基于STC89C52單片機的矩陣鍵盤密碼鎖的設計

戴文駿

（江蘇聯合職業技術學院 南京分院，江蘇南京，210019）

0 前言

隨著電子技術的飛速發展以及人們對美好生活的不斷追求，電子密碼鎖漸漸走進了千家萬戶。相比于傳統機械鎖存在的機械結構簡單，容易被撬鎖，需要隨身攜帶鑰匙并且鑰匙容易被復制的缺點，電子密碼鎖因其安全性能可靠、開鎖密碼變更便捷、密碼不易被陌生人破解的優點，逐漸取代了傳統的機械鎖[1～4]。電子密碼鎖擺脫了隨身攜帶鑰匙的煩惱，由于數字密碼的組合結果多種多樣，保密性較強，一旦發現密碼泄露，隨時都可以更改密碼，確保了解鎖的安全可靠[5]。電子密碼鎖適用于家庭、學生宿舍、辦公室及賓館等場所，受到越來越多的年輕用戶群體的青睞和選擇，也改變了他們的生活方式。

1 總體設計

本設計將STC89C52 單片機作為主控制芯片，外加4×4 的矩陣鍵盤作為密碼輸入按鍵以及LCD1602 液晶顯示屏作為按鍵鍵值的顯示，并且可以自動判別按鍵鍵值與設定的四位數密碼是否相同，兩者相同解鎖成功，兩者不同解鎖失敗，并重新輸入4 個按鍵鍵值重復上面的判斷，直到密碼輸入正確，解鎖成功。本設計方案中，需求效果易于實現且硬件成本價格低廉，可以在實現基本解鎖功能的基礎上，對硬件進行擴展，軟件進行升級，以實現更加豐富多樣的用戶需求。該項目的總體設計結構框圖，如圖1 所示。

圖1 總體設計結構框圖

本設計充分利用已有的單片機開發試驗儀進行開發設計。硬件上采用STC89C52 型單片機作為主控芯片，它具有操作簡單、性能穩定的優點[6]。外設采用了4×4 的矩陣鍵盤作為輸入方式，一共16 個按鍵，實際只使用了12 個按鍵。其中按鍵S1～S9 代表數字1～9 輸入鍵，按鍵S10 代表數字0 輸入鍵，按鍵S11代表“確認”鍵，按鍵S12代表“取消”鍵。LCD1602 液晶顯示屏顯示用戶按下的四位數密碼。如果密碼輸入正確，則在已有的“Password:”的右端顯示“OK”；如果密碼輸入錯誤，則在已有的“Password:”的右端顯示“ERR”。在輸入密碼的過程中，如果發現輸入有誤，按下S12“取消”鍵，則輸入地顯示界面恢復到初始界面“0000”狀態，重新開始輸入四位數密碼。輸入完成后，按下S11“確認”鍵，系統自動對比預設的正確密碼與輸入的密碼是否一致，兩者一致顯示“OK”，否則顯示“ERR”。與此同時密碼輸入界面又一次恢復到初始的“0000”狀態。預設的正確密碼通過軟件程序編寫的方式進行修改變更，可以預設0000-9999 中的任意一個四位數作為正確密碼。

2 硬件設計

■2.1 單片機最小系統

如圖2 所示，STC89C52 是由COΜS 工藝技術制成的入門級的8 位微控制器，它基于8051 的內核，指令代碼完全兼容傳統的8051，運行速度較傳統的51 單片機提高了8～12 倍，自帶ADC，具有4 路PWΜ，雙串口，有全球唯一的ID 號，加密性更好，抗干擾能力更強，是一款增強型51 單片機[7]。具有價格低廉、可靠性好、功耗低、電壓低等優點，因此得到了快速發展和廣泛應用[8～9]。STC89C52具有8K 字節程序存儲空間，512 字節數據存儲空間，內帶8K 字節EEPROΜ 存儲空間，可直接使用串口下載用戶程序。內部集成專用的復位電路。本設計以STC89C52 單片機為主控系統，包括晶振電路、復位電路等構成了單片機最小系統[10～11]。單片機最小系統的主要功能是系統資源完全開放，電路板簡單實用，結合用戶動手搭建的硬件電路或者模塊化的集成電路可以實現多種實驗功能。此外，它的接口設計靈活，使用方便，適用于創新實踐活動中設計使用。

圖2 STC89C52 主控芯片引腳排列

■2.2 LCD 液晶顯示電路

本設計使用LCD1602 液晶屏作為密碼的顯示界面，可以顯示2 行16 列的字符，顯示的內容與LED 數碼管相比，更加多樣[12]。而且還避免了數碼管需要不斷掃描更新，一旦掃描不及時就會出現數碼管顯示閃爍的缺點。液晶屏插接到開發板的排針上，操作簡單，利用螺絲刀調節電位器可以改變屏幕顯示的對比度。LCD 液晶屏作為調試的窗口，提供了類似于printf 函數的功能，可以實時地觀察單片機內部數據的變化情況。單片機STC89C52 與LCD1602的接線如圖3 所示，單片機P0.0～P0.7 共8 個引腳分別接顯示屏的DB0～DB7 的8 個接口。單片機的RD 管腳（P2.6 引腳）、WR 管腳（P2.5 引腳）、LCDE 管腳（P2.7 引腳）分別接顯示屏的RS 接口、RW 接口、E 接口。此外，還需要給顯示屏及其背景燈提供電源。

圖3 LCD1602 接線圖

■2.3 鍵盤輸入電路

為了減少I/O 口的占用，本項目采用如圖4 所示的4 行4 列的矩陣鍵盤形式作為輸入按鍵，16 個按鍵僅占用了8 個接口。其中最后一行的按鍵沒有設置功能，前三行，即S1～S12 共12 個按鍵，依次對應數字1～9 鍵，數字0 鍵，“確認”鍵和“取消”鍵的輸入功能。本項目采用逐列掃描的方式，然后快速循環這個過程，從而讀取出12 個按鍵中任意位置按鍵的狀態，實現所有按鍵同時檢測的效果。硬件接線將16 個按鍵的引腳通過排針JP4 的1～8 口依次連接到單片機的P2.0～P2.7 的引腳上。

圖4 4×4 矩陣鍵盤輸入電路

矩陣鍵盤的按鍵實質上是機械開關，受到彈性的作用，機械觸點在閉合時不會立馬就穩定地接通，同樣在斷開時也不會一下子就斷開。按鍵地按下和抬起的瞬間，都伴隨有一連串的極短時間的抖動。為了消除抖動，可以采用搭建硬件電路，過濾掉抖動的瞬間后，再進行按鍵狀態的檢測，但這種方法需要消耗硬件資源，而且操作起來難度較大，所以本項目采用軟件編寫的方式消除抖動。因為產生抖動的時間段一般為5～10ms，所以當檢測到按鍵按下或者抬起時，通過軟件延時20ms，就可以規避掉抖動的時間段。

3 軟件設計

本項目針對一個相對復雜的任務，將其拆分成若干個小任務來解決，這種方法叫做分層。分層后形成的若干個較小的局部任務，相較于整個任務來說，往往易于研究，容易找到突破口，處理起來難度也較小。這也就是軟件編程設計中，模塊化的編程思路。模塊化編程的好處有以下四個方面：

（1）各模塊之前相互獨立。當一個模塊需要使用其他模塊的功能時，不需要知道它的底層邏輯是如何實現的，只需要調用該模塊的接口，就可以接受到它所提供的服務。

（2）靈活性好。當某一模塊的任務需求發生改變后，只需要對該模塊的程序進行修改，實現對應的功能函數的編寫，則不影響其他模塊功能的實現。

（3）結構上可分割。每個模塊都可以采用最合適的算法技術來實現。

（4）復雜性低，易于排錯。每個模塊的功能性比較明確，在整個程序的調試過程中便于定位到存在問題的具體位置，只要針對該位置進行程序的修改調試即可。

■3.1 子函數

本項目包含3 個相互獨立的子程序，分別為Delay 延時子程序、LCD1602 液晶屏調試子程序、ΜatrixKey 矩陣按鍵子程序。在使用延時子程序的延時功能時，只需要調用它的函數聲明，并給它的形式參數在合理取值范圍內賦值，可以實現預定時間的延時。在本項目中延時功能主要用于軟件消抖，檢測到按鍵按下或抬起時，延時20ms。本項目提供的LCD1602 代碼屬于模塊化的代碼，在使用過程中只要知道所提供函數的作用和使用方法就可以很容易地使用LCD1602。比如初始化LCD 液晶屏、顯示字符串“Password:”、顯示十進制的數字“0000”等，按照對應功能函數的參數說明，添加合適的參數值即可完成相應功能。矩陣按鍵子程序，主要實現功能是通過單片機P2 端口的不斷循環掃描讀取，檢測定位到矩陣按鍵的具體位置，并給該按鍵附上鍵值。矩陣按鍵的部分程序如下：

■3.2 主函數

主函數調用LCD1602 子函數實現LCD 初始化，在LCD 顯示屏的第一行顯示字符串“Password:”。調用矩陣按鍵子程序，對按下的鍵值進行判斷。如果鍵值KeyNum<=10，即S1～S10（數字鍵0～9）按鍵按下，變量Count 計數1 次，累計計數達到4 次，實現輸入四位數密碼的功能，并且四次的鍵值依次從高位到低位顯示在LCD1602 顯示屏上；如果鍵值KeyNum==11，即S11（“確認”鍵）按下，實現軟件設置的四位數預設密碼和輸入的四位數密碼的比對，兩者相同顯示屏顯示“OK”，兩者不同顯示“ERR”；如果鍵值KeyNum==12，即S12（“取消”鍵）按下，實現四位數密碼清零，恢復到“0000”的顯示。程序設計流程圖，如圖5 所示。

圖5 程序設計流程圖

4 總結

本設計以STC89C52 單片機為核心，結合LCD1602 液晶顯示屏和4×4 矩陣鍵盤的外設組合，構成了簡單的電子密碼鎖設計。該設計易于實現，設計實物圖，如圖6 所示。在此基礎上可以增加外設模塊，拓展出其他功能，滿足更加多元化的用戶需求。如實現連續三次輸入密碼錯誤觸發聲光報警、增加遠程遙控器輸入密碼完成遠程解鎖功能、預先存儲用戶的指紋和實時檢測到的指紋相比對，從而實現若指紋匹配則智能化打開電子鎖的功能等[13]。

圖6 設計實物圖