基于STC89C52的多功能密碼鎖設(shè)計(jì)

陳昱行，劉賓坤，李 冶，吉慶輝，李昱霖

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

當(dāng)今社會，在日常的生活和工作中大多物品都需要賦予密碼從而保護(hù)個(gè)人隱私。隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)相關(guān)技術(shù)在不斷更新，單片機(jī)性能也在逐步完善。如今多數(shù)單片機(jī)都憑借完備的功能以及較為低廉的價(jià)格受到用戶的青睞，因此市面上也逐漸出現(xiàn)了基于各式單片機(jī)設(shè)計(jì)的不同種類的密碼鎖。

相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式鑰匙開鎖，密碼鎖保密性好，編碼量大，使隨機(jī)開鎖成功率大大降低。同時(shí)，密碼是可變更的，用戶可以頻繁更改密碼，防止密碼被破譯，還可以避免知曉密碼者的更替而使鎖的密級下降。文中涉及的密碼鎖還具有誤碼輸入保護(hù)以及誤碼自動報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該密碼鎖以STC89C52單片機(jī)為核心器件，由最小系統(tǒng)中的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路來承擔(dān)狀態(tài)控制功能，其他模塊圍繞單片機(jī)最小系統(tǒng)展開，包括4×4按鍵矩陣模塊，該模塊可以實(shí)現(xiàn)密碼的設(shè)置、輸入、刪除、取消、確定等功能；LCD1602顯示模塊可實(shí)現(xiàn)密碼鎖狀態(tài)和輸入密碼的顯示；密碼存儲功能借由EPROM芯片實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)使用的EPROM芯片型號為AT24C02，該芯片可通過IC接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；繼電器模塊根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部程序運(yùn)行判斷輸入密碼是否正確，輸出一個(gè)對應(yīng)電平控制繼電器的吸合與釋放，密碼正確時(shí)單片機(jī)輸出一個(gè)低電平控制繼電器吸合從而開鎖。在設(shè)計(jì)上因選用PNP型三極管與蜂鳴器相連，且單片機(jī)上電I/O口默認(rèn)為高電平，所以平時(shí)蜂鳴器不會鳴叫，當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)會輸出低電平實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警；使用5 V USB接口為系統(tǒng)供電。密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 密碼鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件分析

2.1 主控芯片

STC89C52是低電平控制，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），STC89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以滿足不同產(chǎn)品的需求。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路組成。

時(shí)鐘電路的主要器件是晶振，并輔之以2個(gè)電容幫助晶振更快起振，電容的取值范圍一般為15～33 pF。

復(fù)位電路同時(shí)存在按鍵復(fù)位以及上電復(fù)位兩種方式，為防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到各種因素的干擾導(dǎo)致程序跑飛，可通過這兩種方式的其中一種使程序重新回到初始位置再次執(zhí)行。設(shè)計(jì)中存在兩種復(fù)位方式，以防止系統(tǒng)中僅有一種復(fù)位方式，在出現(xiàn)故障時(shí)該復(fù)位方式失效。

除單片機(jī)最小系統(tǒng)的3個(gè)部分外，設(shè)計(jì)中還多了一些外部電路。由于STC89C52的P0口是漏極開路輸出，因此在P0口處接了一個(gè)10 kΩ的排阻，使得P0口可以作為普通的I/O口使用，本設(shè)計(jì)用P0口來做液晶顯示的數(shù)據(jù)口。單片機(jī)31腳（EA）為訪問外部存儲器允許/編程電壓輸入。我們需要特別注意此引腳的特性，當(dāng)接高電平時(shí)，單片機(jī)在復(fù)位后會直接訪問內(nèi)部存儲器并從0000H開始執(zhí)行。由于程序存儲在單片機(jī)內(nèi)部，所以EA外接高電平，使單片機(jī)能夠從片內(nèi)讀取程序執(zhí)行。

2.3 按鍵矩陣模塊

按鍵矩陣使用4×4鍵盤將其與單片機(jī)的P1.0～P1.7引腳相連。實(shí)現(xiàn)數(shù)字按鍵0～9與手動關(guān)鎖、修改密碼、管理員密碼以及刪除、取消、確定等一系列功能。

2.4 顯示模塊

本設(shè)計(jì)使用LCD1602實(shí)現(xiàn)顯示功能。該器件可顯示2行16個(gè)字符，能方便顯示英文字母大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)字、常用符號等，通過自定義還可顯示簡單的漢字。系統(tǒng)中將單片機(jī)的P0.0～P0.7依次與D0～D7（8位雙向數(shù)據(jù)線）連接，使P2.5～P2.7依次與RS（數(shù)據(jù)/命令寄存器選擇）、R/W（讀/寫操作選擇）、E（使能端）連接。

2.5 密碼存儲模塊

本設(shè)計(jì)使用AT24C02作為密碼存儲單元。AT24C02是美國Atmel公司出品的低功耗CMOS型EPROM，支持IC即總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，可通過IC接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還具有專門的寫保護(hù)功能等。該模塊在密碼鎖中常被用于密碼的存儲與記錄。

2.6 繼電器模塊

本設(shè)計(jì)采用的繼電器為電磁式繼電器。通過弱電控制強(qiáng)電的方式使其成為一個(gè)“自動開關(guān)”。將其與單片機(jī)的P3.2引腳相連，當(dāng)進(jìn)行開鎖操作時(shí)，若操作成功，單片機(jī)通過程序輸出一個(gè)低電平，使繼電器吸合從而開鎖。

2.7 蜂鳴器模塊

本設(shè)計(jì)使用電磁式蜂鳴器，將其與單片機(jī)的P3.3引腳相連用于報(bào)警，并用P3.2引腳接紅色LED燈與其配合，在報(bào)警時(shí)起到警示作用。當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤次數(shù)大于3次時(shí)，通過程序控制單片機(jī)輸出一個(gè)高電平，使紅色LED燈亮并使蜂鳴器報(bào)警，之后控制密碼鎖鍵盤進(jìn)入鎖定狀態(tài)。

2.8 電源模塊

本設(shè)計(jì)使用5 V USB接口供電，為系統(tǒng)運(yùn)行提供能量。系統(tǒng)PCB版圖如圖2所示。

圖2 PCB版圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要為實(shí)現(xiàn)密碼鎖的一些基本功能，如：密碼輸入、刪除、取消和確定，以及手動關(guān)鎖、密碼修改和密碼重置等功能。在接通電源開機(jī)后，密碼鎖進(jìn)入初始化頁面，通過按鍵輸入當(dāng)前的開鎖密碼，密碼輸入正確并開鎖后，可以進(jìn)行手動關(guān)鎖和密碼修改等操作。

若執(zhí)行完修改密碼操作后忘記了重新設(shè)置的密碼，可執(zhí)行密碼重置操作直接輸入程序中設(shè)定的初始密碼，按下管理員密碼按鍵，密碼會重置為初始密碼。

該密碼鎖的本質(zhì)是單片機(jī)通過運(yùn)行程序判斷輸入密碼的正誤來輸出對應(yīng)電平，使繼電器吸合或釋放，實(shí)現(xiàn)鎖的開與關(guān)。開鎖操作流程如圖3所示，修改密碼操作流程如圖4所示。

圖3 開鎖操作流程

圖4 密碼修改操作流程

4 結(jié) 語

在信息技術(shù)與新興高科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的今天，如何獲得信息安全保障成為人們面臨的一大難題，這足以證明人們越來越需要高效且安全的密碼鎖。本設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的密碼鎖，具備密碼輸入、液晶顯示、密碼修改、輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)報(bào)警等功能，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式鑰匙開鎖，其具備保密性好、編碼量多、密碼可變等優(yōu)點(diǎn)，更加安全且造價(jià)低廉，定能受到用戶們的青睞。