基于STC89C52單片機(jī)的電子密碼鎖設(shè)計(jì)

汪建關(guān)　邵春楓　谷高明　繆傳付

摘? 要：電子密碼鎖具有安全性高、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。本文基于單片機(jī)STC89C52設(shè)計(jì)了一種電子密碼鎖系統(tǒng)，由單片機(jī)控制矩陣鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)輸入密碼功能，LCD1602液晶模塊顯示密碼鎖相關(guān)信息，繼電器模塊控制開鎖。具有開鎖成功提示、密碼錯(cuò)誤報(bào)警、修改密碼等功能，在防盜場合有著極為廣泛的用途。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);電子密碼鎖;報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP368.1;TN402? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）22-0038-03

Abstract：Electronic password lock has the advantages of high security and good confidentiality. This paper designs an electronic password lock system based on STC89C52 single chip computer. The input password function is realized by matrix keyboard module controlled by single chip computer. LCD1602 LCD module displays the information related to password lock. The relay module controls the unlocking. It has the functions of successful prompt for unlocking，password error alarm，password modification，etc. and has a very wide range of applications in anti-theft occasions.

Keywords：MCU;electronic code lock;alarm system.

0? 引? 言

智能門鎖是信息技術(shù)不斷發(fā)展下的新成果。通過人工輸入正確的密碼后才能打開門。智能門鎖具有保密性好、安全可靠、生活便利等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)基于STC89C52單片機(jī)的電子密碼鎖，通過輸入密碼實(shí)現(xiàn)開鎖功能，可根據(jù)需要修改密碼，連續(xù)輸入錯(cuò)誤密碼達(dá)3次啟動(dòng)報(bào)警程序。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的電子密碼鎖采用STC89C52單片機(jī)為核心控制器件，與復(fù)位電路加晶振電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)電路[1]。通過矩陣鍵盤輸入開鎖密碼，當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，開鎖驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)開鎖功能。當(dāng)開鎖密碼連續(xù)錯(cuò)誤輸入達(dá)3次，報(bào)警電路自動(dòng)報(bào)警并鎖定。存儲(chǔ)電路采用AT24C02存儲(chǔ)芯片儲(chǔ)存設(shè)置的密碼。本系統(tǒng)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、晶振電路、復(fù)位電路、電源模塊、繼電器模塊、LCD1602液晶顯示模塊、4×4鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊和報(bào)警模塊。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 單片機(jī)硬件電路

本設(shè)計(jì)選擇的單片機(jī)型號(hào)為STC89C52單片機(jī)，這款單片機(jī)是深圳宏晶科技（STC）研發(fā)的一款低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，在使用上可以兼容51單片機(jī)，而且性能比51單片機(jī)更加優(yōu)越，運(yùn)行速度更快，接口電路更加豐富，而且功耗更低[2-3]。

這款單片機(jī)的供電低電壓范圍為3.8V～5.5V。內(nèi)部具有8K的Flash和512字節(jié)的RAM，具有4個(gè)P0-P3端口，32個(gè)I/O端口，其中P3端口具有雙重功能，除了具有普通I/O端口的功能，還具有定時(shí)器、串口、外部中斷等復(fù)用端口的功能[4]。單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)最大的晶振頻率可以達(dá)到35MHz。程序可以通過UASRT串口進(jìn)行下載。單片機(jī)在外形上有兩種封裝，分為LQFP封裝和DIP封裝[5]。本次設(shè)計(jì)選擇DIP封裝。

（1）晶振電路。晶振電路又稱為時(shí)鐘電路，由一個(gè)晶振（11.0592MHz）和兩個(gè)電容（30pF）組成，產(chǎn)生震蕩時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)工作。STC89C52RC采用外部時(shí)鐘電路。通過單片機(jī)第18引腳XTAL1和第19引腳XTAL2引腳輸入。

（2）復(fù)位電路。STC89C52單片機(jī)的復(fù)位電路分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種，上電復(fù)位主要由電阻和電容組成，只在通電時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作。而手動(dòng)復(fù)位電路可以在必要時(shí)通過按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。復(fù)位電路和單片機(jī)的第9個(gè)引腳REST連接實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

（3）單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路，給最小系統(tǒng)上電就能保證單片機(jī)的正常運(yùn)行[6]。

2.2? 矩陣鍵盤電路

本設(shè)計(jì)中的電子密碼鎖，通過4×4矩陣鍵盤輸入密碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖密碼的輸入和修改。矩陣按鍵的行控制線和單片機(jī)的P14-P17連接，矩陣按鍵的列控制線和單片機(jī)的P10-P13連接。通過對(duì)行、列線的掃描實(shí)現(xiàn)按鍵的是否功能。

2.3? 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示模塊，顯示密碼鎖的相關(guān)狀態(tài)。液晶的RS、RW、EN引腳和單片機(jī)的P25-P27引腳連接，液晶的數(shù)據(jù)接口D0-D7和單片機(jī)的P0口連接，為了節(jié)省能源設(shè)計(jì)了液晶的節(jié)能控制端口，使用單片機(jī)的P23端口驅(qū)動(dòng)三極管Q1實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶背光的控制，當(dāng)P23端口為低電平時(shí)，液晶背光點(diǎn)亮，當(dāng)P23端口為高電平時(shí)，液晶背光關(guān)閉。

2.4? 開鎖電路

密碼鎖開鎖控制部分主要通過單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)密碼鎖的開鎖和關(guān)鎖控制，通過單片機(jī)的P22 I/O端口控制三極管9012導(dǎo)通，當(dāng)三極管導(dǎo)通后，繼電器線圈通電，此時(shí)繼電器會(huì)閉合，繼電器開關(guān)端子J1會(huì)導(dǎo)通，J1連接的開鎖設(shè)備進(jìn)行開鎖[7]。

2.5? 密碼存儲(chǔ)電路

采用AT24C02存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)密碼，實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖的密碼保存功能。使用I2C通信協(xié)議與單片機(jī)通信[8]。

2.6? 報(bào)警電路

當(dāng)密碼開鎖成功或者連續(xù)輸入錯(cuò)誤密碼達(dá)3次時(shí)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警電路是給使用者一個(gè)聲音提示的功能，用單片機(jī)控制蜂鳴器實(shí)現(xiàn)。其中三極管Q2起到驅(qū)動(dòng)作用，當(dāng)單片機(jī)的P33端口為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)蜂鳴器B1通電發(fā)聲實(shí)現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)單片機(jī)的P33端口為高電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴器B1不通電，此時(shí)不發(fā)出報(bào)警聲。

2.7? 電源電路

電源為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，本次設(shè)計(jì)中的器件都使用5V直流電。因此在電源設(shè)計(jì)上選擇了USB接口供電的方式，USB的標(biāo)準(zhǔn)電壓為5V，這樣可以簡化電源電路的設(shè)計(jì)。DC1可以連接USB設(shè)備，SW1是電源開關(guān)，當(dāng)電源開關(guān)按下后開始供電，電源指示燈LED1點(diǎn)亮。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 主程序

根據(jù)主程序的流程圖來設(shè)計(jì)電子密碼鎖子程序，進(jìn)入主程序后系統(tǒng)會(huì)初始化。初始化完成后會(huì)循環(huán)檢測按鍵是否按下，判斷輸入信號(hào)，密碼輸入正確，開鎖電路控制開鎖;密碼輸入錯(cuò)誤，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警提示。

3.2? 開鎖子程序

開鎖子程序用來實(shí)現(xiàn)開鎖密碼錯(cuò)誤的報(bào)警功能。系統(tǒng)會(huì)將輸入的密碼與系統(tǒng)密碼對(duì)比，密碼輸入正確，開鎖電路控制開鎖，同時(shí)顯示開鎖成功。密碼輸入錯(cuò)誤，系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤次數(shù)計(jì)數(shù)，次數(shù)達(dá)到3次時(shí)報(bào)警。

3.3? 修改密碼子程序

系統(tǒng)首先檢測是否為開鎖狀態(tài)，然后檢測修改密碼按鍵是否按下，按下后進(jìn)入密碼修改程序。新密碼需連續(xù)輸入兩次，當(dāng)兩次輸入的新密碼相同，顯示“修改密碼成功”;兩次輸入的新密碼不同，需重新驗(yàn)證舊密碼。

3.4? 液晶顯示子程序

本次設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器件。顯示密碼鎖的工作過程。LCD1602可以同時(shí)顯示兩行，每行16個(gè)字符。每行都有固定的地址。寫數(shù)據(jù)時(shí)地址自動(dòng)加[9]。

4? 系統(tǒng)的整體測試

4.1? 程序調(diào)試

在本次的程序設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)C語言進(jìn)行系統(tǒng)程序的編寫，選擇Keil4編譯環(huán)境，在Keil4編譯環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)代碼的調(diào)試，生成單片機(jī)可執(zhí)行的程序文件。在進(jìn)行程序編寫前，首先要在Keil4中新建項(xiàng)目工程，在項(xiàng)目工程中新建程序文件，選擇本次設(shè)計(jì)中使用的單片機(jī)型號(hào)STC89C52，將單片機(jī)的庫文件下載到工程下，之后在編寫程序的時(shí)候就可以引用該單片機(jī)的頭文件[10]。程序編譯完，可以對(duì)程序進(jìn)行編譯，查看是否有誤。

4.2? 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試主要是對(duì)整個(gè)硬件電路原理圖的調(diào)試。硬件調(diào)試需要按照如下步驟進(jìn)行：

（1）檢查原理圖。根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖，對(duì)應(yīng)每個(gè)器件的手冊，仔細(xì)地檢查原理圖的設(shè)計(jì)是否正確、每個(gè)芯片的各個(gè)引腳連接是否正確，確保每個(gè)器件連接正確;

（2）通過電路仿真的方式對(duì)電路的功能進(jìn)行仿真，在仿真中可以發(fā)現(xiàn)電路是否有錯(cuò)誤的地方。

4.3? 仿真設(shè)計(jì)

仿真設(shè)計(jì)的主要功能是對(duì)設(shè)計(jì)硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試，并驗(yàn)證硬件和軟件功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。Proteus仿真軟件是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，可以提供單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)[11]。使用Proteus仿真軟件對(duì)電子密碼鎖的密碼輸入功能、密碼錯(cuò)誤報(bào)警功能進(jìn)行了仿真。整機(jī)Proteus原理圖如圖1所示，液晶上提示Input：**此時(shí)代表可以輸入密碼。

根據(jù)上面液晶的提示，通過按鍵輸入六位開鎖密碼，輸完密碼后點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，如果密碼正確，驅(qū)動(dòng)繼電器開鎖電路，開鎖指示燈點(diǎn)亮，開鎖成功。

根據(jù)上面液晶的提示，通過按鍵輸入六位開鎖密碼，輸完密碼后點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕，如果密碼錯(cuò)誤，則門鎖不會(huì)打開，繼電器開鎖電路不工作，門鎖開鎖指示燈不會(huì)點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”聲提示密碼錯(cuò)誤，LCD1602液晶顯示屏幕上會(huì)顯示Password error cishu：01，代表輸入錯(cuò)誤密碼1次，為密碼輸入錯(cuò)誤界面。

4.4? 實(shí)物制作

制作實(shí)物主要按如下步驟進(jìn)行：

（1）根據(jù)硬件原理圖購買器件，下載每個(gè)器件的使用手冊;

（2）使用電烙鐵按照電路圖結(jié)合器件的使用手冊進(jìn)行焊接，將器件焊接到電路板上;

（3）對(duì)焊接的電路板進(jìn)行檢測，確保焊接正確;

（4）燒錄程序并運(yùn)行，檢測其功能。經(jīng)檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5? 結(jié)? 論

本文實(shí)現(xiàn)通過按鍵輸入密碼開鎖的功能，同時(shí)具有錯(cuò)誤報(bào)警功能。使用STC89C52作為控制核心，4×4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)密碼輸入，AT24C02存儲(chǔ)芯片對(duì)設(shè)置的密碼進(jìn)行存儲(chǔ)，通過繼電器來控制門鎖開鎖設(shè)備，通過LCD1602液晶顯示門鎖的狀態(tài)。在開鎖的過程中，當(dāng)輸入開鎖密碼連續(xù)錯(cuò)誤達(dá)3次時(shí)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)密碼輸入功能會(huì)被鎖死。本次設(shè)計(jì)的電子密碼鎖還存在一些不完善的地方，如可以增加指紋識(shí)別開鎖、電話報(bào)警等功能，以提高安全性能。

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作者簡介：汪建關(guān)（1998.01-），男，漢族，安徽安慶人，本科在讀，研究方向：通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。