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电子密码锁
摘要
本设计是在已有机械锁的前提下，为了使用方便而设计的电子密码锁。
论文中详尽描述了电源输入电路、键盘接口电路、密码存储电路、复位电路、时钟电路、数码管显示电路、开锁控制电路、检测电路和报警电路。
系统以单片机AT89C51作为控制核心，通过CS3144检测开锁状态，可以实现开锁后的密码修改和报警功能，并能广泛用于家庭住宅和各种办公场所。
关键词：
单片机,密码锁,报警
Abstract
Thedesignisalreadyinthepremiseofmechanicallocks,designedforeaseofuseofelectroniclocks.Paperdescribesindetailthepowerinputcircuit,thekeyboardinterfacecircuit,thepasswordstoragecircuit,resetcircuit,clockcircuit,thedigitaldisplaycircuit,thelockcontrolcircuit,detectioncircuitandalarmcircuit.AT89C51microcontrollerasthecontrolsystemtothecore,throughtheCS3144testunlocked,canchangethepasswordafterunlockandalarmfunction,andcanbewidelyusedinhomesandavarietyofofficespace.
Keywords:
Single-chipcomputer,Passwordlock,Alarm
目录
1前言1
1.1课题背景1
1.2国内外研究现状1
2总体设计方案2
2.1设计要求2
2.2系统设计框图3
3硬件系统设计3
3.1单片机简介3
3.2内部时钟电路5
3.3复位电路5
3.4电源输入电路6
3.5键盘接口电路6
3.6数码管数码显示电路7
3.7报警电路8
3.8传感器的运用9
3.8.1传感器的选择9
3.8.2霍尔传感器感应电路10
3.9密码存储电路10
3.10开锁控制电路11
4软件设计12
4.1程序功能12
4.2程序流程图13
4.2.1程序总流程图13
4.2.2子程序流程图14
5结论16
致谢16
参考文献17
附录1总体电路图18
附录2程序清单19
1前言
目前，最常用的锁是20世纪50年代意大利人设计的机械锁，其机构简单、使用方便、价格便宜。
但在使用中暴露了很多缺点：
一是机械锁是靠金属制成的钥匙上的不同齿形与锁芯的配合来工作的。
据统计，每4000把锁中就有两把锁的钥匙齿牙相同或类似，故安全性低。
根据国外的统计资料,装有电子防盗装置的商业区或居民区盗窃犯罪率平均下降30%左右。
二是钥匙一旦丢失，无论谁捡到都可以将锁打开。
三是机械锁的材料大多为黄铜，质地较软，容易损坏。
四是机械锁钥匙易于复制，不适于诸如宾馆等公共场所使用。
出于安全、方便等方面的需要，许多智能锁（如指纹辨别、IC卡识别）已相继问世，但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间等。
另外，卡片式的IC卡易丢失，加上其成本一般较高，在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
基于单片机的随机密码锁设计能够很好地保护电子产品的安全性，其功能也大，这样就可以解决机械锁存在的一些问题。
根据单片机技术及相关原理,设计一个以单片机为控制核心，采用程序控制方法，能实现对电子产品安全保护的电路。
1.1课题背景
密码锁是锁的一种，开启时用的是一系列的数字或符号。
密码锁的密码通常都只是排列而非真正的组合。
部分密码锁只使用一个转盘，把锁内的数个碟片或凸轮转动；亦有些密码锁是转动一组数个刻有数字的拨轮圈，直接带动锁内部的机械。
此单片机设计（密码锁）是一种能防止多次探密码的基于单片机的密码锁设计方案，根据设计的要求，给出了该单片机密码锁的硬件电路和软件程序，同时给出了单片机型号的选择，硬件设计，软件流程图，汇编语言源程序等内容。
密码锁应用非常广泛，如生活中的密码箱等；到取款机取款时插入卡后要输入个人设定的密码；银行里的密码柜，再比如核武器在发射时也有密码的等等。
很多行业的许多地方都需要密码锁，但普通密码锁的密码容易被多次试探而破译。
我们的设计给出了一种能防止多次试探密码的密码锁设计方法，利用单片机控制。
因为单片机不但具有体积小，成本低，控制灵活，便于产品化等特点，而且单片机具有新的发展，具体主要体现在单片机片内资源越丰富，用它构成的单片机控制系统的硬件开销就会越少，产品的体积和可靠性就会越高，无论是现代社会应用比较广泛的8位单片机还是16位、32位的单片机，不仅可以把CPU,RAM,ROM,定时器/计数器、I/O接口和中断系统等电路集成进去,而且片内新增了A/D和D/A转换器、监视定时器、DMA通道和总线接口等都为单片机开辟了新的应用天地，所以，使用单片机系统控制密码锁，体积小，成本低，控制灵活，便于产品化，可以防止多次试探，从而有效地克服了上述缺点。
1.2国内外研究现状
目前，在西方发达国家，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。
在我国电子密码锁的成本还很高，应用还不广泛。
希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。
目前市场上的密码锁主要有以下几类，都存在不同程度的缺陷。
（1）机械式密码锁。
它具有成本低，抗干扰能力强的优点，同时也具有密码量少，操作频繁，输入密码不易，安全性差，钥匙易于复制的缺点，而且没有自动报警功能，无法拒绝非法用户尝试密码。
（2）固定键盘式电子式的密码锁。
使用固定键盘输入门锁密码。
用户密码位数可以设定，它具有成本较低，密码量大，不易破译的优点和自动报警，错码自锁的功能，但是这些电子密码锁系统都采用的是固定键盘式的，也就是将操作键盘固定在保险箱或门的面板上，这就使得用户在操作时没有隐蔽性，极易被人看见和偷拍而使得密码不安全，因而操作的安全性不高。
（3）红外遥控式电子密码锁。
由于红外遥控技术已经纷纷用于我们的日常生活中，出现了红外遥控技术和密码技术相结合的电子密码锁。
由于红外线和激光都不具备“绕射”能力，用户无法在隐蔽的地方操作，因此也会使用户感到使用不便。
（4）其它密码锁。
市面上还有如手机遥控锁，磁卡式的保险柜锁、智能卡IC卡式的保险柜锁，指纹保险柜锁等。
磁卡式保险柜锁和智能IC卡式的保险柜锁，虽然都具有更换方便，易于操作的优点，但是由于磁卡本身结构简单、磁条（磁层）暴露在外、存储容量小、无内部安全保密措施，容易被破译，安全性差。
同时由于磁卡和IC卡本身对使用环境要求高，它的稳定性和可靠性也就相应降低了。
虽然指纹式的保险柜锁具有操作简单，密码具有唯一性，安全性高，不易破译，携带方便的优点，但是它的成本偏高，而且如果指纹识别口被划伤，也不能有效的识别合法用户，也会给使用带来极大不便，因此也不能被人们广泛地接受。
经调查，在安全性要求较高的场合，电子密码锁的市场前景较好。
它的成本相对较低，密码量极大，安全性高，操作简单，最符合用户的需要。
但是，目前电子密码锁存在很多的不安全因素，这也是电子密码锁没有得到广泛应用的一个要原因。
【3】
2总体设计方案
2.1设计要求
本设计要实现的基本功能如下：
（1）电源开始后，显示器显示“000000”；
（2）按“#”，清除显示器为“000000”；
（3）只有在开锁后才能更改密码，更改密码时，先按“*”再进行修改，确认后再次输入更改后密码，如两次输入一样，则更改成功。
（4）键入号码，再按“D”开锁键，若号码与密码相符，则锁会打开；若号码与密码不相符且累计次数达到三次，则启动报警电路。
（5）键盘设计要求
1
2
3
A
4
5
6
B
7
8
9
C
*
0
#
D
图1键盘设计图
2.2系统设计框图
本设计主要由单片机、矩阵键盘、数码显示器、密码存储、密码修改和报警电路等部分组成，其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。
由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与内部设定的密码进行对比，从而判断密码是否正确，若密码正确即可实现开锁，开锁后用户可根据需要进行密码的修改,若不正确且累计输入三次则启动报警电路。
本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。
其中硬件部分由电源输入、键盘输入、密码存储、复位电路、时钟电路、显示部分、开锁部分、密码修改部分和报警电路等部分组成，软件部分对应的由主程序、数码显示子程序、键识别子程序、设定新密码程序和密码比较子程序等组成。
其原理框图如图1所示。
图2原理框图
3硬件系统设计
3.1单片机简介
单片机芯片的特性及说明
（1）主要特性：
它与MCS-51兼容，有4KB字节可编程闪烁存储器，寿命：
1000写/擦循环，数据保留时间为10年。
全静态工作时在0Hz-24Hz之间，内部RAM是128b*8位，有32可编程的I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源。
（2）管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入，作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
它可为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号，也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表1P3口的特殊功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（记时器0外部输入）
P3.5
T1（记时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
【1】
图3管脚排列
3.2内部时钟电路
AT89C51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3所示方式连接。
晶振、电容C1／C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C1、C2取值范围在5～30pF之间。
根据实际情况，本设计中采用12MHZ做系统的外部晶振。
电容取值为30pF。
图4内部时钟电路
3.3复位电路
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。
在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。
地址锁存信号ALE也为高电平。
根据实际情况选择如图4所示的复位电路。
该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C3上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C3足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。
增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。
当复位按键按下后电容C3通过R1放电。
当电容C3放电结束后，RST端的电位由R1与R2分压比决定。
由于R1<R1的作用在于限制按键按下瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。
图5复位电路
3.4电源输入电路
电子密码锁的主控部分的电源需要用5V直流电源供电，其电路如图5所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。
其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。
该电路为解决断电带来的不便，在稳压电路前面加入了一个+12V的充电电池，在断电后电源电路仍可输出+5V的直流电压。
由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。
降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。
由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。
需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。
本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。
【8】
图6电源输入原理图
3.5键盘接口电路
键盘是单片机系统中最常用的人机联系的一种设备，它由若干个按键组成，用户通过键盘向CPU入数据或命令以实现简单的人机通信。
对键盘的识别可分为两类：
一类是由专门的硬件电路来识别（如2376、74C922），它使用起来方便，但需要价格昂贵的芯片，单片机系统中一般不采用；另一类靠软件来识别，它结构简单，价格便宜，应用灵活。
本设计中查询的方法识别键，优点是电路简洁，节省硬件，抗干扰能力强，应用灵活，缺点是占用较多的CPU时间资源。
非编码键盘可以分为两种结构形式：
独立式键盘和行列式键盘。
本次设计中采用的是行列式键盘，可节省I/O口线。
其工作原理是：
行线P1.0～P1.3是输入线，CPU通过其电平的高低来判别键盘是否被按下。
依次使列线P1.4～P1.7中的一根输出为低电平，则只有与之对应的键按下时，才能使行线为低电平。
键盘接口电路图如下：
图7键盘接口电路
3.6数码管数码显示电路
七段数码显示器如图：
图8显示器
显示电路主要由6个共阳型七段数码管（SM4105）、6只型PNP型三极管、一片74LS1383-8线译码器以及一个7447七段译码器组成。
电路结构简单，性能稳定，使用方便。
七段显示数码管（动态）工作原理：
逐个地循环点亮各位显示器，也就是说在任一时刻只有1位显示器在显示。
LED动态显示的优点是用较少的端口，可以扩展多位LED显示器。
缺点是过多的占用CPU的时间。
除了LED动态显示，还有一种是LED静态显示。
LED静态显示的优点是不占用CPU的时间，缺点是占用过多的输出端口。
采用动态显示的数码管为了使人看到所有显示器都在显示，就得加快循环点亮各位显示器的速度（提高扫描频率），利用人眼的视觉残留效应，给人感觉到与全部显示器持续点亮的效果一样。
一般地，每秒循环扫描不低于50次。
数码管显示电路的工作原理：
数码管显示时，P0.0--P0.3根据程序输出高电平或低电平，送到7447译码器的四个输入端，经过7447译码后由7个输出端输出，输出信号经过限流电阻（防止数码管因电流过高而损坏）送至数码管的阴极。
同时，单片机的P0.4--P0.6根据要求输出高电平或低电平，送到74LS138的三个输入端，经译码后由输出端输出，此时，74LS138的输出端只有一位为“0”，使其中的一只三极管导通，引入电源，驱动与其对应的数码管，数码管工作。
数码管的各发光二极管根据对应的高电平或低电平发光或不发光。
每只数码管依次循环，就完成了发光电路的设计，本设计采用动态数码显示器。
LED数码显示器有两种连接方法：
①共阳极接法：
把二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。
当阴极端输入低电平时，七段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。
②共阴极接法：
把二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。
当阳极端输入高电平时，七段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。
【15】本设计中采用的是共阳极LED数码显示器。
数码管显示电路原理图如下：
图9数码管显示电路
3.7报警电路
当有键按下时，“叮”声，每按一下，发声一次。
用户输入密码后，当密码正确时，不发声直接开锁；当密码输入错误且累计达到三次时，则进行报警。
报警有现场报警和远程报警两种。
现场报警是用单片机的P2.2口线输出一个低电平信号经三极管放大后，由继电器控制扬声器发出报警声，如图9所示；远程报警是通过该系统与电话机连接，在发出报警信号的同时将事先存在电话机内的电话号码拨通，从而通知主人。
根据对电话操作的要求，本设计中使用了单片机的P2.3、P2.4、P2.53根口线，每根口线均经过三极管放大后由继电器分别控制电话机的“存储号”、“提取”、“免提”3个功能键，单片机对这3个功能键的操作顺序完全模拟人工操作完成。
图10现场报警电路
图11远程报警电路
3.8传感器的运用
3.8.1传感器的选择
本设计采用的是霍尔开关集成电路CS3144，CS3144霍尔开关集成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号，输入输出关系如图11所示。
CS3144霍尔开关集成电路具有体积小，灵敏度高，响应速度快，温度性能好，精确度高，可靠性高等优点。
CS3144霍尔开关集成电路的功方框图如图10所示。
【5】
图12功能方框图
图13输入输出磁电转换特性
3.8.2霍尔传感器感应电路
当磁铁靠近的时候，霍尔输出低电平，P2.1引脚接霍尔的输出信号，这样通过程序查询霍尔输出是否为低电平，就可知道门是否为关的状态，此时不能修改密码；只有门在开的状态时，才能进行修改。
图14磁感应电路
3.9密码存储电路
密码存储电路主要由EEPROM93C46组成。
（1）93C46是一种存储器可以定义为16位
ORG引脚接Vcc
或者定义为8位
ORG引脚接GND的1K位的串行EEPROM每一个的存储器都可以通过DI引脚或DO引脚进行写入或读出，器件可以经受1,000,000次的写入/擦除操作片内数据保存寿命达到100年器件可提供的封
装有DIP-8SOIC-8或TSSOP-8。
（2）93C46是一个有1024位内含工业标准微处理器的非易失的存储器。
93C46可以选择为16位或8位结构。
当选择16位结构时，93C46有7条9位的指令用来控制对器件进行读、写和擦除操作；当选择8位结构时，93C46有7条10位的指令来控制对器件进行读、写和擦除操作。
93C46的所有操作都在单电源上进行，当执行任何的写操作时内部的升压电路将提供高压给芯片。
指令、地址和写入的数据在时钟信号SK的上升沿时由DI引脚输入，DO引脚除了从器件读取数据或进行写操作后查询准备/繁忙（ready/busy）的器件工作状态外，平常是高阻态的。
准备/繁忙（ready/busy）是开始了一个写操作后选择器件CS为高电平后从DO引脚读的用来测定期间工作状态的信号，DO位低电平则表示写操作还没有完成。
当DO为高电平时则表示器件可以输入下一条指令，此时如果有需要，可以在DI引脚移入一个高电平，DO会进入高阻态，DO引脚会在时钟SK的下降沿时进入高阻态，将DO引脚恢复高阻态值得推荐在DI和DO合用一个I/O口来读/写的应用中。
所有送往器件的指令格式为一个高电平“1”的开始位，一个2位或4位的操作码，写入数据时的6位（当选择8位结构时为7位）以及16位数据（当选择8位结构时为8位）。
（3）93C46的操作指令如下表：
表293C46的操作指令
指令
开始位
操作码
地址
数据
注释
X8
X16
X8
X16X
READ
1
10
A6-A0
A5-A0
读地址An-A0的数据
ERASE
1
11
A6-A0
A5-A0
擦除An-A0的数据
WRITE
1
01
A6-A0
A5-A0
D7-D0
D15-D0
把数据写到地址An-A0的存储器中
EWEN
1
00
11XXXXX
11XXXX
写允许
EWDS
1
00
00XXXXX
00XXXX
写禁止
ERAL
1
00
10XXXXX
10XXXX
擦除全部存储器的数据
WRAL
1
00
01XXXXX
01XXXX
D7
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