一種智能密碼鎖的設(shè)計(jì)與研究

王英輝　劉世行　黃英凡　王澤楠

摘 要：隨著電子加密技術(shù)和智能系統(tǒng)的發(fā)展，智能加密系統(tǒng)的用途越來越廣。筆者采用STC89C51單片機(jī)、16格矩陣鍵盤、一塊LCD12864顯示器以及指紋識(shí)別器等制作了這款智能電子密碼鎖。開鎖密碼是由任意6個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字（0～9）組成，系統(tǒng)允許對(duì)密碼進(jìn)行修改，但2次新密碼需保持一致。當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)提示報(bào)警，同時(shí)設(shè)計(jì)了指紋功能部件，具備增加或刪除指紋等功能。

關(guān)鍵詞：智能電子密碼鎖;智能報(bào)警;LCD12864顯示器

中圖分類號(hào)：TP368? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著許多高精尖技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的許多技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代，常見的密碼鎖使用的都是單片機(jī)技術(shù)，并結(jié)合其他電子元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和算法控制，由此去完成一些在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常用到的功能，從傳統(tǒng)的機(jī)械鎖發(fā)展到后來產(chǎn)生密碼鎖、指紋鎖，用密碼來開門的鎖具有更高的安全系數(shù)，并且制造成本相對(duì)較低，功耗低，即使連續(xù)使用很長的時(shí)間也不會(huì)耗費(fèi)太多的電力。它還具有操作簡(jiǎn)單、密碼不易泄露、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。該文研究的智能密碼鎖是密碼鎖和指紋鎖的結(jié)合，可以智能選擇密碼開鎖或指紋開鎖。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該文設(shè)計(jì)的智能密碼鎖需具備6個(gè)功能：1）在輸入密碼時(shí)，LCD顯示器的屏幕上顯示*號(hào)，防止密碼泄露。2）開鎖密碼是由6個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字（0～9）組成，任意6種數(shù)字組合都可以。3）開機(jī)時(shí)LCD屏幕上提示“請(qǐng)按手指開鎖”，當(dāng)指紋正確時(shí)鎖打開，否則顯示器屏幕上提示沒搜索到指紋請(qǐng)重新按。4）16格矩陣鍵盤上有0～9這幾個(gè)數(shù)字鍵和修改鍵、刪除鍵、確認(rèn)鍵、返回鍵。5）系統(tǒng)允許對(duì)密碼進(jìn)行修改，但目前只支持6位數(shù)，在開鎖狀態(tài)下先輸1次舊密碼，舊密碼正確時(shí)再輸2次新密碼，2次新密碼需保持一致。6）實(shí)現(xiàn)指紋的錄入，最多可以增加1000個(gè)指紋。還可以刪除多余的指紋。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 密碼鎖設(shè)計(jì)原理

智能密碼鎖主要由STC89C51單片機(jī)、16格4×4的正方形鍵盤、LCD顯示屏、指紋識(shí)別器及報(bào)警模塊等部分組成。鍵盤主要起到了輸入數(shù)字和基本功能操作的作用。在程序設(shè)計(jì)中提前設(shè)置好密碼，用戶在16格鍵盤上輸入預(yù)先設(shè)置好的6位數(shù)密碼，單片機(jī)作為控制部件，會(huì)將用戶輸入的密碼與系統(tǒng)內(nèi)保存的密碼進(jìn)行比較和匹配，并判斷密碼是否正確，若密碼正確則控制電路進(jìn)行開鎖操作，若密碼輸入錯(cuò)誤則控制電路不做開鎖操作，單片機(jī)會(huì)發(fā)出密碼錯(cuò)誤信息。實(shí)際使用的成品鎖只需把繼電器換成電磁線圈即可。

筆者設(shè)計(jì)的智能鎖分為硬件和軟件2個(gè)部分。其中電源、16格矩陣鍵盤、AT24C02、相關(guān)電路和LCD、繼電器、指紋器等屬于硬件部分。而智能鎖的流程圖、主程序及其他相關(guān)程序?qū)儆谲浖糠帧?/p>

2.2 密碼模塊設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的16格矩陣鍵盤包括0～9的數(shù)字鍵、修改鍵、確認(rèn)和返回鍵，剩下的3個(gè)鍵是用來擴(kuò)充其他功能的。設(shè)計(jì)使用的16格鍵盤是機(jī)械式的，鍵盤使用矩陣式鍵盤，由行和列組成，程序逐列掃描鍵盤確定被按鍵的具體位置。判斷鍵盤上有沒有鍵被按下、判斷閉合的鍵有沒有被放開。按鍵時(shí)有輕微抖動(dòng)，需一小段時(shí)間才會(huì)穩(wěn)定。由于存在此缺陷，因此需要對(duì)按鍵時(shí)長進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)按鍵閉合時(shí)采取延遲的方法，采用這種方式讓每次按鍵穩(wěn)定后，再按下其他數(shù)字鍵，從而防止STC89C51屢次接收相同的錯(cuò)誤按鍵信息。

在軟件設(shè)計(jì)中，程序的控制采用的是行列掃描法（最常用的按鍵識(shí)別方法）：按順序把要掃描的行線設(shè)為低電平，同時(shí)讓其他行線處于高電平狀態(tài)。系統(tǒng)檢測(cè)到某行線處于低電平之后，才會(huì)進(jìn)一步去檢測(cè)其他行線的電平狀態(tài)。然后檢測(cè)列的電平狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到某列處于低電平，于是該線和低電平行線相交的地方就是閉合的按鍵所在的地方。在程序中加上延時(shí)函數(shù)，分2次掃描行和列。若2次掃描的結(jié)果是一致的，即相同的按鍵閉合，就可以確定這個(gè)按鍵閉合，轉(zhuǎn)而執(zhí)行按鍵所對(duì)應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，實(shí)現(xiàn)刪除數(shù)字、修改密碼、返回主界面等功能。

2.3 密碼修改模塊設(shè)計(jì)

密碼修改原理：任何時(shí)候密碼的修改都需要先輸入舊密碼，在舊密碼輸入正確的情況下，才會(huì)進(jìn)入密碼修改流程。修改密碼時(shí)界面會(huì)出現(xiàn)4個(gè)選項(xiàng)，然后按下其中標(biāo)號(hào)為4的選項(xiàng)，再輸入新的密碼，每設(shè)定1位數(shù)字就將密碼存儲(chǔ)起來，當(dāng)6位密碼設(shè)置完畢后按下確認(rèn)鍵，然后再完整的輸入1次密碼。當(dāng)輸入2次正確密碼后系統(tǒng)將自動(dòng)跳到初始界面，設(shè)置成功，調(diào)用新設(shè)置的密碼，此后啟用新密碼，舊密碼將會(huì)被廢棄。需要注意的是，2次輸入的新密碼必須保持一致，否則界面提示密碼修改失敗，并發(fā)出警告，如圖1所示。

2.4 指紋模塊設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用的是ZFM-60指紋器，通過單片機(jī)識(shí)別指紋。CMOS芯片主要用于采集指紋、生成指紋特征，即數(shù)據(jù)資料。具體的操作流程為掃描指紋（錄入圖像）→生成特征→合成模板（建立一個(gè)指紋庫文件， 成功錄入一個(gè)指紋）。用指紋模塊內(nèi)的 CMOS芯片采集一次指紋信息，然后進(jìn)行模糊處理，生成“0”和“1”2種記錄信息，存入指紋模塊的FLASH芯片中。當(dāng)切換到識(shí)別模式時(shí)，指紋模塊就會(huì)先讓CMOS芯片采集一次指紋，然后與FLASH芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看是否一致。如果一致，就可以返回指紋編號(hào)。

在軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的工作流程為第一步，啟動(dòng)機(jī)器，此時(shí)用戶有2個(gè)選擇，第一個(gè)選擇是掃描指紋來開鎖，系統(tǒng)識(shí)別成功則門打開，否則返回原來的主界面;第二個(gè)選擇是通過在鍵盤上輸入6位密碼來獲得管理員的權(quán)限，管理員具有最高的權(quán)限，可以重置密碼、刪除密碼，還可以決定錄入誰的指紋、刪除指紋。如果密碼輸入正確，會(huì)出現(xiàn)4個(gè)選項(xiàng)：1）增加指紋。2）刪除指紋。3）手動(dòng)開鎖。4）修改密碼。否則返回到原來的開機(jī)界面。如果用戶之前已經(jīng)錄入過指紋，一旦手指放上去就會(huì)智能識(shí)別，直接開鎖。如果非法用戶，指紋識(shí)別失敗，門鎖則不會(huì)打開。如果之前沒有錄入指紋，需先輸入正確的6位數(shù)密碼，進(jìn)入指紋設(shè)置界面，此時(shí)，可以錄入新的指紋，也可以刪除之前廢棄的指紋。

系統(tǒng)的備選方案是設(shè)置手動(dòng)開鎖按鈕，若選擇手動(dòng)開鎖按鈕，指紋識(shí)別和密碼開鎖就會(huì)失效，即用機(jī)械鑰匙開鎖。此種方案是在系統(tǒng)損壞時(shí)，可以用鑰匙開鎖，確保住戶在任何情況下都可以打開門鎖。

2.5 開鎖顯示模塊設(shè)計(jì)

開鎖原理：通過指紋識(shí)別或者輸入密碼的方式開鎖。第一步，啟動(dòng)機(jī)器，此時(shí)顯示器界面會(huì)提示用戶有2個(gè)選擇，第一個(gè)選擇：通過指紋掃描來開鎖，系統(tǒng)識(shí)別成功則門打開，否則返回原來的界面;第二個(gè)選擇：通過在鍵盤上輸入6位密碼來獲得管理員的權(quán)限，如果密碼輸入正確，按下鍵盤上對(duì)應(yīng)的鍵就可以開鎖，否則返回原來的界面。

用戶通過顯示器看到輸入的密碼和指紋是否正確。設(shè)計(jì)采用的是LCD12864字符型液晶顯示屏，它同大多數(shù)LCD顯示屏類似，能夠一次顯示32個(gè)字符。LCD屏幕顯示的是字符和專用符號(hào)，也顯示數(shù)字。在電子密碼鎖設(shè)計(jì)中，之所以選擇了LCD作為輸出硬件，主要考慮了4個(gè)方面。

（1） LCD顯示屏優(yōu)于傳統(tǒng)陰極射線管顯示屏CRT的地方在于，它的畫面更加清晰，不會(huì)出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，這也得益于LCD具有能保持色彩和亮度且恒定發(fā)光的特性。

（2）LCD顯示屏為數(shù)顯，與STC89C51能輕松聯(lián)接，且操作并不復(fù)雜。

（3）LCD顯示屏較之傳統(tǒng)的顯示屏在質(zhì)量上要輕得多，因?yàn)樗峭ㄟ^控制顯示屏中的液晶分子的狀態(tài)來顯示數(shù)字的。

（4）LCD顯示屏的最大優(yōu)勢(shì)在于它更加省電，使產(chǎn)品可以持續(xù)待機(jī)。

3 結(jié)論

密碼鎖設(shè)計(jì)方案以便宜實(shí)用為主題，方案運(yùn)用了具有低功耗 CMOS的STC89C51、E2PROM 和AT24C02作為主控芯片與內(nèi)存卡以及部分硬件等電路設(shè)計(jì)出了一款具有很多功能的電子密碼鎖。功能包括密碼修改、輸入0～9中6位數(shù)字實(shí)現(xiàn)開鎖、指紋識(shí)別開鎖、增加指紋、刪除指紋及系統(tǒng)報(bào)警等;其中，輸入的密碼會(huì)用*號(hào)遮住，防止泄露，密碼錯(cuò)誤時(shí)會(huì)報(bào)警。用單片機(jī)STC89C51制作的電子密碼鎖安全系數(shù)高，操作簡(jiǎn)單方便，而且它的制作成本很低，最重要的一點(diǎn)是就算意外泄密了，也可以隨時(shí)修改密碼。保密性強(qiáng)，靈活性高。該文設(shè)計(jì)的智能密碼鎖經(jīng)過實(shí)物的焊接制作，已經(jīng)投入使用，該文提及的功能都能實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效果良好，在后續(xù)的設(shè)計(jì)開發(fā)中，將研究虛位密碼的設(shè)定方法。任意輸入超過6位的數(shù)字，只要包括設(shè)置的6位數(shù)密碼，即可打開鎖。這種方式會(huì)大大提高鎖的安全性。

參考文獻(xiàn)

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