一種基于單片機(jī)和串行EEPROM的智能密碼鎖
關(guān)鍵詞 智能密碼鎖 單片機(jī) 串行EEPROM AT89C51 AT24C01
1.引言
電子技術(shù)的飛速發(fā)展,給傳統(tǒng)的機(jī)械鎖帶來了巨大的變革,現(xiàn)代的電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合,產(chǎn)生了一大批如聲控鎖、電子密碼鎖、遙控鎖,指紋鎖等先進(jìn)的鎖具。雖然這類產(chǎn)品安全性高,但因其生產(chǎn)成本高,安裝使用不方便,在一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。本文介紹的是一種基于AT89C51單片機(jī)和AT24C01串行EEPROM的智能密碼鎖的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法,這種電路設(shè)計(jì)具有防試探按鍵輸入、智能控制上鎖、開鎖、報(bào)警、修改密碼等多種功能。密碼長(zhǎng)度可變,保密性強(qiáng),靈活性高,外接各種執(zhí)行機(jī)構(gòu),可廣泛用于車輛、大門、保險(xiǎn)柜等各種需上鎖的場(chǎng)合。
2.設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)中,智能密碼鎖工作時(shí)分為兩種工作狀態(tài),分別是正常狀態(tài)和鎖定狀態(tài)。鎖定狀態(tài)時(shí),輸出鎖定信號(hào),供外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用,實(shí)現(xiàn)上鎖功能;正常狀態(tài)時(shí),鎖定信號(hào)消失,供外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用,實(shí)現(xiàn)開鎖功能。初始密碼存儲(chǔ)在AT24C01中,開鎖時(shí),將從面板上的微鍵盤輸入的數(shù)字序列與AT24C01中存儲(chǔ)的密碼相比較,如果位數(shù)及每一位上的數(shù)都相吻合,則進(jìn)行開鎖動(dòng)作,轉(zhuǎn)入正常狀態(tài),否則仍將鎖定。
為安全起見,密碼可以進(jìn)行更改。在正常狀態(tài)時(shí),程序允許用戶隨時(shí)進(jìn)行密碼修改,密碼長(zhǎng)度和數(shù)字可隨意進(jìn)行組合。
為防止程序“跑飛”等異常情況,本設(shè)計(jì)在軟件中使用了簡(jiǎn)單的“程序陷阱”技術(shù),根據(jù)實(shí)際需要,可酌情增加“看門狗”電路。無論是硬件復(fù)位還是軟件復(fù)位后,自動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài),保證異常情況下的安全。
鎖定狀態(tài)時(shí),自動(dòng)開啟報(bào)警功能。如遇非法情況(如車輛鎖定下仍萬一發(fā)生移動(dòng)等,可將這些情況轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖形式輸入),計(jì)數(shù)若干次后報(bào)警(計(jì)數(shù)值可通過程序調(diào)整)。另外,為防止非法用戶進(jìn)行惡意多次試探開鎖,連續(xù)三次輸錯(cuò)密碼,將進(jìn)行報(bào)警。直至開鎖后,所有報(bào)警消失。
3. AT89C51單片機(jī)和AT24C01串行EEPROM及其通訊
AT89C51是一個(gè)低電壓,高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),內(nèi)置8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元的AT89C51為智能密碼鎖提供了高性價(jià)比的解決方案。
AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī),40個(gè)引腳,32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口,2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。下圖是PDIP封裝的AT89C51引腳圖:
AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM,它內(nèi)含128×8位存儲(chǔ)空間,具有工作電壓寬(2.5~5.5V)、擦寫次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點(diǎn)。AT24C01具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三種封裝形式,以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。下圖是PDIP封裝的AT24C01引腳圖:
AT24C01與外部通訊采用I2C總線。I2C(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線,用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上,因此I2C總線占用的空間非常小,減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量,降低了互聯(lián)成本。I2C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,它支持多主控(multimastering),其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主控。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然,在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。
I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線,可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送,最高傳送速率100kbps??偩€必須由主器件(通常為微控制器)控制,主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘(SCL)控制總線的傳輸方向,并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變,SCL為高電平的期間,SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。時(shí)序如下圖:
接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后,應(yīng)向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖(應(yīng)答信號(hào)),表示已收到數(shù)據(jù)。時(shí)序如下圖:
在開始條件之后,必須是器件的控制字節(jié),其中高四位為器件類型識(shí)別符(不同的芯片類型有不同的定義,EEPROM一般應(yīng)為1010),接著三位為片選,最后一位為讀寫位,當(dāng)為1時(shí)為讀操作,為0時(shí)為寫操作??刂谱止?jié)如下圖所示:
AT24C01寫操作分為字節(jié)寫和頁(yè)面寫兩種操作,讀操作分為當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀等三種操作,每種讀寫操作都有規(guī)定的時(shí)序,可參考AT24C01用戶手冊(cè)。本系統(tǒng)采用字節(jié)寫和隨機(jī)讀兩種操作方式,具體時(shí)序由軟件模擬。
4.硬件連接
AT89C51內(nèi)含4k bytes程序存儲(chǔ)器和128 bytes數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,可以滿足設(shè)計(jì)需要,因此外部無需擴(kuò)展,節(jié)省了很多I/O口線。
系統(tǒng)輸入部分主要有:“設(shè)置密碼”鍵、“上鎖”鍵、“開鎖”鍵、3×4微鍵盤陣列(數(shù)字0~9以及“確定”和“取消”鍵)、異常情況下的計(jì)數(shù)脈沖輸入等。系統(tǒng)輸出部分主要是鎖定信號(hào)的輸出和報(bào)警信號(hào)的輸出。
AT89C51與AT24C01的連接,通過RxD充當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)線SCL,TxD充當(dāng)數(shù)據(jù)線SDA來實(shí)現(xiàn),I2C總線的時(shí)序由軟件模擬。由于AT24C01是I2C總線上與CPU相連的唯一的一個(gè)芯片,因此可將AT24C01的地址置為000,即將A0、A1、A2接地。
具體硬件連接圖如下:
5.軟件實(shí)現(xiàn)
程序復(fù)位后,先將AT24C01中保存的密碼取出,放入RAM緩沖區(qū)1中暫存,將定時(shí)器、堆棧等進(jìn)行初始化,為報(bào)警系統(tǒng)作好準(zhǔn)備,將RAM緩沖區(qū)2中的密碼初值設(shè)置為和RAM緩沖區(qū)1中的密碼不同,保證程序復(fù)位后比較密碼不會(huì)相同,這時(shí),進(jìn)入RAM緩沖區(qū)1和RAM緩沖區(qū)2的密碼比較程序,只有當(dāng)兩者位數(shù)相同而且每一位數(shù)字都相同時(shí),執(zhí)行開鎖動(dòng)作、輸出開鎖信號(hào)、進(jìn)入正常狀態(tài),否則執(zhí)行上鎖動(dòng)作、輸出上鎖信號(hào)、進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在正常狀態(tài)時(shí),可以進(jìn)行重新設(shè)置密碼、上鎖等操作,重新設(shè)置密碼時(shí),首先驗(yàn)證原始密碼,如相同則可進(jìn)行密碼更改,然后將新密碼保存至AT24C01中,同時(shí)更新RAM緩沖區(qū)1。在鎖定狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警功能,同時(shí)等待用戶開鎖,如發(fā)現(xiàn)用戶按下“開鎖”鍵,則讀入從微鍵盤輸入的數(shù)字序列,用其更新RAM緩沖區(qū)2,轉(zhuǎn)入密碼比較程序,如密碼相同則開鎖,否則繼續(xù)等待用戶開鎖,為防止非法用戶惡意多次試探密碼,可在程序中設(shè)置當(dāng)連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤密碼后自動(dòng)報(bào)警,直至開鎖后解除。
報(bào)警系統(tǒng)由AT89C51內(nèi)置的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),鎖定狀態(tài)時(shí)開啟,正常狀態(tài)時(shí)關(guān)閉。如遇異常情況,如車輛鎖定下仍萬一發(fā)生移動(dòng)、門鎖定下仍被強(qiáng)行打開等,可將這些情況轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖形式輸入,計(jì)數(shù)若干次后報(bào)警,計(jì)數(shù)值可通過程序調(diào)整。
按鍵和微鍵盤的“去抖”,為簡(jiǎn)單起見,采用軟件延時(shí)的方法。為防止程序“跑飛”等異常情況,在軟件中使用簡(jiǎn)單的“程序陷阱”技術(shù),即在多余程序空間內(nèi)設(shè)置一些長(zhǎng)轉(zhuǎn)移指令LJMP 0000H,進(jìn)行程序復(fù)位。
程序流程圖如下:
6.總結(jié)
本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用串行EEPROM保存密碼,用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)密碼鎖的控制功能,克服了機(jī)械密碼鎖密碼量少,安全性差的缺點(diǎn),具有更高的安全性、可靠性。本設(shè)計(jì)中,輸入采用3×4微鍵盤陣列,根據(jù)需要,可將其改為與電子表更改時(shí)間類似的裝置。另外,可以與PC機(jī)聯(lián)網(wǎng),實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)控、報(bào)警等功能,可廣泛用于樓宇智能系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
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