O 引言
目前，市場上有多種基于IC卡設(shè)計(jì)的電子鎖,，廣泛應(yīng)用于賓館,、公寓、倉庫,、學(xué)校等場所,。這些場合能夠提供很好的直流或交流電源，電子鎖的控制部分可以長時(shí)間方便地獲取穩(wěn)定的電源,。但是,，在野外環(huán)境中往往不能為控制部分方便地提供電源，需要手持部分為控制部分提供電源,，執(zhí)行開鎖和閉鎖操作,，因此傳統(tǒng)由控制部分提供電源的電子鎖不能滿足野外環(huán)境的需要，例如采油井,、注水站,、電信通訊井等,，在這些地方，尤其是偏遠(yuǎn)的地方,，往往對(duì)安全性要求較高,，提供電源又較為困難。
本文介紹了一種電子鎖,，電子鎖系統(tǒng)分為控制和手持兩部分,。手持部分的電源采用鋰電池，控制部分的工作電源由手持部分提供,，數(shù)據(jù)線和電源線共用一根線,，有效解決了上述問題，使用方便,。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子鎖由控制部分和手持部分組成,。控制部分由STCl2C2052單片機(jī),、信號(hào)接收電路,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路構(gòu)成,，主要完成電子鎖鑰匙密碼的接收,、驗(yàn)證、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),、電機(jī)保護(hù)功能,；手持部分主要由STCl2C2052單片機(jī)、可充電電源電路,、信號(hào)發(fā)送電路、鎖開關(guān)按鍵電路構(gòu)成,，主要完成電子鎖系統(tǒng)電源的提供,，開鎖、閉鎖信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)的發(fā)送功能,。為了使用方便,，控制部分和手持部分的連接采用紐扣式接頭，外部為地,，內(nèi)部為電源線,，通過單根電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。開鎖,、閉鎖操作的執(zhí)行由3 V直流變速電機(jī)完成,，直流變速電機(jī)可以降低轉(zhuǎn)速，增大力矩,。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。
1．1 STCl2C2052單片機(jī)
控制部分和手持部分微處理器采用STCl2C2052單片機(jī)。STCl2C2052除了具有運(yùn)算器、控制器,、RAM,、FLASH、定時(shí)器,、串行接口等功能部件外,，還具有以下特點(diǎn)：SOP-20封裝，體積??；3．5～5．5 V寬工作電壓，具有ESD保護(hù),，高抗靜電干擾,，抗4 kV快速脈沖干擾；-40～+80℃工作溫度范圍,，低功耗的空閑和掉電工作模式,，2 KB芯片內(nèi)E2PROM，ISP系統(tǒng)在線可編程,，硬件看門狗(WDT)等特點(diǎn),，適用于野外環(huán)境。
1．2 信號(hào)發(fā)送電路
手持部分的信號(hào)發(fā)送電路將開鎖,、閉鎖信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào)通過電源線發(fā)送到控制部分,。信號(hào)發(fā)送電路由三極管Q1、二極管D1,、電阻R1和線圈L1構(gòu)成,，如圖2所示。當(dāng)單片機(jī)的P3．1輸出高電平時(shí),，Q1截止,，輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通,，電源正極通過D1,、限流電阻R1和Q1接地。此時(shí),，會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的低脈沖,，表明有信號(hào)發(fā)送，低脈沖信號(hào)的不同頻率代表發(fā)送的是“O”,，還是“1”,。
1．3 信號(hào)接收電路
控制部分信號(hào)接收電路通過電源線接收開鎖、閉鎖控制信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào),。接收電路包括電容C1,，三極管Q2和一個(gè)反向器,。電源通過線圈L2給控制部分提供電源，如圖3所示,。手持部分通過電源線發(fā)送信號(hào),，產(chǎn)生瞬時(shí)的低電平脈沖，低脈沖信號(hào)通過C1加載到Q2的基極,，使得Q2處于截止?fàn)顟B(tài),。此時(shí)，反向器輸出低電平信號(hào),。無脈沖信號(hào)時(shí),，Q2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí),，反向器輸出高電平信號(hào),。根據(jù)信號(hào)頻率可以判斷發(fā)送來的是“0”，還是“1”,。
1．4 直流電機(jī)倒向驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)采用帶有變速器的3 V直流電機(jī),，通過電機(jī)的順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)完成開鎖,、閉鎖操作,。倒向驅(qū)動(dòng)電路由三極管Q4，Q6,，Q8,，Q10，Q5,，Q7,，Q9，Q11組成,，單片機(jī)的P1．O,，P1．1，P1．2,，P1．3分別經(jīng)反相器后接Q4，Q6,，Q8,，Q10的基極。電路如圖4所示,。
當(dāng)單片機(jī)的P1．O,，P1．1，P1．2,，P1．3為低電平時(shí),，Q4,，Q6，Q8,，Q10截止,，V1和V2處于浮空狀態(tài)，電機(jī)靜止,；當(dāng)開鎖時(shí),，單片機(jī)的P1．0，P1．3為高電平,，P1．1,，P1．2為低電平，Q4,，Q5,，Q10，Q11導(dǎo)通,，Q6,，Q7，Q8,，Q9截止,，V1為正，V2為負(fù),，電機(jī)正轉(zhuǎn)開鎖,；當(dāng)閉鎖時(shí)，單片機(jī)的P1．0,，P1．3為低電平,，P1．1，P1．2為高電平,，Q4,，Q5，Q10,，Q11截止,，Q6，Q7,，Q8,，Q9導(dǎo)通，V1為負(fù),，V2為正,，電機(jī)反轉(zhuǎn)閉鎖。
在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí),，必須注意嚴(yán)禁P1．0,，P1．1,，P1．2，P1．3同時(shí)為高電平,，即Q4,，Q6，Q8,，Q10同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),。
1．5 電機(jī)保護(hù)電路
直流變速電機(jī)執(zhí)行開鎖、閉鎖操作一定時(shí)間后,，外部機(jī)械裝置會(huì)迫使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),，如果不采取措施，會(huì)產(chǎn)生較大電流,，損壞直流電機(jī),，所以保護(hù)電路是必不可少的。
保護(hù)電路由TLV2252運(yùn)算放大器,、電阻R4,，R5，R6組成,，電路如圖5所示,。TLV2252的1IN+(引腳3)接R5，R6構(gòu)成分壓電路,；11N-(引腳2)接電阻R4,，電阻R4串聯(lián)到電機(jī)倒向驅(qū)動(dòng)電路的公共輸出端。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí),，通過R4的電流較小,，TLV2252的輸出(引腳1)經(jīng)兩個(gè)反向驅(qū)動(dòng)后送給單片機(jī)的P3．3，此時(shí)為“1”,，進(jìn)行正常的開關(guān)操作,。當(dāng)外部機(jī)械裝置迫使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于直流電機(jī)負(fù)載過大,，通過R4的電流較大,，這時(shí)放大器TLV2522輸出經(jīng)兩個(gè)反向驅(qū)動(dòng)后送給單片機(jī)的P3．3，此時(shí)為“O”,，利用此信號(hào)產(chǎn)生中斷信號(hào),，停止開鎖、閉鎖操作,，以此起到對(duì)電機(jī)的保護(hù)作用。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件由控制部分主程序,、數(shù)據(jù)接收程序,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序,、手持部分主程序、數(shù)據(jù)發(fā)送程序組成,?？刂撇糠峙c手持部分傳送開門、關(guān)門信號(hào)和鑰匙密碼信號(hào),，其中鑰匙密碼信號(hào)用1l位二進(jìn)制數(shù),，具有較好的安全性。
2．1 數(shù)據(jù)“0”,，“1”傳送方法
采用異步FSK通訊方式,，使用信號(hào)的不同頻率來區(qū)分“0”和“1”，如圖6所示,。
當(dāng)信號(hào)頻率為20 kHz時(shí),，代表傳輸為“O”；當(dāng)信號(hào)頻率為10 kHz時(shí),，代表傳輸為“1”,。當(dāng)晶振為12 MHz時(shí)，機(jī)器周期大約為1μs,。在接收部分,，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1用來記錄機(jī)器周期的個(gè)數(shù)。當(dāng)記錄的機(jī)器周期個(gè)數(shù)在30～70之間時(shí),，可以確定接收到的是“O”(O的標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)為50個(gè)),；當(dāng)記錄的機(jī)器周期個(gè)數(shù)在80～120之間時(shí)，確定接收到的是“1”(1的標(biāo)準(zhǔn)個(gè)數(shù)為100個(gè)),，其他情況按錯(cuò)誤處理,。
2．2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
在傳送的信息中，一部分是開鎖,、閉鎖控制命令信號(hào),，另一部分是鑰匙密碼信息?？刂撇糠纸邮盏借€匙密碼信息,，經(jīng)驗(yàn)證與本機(jī)的密碼一致后可以執(zhí)行開鎖、閉鎖操作,。采用異步通信方式,，定義協(xié)議格式為起始位、鑰匙密碼信息位,、開／關(guān)位,、校驗(yàn)位。其中,，起始位為1位,；鑰匙密碼信息為11位,；開／關(guān)位為1位；校驗(yàn)位為4位,。當(dāng)起始位為“0"時(shí),，表示一幀數(shù)據(jù)的開始，加上此后連續(xù)的16位為一幀數(shù)據(jù),。
鑰匙信息共有2048種組合,，開／關(guān)位為“1”，代表開鎖操作,；開／關(guān)位為“0”,，代表閉鎖操作；校驗(yàn)位由11鑰匙信息位和1為開／關(guān)位共12位(由高到低4位為1組)經(jīng)2次異或操作得到,。
2．3 程序設(shè)計(jì)
手持部分主程序完成系統(tǒng)初始化,、讀取按鍵，形成數(shù)幀,，啟動(dòng)發(fā)送等任務(wù),。使用定時(shí)中斷T1，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送過程,。當(dāng)為數(shù)據(jù)“0”時(shí),，定時(shí)器初值為65 535-50=65 485=FFCO(H)；當(dāng)為數(shù)據(jù)“1”時(shí),，定時(shí)器初值為65535-100=FF9B(H),，逐次發(fā)送各位，直到將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束,。手持部分主程序和T1中斷程序流程如圖7和圖8所示,。
控制部分采用定時(shí)器T0和外部中斷O實(shí)現(xiàn)，初始化設(shè)置定時(shí)器為內(nèi)部計(jì)數(shù)方式,，計(jì)數(shù)初值為0,。當(dāng)手持部分信號(hào)到達(dá)控制部分時(shí)，單片機(jī)的外部中斷O產(chǎn)生中斷,，在中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值t,。當(dāng)30≤t≤70時(shí)，接收到的位為“0”,；當(dāng)80≤t≤120時(shí),，接收到的位為“1”。將接收的各位組合起來恢復(fù)發(fā)送的一幀數(shù)據(jù),，經(jīng)檢驗(yàn)處理正確無誤后進(jìn)行開鎖或閉鎖操作,。
3 結(jié)語
電子鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線和電源線采用一線制連接，使用方便；鑰匙密碼以加密的方式寫入存儲(chǔ)器中,，具有很高的安全性,；不需要現(xiàn)場提供電源，解決了傳統(tǒng)電子鎖需要現(xiàn)場提供電源的問題,。電子鎖系統(tǒng)已在勝利油田孤島采油廠、東辛采油廠注水井的安全保護(hù)和東營移動(dòng)通信公司通信線路地井的防盜裝置上得到了應(yīng)用,，具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值,。