河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 1 基于單片機(jī)控制的電子密碼鎖 摘要： 本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、矩陣鍵盤、 LED 顯示和報(bào)警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能完成開(kāi)鎖、超時(shí)報(bào)警、超次鎖定、管理員解密、修改用戶密碼基本的密碼鎖的功能。除上述基本的密碼鎖功能外，還具有調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示等功能，依據(jù)實(shí)際的情況還可以添加遙控功能。本系統(tǒng)成本低廉，功能實(shí)用 關(guān)鍵詞： AT89S51， AT24C02, 電子密碼鎖，矩陣鍵盤 一、 引言 隨著人們生活水平的提高，如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜這一問(wèn)題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡(jiǎn)單，被撬的事件屢見(jiàn)不鮮，電子鎖由于其保密性高，使用靈活 性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的親呢。 設(shè)計(jì)本課題時(shí)構(gòu)思了兩種方案：一種是用以 AT89s51 為核心的單片機(jī)控制方案；另一種是用以74LS112 雙 JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案。考慮到數(shù)字電路方案原理過(guò)于簡(jiǎn)單，而且不能滿足現(xiàn)在的安全需求，所以本文采用前一種方案。 二、方案論證與比較 方案一：采用數(shù)字電路控制。其原理方框圖如圖 1 1 所示。 圖 2 1 數(shù)字密碼鎖電路方案 采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 用以 74LS112 雙 JK 觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖 的核心控制，共設(shè)了 9 個(gè)用戶輸入鍵，其中只有 4 個(gè)是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動(dòng)清零，原先輸入的密碼無(wú)效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時(shí)間超過(guò) 40 秒（一般情況下，用戶不會(huì)超過(guò) 40 秒，若用戶覺(jué)得不便，還可以修改）電路將報(bào)警 80 秒，若電路連續(xù)報(bào)警三次，電路將鎖定鍵盤 5 分鐘，防止他人的非法操作。 電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源 (UPS)，其中設(shè)置 UPS 電源是為了防止因?yàn)橥ｋ娫斐傻拿艽a鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。 密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測(cè)、開(kāi)鎖電路 、執(zhí)行電路、報(bào)警電路、鍵盤輸河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 2 入次數(shù)鎖定電路。 方案二：采用 一種是用以 AT89S51 為核心的單片機(jī)控制方案。 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，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加 調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示甚至添加遙控控制 功能。其原理如圖 1 2 所示。 圖 2 2 單片機(jī)控制方案 通過(guò)比較以上兩種方案，單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，所以我們采用后一種方 案。 三、電路的功能單元設(shè)計(jì) 1開(kāi)鎖機(jī)構(gòu) 通過(guò)單片機(jī)送給開(kāi)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動(dòng)電磁鎖吸合，從而達(dá)到開(kāi)鎖的目的。其原理如圖 2 1所示。 圖 3 1 密碼鎖開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)示意圖 當(dāng)用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時(shí)間（普通用戶要求在 12s 內(nèi)輸入正確的密碼，管理員要求在 5s 輸入正確的密碼）輸入的話，單片機(jī)便輸出開(kāi)門信號(hào)，送到開(kāi)鎖驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)電磁鎖，達(dá)到開(kāi)門的目的。其實(shí)際電路如圖 2 2 所示。 電路驅(qū)動(dòng)和開(kāi)鎖兩級(jí)組成。由 D5、 R1、 T10 組成驅(qū)動(dòng)電路，其中 T10 可以選擇普通的小功率三極管如 9014、 9018 都可以滿足要求。 D5 作為開(kāi)鎖的提示；由 D6、 C24、 T11 組成。其中 D6、 C24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。 T11 可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。 單片機(jī)微控制器 開(kāi)鎖驅(qū)動(dòng)電路 電磁鎖 密碼正確？ Y 返回 N 開(kāi)鎖控制電路 89S51 單片機(jī) AT24C02 掉電存儲(chǔ) 串口顯示電路 矩陣 鍵盤 控制 指示電路 輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤 延時(shí)報(bào)警控制電路 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 3 在本次設(shè)計(jì)中，基于節(jié)省材料的原則，暫時(shí)用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開(kāi)鎖；滅，表示沒(méi)有開(kāi)鎖。 T 1 0T 1 1D5G N DR13. 3 K電磁鎖C 2 4V C C來(lái)自微控制器信號(hào)D6圖 3 2 密碼鎖開(kāi)鎖機(jī)構(gòu)電路圖 2按鍵電路設(shè)計(jì) 由于設(shè)計(jì)要求 使用矩陣鍵盤，所以本設(shè)計(jì)就采用行列式鍵盤，同時(shí)也能減少鍵盤 與單片機(jī)接口時(shí)所占用的 I/O 線的數(shù)目，在按鍵比較多的時(shí)候，通常采用這樣方法。 其原理如圖 2 3 所示 。 圖 3 3 行列式鍵盤原理電路圖 每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵來(lái)連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要 N 條行線和 M 條列線，即可組成具有 N M 個(gè)按鍵的鍵盤。 在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無(wú)按鍵按下的程序段。 當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵按下。對(duì)鍵的識(shí)別通 常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。 對(duì)照?qǐng)D 2 3 所示的 44 鍵盤，說(shuō)明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。 首先辨別鍵盤中有無(wú)鍵按下，有單片機(jī) I/O 口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來(lái)判斷。方法是：向行線輸出全掃描字 00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器 A 中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為 1。 判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下使通過(guò)將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為 1，則所按下 的鍵不在此列；如果不全為 1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。 89s51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 5.1K X 4 5.1K X 4 VCC 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 4 按鍵的操作面板如圖圖 2 3 所示。共計(jì)數(shù)字鍵 10 個(gè)，功能鍵 6 個(gè)。鍵盤上還有 3 個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴器。 圖 3 4 按鍵操作面板示意圖 10 個(gè)數(shù)字鍵用來(lái)輸入密碼，另外 6 個(gè)功能鍵分別是： CLR、 EN、 F1、 F2、 F3、 F4。其中 CLR鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤的時(shí)候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。 EN 鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼。 F1 是管理模式切換鍵，當(dāng)用戶不小心三次輸 入密碼都沒(méi)有正確，鍵盤被鎖定，這個(gè)時(shí)候就可以啟動(dòng)管理模式，使用管理員的密碼來(lái)開(kāi)門。 F2 是用來(lái)進(jìn)入修改密碼的狀態(tài)。 F3 用來(lái)關(guān)閉顯示器，一來(lái)可以節(jié)省電量，另外也可以防止不法分子偷窺密碼。 F4 用來(lái)作電鈴。 上面的 3 個(gè)指示燈 L1、 L2、 L3 是用來(lái)指示操作的狀態(tài)： L1 鎖定及輸入指示狀態(tài)燈，正常的情況下顯示紅色，當(dāng)鍵盤動(dòng)作的時(shí)候， L1 燈開(kāi)始閃動(dòng)，當(dāng)鍵盤處于鎖定狀態(tài)時(shí)，指示燈也顯示紅色。L2 開(kāi)門指示燈，當(dāng)用戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確的輸入了密碼，此燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，表示開(kāi)門，否則不顯示。 L3 是管理員狀態(tài)指示燈，當(dāng)按下 F1 后，指示燈 自動(dòng)點(diǎn)亮。 面板上還有一個(gè)蜂鳴器，其中一個(gè)功能是用來(lái)指示操作的按鍵是否在成功的按下；另外一個(gè)功能是當(dāng)用戶輸入密碼錯(cuò)誤的次數(shù)超過(guò)了 3 次，鳴笛以示報(bào)警。 3顯示電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示電路是為了給使用者以提示而設(shè)置的?？紤]到為了節(jié)約單片機(jī)的口資源，本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機(jī)的兩個(gè)串行口，就可以完成單片機(jī)的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖 2 5 所示。 電路設(shè)定：當(dāng)程序檢測(cè)在 5 分鐘內(nèi)沒(méi)有按鍵操作的時(shí)候，就關(guān)閉顯示。這個(gè)功能使用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一旦沒(méi)有按鍵動(dòng)作就啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，檢測(cè)在 5 分鐘內(nèi)沒(méi)有 按鍵動(dòng)作的時(shí)候，啟動(dòng)一個(gè)程序，關(guān)閉顯示，這樣可以達(dá)到節(jié)省電能的目的。 從單片機(jī)串口輸出的信號(hào)先送到左邊的移位寄存器（ 74HC164） ,由于移位脈沖的作用，使數(shù)據(jù)向右移，達(dá)到顯示的目的。移位寄存器 74HC164 還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，插頭 1（ header1）接電源，插頭 2（ header2）接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個(gè)整流管 D1D3 的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓，增加其使用壽命。 CLR 0 1 EN 6 9 F4 4 8 F3 3 7 F2 2 6 F1 L1 L2 L3 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 5 A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 1A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 2A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 3A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 4A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 5A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9I C 612H E A D E R 21 2H E A D E R 1vc cabfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 0abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 1abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 2abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 3abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 4abfcgdeDPY1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dpdp9L E D 5Cd1d2d3圖 3 5 顯示器原理圖 顯示器主顯示幾個(gè)字符，給用戶提供指示見(jiàn)圖 2 6 所示。 圖 3 6 a 關(guān)閉狀態(tài) 圖 3 6 b 開(kāi)鎖狀態(tài) 圖 3 6 c 密碼輸入及修改狀態(tài) 圖 3 6 d 密碼輸入錯(cuò)誤后的提示 圖 3 6 e 密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò) 3 次后的鎖定狀態(tài) O F F - - 2 8 8 8 - - 1 - - - - - - E R R O R S - L O C K - 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 6 4 AT24C02 掉電存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì) 掉電存儲(chǔ)單元的作用是在電源斷開(kāi)的時(shí)候，存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的單價(jià)信息。 AT24C02 是 ATMEL 公司的 2KB 字節(jié)的電可擦除存儲(chǔ)芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，電壓最低可以到 2.5V，額定電流為 1mA，靜態(tài)電流 10Ua(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存 40 年以上，而且采用 8 腳的 DIP 封裝，使用方便。其電路如圖 2 5 所示。 NC1NC2NC3GND4S D A5S C L6WP7V C C8U4A T 2 4C 02AGNDV C C串行存儲(chǔ)模塊R85.1kR 105.1k接 P 2.5接 P 2.6圖 3 7 掉電存儲(chǔ)電路原理圖 圖中 R8、 R10 是上拉電阻，其作用是減少 AT24C02 的靜態(tài)功耗，由于 AT24C02 的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線 SCL（移位脈沖）和 SDA（數(shù)據(jù) /地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。 每當(dāng)設(shè)定一次單價(jià)，系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)程序，將單價(jià)信息保存在芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候，自動(dòng)調(diào)用讀存儲(chǔ)器程序，將存儲(chǔ)器內(nèi)的單價(jià)等信息，讀到緩存單元中，供主程 序使用。 5密碼鎖的電源電路設(shè)計(jì) 為了防止停電情況的發(fā)生，本電路后備了 UPS 電源，它包括市電供電電路，停電檢測(cè)電路，電子開(kāi)關(guān)切換電路，蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如 圖 2 8 所示。 12J P 112J P 2D1D2D3D4 D5R11KC133 00C20.1C333 001 2 378 05圖 3 8 市電供電電路 220V 市電通過(guò)變壓器降壓成 12V 的交流電 ,再經(jīng)過(guò)整流橋整流 ,7805 穩(wěn)壓到 5V 送往電子切換電路，由于本電路功耗較少，所以選用 10W 的小型變壓器。 由 R8， R9， R6， R7 及 IC14 構(gòu)成電壓比較器，正常情況下， V+V- IC14 輸出高電平，由 T3， T4 構(gòu)成的達(dá)林頓管使繼電器 J 開(kāi)啟，將其常開(kāi)觸電將蓄電池和電路相連，實(shí)現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證電子密碼鎖的正常工作（視電池容量而定持續(xù)時(shí)間）。其電路圖如下圖 6 所示： 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 7 R850KR940KR730KR620KT39018R 105.1KT49014123I C 1 4741繼電器蓄電池供電5V 直流電源 A1蓄電池 A25V 直流電源 A1蓄電池 A2VCC常閉常開(kāi)圖 3 9 停電檢測(cè)及電子開(kāi)關(guān)切換電路 T1， T2 構(gòu)成的蓄電池自動(dòng)充電電路，它在電池充滿后自動(dòng)停止充電，其中 D1 亮為正在充電，D2 為工作指示。由 R4， R5， T1 構(gòu)成電壓檢測(cè)電路，蓄電池電壓低，則 T1， T2 導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)其充電；充滿后， T1， T2 截止，停止充電，同時(shí) D1 熄滅，電路中 C4 的作用是濾除干擾信號(hào)。其電路圖如圖 7 所示： R5470R23KR13KT19014D2D1C40.1U3C G 21R43K6V 蓄電池電源 A26V 充電電源蓄電池圖 3 10 蓄電池自動(dòng)充電電路 6設(shè)計(jì)總框圖 圖 3 11 總體設(shè)計(jì)框圖 7設(shè)計(jì)總體電路圖 開(kāi)鎖 控制電路 89S51 單片機(jī) AT24C02 掉電存儲(chǔ) 串口顯示電路 矩陣 鍵盤 控制 指示電路 輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤 延時(shí)報(bào)警控制電路 電源電路及 UPS 電路 河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì) 8 P 0 .732P 0 .633P 0 .534P 0 .435P 0 .336P 0 .237P 0 .138P 0 .039V C C40P 2 .021P 2 .122P 2 .223P 2 .324P 2 .425P 2 .526P 2 .627P 2 .728A L E /P R O G30P S E N29E A /V P P31P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .5 /M O S I6P 1 .6 /M I S O7P 1 .7 /S C K8R E S T9P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I N T 012P 3 .3 /I N T 113P 3 .4 /T 014P 3 .5 /T 115P 3 .6 /W R16P 3 .7 /R D17X T A L 218X T A L 119G N D20U1 A T 89 S 51C122 uFR11KCRY6M H zC233 P FC333 P FS P E A KD L Q I 1R E S E TR E S E TG N DS5E A /V PA L E /PP S E NG N DC51000uF/25VC40. 1 uFV C CG N D123E A /V PNC1NC2NC3G N D4S D A5S C L6WP7V C C8U4A T 24 C 02 AS C LG N DS D A12V C CD A T AS C LWR1234R /T /L E DS D AV C CD A T AWRG N DV C CV C CV C CV C CG N D電源接口數(shù)碼管接口存儲(chǔ)器選擇接口D L Q I 2DSR720 0復(fù)位電路M C U 模塊CSE A /V P串行存儲(chǔ)模塊R85. 1 kR 1 05. 1 k矩陣鍵盤電源電路及其 U PS 電路圖 3 12 總體電路圖 四、程序設(shè)計(jì) 1模塊介紹 該計(jì)程計(jì)價(jià)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)模塊： (1)主程序模塊 主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無(wú)按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。主程序的流程圖如下所示。 (2)鍵盤掃描及識(shí)別子程序 鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒(méi)有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)循環(huán)主程序，一旦有按鍵按 下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。 其程序流程如圖 所示 . (3)調(diào)電存儲(chǔ)服務(wù)程序 當(dāng)比較密碼的時(shí)候，需要讀 AT24C02 程序，將存儲(chǔ)在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到 RAM 中，然后和輸入的密碼相比較。當(dāng)修改密碼的時(shí)候，需要把輸入的密碼保存到 AT24C02 中， 其程序流程如圖 所示 . (4)顯示子程序 由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到 5 個(gè)顯示子程序，分別是：關(guān)閉狀態(tài)顯示子程序（