基于MSP430单片机的智能防夹电子密码锁

传统的锁具由于其构造简单，被强行破坏导致用户财产被盗的事件屡见不鲜，电子密码锁安全系数高，使用方便，性价比高，受到了广大用户的喜爱。锁具发展至今已有数千年的历史了，但是传统锁具都有不同程度上的缺点：传统锁具制作工艺在技术上已经明显落后，其制造材料无法抵抗强力破坏，无法阻止技术手段的开启，并且很多密码锁存在着夹手的问题。随着电子技术和人工智能技术的不断发展，电 子类产品的发展更趋向智能化和自动化。针对目前 市面上密码锁存在的问题，设计了一款基于MSP430 单片机的智能防夹电子密码锁，可以满足大多数用 户对于家庭防盗的需求。

1电子锁设计特点

本设计从经济实用、防夹手的角度出发，采用MSP430 单片机作为主控系统，设计了一款具有完善的密码保护机制以及智能防夹功能的电子密码锁。 该密码锁设计方法合理，操作简单，成本低廉，性价比高，符合住宅区以及办公室的用锁要求，具有较高的推广价值，其具体功能如下。

1）系统密码由 6 位数字构成，已修改密码输入正确即可开门。

2）设有 24C02 密码防掉电保护，断电后密码仍然有效。

4）具有自我保护系统：在开锁时，密码连续 3 次输入错误，密码锁会在一分钟内自动禁止输入，从 而减少被破解的可能。

5）系统具有防止意外夹伤设计：采用红外对管检测电路。用户开门进门以后，系统自动关门，如 果检测到障碍物，会立即停止关门过程。

2系统方案

为了追求反应速度快、能耗低的目标，设计选用MSP430G2553 作为系统主控芯片。对于键盘输入， 需要硬件设备快速准确的进行识别，并且在实现同等功能的情况下占用的最少的I/O 口，因此采用 AD 键盘进行密码输入，AD 键盘通过采样到的电压来识别按键，只需要占用 3 个I/O 口完成对密码的识别。系统的显示器件要满足显示面积大、耗能低、操作简单以及编程容易等特点，我们采用了新型的LCD12864 液晶屏作为显示器件。动力系统需要有足够的动力，对于转动的距离也需要严格的把控，并且开门与关门过程也不宜速度过快，为此，采用步进电机作为动力系统的驱动模块。直流电机一般需要连接 4 到 5 根跳线，动力足、转动速度较慢，通过控制转动的角度来精确控制距离，并且实现正反转也更容易。系统总体框图如图 1 所示。

图1 系统总体框图

3硬件设计

电子密码锁的硬件主要由 4 个模块组成：主控器模块、显示器模块、AD 键盘模块以及步进电机驱动控制模块。在电路的设计过程中，步进电机工作 时电压值会有较大波动，为了避免其影响到其它电 路的正常运行，故采用 LM2596 独立供电。另外的主控芯片，AD 键盘，显示器以及红外对管检测电路等都采用LM7805 三端稳压器对其供电。在稳压电路部分，LM7805 的输入端与输出端电容的选取，采用一个大电容并联一个小电容的方法。大电容用来滤 除低频杂波信号，并起到续流作用，小电容滤除高频 杂波信号。可以选用 22 μF 的电解电容除去低频的杂波信号和续流，采用 330 pF 的陶瓷电容滤除高频杂波信号。

3.1主控器模块

本电路设计采用MSP430 单片机作为主控，P1.0口处理来自AD 键盘的密码信息，P1.1 到P1.4 控制步进电机正反转（开关门过程），P1.5 口接受来自红外对管的信息，判断是否停止关门或者继续关门，P2.3到P2.5 口控制显示器的读写以及使能，P1.6 和P1.7分别控制储存芯片的时钟和数据。

3.2AD 键盘模块

AD 键盘根据采样点得到的电压不同从而实现不同按键输入。为了防止按键出错，选择独立电源为AD 键盘提供电压，本设计中共有 16 个按键，每个按键都和一个电阻串联，同时设置一个分压电阻。 所以共需 17 个电阻与 16 个按键，为了达到美观的效果，采用贴片式封装。

3.3显示模块

我们采用了新型的LCD12864 液晶屏作为显示器件。LCD12864 液晶显示器，可以显示字符、汉字、图形等，显示面积大、亮度高、功耗较低，程序简单， 便于操作。

3.4步进电机驱动控制模块

采用红外对管电路进行检测，红外对管控制分 为红外发射电路与红外接收电路。红外发射电路由 一个限流电阻后接一个红外发光管即可，红外接收 电路则需要将收到的信号放大后再经过比较器，最 后将采集的信号传输给单片机。在安装时保证红 外发光管与接收管在同一直线上，通过检测接收端 能否收到红外线来判断是否有障碍物（人），若接收 端未收到红外线，即判断为有障碍物，此时步进电机 停止转动。此处对于红外对管的安装位置有一定的 要求，应到将其安装在门口距离地面 50 cm 左右，主要为防止小孩被意外夹伤，同时本设计也可以满足对成人的检测。

考虑到系统受到 MSP430G2553 单片机的引脚限制，数据传输采用串行模式，因此应将 12864 的 15 脚（即 PSB）接地。在该模式下只需要一个串行数据传输线、一个同步时钟和一个片选信号即可实现数据的传输。硬件电路原理图如图 2 所示。

图2 硬件电路原理图

4软件设计

编程采用Code Composer Studio 6.1.3（简称 CCS） 作为软件开发系统，该软件具有在线调试功能，通过设置断点调试程序判断程序的运行情况。主控系统上电后，单片机对液晶显示器等硬件电路进行初始化操作，接着 AD 键盘负责接收外部键盘输入的数据信息，微控制器 MCU 对其进行分析和处理，控制步进电机进行开门、关门操作，或者密码输错时进行相应操作提示。微控制器MCU 与储存芯片采用I2C 数据通信，将数据参数发送到串行的 E2PROM 24C02 中进行对比，最终实现人机交互控制。主控系统流程图如图 3 所示。

图3 主控系统流程图

LCD12864 是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及 128×64 全点阵液晶显示器组成，设计上较为灵活，液晶显示流程图如图4 所示。

图4 液晶显示流程图