基于51單片機(jī)的電子密碼鎖設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

韓燕楚，余 宏*

（1.貴州師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550018；2.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

利用單片機(jī)控制的電子密碼鎖，不但操作簡(jiǎn)單，價(jià)格易接受，而且很大程度上可以保障設(shè)備的安全性和便捷性，消除了人們攜帶鑰匙的煩惱。電子密碼鎖可靠性較高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)機(jī)械鎖安全系數(shù)較低的缺點(diǎn)，逐漸成為用戶的優(yōu)先選擇。

1 總體設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制的電子密碼鎖系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。硬件設(shè)計(jì)是將STC89C51單片機(jī)及其外圍電路連接起來。密碼的輸入可通過按鍵電路模塊設(shè)置，同時(shí)通過存儲(chǔ)電路對(duì)密碼進(jìn)行存儲(chǔ)與識(shí)別，密碼鎖的實(shí)際操作過程可通過LCD顯示電路實(shí)時(shí)顯示，密碼輸入有誤時(shí)蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，且錯(cuò)誤超次將會(huì)鎖定鍵盤。軟件設(shè)計(jì)利用單片機(jī)可編程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)密碼鎖控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行編程。電子密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能如下：

（1）設(shè)置6位初始密碼，密碼輸入正確時(shí)，黃色LED燈亮提示密碼鎖被成功打開；密碼錯(cuò)誤時(shí)，蜂鳴器即刻發(fā)出報(bào)警且紅色LED燈亮起，密碼鎖輸入錯(cuò)誤次數(shù)加1，超過三次鎖定輸入鍵盤，第一次鎖定30s后解除鎖定，解除后可再次輸入密碼解鎖；第二次鎖定60s后解除鎖定，解除后可再次輸入密碼解鎖，以此類推。

（2）可通過功能按鍵“修改密碼”鍵重新設(shè)置密碼。在設(shè)置新密碼前，必須先輸入舊密碼，然后連續(xù)輸入兩次新密碼，當(dāng)兩次新密碼輸入一致時(shí)才可成功完成修改。若舊密碼輸入錯(cuò)誤，系統(tǒng)便會(huì)直接退出“修改密碼”頁面，且錯(cuò)誤密碼次數(shù)加1。

（3）密碼鎖具有掉電保護(hù)功能。密碼鎖鎖定后，若未到解除鎖定時(shí)間出現(xiàn)掉電，則鎖定仍將保持，這樣可防止以斷電方式重新輸入密碼的操作，對(duì)密碼鎖起到掉電安全保護(hù)作用。

（4）密碼鎖的輸入具有退格、重新輸入、退出輸入等功能。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

硬件電路主要分為STC89C51單片機(jī)、AT24C02存儲(chǔ)模塊、按鍵電路、報(bào)警電路、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊五個(gè)部分。該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)為主控芯片，利用單片機(jī)豐富的I/O端口將各個(gè)外圍電路連接起來構(gòu)成主系統(tǒng)，可以利用矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)密碼輸入與修改、關(guān)鎖、復(fù)位等功能，并且通過單片機(jī)外接LCD1602液晶顯示屏提示用戶進(jìn)行下一步操作。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)

STC89C51單片機(jī)共有40只管腳，分為電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳四類，它的優(yōu)點(diǎn)是容易操作，原有程序可直接使用，硬件也無須改動(dòng)，運(yùn)行速度快且功耗低，而且成本低，抗干擾能力強(qiáng)，可提升產(chǎn)品性能，這使得在操作與成本方面都有極大的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)最小系統(tǒng)的工作由電源、晶振電路以及復(fù)位電路構(gòu)成。

2.2 AT24C02存儲(chǔ)模塊

AT24C02存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送率高且能與IIC總線兼容，功耗低，數(shù)據(jù)保存時(shí)間較長(zhǎng)，還有一個(gè)專門的防誤擦除寫保護(hù)功能。芯片工作時(shí)有讀和寫兩種操作，執(zhí)行讀操作時(shí)有當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀三種方法；執(zhí)行寫操作時(shí)可根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小選擇字節(jié)寫還是頁寫。在本設(shè)計(jì)中可直接將存儲(chǔ)芯片的A0、A1、A2三個(gè)引腳連接至GND，為了方便讀/寫操作，將WP寫保護(hù)引腳也連接到GND，最后將SDA、SCL兩引腳分別接到單片機(jī)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)引腳。

2.3 按鍵電路

該設(shè)計(jì)在操作過程中所需按鍵數(shù)目較多，所以采用矩陣式掃描的方法來作為鍵盤的輸入形式且用4×4矩陣鍵盤可滿足該設(shè)計(jì)所設(shè)定的功能。使用矩陣掃描法不僅可以減少單片機(jī)I/O端口的占用，也會(huì)降低電路連接的復(fù)雜程度。根據(jù)具體要實(shí)現(xiàn)的功能，密碼鎖的按鍵分布為數(shù)字鍵0-9、輸入密碼鍵、退格鍵、退出輸入鍵、密碼修改鍵、重置鍵、確認(rèn)鍵。用戶根據(jù)定義的按鍵功能實(shí)現(xiàn)輸入，矩陣鍵盤直接連接單片機(jī)的P1口進(jìn)行輸入，通過輸入高低電平判斷鍵盤是否按下。

2.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路由LED燈和蜂鳴報(bào)警器組成。這樣可直觀地觀察密碼鎖的工作情況。本設(shè)計(jì)選用5V電磁式有源蜂鳴器，因?yàn)榉澍Q器工作時(shí)所需的電流較大，無法驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的I/O接口，電路中需要用一個(gè)三極管來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸入低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警同時(shí)連接的紅色LED燈亮；當(dāng)輸入高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止鳴叫。

2.5 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

由于繼電器的工作電流較大而導(dǎo)致無法直接驅(qū)動(dòng)，因此需要在單片機(jī)的I/O端口添加一個(gè)三極管來放大電流才可驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在繼電器兩端并聯(lián)一個(gè)LED燈作為指示來直觀判斷，提示用戶密碼輸入是否正確。當(dāng)輸入低電平時(shí)為有效電平，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，黃色LED燈亮，鎖打開；當(dāng)輸入高電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷開。

3 軟件設(shè)計(jì)

電子密碼鎖控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序、LCD1602顯示程序、AT24C02存儲(chǔ)程序、矩陣按鍵電路及中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)密碼鎖的預(yù)期功能，軟件設(shè)計(jì)部分以STC89C51單片機(jī)為核心編寫程序，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化設(shè)置，開啟電子密碼鎖的功能，采用4×4矩陣式鍵盤掃描方法來判斷是否已按下按鍵，可通過LCD1602液晶顯示屏清楚地看出當(dāng)前已輸入的密碼位數(shù)，輸入完成后按下確認(rèn)鍵，密碼鎖會(huì)將輸入的密碼與事先存儲(chǔ)在AT24C02芯片中的原密碼進(jìn)行比對(duì)，若密碼一致則打開鎖，若密碼不一致則蜂鳴器報(bào)警且LED燈亮，可選擇重新輸入，當(dāng)密碼錯(cuò)誤三次則鍵盤將被鎖定且報(bào)警。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

電子密碼鎖經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。目前市場(chǎng)上的電子鎖種類繁多，功能也是應(yīng)有盡有（見表1）。電子鎖相比傳統(tǒng)機(jī)械鎖的突出優(yōu)點(diǎn)就是安全性能高，同時(shí)消除了人們攜帶鑰匙的煩惱。相比之下按鍵式的電子密碼鎖更為實(shí)用，大眾更易接受；卡片式電子鎖需要攜帶IC卡，容易丟失、損壞；生物識(shí)別式電子鎖的要求較高，需要記憶一串自己事先在系統(tǒng)里設(shè)定好的數(shù)字密碼，不太適合老人和孩子使用。

表1 各類電子鎖比較

4.2 展望

目前電子鎖在功能和安全性方面已得到了很多人的認(rèn)可，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。顯而易見，在安全保險(xiǎn)技術(shù)領(lǐng)域，電子密碼鎖最大的優(yōu)勢(shì)就是滿足了人們的安全需求。電子密碼鎖的發(fā)展會(huì)越來越貼合人們的實(shí)際需要，針對(duì)安全性能做進(jìn)一步拓展與提升，比如可事先在芯片中通過一定算法對(duì)初始密碼二次加密；也可再添加一個(gè)GSM模塊，使密碼鎖通過短信方式提示用戶密碼鎖已被其他用戶輸錯(cuò)密碼，這在很大程度上都能夠提高密碼鎖的安全性，使其更加安全可靠，更具實(shí)用價(jià)值。