智能密碼鎖的軟件設(shè)計與開發(fā)

燕秀秀

(山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009)

0 引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，各類先進(jìn)新科技技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中，給生活增加了不少便利。比如，針對安全加密鎖，就出現(xiàn)了智能密碼鎖，它相對傳統(tǒng)的彈子鎖和機(jī)械鎖，解決了鎖距的行程距離短，容易被技術(shù)開啟，鑰匙可隨意配置等缺點(diǎn)，它只需要設(shè)置幾位數(shù)字密碼就可完成安全鎖的功能，讓出行更加安全便捷，在實(shí)際生活中得到了廣泛的應(yīng)用。綜合便捷和安全因素的考慮，本文使用STC15W4K32S430I作為核心芯片，結(jié)合其他外圍器件設(shè)計了一款具有修改密碼功能的智能密碼鎖。

1 軟件需求分析

智能密碼鎖能夠?qū)崿F(xiàn)按鍵輸入密碼、自動開關(guān)鎖、修改密碼、指示燈狀態(tài)顯示等功能。智能密碼鎖各個組成部分包括STC15W4K32S430I主控制芯片、矩陣鍵盤、蜂鳴器、LED指示燈、繼電器、數(shù)碼管等，如圖1所示。STC15W4K32S430I芯片實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理；矩陣鍵盤可以進(jìn)行密碼的輸入、清除或修改操作；蜂鳴器和LED信號燈實(shí)現(xiàn)聲光報警指示，直觀給出結(jié)果；繼電器實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)控制，數(shù)碼管模塊進(jìn)行智能密碼鎖的狀態(tài)指示以及實(shí)時的數(shù)字密碼顯示，STC15W4K32S430I主控芯片內(nèi)部含有E2PROM，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)密碼的存儲。

關(guān)于智能密碼鎖的需求分析如下：

1) LED狀態(tài)指示燈有紅、黃、綠三種顏色，分別對應(yīng)“密碼錯誤”、“密碼修改”、“密碼輸入”三種狀態(tài)；

2) 數(shù)碼管能夠?qū)崟r顯示輸入的數(shù)值和狀態(tài)；

3) E2PROM中存儲預(yù)設(shè)密碼，可被單片機(jī)讀寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；

4) 4×4矩陣按鍵上分布有數(shù)字鍵0～9、“輸入”鍵、“清除”鍵、“修改”鍵，以及三個備用按鍵，支持?jǐn)U展功能；

5) I/O口連接三極管驅(qū)動繼電器開合，實(shí)現(xiàn)智能密碼鎖開關(guān)功能。

圖1 智能密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計

根據(jù)需求分析，能得到智能密碼鎖的主要7個狀態(tài)：初始狀態(tài)、密碼輸入狀態(tài)、密碼驗(yàn)證狀態(tài)、密碼驗(yàn)證正確狀態(tài)、密碼驗(yàn)證錯誤狀態(tài)、密碼修改狀態(tài)以及等待5 s無操作狀態(tài)。在這7種不同狀態(tài)下，分別有不同的響應(yīng)，如表1所示，將各個狀態(tài)使用變量標(biāo)號Mode來表示，每個狀態(tài)使用一個從0到6中確定的數(shù)字表示。

表1 智能密碼鎖狀態(tài)表

初始狀態(tài)下，繼電器關(guān)閉、LED燈和蜂鳴器關(guān)閉；在密碼輸入過程當(dāng)中，由矩陣按鍵輸入密碼，數(shù)碼管顯示“H”樣字母以及按鍵數(shù)字，同時綠色LED燈點(diǎn)亮；在密碼驗(yàn)證狀態(tài)下，從單片機(jī)中E2PROM中讀取預(yù)設(shè)密碼進(jìn)行驗(yàn)證；如果密碼輸入正確，也就是密碼驗(yàn)證正確狀態(tài)時，數(shù)碼管顯示0pen字樣，同時繼電器打開；如果密碼驗(yàn)證錯誤狀態(tài)則繼電器關(guān)閉，同時紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行提醒，數(shù)碼管顯示Error字樣；最后要求智能密碼鎖支持密碼修改，密碼修改的前提必須是要在密碼輸入正確的狀態(tài)下進(jìn)行，同時黃燈亮，數(shù)碼管顯示“C”樣字母及按鍵新密碼，然后進(jìn)行密碼保存到E2PROM，方便下次進(jìn)行密碼驗(yàn)證，同時要求在密碼輸入過程中允許進(jìn)行密碼輸入的清除；為了能夠更加地安全，我們規(guī)定無任何操作大于5 s則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，也就是初始狀態(tài)。

2.1 按鍵設(shè)計

采用4×4的矩陣鍵盤，對應(yīng)的功能名稱如圖2所示。在軟件設(shè)計中采用矩陣鍵盤行列式掃描確定按下的按鍵。

圖2 矩陣鍵盤功能名稱圖

2.2 聲光報警軟件設(shè)計

在電子產(chǎn)品中，蜂鳴器是非常常見的一種元器件，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、報警器、電子玩具等等，通常作為發(fā)聲裝置。當(dāng)密碼輸入錯誤時，采用無源蜂鳴器進(jìn)行三次間斷的發(fā)聲報警。其軟件流程圖和軟件設(shè)計如圖3所示，其中BUZZ為硬件上單片機(jī)控制蜂鳴器所使用的控制端口，且輸出PWM信號驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)驅(qū)動輸出為低電平，且不是PWM信號時，表示蜂鳴器沒有觸發(fā)，蜂鳴器處于關(guān)閉狀態(tài)，初始化蜂鳴器為低電平0。具體的發(fā)聲頻率由for循環(huán)中的延時長短控制，間隔時長由for循環(huán)外部的延時時長控制。

圖3 蜂鳴器軟件流程圖、蜂鳴器軟件設(shè)計圖

LED燈組包括紅、黃、綠色，為了區(qū)分智能密碼鎖的不同工作狀態(tài)，綠燈點(diǎn)亮表示智能密碼鎖正在輸入密碼按鍵值，黃燈點(diǎn)亮表示正在進(jìn)行密碼修改工作，紅燈點(diǎn)亮表示密碼輸入錯誤?？梢栽O(shè)置不同的位變量給三個LED燈。

根據(jù)需要配置對應(yīng)的單片機(jī)端口，當(dāng)對應(yīng)的LED燈要被點(diǎn)亮?xí)r，設(shè)置對應(yīng)的位變量值為0或者1來控制LED燈的亮滅。

2.3 繼電器軟件設(shè)計

繼電器的軟件設(shè)置類似于LED燈的設(shè)置，都是配置對應(yīng)的單片機(jī)端口，通過單片機(jī)輸出高低電平控制繼電器的打開和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)門鎖的開關(guān)。

2.4 密碼顯示軟件設(shè)計

采用8位數(shù)碼管3641AS和74HC595實(shí)現(xiàn)密碼顯示和狀態(tài)字樣的顯示。74HC595是一個功能非常強(qiáng)大的移位緩存器，由SCK信號腳控制數(shù)據(jù)信號輸入的脈沖，信號輸入的0或者1都是SDL腳決定的。由SCK與SDL共同控制信號的輸入[1]。單片機(jī)向74HC595發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)[2]。

首先是對3個數(shù)據(jù)端作引腳定義。

然后是單片機(jī)向74HC595發(fā)送一個字節(jié)的函數(shù)Send_595(u8 dat)，形參為dat。

最后是輸出位碼Send_595(T_COM[display_index])和段碼Send_595(t_display[LED8[display_index]])，位碼數(shù)組依次為0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07，分別表示8位數(shù)碼管，段碼數(shù)組t_display位標(biāo)準(zhǔn)的單個數(shù)碼管的字符顯示集合。

2.5 E2PROM的軟件設(shè)計

STC15W4K32S430I芯片內(nèi)部包含E2PROM，可以完成對預(yù)設(shè)密碼的讀寫操作。也就是智能密碼鎖的密碼驗(yàn)證時對預(yù)設(shè)密碼的讀以及密碼修改時對密碼的保存。使用IAP技術(shù)進(jìn)行對E2PROM讀寫操作，假設(shè)預(yù)設(shè)密碼為6位數(shù)字，使用E2PROM的幾個相關(guān)寄存器相關(guān)位。首先是控制寄存器IAP_CONTR，相關(guān)讀寫位是第0、第1、第2和第7位，第7位為使能位，只有當(dāng)它是1的時候，允許IAP讀寫E2PROM，否則是禁止對E2PROM讀寫。而第0、第1和第2位是設(shè)置CPU等待多長時間。然后是設(shè)置命令寄存器IAP_CMD，相關(guān)位是第0位和第1位，MS1和MS0為00時候，E2PROM是待機(jī)模式，不進(jìn)行操作。當(dāng)為01時，對E2PROM區(qū)進(jìn)行字節(jié)讀?。划?dāng)為10時，對E2PROM區(qū)進(jìn)行字節(jié)編程；當(dāng)為11時，對E2PROM區(qū)進(jìn)行扇區(qū)擦除。其次，是設(shè)置操作的E2PROM的地址寄存器IAP_ADDRH和IAP_ADDRL，分別是高位地址寄存器，用來指定地址的高8位，低位寄存器用來指定地址的低8位。最后，數(shù)據(jù)操作寄存器IAP_DATA，是對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作，將要寫入E2PROM中的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)寄存器中，或者從E2PROM中讀出來的數(shù)據(jù)也在此寄存器中。需要特別注意的是，使用IAP技術(shù)操作時，都要對命令觸發(fā)寄存器先寫入5AH，再寫入A5H，那么IPA命令才會生效。這樣就可以對智能密碼鎖的密碼讀取判斷和密碼修改進(jìn)行操作了。

3 軟件測試驗(yàn)證

假設(shè)智能密碼鎖初始預(yù)設(shè)密碼是6個1。測試步驟如表2所示。

表2 智能密碼鎖軟件測試表

4 結(jié)束語

本文結(jié)合智能密碼鎖的實(shí)際需求，以STC15W4K32S430I為主控芯片，應(yīng)用矩陣鍵盤、數(shù)碼管、LED燈、蜂鳴器等，設(shè)計了一款智能密碼鎖系統(tǒng)。后續(xù)的發(fā)展可以考慮采用無線傳播紅外或者藍(lán)牙等技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)智能密碼鎖物聯(lián)網(wǎng)功能。