基于单片机控制的电子密码锁

2011-12-12

一、引言

随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲呢。

设计本课题时构思了两种方案：一种是用以AT89s51为核心的单片机控制方案；另一种是用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。考虑到数字电路方案原理过于简单，而且不能满足现在的安全需求，所以本文采用前一种方案。

二、方案论证与比较

方案一：采用数字电路控制。其原理方框图如图1－1所示。

图2－1 数字密码锁电路方案

采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。

电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。

密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。

方案二：采用一种是用以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，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。其原理如图1－2所示。

通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。

三、电路的功能单元设计

1．开锁机构

通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。其原理如图2－1所示。

图3－1密码锁开锁机构示意图

当用户输入的密码正确而且是在规定的时间（普通用户要求在12s内输入正确的密码，管理员要求在5s输入正确的密码）输入的话，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。其实际电路如图2－2所示。

电路驱动和开锁两级组成。由D5、R1、T10组成驱动电路，其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018都可以满足要求。D5作为开锁的提示；由D6、C24、T11组成。其中D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。T11可选用中功率的三极管如8050，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。

在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。

2．按键电路设计

由于设计要求使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。其原理如图2－3所示。

图3－3 行列式键盘原理电路图

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N条行线和M条列线，即可组成具有N×M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，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。

对照图2－3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。

按键的操作面板如图图2－3所示。共计数字键10个，功能键6个。键盘上还有3个指示灯和一个蜂鸣器。

图3－4 按键操作面板示意图

10个数字键用来输入密码，另外6个功能键分别是：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。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。F1是管理模式切换键，当用户不小心三次输入密码都没有正确，键盘被锁定，这个时候就可以启动管理模式，使用管理员的密码来开门。F2是用来进入修改密码的状态。F3用来关闭显示器，一来可以节省电量，另外也可以防止不法分子偷窥密码。F4用来作电铃。

上面的3个指示灯L1、L2、L3是用来指示操作的状态：L1锁定及输入指示状态灯，正常的情况下显示红色，当键盘动作的时候，L1灯开始闪动，当键盘处于锁定状态时，指示灯也显示红色。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是管理员状态指示灯，当按下F1后，指示灯自动点亮。

面板上还有一个蜂鸣器，其中一个功能是用来指示操作的按键是否在成功的按下；另外一个功能是当用户输入密码错误的次数超过了3次，鸣笛以示报警。

3．显示电路设计

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图如图2－5所示。

电路设定：当程序检测在5分钟内没有按键操作的时候，就关闭显示。这个功能使用程序来实现的，一旦没有按键动作就启动一个定时器，检测在5分钟内没有按键动作的时候，启动一个程序，关闭显示，这样可以达到节省电能的目的。

从单片机串口输出的信号先送到左边的移位寄存器（74HC164）,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D1~D3的作用是降低数码管的工作电压，增加其使用寿命。

图3－5 显示器原理图

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，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2－5所示。