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1、基于单片机控制的电子密码锁摘要：本系统由单片机系统、矩阵键盘、LED显示和报警系统组成。系统能完成开锁、超时报警、超次锁定、管理员解密、修改用户密码基本的密码锁的功能。除上述基本的密码锁功能外，还具有调电存储、声光提示等功能，依据实际的情况还可以添加遥控功能。本系统成本低廉，功能实用。关键词：AT89S51 AT24C02 电子密码锁 矩阵键盘1 引言在日常的生活和工作中, 住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙, 使用极不方便, 且钥匙丢失后安全性即大打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对日常
2、生活中的安全保险器件的要求越来越高。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步。随着大规模集成电路技术的发展，特别是单片机的问世，出现了带微处理器的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。设计本课题时构思的方案是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。 2
3、总体设计方案2.1 设计思路该电路是一种采用以AT89S51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能根据实际需要添加调电存储、声光提示甚至增加遥控控制功能。2.2 方案确立(1)为了实现密码的保密性，采用一个44的矩阵式键盘可以任意设置用户密码（1-16位长度），从而提高了密码的保密性。(2)为了确保密码锁的持久性，采用了AT24C02为核心的掉电存储单元，确保了密码锁在意外掉电情况下仍然能够起到记住初始密码的功能。(3)采用了6个数码管来作为显示单元，提高了可读性；还采用了四个LED发光管来作为密码锁运行指示灯，使用
4、户对密码锁得运行情况一目了然。2.3 总体设计方框图电路由两大部分组成：AT89S51单片机及其外围电路和密码锁电路。AT89S51单片机及其外围电路包含:AT89S51单片机、时钟电路、复位电路。密码锁电路包含：矩阵键盘输入、LED指示电路、报警控制电路、串口显示电路、AT24C02掉电存储电路。其原理方框图如图1所示。报警控制电路LED指示电路矩阵键盘控制串口显示电路AT24C02掉电存储AT89S51单片机及其外围电路图1 总体设计框图3 设计原理分析3.1单片机及其外围电路3.1.1复位电路的设计复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件
5、处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。该复位电路采用按键电平复位式复位电路。当单片机已在运行当中时，按下复位键S后松开，在复位引脚RET（9脚）脚持续出现24个振荡器脉冲周期（即2个机器周期）的高电平信号将使单片机复位。也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。如图2所示。图2 复位电路3.1.2时钟电路的设计时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。
6、当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个12MHZ晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。如图3所示。图3 时钟电路3.2 密码锁控制电路3.2.1按键电路的设计图4 按键电路(1)如上图所示，每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要4条行线和4条列线，即可组成具有44个按键的键盘。在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按下后，下一步就
7、要识别哪一个按键按下。对键的识别采用的是速度较快的线反转法。对照图4所示的44键盘，说明线反转个工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。（2）按键的操作
8、面板如图34所示。共计数字键10个，功能键6个。键盘上还有4个指示灯和一个蜂鸣器。INTEEENUSERCLRKZHAN73MA062951840SPEL1EL2L3L4图5 按键电路10个数字键用来输入密码，另外6个功能键分别是：CLR、EN、INT、MA、USE、KZH和一个扩展功能键。其中CLR键的功能是当输入密码错误的时候，清除前面已经输入的数据，重新输入。EN键的功能是确认输入的密码。INT是切换到密码输入状态，输密码前需按该键才能开始输入密码。MA是管理员密码输入键，当用户输入密码超过12秒，键盘被锁定，并且蜂鸣器报警，这个时候就可以通过输入管理员密码来解除锁定状态，使用管理员的密
9、码来开门。USE是用来进入修改用户密码的状态。另外，还有一个扩展功能键KZH，可以用于扩展该电路的功能。上面的4个指示灯L1、L2、L3、L4是用来指示操作的状态：L1上电输入指示状态灯，正常的情况下显示红色，当电路接通电源的时候，L1灯开始亮。L2开门指示灯，当用户在规定的时间内正确的输入了密码，此灯转变为绿色，表示开门，否则不显示。L3是报警指示灯，当密码输入错误或密码输入时间超过规定的时间时，L3闪亮，同时蜂鸣器报警。面板上还有一个蜂鸣器SPE，用于报警指示。3.2.2报警控制电路的设计该电路采用单频音报警电路，实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器
10、两引脚上加315V直流工作电压，就能产生3kHZ左右的蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动，P.3.7接三极管基极输入端，当P3.7输出高电平“1”时，三极管导通，蜂鸣器的通电而发音，当P3.7输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发音。如图6所示图6 报警控制电路3.2.3 串口显示电路本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。考虑到为了节约单片机的口资源，本系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的两个串行口，就可以完成单片机的显示功能，显示电路的电路原理
11、图如图7所示。从单片机串口输出的信号先送到左边的移位寄存器（74LS164）,由于移位脉冲的作用，使数据向右移，达到显示的目的。移位寄存器74HC164还兼作数码管的驱动，插头1（header1）接电源，插头2（header2）接数据和脉冲输出端。电路中的三个整流管D1D3的作用是降低数码管的工作电压，增加其使用寿命。图 7显示器原理图显示器主要用于显示以下几个字符，指示如图8所示。FFOFFO图8 a关闭状态888888图8 b 开锁状态-图8 c密码输入及修改状态- -图8 d 密码输入错误及输入密码超时的提示3.2.4 AT24C02掉电存储单元的设计掉电存储单元的作用是在电源断开的时候
12、，存储当前设定的单价信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10Ua(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其电路如图9所示。图9 掉电存储电路原理图图中R19、R20是上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA（数据/地址）与单片机传送数据。每当设定一次密码，系统就自动调用存储程序，将密码信息保存在芯片内；当系统重新
13、上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的密码信息，读到缓存单元中，供主程序使用。4 程序设计4.1 模块介绍该单片机密码锁的软件设计分为以下几个模块：(1)主程序模块主程序主要完成初始化、设置中断向量、检查有无按键按下、以及调用显示等等。主程序的流程图如图10所示。(2)键盘扫描及识别子程序键盘采用查询的方式，放在主程序中，当没有按键按下的时候，单片机循环主程序，一旦有按键按下，便转向相应的子程序处理，处理结束再返回。其程序流程如图10 所示。(3)调电存储服务程序当比较密码的时候，需要读AT24C02程序，将存储在芯片内的数据读到RAM中，然后和输入的密码相比较。当修改密码的时候，需要
14、把输入的密码保存到AT24C02中，其程序流程如图 所示。(4)显示子程序由于是分屏显示数据，所以就要用到5个显示子程序，分别是：关闭状态显示子程序、开锁状态显示子程序、密码输入及修改状态显示子程序、密码输入错误后的提示子程序、密码输入时间超过12秒后的锁定状态显示子程序。4.2 程序流程图程序流程图如图10示。开始初始化有键按下？调用显示启动定时识别按键全部按完？超时？比较密码开门开始确认12秒报警NNYYYYNN按USE启动定时输入密码存入缓冲再输入一次比较密码调用24C02调用显示退出Y重新输入N 图10 程序流程图 图10 a主程序流程图15 总结与体会以上为实习期间所设计的电子密码锁电路，它经过多次修改和整理，以是一个比较不错的设计，可以满足人们的基本要求，但因为本人编程水平有限，此电路中也存在一定的问题，譬如说电路的密码不能遗忘，一旦遗忘，就很难打开，这可以通过增加电路解决，但过于复杂，本次设计没有使用；电路密码有116位可供修改，但由于他人不知道密码的位数，而且还要求在规定的时间内按一定的顺序开锁，所以他人开锁的几率很小；电路中未加开锁电路，全依赖程序来实现开锁及显示开锁次数，这需要进一步的改进，如果有好的意见，希望老师给以支持。在实习中，我感受到了老师对学生的那种悔人不卷的精神，每天的固定时间，老师都来给我们指导，使我们少走弯
