證密碼，三次錯誤即報警。然后再次驗證指紋（管理員模式的超級密碼除外），三次比對錯誤也報警。但“密碼+指紋”的驗證方式要確保指紋錄入無誤，手指不能有汗漬、油污及傷口等。（3）功能拓展。由于采用單片機作為控制器，這種智能電子鎖可以通過無線通信的方式與其他設備建立聯系，實現遙控解鎖。比如手機終端解鎖、紅外遙控器解鎖等［10-11］。

4系統測試

為檢驗設計的可靠性，進行了系統的硬件測試。針對預定的指紋解鎖、密碼解鎖以及錯誤報警等功能進行逐一測試，結果顯示，系統誤動和報警器誤報均為零，證明了系統工作的可靠性。

5結語

本文設計的智能電子鎖利用指紋或密碼即可開鎖，無需配備鑰匙或IC卡等開鎖裝置，使用方便，符合門禁系統發展趨勢；采用單片機作為控制核心，可以通過程序設定選擇和修改開鎖模式，使用靈活，安全性高；設計的智能鎖利用單片機與外界的通信鏈接，很容易與智能家居、物聯網、5G技術、大數據與區塊鏈等深度融合，實現聯網控制與報警等功能拓展，有著廣闊的應用前景。

作者：楊清志 徐宏 單位：亳州職業技術學院