陈阳+韩志宏+支泽云+卢佳艺
摘 要：出于提高安全性、便捷性与经济性考虑，设计了一种二级电子加密的机械锁。锁具主体上增加了直流电磁铁锁定机构，电磁铁的动作由STC89C52单片机控制；电子系统上电由钥匙触发，二级加密密码由外接矩阵键盘输入，并支持错误报警；钥匙去除则断电。系统电源由不间断开关电源供给，以防止停电失效发生。
关键字：电子加密；机械锁；直流电磁铁
0 引言
随着经济的发展，时代变迁，生活水平的提高，物质生活的要求也越发突出，人们尤其对住宅安全问题看的很重。安全问题与人们的生活幸福指数紧密相关，锁具的应用在人们的生活中也极为普遍[1]。在大多数的失窃事件中，锁具被失效是主要的发生方式。尽管市面上不断涌现出性能更强大的锁具，但精密机构的应用推高了锁的价格（如AB锁）、多级保护设计带来了开锁过程的烦琐（如转盘密码锁）。
此外，市面上家用安全门的锁具普遍都是一级加密，即只用钥匙转动锁芯就可以开锁。当发生钥匙丢失，且被他人利用，安全问题除了更换锁具别无他法。对于高端的虹膜验证、指纹验证等安防措施，一是存在经济性的制约（消费不起），二是人体状况的制约（受伤或炎症），三是对特殊人群不适合（比如说残障人员）。设计一种操作便捷、价格经济且安全性高的锁具个有重要的现实的意义和经济价值。
1 整体功能设计
为了提高设计经济性，采用在传统的B级弹子锁上加装二级锁定机构。在锁具体尾端加工直通内圈的盲孔，由电磁铁驱动的滑块条在弹簧作用下伸入孔中，实现锁具体的锁死。电磁铁上电吸合，滑块条移出，锁具恢复正常。
电磁铁选用直流伸缩型，并通过外接光敏隔离电路与直流稳压电源相联，动作由单片机信号端口驱动在锁具体尾端中部还加装有分立弹簧导电块，与电源正级相连；锁具体外圈定子块尾端加装有导电块，与直流转换电路的5V端输出端相连。分别与开关电源的二端相连。
系统控制采用STC89C52单片机，外接4×4矩阵键盘和LCD1602液晶显示屏，并加装有蜂鸣报警器。。电源选用12V稳压开关电源（具有断电蓄能器）对直流电磁铁、蜂鸣报警器供电；通过LM7805CT模块将12V转5V电路，对单片机、液晶显示屏供电。
钥匙的插入触发电路导通，单片机上电，液晶显示屏点亮并提示输入密码；密码输入并确认，系统开始进行比对，比对正确则输入动作信号，电磁铁上电吸合，锁具解锁；如果连续三次比对错误则进行延时锁死状态，记时器启动，锁死时间可自行设计并调整。密码设置支持多组不同密码记忆，以避免密码忘记事故发生。解锁后2分钟内，转动钥匙即可正常开锁。在钥匙插入且开锁状态下可以进行密码的设置与重置操作，从而实现锁具加密的私人定制功能。
钥匙一旦拔下，则系统断电，电磁铁在弹簧作用下推杆伸出，实现锁具锁死。屋内锁头上装有电磁铁弹簧的拨叉装置，同传统锁具相类似。
2 锁具体结构
锁具的主体结构如图1中所示。钥匙插入后压到分立导电块上，以钥匙头部、锁具外圈（定子）、内圈（转子）作为导体，实现了系统电路的导通，单片机上电。为了防止非工作期间的电路导通和人体触电，锁具体外部加装绝缘层实现与门体的隔离，钥匙柄部包覆绝缘橡胶层。
分立导电块采用弹簧结构，以提高导电的可靠性，并避免对钥匙长度的精度要求。锁紧槽为由贯通外圈定子块到内圈表面的盲孔，孔径由推杆直径确定。
3 系统电路设计
系统电路以STC89C52单片机为核心，具体可分为直流转换模块、电磁铁驱动模块、键盘输入模块、显示模块、报警模块等，简单介绍如下。
3.1 直流转换模块
直流转换模块的电源为12V的稳压直流电源，由于系统电路单片机的供电电压不能超过5V，所以利用三端稳压集成电路LM7805将12V电源电压转换成5V的单片机输入电压。
3.2 电磁铁驱动模块
电磁铁驱动模块的电路如图2中所示。当键盘输入密码经过多次比对显示正确后，单片机STC89C52将微控制信号传递给电磁铁驱动模块，由驱动电路驱动电磁铁吸合；多次输入错误密码，信号不能传递，驱动电路无法工作。在图2电磁铁驱动模块电路中，T11和T12分别选用小功率三极管9013和中功率三极管2SC3358。D5为发光二极管作为电磁铁吸合指示灯，D6和C24并联在电磁铁两端是为了消除可能产生的反向高电压和电磁干扰。电磁铁驱动模块的输入电压为12V稳压开关电源，保证了该模块工作的稳定性。
3.3 输入键盘模块
矩阵键盘的电路如图3所示，各个按键对应单片机STC89C52电路板的各个引脚[2]。键盘共有16个键，其中包括修改密码及管理密码等功能的10个数字键和6个功能键：确认、删除、F1、F2、F3、F4。确认键是对正确信息的运行；删除键即删除前一操作；F1键是开码键，按下即可进入输入密码界面；F2键为密码管理键，可提供密码删除，密码添加，密码储存等功能；F3键为密码修改键；F4键为恢复出厂设置键，可清除所有之前储存的密码信息。
3.4 显示模块
设计中采用的是字符型液晶模块LCD1602[3]。P1口与1602液晶模块的数据口连接传输数据。P3口分别控制RS、RW和使能端，RS为寄存器选择。开锁时，钥匙正确插入导通电子控制部分，利用键盘上的9个数字键输入密码，每按下一个数字键后在显示器上显示一个*，输入多少位就显示多少个*。当密码输入完成时，如果输入的密码正确的话，使能端E端由高电平变成低电平，液晶模块执行命令，LCD显示屏会显示“UNLOCK OK”，灯亮。如果密码错误，使能端输出的还是高电平，LCD显示屏会显示“ERROR”，锁不能打开。通过LCD显示屏，可以清楚地判断出密码锁所处的状态。
3.5 报警模块
系统为了防止他人非法开锁，设计了报警模块，由蜂鸣器发声作为警示。蜂鸣器接在STC89C52的P3.4引脚上，通过三极管T13将电流放大[4]，由单片机控制蜂鸣器的频率和蜂鸣时间。出现三次密码输入错误，则启动延时并触发蜂鸣器发声。
4 程序流程图设计
程序部分的设计是以单片机C语言为基础，以主程序为核心，设置拓展功能的子程序。其流程图如图6。系统的主要流程包括：系统初始化、LCD1602的读写、EEPROM的读写、密码管理，密码校验、延时报警等几个部分。
系统允许多用户分别设置不同的密码，以避免密码忘记的事情发生。在密码校验时，系统会依次与密码表中数据字串进行比对，如果正确，则可进入开锁操作；如果密码表中的所有字串均比对错误，则会触发错误次数计数器工作。如果连续发生三次错误输入，则系统进入延时等待循环并报警，延时定时器的时间可自行设计。
所有的密码表设置、密码修改、报警时长设置及系统复位等操作，均需要在钥匙插入且开锁状态下才可以进行。
具体程序，限于篇幅，略。
5 结论
所设计的二级电子加密机械锁，在传统的锁具上加装了电子先导控制，实现高安全性加密，经济性地提高锁具的安全性；针对钥匙丢失情形，增加了二级防护，只要电子密码不同时泄漏，依旧安全；电子密码可方便修改，支持密码的私人定制。由于该设计只是在传经锁具上进行功能叠加，具有良好的可移植性，有着良好的社会效应与经济价值。
参考文献
[1]傅强，唐岚，张兴敢.一种新型电子机械锁的设计[J].现代电子技术，2012，35（8）：171-174.
[2]徐纬.51单片机综合学习系统--矩阵键盘篇[J].电子制作，2007（11）.
[3]太阳人电子.SMC1602A LCM使用说明书[Z].长沙，太阳人电子，2006.
[4]蒋立培，曹建树，付小美.单片微机系统实用教程[M].北京，机械工业出版社.2004.
作者简介
陈阳（1995-），男，本科，就读于景德镇陶瓷大学机械电子工程学院
韩志宏（1975-），男，副教授，就职于景德镇陶瓷大学机械电子工程学院
支泽云（1995-），男，本科，就读于景德镇陶瓷大学机械电子工程学院
卢佳艺（1996-），女，本科，就读于景德镇陶瓷大学机械电子工程学院
