基于信息技术的电子密码锁的系统电路设计

2022-02-06张鹏骞

通信电源技术 2022年21期

张鹏骞

（河北省儿童医院，河北石家庄 050031）

0 引言

随着人们安全意识的不断提高，防盗问题引起人们的重视，传统的机械锁已经很难满足人们的要求，智能锁应运而生，它们有着不同的特点，但是也有着智能锁共同的缺点。例如，手部问题会影响智能指纹锁识别、应用场景有限以及卡片钥匙成本高等。这些问题得不到解决，智能锁在一定程度上很难得到普及应用和推广。而电子密码锁由于保密性高、使用灵活性好、安全系数高，受到了广大用户的认可[1]。

1 电路的功能模块设计

AT89C51作为本系统的微控制器，是整个电路的核心部分，晶振频率采用6 MHz，使单片机的运行速度不至于太快[2]。系统由键盘、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示电路、开锁驱动电路及报警电路组成。开始运行工作时，操作员或者用户可以从键盘敲入6位密码，待按下确认功能键后，单片机会将输入的密码同原始设定的6位密码进行判断校验。若键盘敲入的密码同设定的6位密码一致，则发出开锁指示信号，绿灯闪亮，开门；若密码错误，就会有相应的红灯亮起，这时需要重新输入密码。原程序设计输入密码的次数超过3次或者3次以内密码都提示输入错误，就会触发报警指示信号。另外，电子密码锁成功打开后，程序还设定了对密码的修改功能，以便于重新设置新密码。

1.1 密码输入及显示电路

本设计从系统功能扩展考虑，保留串行通信口，采用单片机外接扩展输入输出（Input/Output，I/O）接口芯片8155H实现6位LED显示和矩阵键盘接口电路。8155H的输入输出口地址是FF20～F23H，其中PA口是控制键盘列线扫描的输出口，也是6位共阴极显示器的位扫描口，显示器的段码（字码）口为PB口，键盘行线状态的输入口为PC口[3]。

因为按键比较多，所以在设计上采用了行列式的键盘。每1条横线（行线）与竖线（列线）的交叉点都不是相通的，而是通过1个按钮连接起来，利用这种行列式矩阵结构只需要M线和N线就可以组成一个键盘，上面有M×N个按钮。此外，显示电路采用动态方式，将所有位的段码线对应的段并联在一起，由1个8位I/O口控制，形成多路复用的段码线，而每个共阴极分别由对应的I/O线控制，形成各自的分时选通。

1.2 AT24C02掉电储存模组设计

AT24C02是电可擦除存储芯片，限制的最低电压为2.5 V，限制约束的正常工作电流为1 mA，静态电流为10 μA（5.5 V）。芯片内的资料可储存约40年之久，同时以8脚双列直插式（Dual In-line Package，DIP）的形式封装，以便使用[4]。其电路如图1所示。

图1 AT24C02掉电存储模块设计

图1中的R1、R2为上拉电阻，其设计能够减少AT24C02芯片的静态功耗。由于AT24C02芯片的数据线和地址线是复用的，因此采用串口的方式传输数据，只用2根串行时钟线（Serial Clock，SCL）和串行数据线（Serial Data，SDA）与单片机传送数据，其中SCL用于输入输出数据的同步，在上升沿时串行写入数据，在下降沿时串行读取数据；SDA用于串行数据的输入输出。

1.3 AT24C02的寻址

一般微处理器/微控制器称为主器件，产生串行时钟和起始停止信号。带电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）工作在从机方式，称为从器件[5]。无论是主器件还是从器件，都可以充当发送器或接收器的角色，由主器件来控制数据的传输。

主器件发送启动信号后，再发送1个8位含有芯片地址的控制字对从器件进行片选[6]。这8位片选地址字由3部分组成：第1部分是8位控制字的高4位（D7～D4），固定1010是集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，IIC）的特征编码；第 2部分是最低位D0，即读写选择位R/W，决定微处理器对EEPROM进行读写操作，R/W—=1表示读操作，R/W—=0表示写操作；第3部分即A0A1A2，本设计设A0A1A2为000。

1.4 AT24C02的时序分析

AT24CXX EEPROM存储器采用二线制传输，遵循IIC总线协议[7]。SCL和SDA的时钟关系与IIC协议中规定的相同。加在SDA的数据只有在串行时钟SCL处于低电平时钟周期时才会发生变化，如图2所示。

图2 AT24CXX SDA和SCL时钟关系

当SCL处于高电平时，SDA由高电平向低电平转变时表示启动信号，由低电平向高电平转变时表示停止信号，启动与停止信号如图3所示。

图3 AT24CXX启动和停止信号

应答信号由接收数据的存储器发出，每个正在接收数据的EEPROM收到1B数据后，需发出1个“0”应答信号ACK，单片机接收完存储器的数据后也需发出1个应答信号。ACK信号在主器件SCL时钟线的第9个周期出现。

在应答时钟到达第9个周期时，SDA线变为低电平，表示1个8位数据已经收到。若主器件没有发送1个应答信号，则器件将停止数据的发送，且等待1个停止信号。应答信号如图4所示。

图4 应答信号

1.5 AT24C02读操作

采用顺序读操作来得到用户设定的密码。顺序读存在2种地址读的情况，一是立即地址读，二是随机地址读，无论采用哪种地址读的方式都可操作启动。随机地址读通过1个“伪写入”操作形式对要寻址的EEPROM存储单元进行定位，然后执行读出。要想达到主器件对存储器无限制、无顺序的字节进行读操作，可以采取随机地址读的方式，器件和信号流即主器件首先发送起始信号、从器件地址、读取字节数据的地址，执行1个“伪写入”操作。在从器件应答之后，主器件重新发送起始信号、从器件地址，此时。从器件发送1个应答信号之后，输出所需读取的1个8位数据，主器件发出应答信号，告诉从器件需发送更多的数据，与每个应答信号相对应。当确认器件为主器件时，发出的信号收到至确认是停止信号时，运行结束。从器件输出的数据按顺序从N到N+I，地址计数器的内容相应相加，计数器也会产生翻转继续输出数据。

1.6 AT24C02写操作

采用页面写操作将修改后的密码保存到EEPROM中。主器件发出启动信号和从器件地址给从器件，从器件收到信号确认为应答信号后，主器件再选择从某个指定的器件中以字节地址的形式传输发送信号，从器件将再发送另一个相应的应答信号，主器件收到信号后向被寻址的存储单元发送数据，传送1B后，主器件并不产生停止信号，而是发送15个额外字节。每发送1个数据后，从器件发送1个应答位，并将地址低位自动加1，高位不变。

当存储器的WP引脚接高电平时，将存储器区全部保护起来，可以避免用户操作不当对存储器数据的改写，将存储器变为只读状态。

1.7 报警控制模块设计

本系统密码输入错误超过3次以上将启动延时报警模块。由单片机的P1.4端控制压电蜂鸣器的发音。P1.4端输出高电平时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5 V电压而鸣叫；当P1.4端输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器停止发音。三极管驱动的蜂鸣器报警电路如图5所示。

图5 三极管驱动的蜂鸣器报警电路

1.8 操作指示灯控制电路

指示灯的作用是判别效验提示密码输入的正误。设计时使用发光二极管作为指示灯，当密码输入错误时，单片机P3.0端口通过三极管放大发出信号控制红灯亮，提示再次输入密码；当密码输入正确时，单片机P3.1端口通过三极管放大发出信号控制绿灯亮起，同时开锁。

2 程序设计

2.1 模块介绍

电子密码锁软件采用51系列单片机，使用汇编语言编程实现密码识别、智能报警等程序设计。各功能的实现采用模块化程序设计，主要程序是对中断向量和各子程序进行初始化、设置管理与调用。

2.2 键盘扫描子程序

键盘采用编程扫描的工作方式，主要是判别键盘有无键闭合，防止键盘的键发生机械抖动或者检验键号有无闭合的情况，这样中央处理器（Central Processing Unit，CPU）就只处理1次按键的闭合。

2.3 动态显示子程序

在89C51内部随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）中设置了6个40～45 h的显示缓冲单元，显示器分别存储显示6位数据。其中总有1位高电平在8155H的PA口，经过74LS04反相后，即显示器的6个显示位元中只有一位共阴极为低电平，反之则为其他电平。8155H的PB口输出对应位元的显示数据段码，使某一位元显示1个字码，其他位元则不显示。依次改变PA口输出为高位，PB口输出对应的段码，显示器的6位将显示数据所确定的字符动态地在缓冲区显示。