李凱麗+樊建強(qiáng)

【摘要】 本論文采用AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，密碼程序采用C51語言實(shí)現(xiàn)，使用3-8譯碼器和數(shù)碼管相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)密碼顯示。數(shù)碼管以“-”實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前輸入密碼個(gè)數(shù)。密碼輸入正確正常顯示，表示密碼正確指示燈亮；密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，表示密碼錯(cuò)誤指示燈亮，繼而蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲進(jìn)行報(bào)警。

【關(guān)鍵詞】 AT89S51單片機(jī) C51語言 3-8譯碼器 數(shù)碼管

引言

傳統(tǒng)鎖在安全方面有很多隱患，為了保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，提高鎖的安全等級非常必要，現(xiàn)如今越來越多的人開始應(yīng)用安全信息系統(tǒng)，在財(cái)產(chǎn)安全、隱私保護(hù)、機(jī)密保護(hù)等方面的需求非常迫切。

在此我們研究了電子密碼鎖，電子密碼鎖種類繁多，既有簡單的電路控制產(chǎn)品，又有復(fù)雜基于芯片的控制部分和外圍電路部分、機(jī)械部分等性價(jià)比高的產(chǎn)品。隨著電子技術(shù)的更新?lián)Q代，電子鎖具的發(fā)展也異常迅速[1]，我們可以結(jié)合各種電子密碼鎖開鎖信息，對研究電子密碼鎖產(chǎn)品的多樣化發(fā)展具有非常重大的意義。

一、設(shè)計(jì)方案選擇

電子密碼鎖設(shè)計(jì)的主控芯片使用單片機(jī)，硬件電路還包括數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、鍵盤掃描模塊等，為了能夠?qū)㈦娮渔i的相關(guān)作用充分發(fā)揮出來，需要實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）使用數(shù)字鍵盤實(shí)現(xiàn)密碼輸入。當(dāng)按鍵順序與設(shè)計(jì)值相符合，并且字符數(shù)相等時(shí)，可以將鎖打開。

（2）鍵盤鎖定和報(bào)警。首次密碼輸入錯(cuò)誤，數(shù)碼管顯示錯(cuò)誤提示，密碼輸入次數(shù)超過

設(shè)定次數(shù)，蜂鳴器報(bào)警的同時(shí)鎖定鍵盤。

（3）輸入密碼功能。當(dāng)按下一位數(shù)字鍵時(shí)，最右邊的數(shù)碼管顯示一個(gè)“-”，同時(shí)將已

經(jīng)輸入的所有“-”依次向左移動(dòng)一位。

（4）清除密碼功能。按下清除鍵時(shí)清除輸入的所有值并清除所有顯示。

二、基于51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件電路設(shè)計(jì)

通過對電子密碼鎖進(jìn)行研究，在此選擇AT89S51 單片機(jī)作為主控模塊、使用4×4 鍵盤輸入密碼、采用74LS47、74LS138 和三極管設(shè)計(jì)顯示模塊與聲光報(bào)警模塊。電子密碼鎖的硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

基于51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件電路主要利用鍵盤對各個(gè)模塊進(jìn)行掃描，在完成數(shù)據(jù)顯示同時(shí)也能對密碼進(jìn)行修改，通過掃描相應(yīng)模塊來完成輸入工作。在完成輸入工作后，顯示模塊能夠?yàn)槲覀兲峁┧钄?shù)據(jù)，然后利用聲光報(bào)警系統(tǒng)對密碼輸入情況進(jìn)行判別：紅燈為正確；綠燈及聲音為錯(cuò)誤。本文所設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件電路包括四部分，分別為掃描模塊、控制模塊、顯示模塊以及報(bào)警系統(tǒng)。

2.1鍵盤掃描模塊電路設(shè)計(jì)

掃描模塊主要是對鍵盤掃描模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過4×4 掃描鍵盤對按鍵及按鍵位置進(jìn)行判別。在按鍵后，按鍵位置的行線及列線能夠接頭，使得開關(guān)之間接通。在電路中掃描到按鍵后，及時(shí)對其使用軟件進(jìn)行抖動(dòng)，利用軟件計(jì)算時(shí)間的延遲，進(jìn)而得以錯(cuò)過抖動(dòng)時(shí)間，完成輸入。

2.2單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)

控制部分選擇AT89S51單片機(jī)控制模塊來完成，單片機(jī)能夠在該系統(tǒng)中完成顯示、報(bào)警等一系列的功能，采用的芯片屬于直插式的集成電路[2]，有4 個(gè)八位的并行雙向I/O 端口，分別記作P0、P1、P2、P3。第20 引腳為接地端；第40引腳為電源端；第31 引腳通過接高電位來選擇合理的存儲設(shè)施；第18、19 腳處連接晶振（工作頻率為12MHz），其主要作用是產(chǎn)生時(shí)鐘信號；第9 腳為復(fù)位腳，該處接通高電位時(shí)，能夠中斷單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。P0 口連接的是聲光報(bào)警器， P2 口連接譯碼器通過動(dòng)態(tài)掃描來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，該譯碼器可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)六個(gè)數(shù)碼管，P1 口與16 個(gè)陣列式按鍵相連實(shí)現(xiàn)對鍵盤的掃描。我們利用編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)顯示，然后，在設(shè)置相關(guān)的一些指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示及報(bào)警提示等[3]。

2.3聲光報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)按下開鎖指令后，數(shù)碼管會顯示相應(yīng)的數(shù)組，當(dāng)數(shù)字相等指示燈顏色顯示綠色，輸入正確；反之，數(shù)值與密碼不符，指示燈顏色顯示紅色，并且會觸發(fā)蜂鳴器的反應(yīng)。

2.4數(shù)碼顯示模塊電路設(shè)計(jì)

圖2是數(shù)碼顯示模塊，它包括74LS47、74LS138兩個(gè)譯碼器及6個(gè)8段數(shù)碼顯示管。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)由編碼器傳送，然后該數(shù)據(jù)會分別由兩個(gè)不同的譯碼器進(jìn)行譯碼，再利用顯示管將數(shù)據(jù)分別顯示出來[4]。

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，P2口低4位連接74LS47譯碼器，然后根據(jù)譯碼器的屬性選擇數(shù)碼管，在此選擇共陽極數(shù)碼管類型的七段譯碼器。AT89S51通過不同接口輸出的相應(yīng)數(shù)據(jù)[5]，在經(jīng)過譯碼器處理后能顯示出不同數(shù)字，需要注意的是，譯碼器與數(shù)碼管之間還應(yīng)當(dāng)設(shè)置限流電阻，避免電流過大時(shí)數(shù)碼管出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。P2.4-P2.6 口接于74LS138譯碼器的三個(gè)輸入端，這個(gè)譯碼器的輸出端連接在公共極上，利用三極管與數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。然后根據(jù)不同端口輸出量對譯碼器進(jìn)行控制，通過譯碼器點(diǎn)亮相應(yīng)的數(shù)碼管，三極管在該系統(tǒng)中能起到控制的功能，通過芯片來對數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)的掃描顯示。

三、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

電子密碼鎖系統(tǒng)中密碼程序使用Keil uVision4軟件進(jìn)行程序編寫，電路采用Proteus Professional V7.5 SP3進(jìn)行仿真。

具體操作流程如下，通過掃描鍵盤對系統(tǒng)中的各項(xiàng)功能進(jìn)行控制，對于系統(tǒng)的初始密碼設(shè)置來說，我們可以利用數(shù)碼管來完成顯示，然后通過按鍵進(jìn)行輸入，并且在鍵盤中，我們還可以設(shè)置3個(gè)按鍵來對密碼進(jìn)行修改、顯示以及開鎖功能進(jìn)行操作[6]。當(dāng)操作人員按下開鎖按鈕以后，數(shù)碼管的顯示數(shù)值同設(shè)計(jì)值相同時(shí)，綠燈亮；反之，紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出聲響，觸動(dòng)報(bào)警裝置。

當(dāng)單片機(jī)復(fù)位以后，系統(tǒng)會啟動(dòng)初始化，將初始密碼存放到設(shè)定的幾個(gè)單元當(dāng)中（40H～45H），然后重新選擇六個(gè)單元（30H～35）存儲數(shù)碼管的數(shù)據(jù)，在設(shè)置完成后，系統(tǒng)開始自檢，當(dāng)自檢完成以后啟動(dòng)掃描程序，對鍵盤開始掃描，當(dāng)鍵盤中的按鍵觸發(fā)相應(yīng)程序后，能夠?qū)⒑笤O(shè)置的密碼數(shù)據(jù)顯示到數(shù)碼管中。數(shù)碼管顯示完成后可以重復(fù)啟動(dòng)子程序掃描鍵盤，該過程循環(huán)進(jìn)行。

四、 電子密碼鎖硬件電路測試分析

4.1 硬件電路測試

數(shù)碼管在程序啟動(dòng)后顯示“------”，等待輸入密碼。輸入密碼后，F(xiàn)會逐漸左移，一旦密碼錯(cuò)誤操作人員按“clr”鍵能夠?qū)σ演斎氲拿艽a進(jìn)行清除，重新進(jìn)行輸入。

密碼正確后，數(shù)碼管顯示“PASS”， 如圖3所示，并且LED燈顯示綠色，電路自動(dòng)完成開鎖開始運(yùn)行。

如果密碼錯(cuò)誤，數(shù)碼管會顯示 “ERROR1”，如圖4所示，密碼連續(xù)輸入三次錯(cuò)誤后，系統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)會自動(dòng)觸發(fā)，LED燈顯示綠色，并且蜂鳴器開始發(fā)聲報(bào)警，然后鍵盤自動(dòng)鎖死，停止相關(guān)操作。找到鍵盤中的“l(fā)ock”鍵來對密碼鎖進(jìn)行鎖定。數(shù)碼管恢復(fù)初始“------”，黃色指示燈亮起。

4.2系統(tǒng)在仿真調(diào)試可能存在問題及處理措施分析

當(dāng)操作人員沒有輸入密碼或密碼輸入位數(shù)不夠時(shí)按下“enter”鍵，數(shù)碼管界面為 “false”，導(dǎo)致不能正常返回初始界面。解決辦法：“enter”鍵跳轉(zhuǎn)時(shí)，跳轉(zhuǎn)到開始即可。

當(dāng)操作人員輸入正確密碼并按下確認(rèn)鍵，數(shù)碼管會輸出通過指令，如果操作人員繼續(xù)操作按下“clr”鍵，屏幕上顯示“ERROR1”，觸發(fā)系統(tǒng)的報(bào)警裝置，同時(shí)數(shù)碼管不能繼續(xù)工作。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于跳轉(zhuǎn)故障，我們可以添加一個(gè)標(biāo)志幫助數(shù)碼管正常工作。

如果系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)中，用戶開啟密碼鎖后重新對其進(jìn)行上鎖，在完成相關(guān)操作后，該系統(tǒng)能夠完成上鎖指令，但是在上鎖前系統(tǒng)的報(bào)警裝置自動(dòng)啟動(dòng)，數(shù)碼管顯示的是密碼錯(cuò)誤指令。產(chǎn)生這種故障的主要原因是由于系統(tǒng)的運(yùn)行速度快，造成鍵盤的按鍵恢復(fù)不及時(shí)，掃描系統(tǒng)會重新對按鍵進(jìn)行檢測，“l(fā)ock”的重復(fù)操作會造成系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障。針對這種現(xiàn)象，我們可以在完成按鍵后，等待一段時(shí)間，當(dāng)按鍵恢復(fù)后，再執(zhí)行相關(guān)的指令。

五、結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件電路中采用AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，密碼程序采用C51語言實(shí)現(xiàn)，使用3-8譯碼器和數(shù)碼管，相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)密碼顯示。數(shù)碼管可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前輸入密碼個(gè)數(shù)。密碼輸入正確正常顯示，表示密碼正確的指示燈變亮；密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，表示密碼錯(cuò)誤的指示燈變亮，且蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。該電子密碼鎖運(yùn)行安全可靠，維護(hù)方便。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李力.《雙處理器控制數(shù)字化焊接電源單片機(jī)系統(tǒng)》[M].天津：天津大學(xué)出版社， 2007：18-21.

[2] 周潤景，張麗娜，丁莉.基于Proteus的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003： 49-51

[3] 李廣第等.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001：03-06.

[4] V.Yu. Teplov，A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[J] ，2002 .

[5] Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scale[J]. Powder and Bulk Engineering. 1995 .

[6] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. 2001 .