基于信息技術的電子密碼鎖的系統電路設計

張鵬騫

（河北省兒童醫院，河北 石家莊 050031）

0 引 言

隨著人們安全意識的不斷提高，防盜問題引起人們的重視，傳統的機械鎖已經很難滿足人們的要求，智能鎖應運而生，它們有著不同的特點，但是也有著智能鎖共同的缺點。例如，手部問題會影響智能指紋鎖識別、應用場景有限以及卡片鑰匙成本高等。這些問題得不到解決，智能鎖在一定程度上很難得到普及應用和推廣。而電子密碼鎖由于保密性高、使用靈活性好、安全系數高，受到了廣大用戶的認可[1]。

1 電路的功能模塊設計

AT89C51作為本系統的微控制器，是整個電路的核心部分，晶振頻率采用6 MHz，使單片機的運行速度不至于太快[2]。系統由鍵盤、發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示電路、開鎖驅動電路及報警電路組成。開始運行工作時，操作員或者用戶可以從鍵盤敲入6位密碼，待按下確認功能鍵后，單片機會將輸入的密碼同原始設定的6位密碼進行判斷校驗。若鍵盤敲入的密碼同設定的6位密碼一致，則發出開鎖指示信號，綠燈閃亮，開門；若密碼錯誤，就會有相應的紅燈亮起，這時需要重新輸入密碼。原程序設計輸入密碼的次數超過3次或者3次以內密碼都提示輸入錯誤，就會觸發報警指示信號。另外，電子密碼鎖成功打開后，程序還設定了對密碼的修改功能，以便于重新設置新密碼。

1.1 密碼輸入及顯示電路

本設計從系統功能擴展考慮，保留串行通信口，采用單片機外接擴展輸入輸出（Input/Output，I/O）接口芯片8155H實現6位LED顯示和矩陣鍵盤接口電路。8155H的輸入輸出口地址是FF20～F23H，其中PA口是控制鍵盤列線掃描的輸出口，也是6位共陰極顯示器的位掃描口，顯示器的段碼（字碼）口為PB口，鍵盤行線狀態的輸入口為PC口[3]。

因為按鍵比較多，所以在設計上采用了行列式的鍵盤。每1條橫線（行線）與豎線（列線）的交叉點都不是相通的，而是通過1個按鈕連接起來，利用這種行列式矩陣結構只需要M線和N線就可以組成一個鍵盤，上面有M×N個按鈕。此外，顯示電路采用動態方式，將所有位的段碼線對應的段并聯在一起，由1個8位I/O口控制，形成多路復用的段碼線，而每個共陰極分別由對應的I/O線控制，形成各自的分時選通。

1.2 AT24C02掉電儲存模組設計

AT24C02是電可擦除存儲芯片，限制的最低電壓為2.5 V，限制約束的正常工作電流為1 mA，靜態電流為10 μA（5.5 V）。芯片內的資料可儲存約40年之久，同時以8腳雙列直插式（Dual In-line Package，DIP）的形式封裝，以便使用[4]。其電路如圖1所示。

圖1 AT24C02掉電存儲模塊設計

圖1中的R1、R2為上拉電阻，其設計能夠減少AT24C02芯片的靜態功耗。由于AT24C02芯片的數據線和地址線是復用的，因此采用串口的方式傳輸數據，只用2根串行時鐘線（Serial Clock，SCL）和串行數據線（Serial Data，SDA）與單片機傳送數據，其中SCL用于輸入輸出數據的同步，在上升沿時串行寫入數據，在下降沿時串行讀取數據；SDA用于串行數據的輸入輸出。

1.3 AT24C02的尋址

一般微處理器/微控制器稱為主器件，產生串行時鐘和起始停止信號。帶電可擦除可編程ROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）工作在從機方式，稱為從器件[5]。無論是主器件還是從器件，都可以充當發送器或接收器的角色，由主器件來控制數據的傳輸。

主器件發送啟動信號后，再發送1個8位含有芯片地址的控制字對從器件進行片選[6]。這8位片選地址字由3部分組成：第1部分是8位控制字的高4位（D7～D4），固定1010是集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）的特征編碼；第 2部分是最低位D0，即讀寫選擇位R/W，決定微處理器對EEPROM進行讀寫操作，R/W—=1表示讀操作，R/W—=0表示寫操作；第3部分即A0A1A2，本設計設A0A1A2為000。

1.4 AT24C02的時序分析

AT24CXX EEPROM存儲器采用二線制傳輸，遵循IIC總線協議[7]。SCL和SDA的時鐘關系與IIC協議中規定的相同。加在SDA的數據只有在串行時鐘SCL處于低電平時鐘周期時才會發生變化，如圖2所示。

圖2 AT24CXX SDA和SCL時鐘關系

當SCL處于高電平時，SDA由高電平向低電平轉變時表示啟動信號，由低電平向高電平轉變時表示停止信號，啟動與停止信號如圖3所示。

圖3 AT24CXX啟動和停止信號

應答信號由接收數據的存儲器發出，每個正在接收數據的EEPROM收到1B數據后，需發出1個“0”應答信號ACK，單片機接收完存儲器的數據后也需發出1個應答信號。ACK信號在主器件SCL時鐘線的第9個周期出現。

在應答時鐘到達第9個周期時，SDA線變為低電平，表示1個8位數據已經收到。若主器件沒有發送1個應答信號，則器件將停止數據的發送，且等待1個停止信號。應答信號如圖4所示。

圖4 應答信號

1.5 AT24C02讀操作

采用順序讀操作來得到用戶設定的密碼。順序讀存在2種地址讀的情況，一是立即地址讀，二是隨機地址讀，無論采用哪種地址讀的方式都可操作啟動。隨機地址讀通過1個“偽寫入”操作形式對要尋址的EEPROM存儲單元進行定位，然后執行讀出。要想達到主器件對存儲器無限制、無順序的字節進行讀操作，可以采取隨機地址讀的方式，器件和信號流即主器件首先發送起始信號、從器件地址、讀取字節數據的地址，執行1個“偽寫入”操作。在從器件應答之后，主器件重新發送起始信號、從器件地址，此時。從器件發送1個應答信號之后，輸出所需讀取的1個8位數據，主器件發出應答信號，告訴從器件需發送更多的數據，與每個應答信號相對應。當確認器件為主器件時，發出的信號收到至確認是停止信號時，運行結束。從器件輸出的數據按順序從N到N+I，地址計數器的內容相應相加，計數器也會產生翻轉繼續輸出數據。

1.6 AT24C02寫操作

采用頁面寫操作將修改后的密碼保存到EEPROM中。主器件發出啟動信號和從器件地址給從器件，從器件收到信號確認為應答信號后，主器件再選擇從某個指定的器件中以字節地址的形式傳輸發送信號，從器件將再發送另一個相應的應答信號，主器件收到信號后向被尋址的存儲單元發送數據，傳送1B后，主器件并不產生停止信號，而是發送15個額外字節。每發送1個數據后，從器件發送1個應答位，并將地址低位自動加1，高位不變。

當存儲器的WP引腳接高電平時，將存儲器區全部保護起來，可以避免用戶操作不當對存儲器數據的改寫，將存儲器變為只讀狀態。

1.7 報警控制模塊設計

本系統密碼輸入錯誤超過3次以上將啟動延時報警模塊。由單片機的P1.4端控制壓電蜂鳴器的發音。P1.4端輸出高電平時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5 V電壓而鳴叫；當P1.4端輸出低電平時，晶體管截止，蜂鳴器停止發音。三極管驅動的蜂鳴器報警電路如圖5所示。

圖5 三極管驅動的蜂鳴器報警電路

1.8 操作指示燈控制電路

指示燈的作用是判別效驗提示密碼輸入的正誤。設計時使用發光二極管作為指示燈，當密碼輸入錯誤時，單片機P3.0端口通過三極管放大發出信號控制紅燈亮，提示再次輸入密碼；當密碼輸入正確時，單片機P3.1端口通過三極管放大發出信號控制綠燈亮起，同時開鎖。

2 程序設計

2.1 模塊介紹

電子密碼鎖軟件采用51系列單片機，使用匯編語言編程實現密碼識別、智能報警等程序設計。各功能的實現采用模塊化程序設計，主要程序是對中斷向量和各子程序進行初始化、設置管理與調用。

2.2 鍵盤掃描子程序

鍵盤采用編程掃描的工作方式，主要是判別鍵盤有無鍵閉合，防止鍵盤的鍵發生機械抖動或者檢驗鍵號有無閉合的情況，這樣中央處理器（Central Processing Unit，CPU）就只處理1次按鍵的閉合。

2.3 動態顯示子程序

在89C51內部隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）中設置了6個40～45 h的顯示緩沖單元，顯示器分別存儲顯示6位數據。其中總有1位高電平在8155H的PA口，經過74LS04反相后，即顯示器的6個顯示位元中只有一位共陰極為低電平，反之則為其他電平。8155H的PB口輸出對應位元的顯示數據段碼，使某一位元顯示1個字碼，其他位元則不顯示。依次改變PA口輸出為高位，PB口輸出對應的段碼，顯示器的6位將顯示數據所確定的字符動態地在緩沖區顯示。

2.4 掉電存儲密碼子程序

為了防止系統掉電時數據存儲器RAM中的數據丟失，比較密碼時需要讀串行存儲程序，再將芯片中儲存的數據讀取到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。而修改密碼時，需要把新輸入的密碼存儲在AT24C02芯片中。

3 結 論

根據功能要求和系統設計共包含了硬件電路與軟件程序2個部分，其中采納的AT24C02芯片用于存儲和密碼的掉電保護策略，軟件成分較高，而在實際設計中也可以采用諸如掉電保護電路等硬件電路。該電子密碼鎖的系統電路設計使用簡便、消耗小、運行平穩，同時具備較好的網絡擴展能力及安全防范技術措施。