关于单片机电子安全密码锁的设计研究

摘  要：科技的飞速发展虽然为我们的生活带来了各方面的便利，但是对人们的信息安全、隐私安全也提出了挑战，以往的门锁已经不能够满足人们现在的需求，为了更好地维护人们的安全和隐私，越来越多类型的锁具被研制出来。电子密码锁的出现，改变了以往锁具开锁流程简单、安全性能差的缺点，进入市场后被广泛应用于家庭、超市等场所。电子安全密码锁是由电子电路控制的，采用触摸键盘的方式开锁，在保密性、灵活性和操作便捷性上都要优于传统的锁具。文章就单片机电子安全密码锁的总设计流程及各个部件的设计思路与电路进行了简单的阐述，并对单片机电子安全密码的软件与硬件的调控进行了简单的讲述。

关键词：单片机;电子安全密码锁;电子密码锁设计

中图分类号：TP368.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0045-03

Abstract：Although the rapid development of science and technology brings convenience to our life，it also challenges peoples information security and privacy security. The previous door locks cant meet peoples current needs. In order to better maintain peoples security and privacy，more and more types of locks have been developed. The emergence of electronic password lock has changed the shortcomings of simple lock opening process and poor security performance in the past. After entering the market，it is widely used in families，supermarkets and other places. Electronic security code lock is controlled by electronic circuit. It is better than traditional lock in security，flexibility and operation convenience by using touch keyboard. In this paper，the general design process of the electronic security code lock of single chip microcomputer and the design ideas and circuits of each component are simply described，and the regulation of the software and hardware of the electronic security code of single chip microcomputer is simply described.

Keywords：MCU;electronic security combination lock;electronic combination lock design

0  引  言

锁具的研制既要操作简单，还需要达到保密性良好这一点要求，这是所有锁具在研制时的两大要素。传统的锁具易因钥匙丢失造成无法开锁的现象，而靠IC卡控制的鎖具虽然方便了不少，但IC卡在一些磁性较强的地区会失去磁性，也有可能导致出现无法开锁的情况。这两类锁具都没有达到真正意义上的方便和安全。计算机行业的发展影响了许多行业，电子锁的出现很大程度上是由于计算机行业的发展及其与各个领域的融合与应用。电子密码锁在保证传统锁具普遍具有的性能外，因其自身的特性，具有密码重置的功能，更加人性化，又因其操作方法简单，成本低且安全性高等优点，其应用价值与发展前景都十分良好。基于这个思路，本文以本校主要研究和学习的单片机型号，设计了一款以AT89S51单片机为主要单元的电子锁。除开锁功能外还包含密码修改功能、报警功能等，并通过软件、硬件的调试完成本次设计。

1  单片机电子安全密码锁的总设计思路

1.1  总体设计思路

对电子密码锁的选择，双JK触发器为主的电路控制系统的操作相对复杂，因此在本次设计中不选用。而相对于双JK触发器为主的电路控制器，由单片机为核心的电子密码安全锁能够更加准确地进行控制，其丰富的I/O端口还能添加其他功能，使胆前级电子密码锁在实际应用中能带来更好的使用体验。在进行单片机的电子安全密码锁的设计上，选用AT89S51为主要单元，结合其他控制程序设计了一款包含修改密码、报警装置及提示灯等功能的电子密码锁。在进行电子密码锁的总设计时，要先确定总体构思，如输入设施、电路及各种构件的大体设计内容。单片机电子安全密码锁需要包括以下几个部分：输入密码的键盘部分、显示屏部分、输入错误密码后的警示部分，以及密码重置和密码输入的次数限制部分等。因此，整个电路的设计要涵盖报警、开锁、光提示、键盘、复位等多个电路，对各个构件的电路设计应当将这些充分考虑在内。此外，因电子密码锁的特殊性，为了预防停电、电路故障等导致无法供电的现象发生，需要在设计时添加掉电存储设计，以保证单片机电子密码锁在停电状态下依然能够投入使用。

1.2  软件设计

在进行初始设计时，单片机电子密码锁通过功能键盘的扫描来检测子程序，人为地的选择密码的输入或者修改。选择开锁后则执行相应的指令，根据提示输入开锁密码时，液晶显示屏同步显示输入的密码，并通过相应的程序实行密码保密措施，即通过显示*来表明输入的字符数。密码输入完成后，与密码存储模块的密码比对，一致则执行开锁指令，操作完成，不一致则重新进入密码输入位。若选择密码修改操作，根据提示选择输入旧密码进入判断位，若正确进入下一步操作，错误则重新进入旧密码的输入模块。旧密码输入正确后可选择是否清除旧密码，选择返回后重回上一步操作，选择确认则根据提示输入新密码，再次确认新密码后完成密码的修改，返回密码锁的初始状态。以上为单片机电子密码锁的主函数模块的设计。

2  单片机的选择

AT89S51是一种低功耗、高性能的8位单片机，它含有40个引脚，其输出引脚和指令系统能够和51系列的单片机兼容。AT89S51单片机具有的三级程序存储保密的性能，在开发时更加简单快速等优点都增加了它的实用性。AT89S51单片机内配置了CPU和可在线编写的Flash存储单元，片内带有4 KB的可反复擦写的只读存储器和12bytes的随机存储器，32个外部双向输入/输出端口以及两个16位的可编程定时计数器，且在设计需要时能够通过在串行口上接移位寄存器来实现I/O口的扩展。功能强大且灵活性高的AT89S51单片机是此次单片机电子安全密码锁设计中的主框架。

3  各部件的设计原理

3.1  键盘的设计

对于键盘的设计，首先需要保证键盘涵盖输入密码的数字按键和确认、修正密码的功能按键。在键盘的选取上有独立按键式键盘和行列式键盘两类，由于本次设计包含除输入密码外的其他功能，因此在键盘的设计上选用了行列式键盘。在此次设计中采用的4*4键盘能够完美满足除密码输入外还包含其他功能的设计，并且使用的I/O线数目较独立式按键键盘要少很多，更加简洁。在键盘的电路组成上，其行线与列线都含有四条，行线与列线的交叉处并不相通，而是通过按键进行连通。矩形键盘上共含有十六个按键，按键的设置需要设置于行列的交叉点上。在按键是否按下的判别上，需要通过控制电平进行实验。

3.2  开锁模块

在开锁电路的设计上，在用户输入密码时，输入的数值将直接进入密码存储区，通过密码存储模块进行识别，当用户按下确认键后，若密码正确，密码锁执行对应的程序，由单片机发出信号来使电磁锁吸合，通过电磁锁的吸合达到开锁的效果。密码输入的正确与否可通过显示器和指示灯进行辨别。只有在用户操作键盘时，单片机电子密码锁才能够链接较高功率的电源，否则密码锁将处于节电状态。

3.3  复位模块

复位模块是为了防止在密码输入或密码锁在使用过程中遇见无法开锁的情况而设置，因此需要复位键来对单片机电子密码锁的设置进行复位，使所有部件处于初始状态，对这一状态进行记录并以这个状态重新开始工作。本次设计采用的是简单的手动复位键，操作起来较为简单，也能有效避免死机状态下为开锁和复位造成的影响。在按下复位键时，相应的电容及高电平有效时间都会有所增加，以确保CPU能够进行准确的复位。

3.4  显示模块

显示部分由液晶显示器来完成，其包括在密码输入状态、开锁状态、关闭状态、修改状态和密码输入错误后的警示状态的子程序。在关闭状态下，显示器不显示任何内容，开锁时，点击开锁按钮后，在按下键盘按钮上的数值后，每按下一个数字按钮都会在显示器上增加或减少字符，当密码输入完成后，经确认密码正确后，则显示正确状态，执行开锁程序。如密码输入错误，则显示错误状态，如wrong，无后续操作后则直接进入初始的开锁状态。密码连续输入错误的次数应当是有限制的，当密码输入次数超過限值后，将会进入锁定状态，单片机电子密码锁将会进入管理模式，只有输入管理员设定的密码才能够对电子密码锁执行更改密码的操作。

3.5  报警模块

报警模块在程序的设计上处于选择条件位，当密码输入正确时，则不触发报警装置，直接执行开锁操作。当密码输入错误时，则执行另一指令，除显示器、指示灯能够显示错误状态外，还可通过相应引脚的低电平来触发蜂鸣报警装置发出噪声，达到错误操作的报警效果。

4  单片机电子安全密码锁的程序调试及掉电存储设计

4.1  程序调试

单片机的电子安全密码锁的程序通常由主程序和中断服务子程序构成，在单片机的安装完成后，需要进行调试来对密码锁进行检查。单片机电子密码锁的主程序包括对输入密码的读取和判断，以及显示模块的显示功能，而子程序则包含报警、开锁等装置。在进行程序调试时，首先需要根据设计要求来搭建正确的电路，对电力的线路、衔接进行充分的盘查，确保电路搭建正确后，再对电子密码锁进行调试，在调试时可通过示波器在进行ALE管脚的检查时输出的是否为2 MHz的方波来对单片机电子安全密码锁的硬件进行测试。除利用示波器对电子锁的硬件设计进行调试外，还需对其开锁功能进行调试。输入密码后检测显示器与指示灯是否准确运转，即密码正确或不正确，显示器会出现对应的指示，指示灯的颜色是否正确，还有就是开锁功能是否对应。对于单片机电子密码锁的复位功能，密码修改功能也需根据设计流程进行相应的调试，确保设计的准确性。

4.2  掉电存储设计

单片机电子密码锁与其他所有密码锁都有一个通病，就是需要依靠电量来维持基础的操作。基于这一特性，在进行单片机电子安全密码锁的设计时，需要考虑电量不足时的备用方案。掉电存储设计为了避免无法为单片机电子安全密码锁供电的现象发生，因此在初始的电源设计时，除最基础的电路供电外，还配备了停电的检测系统和电路切换系统，以及在停电时供电的蓄电池。当无法为密码锁供电时，停电检测系统能够对这一现象进行识别，并下达指令，切换蓄电池供电电路，保证电子安全密码锁的稳定使用，在使用中增加密码锁的可靠性。

5  结  论

通过此次对单片机电子密码锁的设计可以看出，其具有制作成本低廉、操作简单、安全灵动等特性，使它在市场中得到了广泛的应用，单片机电子密码锁的广泛应用是未来锁具发展的必然趋势。这次设计采用的是单片机电子密码锁，需要人为输入密码，但在计算机技术飞快发展的今天，这种技术可以进行很大程度的改革。如市面上已经出现的指纹解锁器、指纹密码解锁器等，无论在操作上还是安全性能上都有了更大的提高。而将来必然会出现更加智能、安全的锁具，如远程控制、声音识别等，将会使开锁时间大大缩短，开锁流程更加方便、智能，锁具将更加人性化、科技化。这一次的设计能够结合以往的学习来发现问题并加以解决，就学习来说也是受益良多。

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作者简介：贾书香（1984.09-），女，汉族，山东聊城人，讲师，研究生，研究方向：电子通信。