電子鎖方案設(shè)計(jì)開發(fā)

隨著人們生活質(zhì)量的提高，科學(xué)技術(shù)也在飛速的進(jìn)步，但是高科技盜賊也出現(xiàn)在我們的和諧的社會(huì)中，這使得如何實(shí)現(xiàn)安全有效的防盜受到越來(lái)越多人的關(guān)注。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其結(jié)構(gòu)限制而使其安全性得不到大幅度有效提高，被撬的事件屢見不鮮，而電子鎖因其保密性強(qiáng)，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到廣大用戶的歡迎?，F(xiàn)在市場(chǎng)上就已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的電子鎖，有語(yǔ)音鎖，指紋鎖，電腦感應(yīng)鎖，錄像報(bào)警鎖等。這些鎖具出現(xiàn)后，成功的把不少盜賊拒之門外了，但還有少部分高智商的犯罪分子仍然無(wú)視他們的存在。究其主要原因是國(guó)家要求電子鎖必須有可以用機(jī)械方法開啟的裝置,如此的結(jié)果就是電子鎖無(wú)法體現(xiàn)防技術(shù)開啟的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)思路不但提高了電子鎖部分的防技術(shù)開啟性能，而且也提高了機(jī)械部分的防技術(shù)開啟的性能。

一、電子鎖的整體設(shè)計(jì)方案

1.1電子鎖的結(jié)構(gòu)

電子鎖的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子鎖的控制部分由輸入、存儲(chǔ)、編碼、鑒別、抗干擾、驅(qū)動(dòng)、顯示和報(bào)警等單元組成。其中，編碼和鑒別電路是整個(gè)控制部分的核心。而電源則是電子鎖控制部分和執(zhí)行部分都必不可少的。

電子鎖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用電磁鐵或微型電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)鎖體。

1.2電子鎖的設(shè)計(jì)

該電子密碼鎖利用單片機(jī)作為主控核心，單片機(jī)（AT89S51）所具有的特殊功能使得電子密碼鎖的保密性能大大加強(qiáng)，這樣就可以有效地防止多次試探密碼的可能性。隨著單片機(jī)和其他智能芯片的進(jìn)一步開發(fā)，防盜鎖將實(shí)現(xiàn)智能化，這將使鎖的安全性能大大提高。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)密碼一次輸入的提示功能，若密碼輸入不正確將發(fā)出“嘀嘀”的報(bào)警聲，引起他人警覺(jué)。同時(shí)可添加外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警（如添加繼電器一類設(shè)備可以連接到主人的電話上，使主人知道家里有人非法操作，及時(shí)報(bào)警）。若密碼輸入正確將發(fā)出“叮咚”的門鈴聲。本系統(tǒng)使用的單片機(jī)所具有強(qiáng)大的功能能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制用來(lái)完成密碼的輸入、判斷和比較從而執(zhí)行相應(yīng)的開鎖顯示或報(bào)警等功能。

二、電子鎖的開發(fā)過(guò)程

2.1硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由單片機(jī)（AT89S51）部分、4×4行列式鍵盤部分、七段數(shù)碼管部分、報(bào)警器部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以及電機(jī)6個(gè)部分所組成。

2.1.1硬件設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)框圖硬件設(shè)計(jì)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1.2單片機(jī)部分主控器件是單片機(jī)，AT89S51是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k字節(jié)的可編程系統(tǒng)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳，既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。

2.1.3各元器件（芯片）選型：
(1)本設(shè)計(jì)采用4×4行列式鍵盤共計(jì)數(shù)字鍵10個(gè)，功能鍵6個(gè)，用4×4組成0~9數(shù)字鍵、確認(rèn)鍵F及修改鍵C，10個(gè)數(shù)字鍵用來(lái)輸入密碼，另外6個(gè)功能鍵分別是：A、B、C、D、E、F。其中C鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤的時(shí)候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。F鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼。
(2)數(shù)碼管選用共陰極4位一體數(shù)碼管SR420561K。
(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N。(4)電路中設(shè)計(jì)了ISP下載器的接口，選用了ISP-USB下載線。
(5)電子鎖采用的電動(dòng)機(jī)需要體積小、效率高、啟動(dòng)力矩大，而錄音機(jī)里的電動(dòng)機(jī)就符合這一特點(diǎn)。最終選定電動(dòng)機(jī)為錄音機(jī)電動(dòng)機(jī)EG-530AD-6B，該電機(jī)工作電壓6V，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，方向CCW（反時(shí)針）。(6)這里傳動(dòng)部件選用塑料齒輪，定好傳動(dòng)比，直接從市場(chǎng)上選取。
(7)電子鎖鎖體、鎖舌與普通彈子鎖的結(jié)構(gòu)、材料沒(méi)有特別要求，故這些元件可直接用改造的普通彈子鎖的即可。

2.1.4系統(tǒng)板上硬件連線：
(1)把4×4行列式鍵盤中的4條橫線、4條豎線分別連接到P3.0-P3.3和P3.4-P3.7上，用來(lái)完成密碼的輸入。
(2)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0用導(dǎo)線連接到報(bào)警器上，用來(lái)提示密碼輸入的正確或錯(cuò)誤并發(fā)出相應(yīng)的聲音。
(3)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0—P1.7用導(dǎo)線連接到數(shù)碼管顯示器的另一端，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。
(4)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P2.0—P2.7用導(dǎo)線連接到三極管的一端通過(guò)三極管放大輸入到數(shù)碼管顯示器上，由“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1口和P2口共同來(lái)完成數(shù)碼管的顯示。
(5)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.1—P0.3用導(dǎo)線連接到L298N芯片上，用來(lái)實(shí)現(xiàn)開鎖的控制。

2.2軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的I/O端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加聲光提示甚至添加遠(yuǎn)程遙控控制功能。設(shè)計(jì)程序的內(nèi)容為：①密碼的設(shè)定，在此程序中密碼是固定在程序存儲(chǔ)器ROM中，密碼為6位。②密碼的輸入問(wèn)題：根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的密碼輸入，輸完后按確認(rèn)鍵將執(zhí)行相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)源程序采用C語(yǔ)言編寫，設(shè)計(jì)程序流程總框圖如圖3所示。

2.2.1鍵盤輸入部分：本系統(tǒng)中鍵盤采用4×4行列式鍵盤。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無(wú)鍵按下，判斷哪一個(gè)鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時(shí)的抖動(dòng)。兩個(gè)并行口中，一個(gè)輸出掃描碼，使按鍵逐行動(dòng)態(tài)接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號(hào)共同形成鍵編碼而識(shí)別按鍵，通過(guò)軟件查表，查出該鍵的功能。

2.2.2數(shù)碼顯示部分：本系統(tǒng)采用的是8位數(shù)碼管組成的顯示電路作為提示信息，初始化時(shí)，顯示“P”，接著輸入最大的6位數(shù)的密碼，當(dāng)密碼輸入完后，按下確認(rèn)鍵“F”，進(jìn)行密碼比較，當(dāng)輸入密碼正確時(shí)在數(shù)碼管上顯示“1HELLO”的提示信息，當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)在數(shù)碼管上顯示“2ERROR”的提示信息。在輸入密碼過(guò)程中，每輸入一位密碼顯示器上只顯示一個(gè)“8.”從右到左依次顯示。當(dāng)輸入密碼位數(shù)超過(guò)6位時(shí)，給出報(bào)警信息。在密碼輸入過(guò)程中，若輸入錯(cuò)誤，可以利用“C”鍵刪除剛才輸入的錯(cuò)誤的數(shù)字。在輸入密碼的過(guò)程中可以隨時(shí)對(duì)輸入的密碼進(jìn)行修改。

2.2.3蜂鳴器聲音提示部分：本系統(tǒng)把P0.0用作蜂鳴器報(bào)警的接口，對(duì)輸入的密碼與設(shè)定的密碼進(jìn)行比較，若密碼正確，蜂鳴器發(fā)出“叮咚”聲；若密碼不正確，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀”報(bào)警聲。

2.2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：本系統(tǒng)把P0.1-P0.3接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上，通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)密碼正確時(shí)則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、電子鎖功能測(cè)試與擴(kuò)展改進(jìn)

3.1電子鎖功能測(cè)試

根據(jù)編程設(shè)定一個(gè)初始密碼123456，采用4×4行列式鍵盤實(shí)現(xiàn)密碼的輸入功能，如圖4所示。初始化時(shí)，顯示管顯示“P”，密碼輸入時(shí)顯示管只顯示“8.”，當(dāng)輸入密碼完成后按F鍵確認(rèn)，密碼正確時(shí)數(shù)碼管顯示“1HELLO”，同時(shí)發(fā)出“叮咚”聲，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)可實(shí)現(xiàn)開鎖；電機(jī)轉(zhuǎn)后停下，若按下關(guān)鎖鍵A，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖。若密碼輸入不正確則顯示“2ERROR”作為提示信息，同時(shí)發(fā)出“嘀、嘀”報(bào)警聲。在密碼輸入的過(guò)程中可使用C鍵對(duì)輸入的密碼進(jìn)行修改。開鎖后，可以按D鍵來(lái)設(shè)定新密碼?？梢杂肂鍵來(lái)作為開關(guān)鍵，開關(guān)電源。E鍵返回上一級(jí)頁(yè)面。按以上步驟和操作測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，基本功能可以實(shí)現(xiàn)。

3.2電子鎖擴(kuò)展改進(jìn)

從發(fā)明電子鎖之日起，設(shè)計(jì)人員就不斷擴(kuò)展其功能，使簡(jiǎn)單的電子鎖演變?yōu)槎喙δ苄碗娮渔i，繼而又開發(fā)出智能型電子鎖——入門控制系統(tǒng)和身份識(shí)別系統(tǒng)。入口控制系統(tǒng)的典型代表是卡閱讀系統(tǒng)?？ㄩ喿x器用一類類似信用卡的塑料卡來(lái)代替機(jī)械鑰匙，閱讀機(jī)的面板上包含一個(gè)窄的縫隙，可以插入代碼數(shù)字各不相同的卡片?？ㄩ喿x器被連接到中心控制計(jì)算機(jī)上?？ㄩ喿x系統(tǒng)可以編程允許每個(gè)人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入指定的房間，實(shí)現(xiàn)所謂的時(shí)間上的多級(jí)進(jìn)出控制。系統(tǒng)能打印出在指定時(shí)間內(nèi)進(jìn)出人員的清單?？ㄩ喿x的另一個(gè)重要功能是同一張卡不可以為兩個(gè)人先后使用。如若卡片被兩次記錄“IN”，則系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。當(dāng)編碼卡遺失或被偷，或當(dāng)某個(gè)人的進(jìn)出權(quán)限已經(jīng)變化或結(jié)束時(shí)，可由卡控制器重新編程使該卡立即失效。由于對(duì)人的生理特征檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，入口控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成人員身份識(shí)別系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)識(shí)別模式技術(shù)，對(duì)人的生理特性進(jìn)行驗(yàn)證，如指紋、掌紋、手形、聲紋、視網(wǎng)膜圖和簽字等，其真實(shí)可靠性已被人們所普遍接受，因?yàn)樯硖匦噪y以模仿或被變換。身份識(shí)別驗(yàn)證的最好辦法是利用人的生理特性和卡片、口令、身份標(biāo)識(shí)數(shù)等組合，組成一個(gè)高度安全的入口控制系統(tǒng)——智能電子鎖。

還可以在以下方面改進(jìn)：無(wú)論內(nèi)層門把何時(shí)使用，門會(huì)自動(dòng)上鎖，并且安全門把將防御任何非法闖入，當(dāng)監(jiān)測(cè)到門處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)候會(huì)自動(dòng)鎖住。當(dāng)門鎖電量不足時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)和在LED屏幕上顯示警告。若電池電量完全用完，也可很輕易使用9 V標(biāo)準(zhǔn)電池作為緊急電源供給門鎖使用。

四、基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)指紋電子鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著科技的不斷進(jìn)步，電子鎖開始走進(jìn)大家的生活，目前電子鎖發(fā)展迅速，已經(jīng)開始逐漸取代傳統(tǒng)門鎖，廣泛應(yīng)用在小區(qū)、企業(yè)、公共設(shè)施以及家庭環(huán)境中。電子鎖的出現(xiàn)大大方便了人們的生活，不需要拿出鑰匙就可以實(shí)現(xiàn)門禁的開鎖和上鎖。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子鎖不僅讓人們非常便利而且越來(lái)越安全，常見的電子鎖驗(yàn)證方式有密碼驗(yàn)證、RFID驗(yàn)證和指紋驗(yàn)證等，這幾種方式都非常安全，只有符合身份的人才能打開門鎖。

現(xiàn)在比較流行的電子鎖鎖芯都采用以下幾種方式：第一，電磁鎖，通過(guò)電流通過(guò)硅鋼片時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大吸力，緊緊的吸住吸附鐵板達(dá)到鎖門的效果。第二，推拉電磁鎖，電磁線圈通電后產(chǎn)生磁力吸合可動(dòng)鐵鎖芯，達(dá)到鎖門開門的效果。第三，減速電機(jī)鎖，通過(guò)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，推出鎖頭達(dá)到鎖門效果。

目前市面上的電子鎖雖然有著諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些缺陷：首先，價(jià)格較高，市面上賣的指紋鎖售價(jià)基本在500元以上，對(duì)于普通消費(fèi)者還是難以接受。其次，安裝方式與原鎖無(wú)法兼容，必須更換原來(lái)的門鎖，導(dǎo)致浪費(fèi)。再次，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)功能，導(dǎo)致臨時(shí)需要開鎖時(shí)，必須持有鑰匙的用戶到場(chǎng)，或者公布電子鎖密碼，這樣既不安全也不方便。

針對(duì)以上缺陷，我設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)指紋電子鎖，它能夠兼容目前流行的門鎖類型，做到在不破壞原門鎖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電子鎖功能。本電子鎖能夠提供兩種驗(yàn)證方式：指紋驗(yàn)證和RFID驗(yàn)證，并且加入了網(wǎng)絡(luò)功能，為用戶提供了遠(yuǎn)程控制功能，而且還能夠上傳電子鎖的使用日志，提高安全性。

4.1網(wǎng)絡(luò)指紋電子鎖硬件設(shè)計(jì)

（1）電子鎖系統(tǒng)整體框架：本電子鎖采用AVR單片機(jī)ATmega328P作為主控芯片，該芯片具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，價(jià)格實(shí)惠，開發(fā)方便，完全適合本電子鎖的功能。指紋模塊采用市面上常見的FPM10A模塊，該模塊使用串行口通信，能夠存儲(chǔ)1000枚指紋信息，識(shí)別速度快，精度高，性價(jià)比高。出于成本考慮，使用RC522模塊進(jìn)行RFID識(shí)別，RC522價(jià)格低廉，采用SPI通信方式與主控模塊進(jìn)行通信，不需要占用串行口。系統(tǒng)采用W5100模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，該模塊提供RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口，片內(nèi)封裝TCP/IP協(xié)議棧，十分適合網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。為了提高用戶體驗(yàn)，本系統(tǒng)還添加了LCD液晶屏和功能按鍵。

（2）電子鎖鎖體設(shè)計(jì)：在門鎖的旋鈕位置安裝了一個(gè)MG996R金屬舵機(jī)，并將舵機(jī)機(jī)頭與旋鈕進(jìn)行固定，然后將舵機(jī)機(jī)體與支架固定，這樣就可以通過(guò)控制舵機(jī)來(lái)旋轉(zhuǎn)旋鈕，達(dá)到鎖門的效果。這種設(shè)計(jì)方式還是利用了原門鎖的構(gòu)造，不需要更換門鎖。

4.2網(wǎng)絡(luò)指紋電子鎖軟件設(shè)計(jì)

（1）網(wǎng)絡(luò)開發(fā)：本電子鎖使用了網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和上傳使用記錄。主控芯片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊與服務(wù)器通信，每隔5秒讀取一次遠(yuǎn)程服務(wù)器的開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)為關(guān)時(shí)，程序不做任何動(dòng)作，若讀取的開關(guān)狀態(tài)為開時(shí)，電子鎖將控制舵機(jī)打開門鎖，直到讀取到開關(guān)狀態(tài)為關(guān)為止。每次使用指紋驗(yàn)證或RFID驗(yàn)證開鎖時(shí)，門鎖會(huì)自動(dòng)上傳本次開鎖的用戶ID，即指紋ID編號(hào)或RFID標(biāo)簽ID編號(hào)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)記錄本次開鎖的日期和時(shí)間，記錄可以保存5年，用戶可以通過(guò)登錄平臺(tái)獲取開鎖記錄。

（2）其他設(shè)計(jì)：為了保證電子鎖運(yùn)行穩(wěn)定性，我為程序中加入了看門狗定時(shí)器，程序每8秒鐘會(huì)重置看門狗定時(shí)器一次，若沒(méi)有按時(shí)重置定時(shí)器，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行軟件復(fù)位。為了防止意外停電，系統(tǒng)外置了一個(gè)供電USB口，可以在停電的時(shí)候使用外部電源進(jìn)行供電，保障電子鎖的運(yùn)行。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)充分利用了AT89S51系統(tǒng)單片機(jī)軟、硬件資源，引入了智能化分析功能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。另外，智能密碼鎖在軟、硬件方面稍加改動(dòng)，便可構(gòu)成智能化的分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)某一范圍內(nèi)的集中式監(jiān)控管理，在金融、保險(xiǎn)、軍事重地及其他安全防范領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的電子鎖方案詳情。如果您有智能密碼電子鎖開發(fā)設(shè)計(jì)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產(chǎn)品定制開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以盡快評(píng)估開發(fā)周期與IC價(jià)格，也可以核算PCBA報(bào)價(jià)。我們是多家國(guó)內(nèi)外芯片代理商：松翰、應(yīng)廣、杰理、安凱、全志、realtek，有MCU、語(yǔ)音IC、藍(lán)牙IC與模塊、wifi模塊。我們的開發(fā)能力涵蓋了PCB設(shè)計(jì)、單片機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)、軟件定制開發(fā)、APP定制開發(fā)、微信公眾號(hào)開發(fā)等軟硬件設(shè)計(jì)。還可以承接智能電子產(chǎn)品研發(fā)、家用電器方案設(shè)計(jì)、美容儀器開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)、智能家居方案設(shè)計(jì)、TWS耳機(jī)開發(fā)、藍(lán)牙耳機(jī)音箱開發(fā)、兒童玩具方案開發(fā)、電子教育產(chǎn)品研發(fā)。

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