電子密碼鎖是一種通過密碼輸入來控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡(jiǎn)易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價(jià)比較高的產(chǎn)品。電子密碼鎖的出現(xiàn)給人們帶來了極大的方便，有很廣闊的市場(chǎng)前景。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核，通過編程來實(shí)現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過了機(jī)械鎖，特點(diǎn)有：保密性好，編碼量多。

隨機(jī)開鎖成功率幾乎為零。

密碼可變。用戶可以經(jīng)常更改密碼，防止密碼被盜，同時(shí)也可以避免因人員的更替而使鎖的密級(jí)下降。

誤碼輸入保護(hù)。當(dāng)輸入密碼多次錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。

操作簡(jiǎn)單易行，一學(xué)即會(huì)。

方案一：采用數(shù)字電路控制。

數(shù)字電路是用數(shù)字信號(hào)完成對(duì)數(shù)字量進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運(yùn)算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。現(xiàn)代的數(shù)字電路由半導(dǎo)體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲(chǔ)器是用來存儲(chǔ)二值數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。

優(yōu)點(diǎn)：

1.穩(wěn)定性號(hào)。數(shù)字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。

2.可靠性高。數(shù)字電路中只需分辨出信號(hào)的有與無，故電路的組件參數(shù)，可以允許有較大的變化（漂移）范圍。

3.能長(zhǎng)期存儲(chǔ)。數(shù)字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進(jìn)行長(zhǎng) 時(shí)期的存儲(chǔ)。

4.便于計(jì)算機(jī)處理。數(shù)字信號(hào)的輸出除了具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)外，最主要的還是便于利用電子計(jì)算機(jī)來進(jìn)行信息的處理。

缺點(diǎn)：

1.數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)成本太高。

2.數(shù)字電路的靈活性較差。

3.控制的準(zhǔn)確性較差。

方案二：以AT89S52為核心的單片機(jī)控制方案。

選用單片機(jī)AT89S52 作為本設(shè)計(jì)的核心元件，利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能。在單片機(jī)的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接LCD1602顯示器用于顯示作用。其原理如下圖2.1所示：

圖2.1單片機(jī)控制密碼鎖原理圖

方案一設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但控制的準(zhǔn)確性和靈活性差。方案二控制靈活準(zhǔn)確性好且保密性強(qiáng)還具有擴(kuò)展功能，根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活的需要此次設(shè)計(jì)采用此方案二。

本設(shè)計(jì)以單片機(jī) AT89C52 為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，共分以下幾個(gè)功能模塊： 單片機(jī)最小系統(tǒng)、矩陣按鍵電路、AT24C02 密碼存儲(chǔ)電路、LCD1602 液晶顯示電路、蜂鳴器模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、 LED“模擬鎖”電路組成。該密碼鎖主要有修改密碼，存儲(chǔ)密碼等功能。

單片機(jī)最小系統(tǒng)一般指晶振電路和復(fù)位電路，晶振電路一般由晶體振蕩器和電容組成。本次設(shè)計(jì)晶振采用12MHz，電容采用30pF。晶振部分的原理圖如圖所示。復(fù)位電路，單片機(jī)的復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位兩種方式。手動(dòng)按鍵復(fù)位是在電源接通的條件下，用按鍵操作使單片機(jī)復(fù)位，其工作原理為：復(fù)位鍵按下后電容C3通過按鍵進(jìn)行放電，RST引腳變?yōu)楦唠娖剑瑔纹瑱C(jī)RST引腳接收到一段高電平脈沖后，會(huì)進(jìn)行一次復(fù)位。松開按鍵后，電容充電，RST引腳電位降低。本設(shè)計(jì)中 R=100R，C=1uF。保證高電平脈沖維持2個(gè)機(jī)器周期以上。最小模塊繪制結(jié)果如圖所示：

圖 3.1 最小模塊電路

圖 3.2晶振電路模塊

圖 3.3 復(fù)位電路模塊

本設(shè)計(jì)中采用的4*4矩陣共有16個(gè)鍵位，4根行線連PI口低4位，4根列線連PI口高4位。在按鍵未被按下時(shí)，每條行線與列線的交叉處互不相通，當(dāng)莫格按鍵被按下后，該鍵所在的行線和列線連通。這樣PI口的高4位和低4位中各有一位互相連通。通過行列掃描檢測(cè)出這兩位，即可識(shí)別出被按下的鍵。矩陣按鍵的原理圖如圖所示：

圖 3.4 矩陣按鍵電路設(shè)計(jì)

使用AT24C02保存密碼，使密碼在單片機(jī)掉電之后仍能保存。AT24C02只需要串行時(shí)鐘SCL引腳接P3.4，串行數(shù)據(jù)哋址SDA引腳接P3.5，即可完成數(shù)據(jù)和指令的傳送，比起并行傳輸節(jié)省I/O 目資源。SCL和SDA各需接一個(gè)10K的上拉電陽。寫保護(hù)WP接地，使AT24C02 可進(jìn)行正常讀寫。

系統(tǒng)初始化時(shí)，從AT24C02中讀出密碼信息存儲(chǔ)到單片機(jī)中，用戶修改密碼后再將新密碼寫入AT24C02。這樣即便單片機(jī)掉電，重啟后仍能讀取用戶密碼，從而達(dá)到掉電存儲(chǔ)的目的

圖 3.1.5 矩陣按鍵電路設(shè)計(jì)

LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。本次實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)樾枰�顯示較多的內(nèi)容，所以使用了一個(gè)LCD1602液晶，用于顯示密碼和系統(tǒng)操作提示。

圖 3.6 LCD1602液晶顯示設(shè)計(jì)

蜂鳴器模塊部分的電路如圖，就是用P2.1口控制一個(gè)有源蜂鳴器發(fā)聲，作為提示音或報(bào)警音。程序設(shè)定為每當(dāng)識(shí)別到有一位按鍵被按下時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲0.1S；開鎖時(shí)停頓2S發(fā)聲2S，發(fā)聲3次；密碼錯(cuò)誤時(shí)每次停頓0.5S發(fā)聲IS，錯(cuò)誤5 次以內(nèi)時(shí)錯(cuò)N次發(fā)N聲，錯(cuò)誤5次及以上發(fā)聲10次。

蜂鳴器有兩個(gè)引腳，其中長(zhǎng)腳為正極，短腳為負(fù)極。其發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它。由于單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路，一般使用三極管來放大電流就可以了。本設(shè)計(jì)中使用三極管9012，P2.1口高電平時(shí)三極管截至，蜂鳴器不發(fā)聲；P2.1口低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制P2.1腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。

圖 3.7 蜂鳴器模塊設(shè)計(jì)

開鎖控制電路如圖，電路的功能就是在輸入正確的密碼后開鎖。系統(tǒng)使用單片機(jī)P2.0引腳發(fā)出信號(hào)，經(jīng)三極管放大之后，由繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥將鎖打開。設(shè)計(jì)中用一個(gè)發(fā)光二極管模擬表現(xiàn)鎖的開關(guān)，只有鎖打開之后，繼電器吸合至常開觸電，發(fā)光二極管才會(huì)亮起；實(shí)際應(yīng)用中用繼電器控制開鎖電路的開關(guān)。

在現(xiàn)代自動(dòng)控制設(shè)備中，都存在電子電路（弱電）與電氣電路（強(qiáng)電）的相互連接問題，一方面要使電子電路的控制信號(hào)能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件（如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、電燈等），另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護(hù)電子電路和工作人員的人身的安全。繼電器便能完成這一橋梁作用。繼電器實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在大多數(shù)情況下，繼電器就是一個(gè)電磁鐵，這個(gè)電磁鐵的銜鐵可以閉合或斷開一個(gè)、數(shù)個(gè)觸點(diǎn)。當(dāng)電磁鐵的繞組中有電流通過時(shí)，銜鐵被電磁鐵吸引，因而就改變了觸點(diǎn)的狀態(tài)。

繼電器也是感性器件，所以不能用單片機(jī)的I/O口直接控制，而且必須在三極管等控制器件上加反相保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過P2.0引腳連接一只作為電子開關(guān)的PNP型三極管9012來驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器的開、關(guān)完全由三極管的基極電平進(jìn)行控制。當(dāng)P2.0為高電平時(shí)，PNP型三極管截止，繼電器不工作反之P2.0為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器得電吸合。

圖 3.8 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)目的是密碼鎖，使用 LED 的亮滅兩種狀態(tài)代表鎖的開關(guān)狀態(tài)，原理圖如圖:

圖 3.9 LED“模擬鎖”電路模塊設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)程序運(yùn)行的中心，單片機(jī)始終運(yùn)行在主程序中，單片機(jī)開始運(yùn)行后，對(duì)LCD1602液晶初始化，程序中用的的數(shù)據(jù)變量進(jìn)行初始 化，同時(shí)讀取 AT24C02 中保存的密碼及密碼標(biāo)志位，判斷是否需要密碼初始化等操作。再之后，為主函數(shù)的循環(huán)部分，這個(gè)部分是單片機(jī)一致循環(huán)運(yùn)行的程序，主要是矩陣按鍵的檢測(cè)和 LCD1602 的顯示刷新，關(guān)于密碼的相關(guān)函數(shù)，是放在矩陣按鍵函數(shù)內(nèi)進(jìn)行處理的，因?yàn)橹挥形覀儼聪掳存I后，去判斷密碼才有實(shí)際作用，因此暫未體現(xiàn)在主函數(shù)中。主程序流圖如圖4.1所示:

圖4.1 主程序流程圖

系統(tǒng)的初始化包括堆棧起始地址的設(shè)定，兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的設(shè)定，液晶顯示模式的設(shè)定，密碼緩沖區(qū)的初始化，一些自定義數(shù)據(jù)空間的初始化，蜂鳴器初始化發(fā)聲等操作。

如果AT24C02里沒有存儲(chǔ)密碼，或者讀取AT24C02失敗，則載入系統(tǒng)初始化密碼；如果AT24C02里有掉電存儲(chǔ)的密碼，則會(huì)讀出該密碼。

系統(tǒng)初始化并讀取密碼完成后，液晶顯示"Password:”，提示用戶可以輸入密碼。此時(shí)程序即不斷測(cè)試按鍵，檢査是否有按鍵被按下。如果有，則進(jìn)行按鍵識(shí)別：行列掃描法識(shí)別出的鍵位與對(duì)應(yīng)BUFF的值。

如果沒有按鍵按下，或者按下的按鍵沒有被識(shí)別，BUFF賦值0FFH，并跳轉(zhuǎn)至按鍵測(cè)試。實(shí)際程序運(yùn)行時(shí)，絕大部分時(shí)間都在測(cè)試按鍵，等待用戶輸入。

圖4.2初始化及按鍵識(shí)別流程圖

如果BUFF的值是0，1，2，4，5，6，8，9，D中的一個(gè)，則按鍵是屬于數(shù)字噩。分別將BUFF重賦值為1，2，3，4，5，6，7，8，9，0。然后程序跳轉(zhuǎn)至保存密碼部分，將數(shù)字密碼保存至密碼緩沖區(qū)。

圖4.3按鍵重復(fù)位流程圖

圖4.4保存密碼流程圖

如圖4.1.6可以看出，改密鍵的處理流程跟開鎖鍵類似，都需檢査密碼i腳的標(biāo)志位只有PSW_F被置1才可以進(jìn)行改密。不同之處在于，如果密碼正確，程序會(huì)將新密碼第一次的標(biāo)志位PS_NEW1置位，這樣在下一次按確認(rèn)鍵時(shí)，程序可以判別出此次輸入的密碼是新密碼第一次。

圖4.5 改密鍵處理流程圖

圖4.6 按鍵識(shí)別子程序

每次更新顯示內(nèi)容前，需清顯示清空LCD原先的顯示內(nèi)容，淸屏指令的指令碼為01H，即將P0口賦值01H，然后寫入指令寄存器IR。

LCD1602要顯示的內(nèi)容是根據(jù)其控制器內(nèi)置的字符碼表，事先列出要顯示的ASCII字符串。每次送一個(gè)字符的ASCII碼入P0口，然后寫入數(shù)據(jù)寄存器DR，最后將字符地址加一，LCD1602會(huì)將寫入的ASCII碼對(duì)應(yīng)的字符依次顯示出來。由于顯示字符串的長(zhǎng)度不盡相同，約定每串字符以00H結(jié)尾；程序檢測(cè)到字符碼為00H時(shí)，即停止寫入，返回。LCD顯示的內(nèi)容在下次更新前會(huì)一直保持。

圖4.7 液晶顯示子程序

AT24C02的子程序包括從AT24C02中讀取信息和將信息寫入AT24C02，首先介紹AT24C02的讀程序。

如圖4.2.3所示，單片機(jī)作為主器件，發(fā)送起始信號(hào)和要尋址的從器件的地址：因?yàn)榇藭r(shí)即隨后的發(fā)送讀取地址操作都是單片機(jī)往AT24C02寫入控制信息，所以R/W要置0。本設(shè)計(jì)中只用一個(gè)AT24C02，從器件地址為0，對(duì)應(yīng)代碼為0A0H。AT24C02接收到信號(hào)后，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。單片機(jī)接收到應(yīng)答信號(hào)后，再發(fā)送要讀取信息在從器件上的地址：本設(shè)計(jì)中從0地址開始讀，則送00H。再次接收到從器件的應(yīng)答信號(hào)后，單片機(jī)重新發(fā)送起始信號(hào)和讀模式信號(hào)，將R/W位置1，對(duì)應(yīng)代碼為0AIH.正式開始讀取信息。本設(shè)計(jì)中需要連續(xù)讀取16字節(jié)的信息，所以選擇連續(xù)讀方式即是單片機(jī)每接收到一字節(jié)的信息后，存入正確密碼緩沖區(qū)(AT1~AT16)，然后產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，告知AT24C02要求更多的數(shù)據(jù)。當(dāng)單片機(jī)不發(fā)送應(yīng)答信號(hào)而發(fā)送停止信號(hào)時(shí)表示讀取結(jié)束。

圖4.8 讀AT24C02子程序流程圖

寫入AT24C02的子程序流程如圖4-2-3所示。單片機(jī)發(fā)送起始信號(hào)，接著發(fā)送從器件AT24C02所在地址（OAOH）。這里與讀AT24C02子程序不同的是，從開始到結(jié)束都是單片機(jī)控制AT24C02寫入信息，所以R/W置1無需更改。對(duì)應(yīng)地址上的從器件AT24C02接收到地址信號(hào)后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。主器件在接收到應(yīng)答信號(hào)后，發(fā)送要寫入信息欲保存在從器件上的地址，本設(shè)計(jì)中從0地址開始保存，故地址為00H。單片機(jī)再次接收到從器件的應(yīng)答信號(hào)后即可開始寫入信息。本設(shè)計(jì)中采用字節(jié)寫模式，即AT24C02在每接收一個(gè)8位字節(jié)之后響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，單片機(jī)在接收到應(yīng)答信號(hào)后認(rèn)為該字節(jié)成功寫入，便準(zhǔn)備下一字節(jié)的數(shù)據(jù)。直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，單片機(jī)發(fā)送停止信號(hào)，結(jié)束寫操作。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)仿真平臺(tái)有兩個(gè)常用的工具軟件：Keil uVision4和Proteus 7.8。前者主要用于單片機(jī)C語言源程序的編輯、編譯、鏈接以及調(diào)試；后者主要用于單片機(jī)硬件電路原理的設(shè)計(jì)以及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件聯(lián)合仿真調(diào)試。

1.開啟電路

點(diǎn)擊proteus軟件下方最左邊按鈕，使電路開始運(yùn)行，如圖5.3.1所示。圖5.3.2為電路運(yùn)行后狀態(tài)，LCD1602液晶顯示出正確密碼（可以程序設(shè)計(jì)不顯示），右上角顯示的輸入密碼數(shù)字的個(gè)數(shù)。同時(shí) LED“鎖”沒有亮，代表處于上鎖狀態(tài)。

圖5.2.1電路運(yùn)行指示圖

圖5.2.2 開啟電路

2.輸入錯(cuò)誤密碼

通過矩陣按鍵，輸入數(shù)據(jù)，會(huì)顯示在LCD液晶上，按C按鍵可以刪除上個(gè)輸入數(shù)字。連續(xù)輸入6個(gè)數(shù)后，按“#”系統(tǒng)自動(dòng)判斷密碼的對(duì)錯(cuò)，如圖 5.3.3，輸入錯(cuò)誤密碼后，會(huì)提示密碼錯(cuò)誤，并提示點(diǎn)擊任意按鍵退出，返回輸入密碼界面，如圖 5.3.4，是點(diǎn)擊任意按鍵后，回到了主界面。

圖 5.2.3 輸入密碼錯(cuò)誤提示

3.輸入正確密碼

按鍵輸入123456后，LCD液晶會(huì)顯示密碼正確，同時(shí)LED“鎖”被打開，LED發(fā)光，如圖5.3.5所示。

圖5.2.5 輸入正確密碼提示

4.修改密碼

在開鎖狀態(tài)下，再次輸入正確的密碼并按下“#”（確認(rèn)）鍵，此時(shí)聽到兩聲提示，輸入新的六位密碼并按“D”（重設(shè)）鍵，再重復(fù)輸入一次新密碼并按“D”，會(huì)聽到兩聲提示音，表示重設(shè)密碼成功，內(nèi)部保存新密碼并存儲(chǔ)到AT24C02。（如兩次輸入的新密碼不一樣，則重設(shè)密碼失敗）。

圖 5.2.6 修改密碼界面

圖 5.2.7 修改密碼成功提示

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