基于單片機(jī)控制的電子密碼鎖

一、 引言

隨著人們生活水平的提高，如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的親呢。

設(shè)計(jì)本課題時(shí)構(gòu)思了兩種方案：一種是用以AT89s51為核心的單片機(jī)控制方案；另一種是用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案?？紤]到數(shù)字電路方案原理過于簡單，而且不能滿足現(xiàn)在的安全需求，所以本文采用前一種方案。

二、方案論證與比較

方案一：采用數(shù)字電路控制。其原理方框圖如圖1－1所示。

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圖2－1 數(shù)字密碼鎖電路方案

采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計(jì)簡單。用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設(shè)了9個(gè)用戶輸入鍵，其中只有4個(gè)是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動(dòng)清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時(shí)間超過40秒（一般情況下，用戶不會(huì)超過40秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報(bào)警80秒，若電路連續(xù)報(bào)警三次，電路將鎖定鍵盤5分鐘，防止他人的非法操作。

電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源(UPS)，其中設(shè)置UPS電源是為了防止因?yàn)橥ｋ娫斐傻拿艽a鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。

密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖電路、執(zhí)行電路、報(bào)警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路。

方案二：采用一種是用以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖1－2所示。

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通過比較以上兩種方案，單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。

三、電路的功能單元設(shè)計(jì)

1．開鎖機(jī)構(gòu)

通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動(dòng)電磁鎖吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。其原理如圖2－1所示。

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圖3－1密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時(shí)間（普通用戶要求在12s內(nèi)輸入正確的密碼，管理員要求在5s輸入正確的密碼）輸入的話，單片機(jī)便輸出開門信號，送到開鎖驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)電磁鎖，達(dá)到開門的目的。其實(shí)際電路如圖2－2所示。

電路驅(qū)動(dòng)和開鎖兩級組成。由D5、R1、T10組成驅(qū)動(dòng)電路，其中T10可以選擇普通的小功率三極管如9014、9018都可以滿足要求。D5作為開鎖的提示；由D6、C24、T11組成。其中D6、C24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。T11可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。

在本次設(shè)計(jì)中，基于節(jié)省材料的原則，暫時(shí)用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。      

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2．按鍵電路設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)要求使用矩陣鍵盤，所以本設(shè)計(jì)就采用行列式鍵盤，同時(shí)也能減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O線的數(shù)目，在按鍵比較多的時(shí)候，通常采用這樣方法。其原理如圖2－3所示。

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圖3－3 行列式鍵盤原理電路圖

每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要N條行線和M條列線，即可組成具有N×M個(gè)按鍵的鍵盤。

在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。

當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個(gè)按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。

對照圖2－3所示的44鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。

   首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機(jī)I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。

判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下使通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。

按鍵的操作面板如圖圖2－3所示。共計(jì)數(shù)字鍵10個(gè)，功能鍵6個(gè)。鍵盤上還有3個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴器。

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圖3－4 按鍵操作面板示意圖

10個(gè)數(shù)字鍵用來輸入密碼，另外6個(gè)功能鍵分別是：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤的時(shí)候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。EN鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵，當(dāng)用戶不小心三次輸入密碼都沒有正確，鍵盤被鎖定，這個(gè)時(shí)候就可以啟動(dòng)管理模式，使用管理員的密碼來開門。F2是用來進(jìn)入修改密碼的狀態(tài)。F3用來關(guān)閉顯示器，一來可以節(jié)省電量，另外也可以防止不法分子偷窺密碼。F4用來作電鈴。

上面的3個(gè)指示燈L1、L2、L3是用來指示操作的狀態(tài)：L1鎖定及輸入指示狀態(tài)燈，正常的情況下顯示紅色，當(dāng)鍵盤動(dòng)作的時(shí)候，L1燈開始閃動(dòng)，當(dāng)鍵盤處于鎖定狀態(tài)時(shí)，指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈，當(dāng)用戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確的輸入了密碼，此燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，表示開門，否則不顯示。L3是管理員狀態(tài)指示燈，當(dāng)按下F1后，指示燈自動(dòng)點(diǎn)亮。

面板上還有一個(gè)蜂鳴器，其中一個(gè)功能是用來指示操作的按鍵是否在成功的按下；另外一個(gè)功能是當(dāng)用戶輸入密碼錯(cuò)誤的次數(shù)超過了3次，鳴笛以示報(bào)警。

3．顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示電路是為了給使用者以提示而設(shè)置的。考慮到為了節(jié)約單片機(jī)的口資源，本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機(jī)的兩個(gè)串行口，就可以完成單片機(jī)的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖2－5所示。

電路設(shè)定：當(dāng)程序檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵操作的時(shí)候，就關(guān)閉顯示。這個(gè)功能使用程序來實(shí)現(xiàn)的，一旦沒有按鍵動(dòng)作就啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵動(dòng)作的時(shí)候，啟動(dòng)一個(gè)程序，關(guān)閉顯示，這樣可以達(dá)到節(jié)省電能的目的。

從單片機(jī)串口輸出的信號先送到左邊的移位寄存器（74HC164）,由于移位脈沖的作用，使數(shù)據(jù)向右移，達(dá)到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，插頭1（header1）接電源，插頭2（header2）接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個(gè)整流管D1~D3的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓，增加其使用壽命。

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                           圖3－5 顯示器原理圖

4．AT24C02掉電存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)

掉電存儲(chǔ)單元的作用是在電源斷開的時(shí)候，存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的單價(jià)信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲(chǔ)芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10Ua(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其電路如圖2－5所示。

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圖3－7 掉電存儲(chǔ)電路原理圖
圖中R8、R10是上拉電阻，其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。

每當(dāng)設(shè)定一次單價(jià)，系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)程序，將單價(jià)信息保存在芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候，自動(dòng)調(diào)用讀存儲(chǔ)器程序，將存儲(chǔ)器內(nèi)的單價(jià)等信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。

5．密碼鎖的電源電路設(shè)計(jì)

為了防止停電情況的發(fā)生，本電路后備了UPS電源，它包括市電供電電路，停電檢測電路，電子開關(guān)切換電路，蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如圖2－8所示。

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圖3－8 市電供電電路

220V市電通過變壓器降壓成12V的交流電,再經(jīng)過整流橋整流,7805穩(wěn)壓到5V送往電子切換電路，由于本電路功耗較少，所以選用10W的小型變壓器。

由R8，R9，R6，R7及IC14構(gòu)成電壓比較器，正常情況下，V+<V- IC14輸出高電平，繼電器的常閉觸點(diǎn)和市電相連；當(dāng)市電斷開，V+>V- IC14輸出高電平，由T3，T4構(gòu)成的達(dá)林頓管使繼電器J開啟，將其常開觸電將蓄電池和電路相連，實(shí)現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證電子密碼鎖的正常工作（視電池容量而定持續(xù)時(shí)間）。其電路圖如下圖6所示：

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T1，T2構(gòu)成的蓄電池自動(dòng)充電電路，它在電池充滿后自動(dòng)停止充電，其中D1亮為正在充電，D2為工作指示。由R4，R5，T1構(gòu)成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則T1，T2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對其充電；充滿后，T1，T2截止，停止充電，同時(shí)D1熄滅，電路中C4的作用是濾除干擾信號。其電路圖如圖7所示：

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圖3－10 蓄電池自動(dòng)充電電路

6．設(shè)計(jì)總框圖

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四、程序設(shè)計(jì)

1．模塊介紹

該計(jì)程計(jì)價(jià)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)模塊：

(1)主程序模塊

主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。主程序的流程圖如下所示。

(2)鍵盤掃描及識別子程序

   鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。其程序流程如圖 所示.

(3)調(diào)電存儲(chǔ)服務(wù)程序

當(dāng)比較密碼的時(shí)候，需要讀AT24C02程序，將存儲(chǔ)在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。當(dāng)修改密碼的時(shí)候，需要把輸入的密碼保存到AT24C02中，其程序流程如圖 所示.

(4)顯示子程序

由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到5個(gè)顯示子程序，分別是：關(guān)閉狀態(tài)顯示子程序（DIS_A）、開鎖狀態(tài)顯示子程序（DIS_B）、密碼輸入及修改狀態(tài)顯示子程序(DIS_C)、密碼輸入錯(cuò)誤后的提示子程序(DIS_D)。密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)顯示子程序(DIS_E).

五、總結(jié)

由于使用的是單片機(jī)作為核心的控制元件，以及靈敏的霍爾開關(guān)型器件，是本出租車計(jì)價(jià)器具有功能強(qiáng)、性能可靠、電路簡單、成本低的特點(diǎn)，加上經(jīng)過優(yōu)化的程序，使其有很高的智能化水平。

但是在我們設(shè)計(jì)和調(diào)試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，譬如計(jì)價(jià)的金額位數(shù)有限，實(shí)際的里程可能會(huì)很遠(yuǎn)，會(huì)超出我們的顯示范圍。

計(jì)價(jià)器的設(shè)計(jì)還不夠人性化，比如加上語音的提示功能，可能會(huì)更有生命力。