基于51单片机的电子智能密码锁

李长灏 杨帆 马如龙 刘航 李伟 周慧

摘要：电子智能密码锁，是代指一类可以经过操控电子电路或控制器的内部操控芯片，从而达到操控电子密码锁的机械锁芯开关或闭合的电子设备。其类型上既有结构相对简单的集成电路产品，又有大量应用集成电路晶片的高价格比的电子设备，但现在，在市场上使用比较普遍的就是以芯片为内核的电子密码锁，应用了C语言程序设计，将程序烧录进芯片中，再联系各个模组完成开锁的智能电子密码锁。

本次研究中以STC89C52单片机作为系统核心，结合矩形键盘电路、指纹模组、蓝牙模组、LED数码管显示电路等，利用单片机其灵活编程能力以及丰富的I/O端口，对整个系统进行控制。本次项目研究设计方法合理、成本极低、简单易行、安全实用等特点，具有可持续发展的空间。

关键词：电子密码锁;STC89C52单片机;指纹识别;蓝牙开锁

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）12-0081-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

安全是现代社会更加关注的现象之一。盗窃事件常有发生，因此更需要一种工具来维护门户安全。在此之前，挂锁、子弹锁和插入式锁被广泛使用。这些锁结构简单、安全性低。撬锁入室和入室盗窃的案件越来越多。因此，我们的团队设计了一款电子智能密码锁。产品的设计主要考虑了保证人们安全使用、使用方便、使用方便等综合因素。电路产品设计包括防探键盘输入、智能控制解锁、锁定、报警、密码重置等功能。其次，由于采用多位密钥设置，具有保密性好、灵敏度高等优点[1]。

1材料及研究过程

1.1材料、功能与研究对象

主要材料：单片机STC89C52、矩形键盘输入、LCD液晶显示屏、指纹模块、蓝牙模块、继电器、发光二极管、三极管。

主要功能：使用C语言来进行主控芯片的编程，对系统设计与软件系统进行设计，智能监控上锁、开锁、报警、更改密码功能等多项功能研究对象，把日常的普通密码锁系统作为重点研究对象。

1.2实验原理

电子智能密码锁由STC89C52芯片作为核心芯片[2]，整个系统主要由矩阵键盘、蓝牙模组、指纹模组、蜂鸣器等组成。通过C语言程序控制可以做到各个模组之间的相互配合，用户可以自行选择开锁方式，系统通过发光二极管亮灭，模拟开锁功能，原理图如图1所示。

1.3实验实例列举

当系统通电后，显示屏显示“欢迎使用”，按下“c”键后开始输入六位密码，初始密码“123456”输入完成之后按下“d”按键即可开锁。若密码错误，显示“Error”则说明密码输入错误，按下“*”键重新输入，累计若达到3次输入错误，则将会产生时间为2分钟的报警。

如果输送进去的数字是正确的则密码正确将会显示“门锁已开”如此就说明我们所输送进去的数字的密码输入正确，此时将开锁。回到初始界面，也可以在指纹模块按下指纹，如果当前指纹与存储器中的指纹匹配，即可显示“门锁已开”，若连续3次指纹对比失败，依旧会产生2分钟的报警。

如果需要修改密码需按下“a”按键，进入修改密码界面，同上如果累计3次错误，同样产生2分钟报警。如果输送正确密码则可以修改旧的密码，再一次输送两次相同的密码之后就会存储到存储器之中，再次按下“*”键即可立即关闭，并回到待机界面。

2程序设计

我们团队采用C语言进行编写该锁的控制程序，利用keil uvision4将程序烧录进单片机中系统流程如下图2所示。

輸入电子密码锁密码或指纹，单片机判断密码是否正确，如无误，发光二极管亮，此时可以选择修改密码或指纹，若错误，则重新输入密码，若输错三次，此时蜂鸣器响，电子密码锁锁定，此时需要等待5分钟系统解锁，然后再一次使用密钥、指纹进行开锁[3]，流程图如图2所示。

3电路分析

3.1外部晶振设计

系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。

3.2复位电路设计

单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把单片机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

4单元模块设计

4.1矩阵键盘设计

按键接口设计有两种方法，独立式按键和矩阵式键盘。独立式按键各键相互独立，但是该设计方案I/O资源浪费大。在本设计中，按键较多，考虑到系统可靠性和键盘设计简单，故而采用矩阵按键。4x4矩阵键盘的电路图如图5所示。

行列式键盘的硬件结构部分相较于其他键盘比较简单，是依靠着行列输出口而所构成的行列式键盘，其按键设置在行与列的相交之处上。图3-2中，1.0～1.3是行输出口，1.4～1.7是列输出口。行输出和列输出之间不重合的点，只有在键被按下时相应的行和列才能相连[4]。这样，只要检测行和列之间有没有连接就能够得知是不是有键按下。

4.2指纹模块设计

我们应用ZFM60指纹模组作为我们的另一个打开方式。它是一款基础的指纹鉴别模组，这款芯片所具有的优点：成本低、适应性强、在一些极端气候环境下也可以正常工作，具体工作流程：扫描指纹、生成特征、合成模板[5]。如图6所示。

4.3 LCD显示模板设计

在嵌入式单片机应用中，常常使用的显示仪器有单的发光二极管、八段LED显示器、液晶显示器（LCD）、屏幕显示器（CRT）等。在此次产品设计中，根据设计所要达到的功能和节省生产成本等实际情况，我们采用LCD12864作为此次产品的屏幕。

LCD12864是数字点阵式液晶屏幕，它里面含有128x64点的液晶显示面板、CMOS驱动。由于该模块有整体的图形点阵显示，所以在用它来显示图像和文字时，因此它必须具有如下特征：

①CMOS集成度高的电路LCD驱动;

②大容量图形类型，它可以显示数字、字母、奇特符号、曲线、图表和模型等;

③阳性驱动;

④高对比度、宽显示范围;

⑤1/64 分辨率。

图7LED电路图。

4.4 蓝牙模块设计

为使此密码系统的操作方式不局限于指纹和键盘输入，采用该蓝牙模组用来完成手机应用于带电子智能密码锁之间的互联。该蓝牙模组有着明显的优点体积较为小，防尘美观，能量损失较少，而且配有一个LED灯用来提醒用户蓝牙是否连接，当蓝牙未连接时，LED灯将急速闪烁，如果连接成功，LED灯将间隔一秒左右闪烁一次。该模组有效连接距离大概为10米左右，广泛用于数据采集，智能小车等方面，完全满足此系统需求[6]。蓝牙模组引脚图如图8所示。

4.5开锁设计

在本次的项目研究中是以发光二极管来代替电磁锁，而当二极管被点亮时意味着锁是开启状态，所以我们可以做一个简易的且可以点亮的二极管电路系统代替电磁锁开锁设备。发光二极管的电路图如图9所示。

5研究结果分析

随着我们生活的家园日益增幅所导致以机械代替人工以及微型化技术的快速发展，单片微型计算机也慢慢成为工业电子产品研究与发展过程中第一选择的控制器，但是在单片微控制器被发明出来之前，人们使用简单复杂的模拟集成外电路智能密码锁就可以做到，但是由于这样的工业电子产品体积庞大且成本高昂，而且随着长期应用电子元器件老化现象加重，其控制器的准确度当然也就会逐渐降低。而在单片微型计算机诞生之后，人们只需在单片微型计算机外围接上简易的外设电路，而核心部分也只能由人为地写入编程来实现。此电子产品的体积相较于其他产品较为小，所以此成本也就降低了许多，而且即使长时间应用也不担心准确度达不到，而且由于其编程简单易于更新完善。而且由于设备编号数量较多，保密性好，也因此增加了密碼锁的安全系数，因而使得多功能智能密码锁能够广泛被应用。

6总结

此次项目的电子智能密码锁使用了STC89C52为主的控制器件，加之附加电路及相应的程序设计，并采用了软硬件组合的方法来完成设计，此电子密码锁共6位密钥，每一个包括了0-9共十个数字，通过计算，三次机会中可以打开电子密码锁的概率是一千亿分之三， 安全性极高，总之，电子密码锁的将来还有很大的进步以及成长空间。

参考文献：

[1] 李建波.基于STC89C52单片机的电子密码锁[J].现代电子技术，2008，31（23）：154-156.

[2] 梅丽凤，郭栋，汪毓铎.单片机原理及接口技术[M].4版.北京：清华大学出版社，2018.

[3] 朱彦龙，房新荷.基于51单片机的指纹电子密码锁的设计与实现分析[J].电子元器件与信息技术，2018，2（10）：75-77.

[4] 刘柳.一种特色矩阵键盘的设计方法：CN102637075A[P].2012-08-15.

[5] 沈睿.基于DSP的自动指纹识别系统的研究与开发[D].北京：北京邮电大学，2007.

[6] 吴娟.HC-05蓝牙串口透传模块及其应用实例[J].中国宽带，2021（3）：80.

【通联编辑：梁书】