基于单片机的现场无电源电子密码锁设计

1 引言

目前，市场上有多种基于IC卡设计的电子锁，广泛应用于宾馆、公寓、仓库、学校等场所。这些场合能够提供很好的直流或交流电源，电子锁的控制部分可以长时间方便地获取稳定的电源。但是，在野外环境中往往不能为控制部分方便地提供电源，需要手持部分为控制部分提供电源，执行开锁和闭锁操作，因此传统由控制部分提供电源的电子锁不能满足野外环境的需要，例如采油井、注水站、电信通讯井等，在这些地方，尤其是偏远的地方，往往对安全性要求较高，提供电源又较为困难。

本文介绍了一种电子锁，电子锁系统分为控制和手持两部分。手持部分的电源采用锂电池，控制部分的工作电源由手持部分提供，数据线和电源线共用一根线，有效解决了上述问题，使用方便。

2 硬件系统设计

电子锁由控制部分和手持部分组成。控制部分由STCl2C2052单片机、信号接收电路、电机驱动电路、保护电路构成，主要完成电子锁钥匙密码的接收、验证、直流电机驱动、电机保护功能；手持部分主要由STCl2C2052单片机、可充电电源电路、信号发送电路、锁开关按键电路构成，主要完成电子锁系统电源的提供，开锁、闭锁信号和钥匙密码信号的发送功能。为了使用方便，控制部分和手持部分的连接采用纽扣式接头，外部为地，内部为电源线，通过单根电源线实现数据传输和控制功能。开锁、闭锁操作的执行由3 V直流变速电机完成，直流变速电机可以降低转速，增大力矩。硬件系统结构示意图如图1所示。

2．1 STCl2C2052单片机

控制部分和手持部分微处理器采用STCl2C2052单片机。STCl2C2052除了具有运算器、控制器、RAM、FLASH、定时器、串行接口等功能部件外，还具有以下特点：SOP-20封装，体积小；3．5～5．5 V宽工作电压，具有ESD保护，高抗静电干扰，抗4 kV快速脉冲干扰；-40～+80℃工作温度范围，低功耗的空闲和掉电工作模式，2 KB芯片内E2PROM，ISP系统在线可编程，硬件看门狗(WDT)等特点，适用于野外环境。

2．2 信号发送电路

手持部分的信号发送电路将开锁、闭锁信号和钥匙密码信号通过电源线发送到控制部分。信号发送电路由三极管Q1、二极管D1、电阻R1和线圈L1构成，如图2所示。当单片机的P3．1输出高电平时，Q1截止，输出低电平时，Q1导通，电源正极通过D1、限流电阻R1和Q1接地。此时，会在电源线上产生一个瞬时的低脉冲，表明有信号发送，低脉冲信号的不同频率代表发送的是“O”，还是“1”。

2．3 信号接收电路

控制部分信号接收电路通过电源线接收开锁、闭锁控制信号和钥匙密码信号。接收电路包括电容C1，三极管Q2和一个反向器。电源通过线圈L2给控制部分提供电源，如图3所示。手持部分通过电源线发送信号，产生瞬时的低电平脉冲，低脉冲信号通过C1加载到Q2的基极，使得Q2处于截止状态。此时，反向器输出低电平信号。无脉冲信号时，Q2处于饱和导通状态。此时，反向器输出高电平信号。根据信号频率可以判断发送来的是“0”，还是“1”。

2．4 直流电机倒向驱动电路

系统采用带有变速器的3 V直流电机，通过电机的顺时针、逆时针旋转完成开锁、闭锁操作。倒向驱动电路由三极管Q4，Q6，Q8，Q10，Q5，Q7，Q9，Q11组成，单片机的P1．O，P1．1，P1．2，P1．3分别经反相器后接Q4，Q6，Q8，Q10的基极。电路如图4所示。

当单片机的P1．O，P1．1，P1．2，P1．3为低电平时，Q4，Q6，Q8，Q10截止，V1和V2处于浮空状态，电机静止；当开锁时，单片机的P1．0，P1．3为高电平，P1．1，P1．2为低电平，Q4，Q5，Q10，Q11导通，Q6，Q7，Q8，Q9截止，V1为正，V2为负，电机正转开锁；当闭锁时，单片机的P1．0，P1．3为低电平，P1．1，P1．2为高电平，Q4，Q5，Q10，Q11截止，Q6，Q7，Q8，Q9导通，V1为负，V2为正，电机反转闭锁。

在程序实现时，必须注意严禁P1．0，P1．1，P1．2，P1．3同时为高电平，即Q4，Q6，Q8，Q10同时处于导通状态。

2．5 电机保护电路

直流变速电机执行开锁、闭锁操作一定时间后，外部机械装置会迫使电机停止转动，如果不采取措施，会产生较大电流，损坏直流电机，所以保护电路是必不可少的。

保护电路由TLV2252运算放大器、电阻R4，R5，R6组成，电路如图5所示。TLV2252的1IN+(引脚3)接R5，R6构成分压电路；11N-(引脚2)接电阻R4，电阻R4串联到电机倒向驱动电路的公共输出端。当电机正常工作时，通过R4的电流较小，TLV2252的输出(引脚1)经两个反向驱动后送给单片机的P3．3，此时为“1”，进行正常的开关操作。当外部机械装置迫使电机停止转动时，由于直流电机负载过大，通过R4的电流较大，这时放大器TLV2522输出经两个反向驱动后送给单片机的P3．3，此时为“O”，利用此信号产生中断信号，停止开锁、闭锁操作，以此起到对电机的保护作用。