基于STC89C52的多功能密碼鎖設計

陳昱行，劉賓坤，李 冶，吉慶輝，李昱霖

（大連理工大學城市學院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

當今社會，在日常的生活和工作中大多物品都需要賦予密碼從而保護個人隱私。隨著電子技術與計算機技術的飛速發展，單片機相關技術在不斷更新，單片機性能也在逐步完善。如今多數單片機都憑借完備的功能以及較為低廉的價格受到用戶的青睞，因此市面上也逐漸出現了基于各式單片機設計的不同種類的密碼鎖。

相對于傳統的機械式鑰匙開鎖，密碼鎖保密性好，編碼量大，使隨機開鎖成功率大大降低。同時，密碼是可變更的，用戶可以頻繁更改密碼，防止密碼被破譯，還可以避免知曉密碼者的更替而使鎖的密級下降。文中涉及的密碼鎖還具有誤碼輸入保護以及誤碼自動報警等優點。

1 系統總體設計

該密碼鎖以STC89C52單片機為核心器件，由最小系統中的時鐘電路和復位電路來承擔狀態控制功能，其他模塊圍繞單片機最小系統展開，包括4×4按鍵矩陣模塊，該模塊可以實現密碼的設置、輸入、刪除、取消、確定等功能；LCD1602顯示模塊可實現密碼鎖狀態和輸入密碼的顯示；密碼存儲功能借由EPROM芯片實現，本設計使用的EPROM芯片型號為AT24C02，該芯片可通過IC接口和單片機進行數據傳輸；繼電器模塊根據單片機內部程序運行判斷輸入密碼是否正確，輸出一個對應電平控制繼電器的吸合與釋放，密碼正確時單片機輸出一個低電平控制繼電器吸合從而開鎖。在設計上因選用PNP型三極管與蜂鳴器相連，且單片機上電I/O口默認為高電平，所以平時蜂鳴器不會鳴叫，當密碼輸入錯誤時會輸出低電平實現自動報警；使用5 V USB接口為系統供電。密碼鎖系統結構如圖1所示。

圖1 密碼鎖系統結構

2 系統硬件分析

2.1 主控芯片

STC89C52是低電平控制，高性能CMOS 8位單片機，片內含可反復擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B隨機存取數據存儲器（RAM），STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以滿足不同產品的需求。

2.2 單片機最小系統

單片機最小系統主要由時鐘電路、復位電路、電源電路組成。

時鐘電路的主要器件是晶振，并輔之以2個電容幫助晶振更快起振，電容的取值范圍一般為15～33 pF。

復位電路同時存在按鍵復位以及上電復位兩種方式，為防止系統運行時受到各種因素的干擾導致程序跑飛，可通過這兩種方式的其中一種使程序重新回到初始位置再次執行。設計中存在兩種復位方式，以防止系統中僅有一種復位方式，在出現故障時該復位方式失效。

除單片機最小系統的3個部分外，設計中還多了一些外部電路。由于STC89C52的P0口是漏極開路輸出，因此在P0口處接了一個10 kΩ的排阻，使得P0口可以作為普通的I/O口使用，本設計用P0口來做液晶顯示的數據口。單片機31腳（EA）為訪問外部存儲器允許/編程電壓輸入。我們需要特別注意此引腳的特性，當接高電平時，單片機在復位后會直接訪問內部存儲器并從0000H開始執行。由于程序存儲在單片機內部，所以EA外接高電平，使單片機能夠從片內讀取程序執行。

2.3 按鍵矩陣模塊

按鍵矩陣使用4×4鍵盤將其與單片機的P1.0～P1.7引腳相連。實現數字按鍵0～9與手動關鎖、修改密碼、管理員密碼以及刪除、取消、確定等一系列功能。

2.4 顯示模塊

本設計使用LCD1602實現顯示功能。該器件可顯示2行16個字符，能方便顯示英文字母大小寫、阿拉伯數字、常用符號等，通過自定義還可顯示簡單的漢字。系統中將單片機的P0.0～P0.7依次與D0～D7（8位雙向數據線）連接，使P2.5～P2.7依次與RS（數據/命令寄存器選擇）、R/W（讀/寫操作選擇）、E（使能端）連接。

2.5 密碼存儲模塊

本設計使用AT24C02作為密碼存儲單元。AT24C02是美國Atmel公司出品的低功耗CMOS型EPROM，支持IC即總線數據傳送協議，可通過IC接口與單片機進行數據傳輸，同時還具有專門的寫保護功能等。該模塊在密碼鎖中常被用于密碼的存儲與記錄。

2.6 繼電器模塊

本設計采用的繼電器為電磁式繼電器。通過弱電控制強電的方式使其成為一個“自動開關”。將其與單片機的P3.2引腳相連，當進行開鎖操作時，若操作成功，單片機通過程序輸出一個低電平，使繼電器吸合從而開鎖。

2.7 蜂鳴器模塊

本設計使用電磁式蜂鳴器，將其與單片機的P3.3引腳相連用于報警，并用P3.2引腳接紅色LED燈與其配合，在報警時起到警示作用。當輸入密碼錯誤次數大于3次時，通過程序控制單片機輸出一個高電平，使紅色LED燈亮并使蜂鳴器報警，之后控制密碼鎖鍵盤進入鎖定狀態。

2.8 電源模塊

本設計使用5 V USB接口供電，為系統運行提供能量。系統PCB版圖如圖2所示。

圖2 PCB版圖

3 軟件程序設計

程序設計主要為實現密碼鎖的一些基本功能，如：密碼輸入、刪除、取消和確定，以及手動關鎖、密碼修改和密碼重置等功能。在接通電源開機后，密碼鎖進入初始化頁面，通過按鍵輸入當前的開鎖密碼，密碼輸入正確并開鎖后，可以進行手動關鎖和密碼修改等操作。

若執行完修改密碼操作后忘記了重新設置的密碼，可執行密碼重置操作直接輸入程序中設定的初始密碼，按下管理員密碼按鍵，密碼會重置為初始密碼。

該密碼鎖的本質是單片機通過運行程序判斷輸入密碼的正誤來輸出對應電平，使繼電器吸合或釋放，實現鎖的開與關。開鎖操作流程如圖3所示，修改密碼操作流程如圖4所示。

圖3 開鎖操作流程

圖4 密碼修改操作流程

4 結 語

在信息技術與新興高科技產業飛速發展的今天，如何獲得信息安全保障成為人們面臨的一大難題，這足以證明人們越來越需要高效且安全的密碼鎖。本設計為基于單片機設計的密碼鎖，具備密碼輸入、液晶顯示、密碼修改、輸入密碼錯誤時報警等功能，相對于傳統的機械式鑰匙開鎖，其具備保密性好、編碼量多、密碼可變等優點，更加安全且造價低廉，定能受到用戶們的青睞。