程志遠(yuǎn)

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城221051）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，人們的生活水平不斷提高，物品多樣性越來越豐富，物品安全問題也越來越得到重視。鎖具的出現(xiàn)為人們的安全提供了保障，但在科技發(fā)達(dá)的現(xiàn)在，傳統(tǒng)鎖具已經(jīng)無法滿足人們的安全需要，因此，電子密碼鎖的發(fā)明和使用尤為重要。電子密碼鎖主要是靠單片機(jī)控制整個(gè)電子電路，實(shí)現(xiàn)門鎖的開與關(guān)，相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械鎖來講密碼鎖的安全性更高，可操控性更好，只需要記住自己設(shè)置的密碼即可，無須攜帶任何鑰匙或者卡制產(chǎn)品即可開門，所以廣泛受到人們的青睞[1]。

因電子密碼鎖保密性好，廣泛地應(yīng)用于住宅與商業(yè)、公共建筑的安全防范、個(gè)人資料的保存等領(lǐng)域。電子密碼鎖在操作上可以實(shí)現(xiàn)無鑰匙開鎖，整體結(jié)構(gòu)不用暴露在外，使用密碼開鎖安全性強(qiáng)。同時(shí)密碼具有一定的隱蔽性，輸入密碼操作簡(jiǎn)單快捷且密碼不會(huì)輕易被竊取，所以，電子密碼鎖的實(shí)用性非常強(qiáng)，非常具有現(xiàn)實(shí)意義。本文基于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的電子密碼鎖系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案論證

系統(tǒng)要包含實(shí)現(xiàn)密碼解鎖的所有模塊，主要有主控模塊、密碼輸入按鍵模塊、開鎖顯示模塊、報(bào)警與保護(hù)模塊。該設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，根據(jù)其內(nèi)部特性，設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖的連接，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的電子密碼鎖系統(tǒng)的電路連接模塊。其主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、4×3矩陣鍵盤模塊、LCD1602顯示電路模塊，繼電器電路和聲光指示電路。

1.2.1 主控模塊

在以往單片機(jī)的學(xué)習(xí)中，了解到51單片機(jī)中的STC89C52單片機(jī)功能強(qiáng)大，適配性高。因此，在此次設(shè)計(jì)中主控模塊采用STC89C52單片機(jī)。該單片機(jī)具有8位CPU，振蕩器片內(nèi)自帶且具有4個(gè)8位I/O接口用來連接外圍設(shè)備等特性。在其工作過程中，必須連接好時(shí)鐘和復(fù)位電路來確保51單片機(jī)的正常工作。下面是單片機(jī)兩種電路的介紹。

（1）時(shí)鐘電路

單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器，80C51內(nèi)部時(shí)鐘電路如圖2所示。振蕩器頻率主要由石英晶振的頻率確定。

圖2 內(nèi)部方式時(shí)鐘電路

（2）復(fù)位電路

復(fù)位電路可以使系統(tǒng)初始化，當(dāng)人們?cè)谳斿e(cuò)密碼時(shí)不用全部刪掉，只需按一下復(fù)位按鈕便可重新輸入密碼，極其方便。同時(shí)也可以在程序錯(cuò)亂的情況下使系統(tǒng)復(fù)位，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路邏輯如圖3所示。

圖3 復(fù)位信號(hào)的電路邏輯圖

根據(jù)此次設(shè)計(jì)的可行性，采用上電自動(dòng)復(fù)位。只要電源的接通過程是順時(shí)的，在接通電源的瞬間便可實(shí)現(xiàn)復(fù)位初始化。

1.2.2 按鍵模塊

密碼輸入用按鍵模塊來模擬，按鍵采用獨(dú)立式按鍵。每一個(gè)獨(dú)立式按鍵都有與之匹配的數(shù)字，4×3矩陣鍵盤的行線與列線分別接至單片機(jī)對(duì)應(yīng)的輸入口，因?yàn)槊織l垂直線和水平線都是相互交叉但又不連通的，一般都是利用按鍵進(jìn)行連接[3]。因此，單片機(jī)的一個(gè)端口就可以連接需要的按鍵個(gè)數(shù)。每按下一個(gè)按鍵，就會(huì)有電平信號(hào)輸入直單片機(jī)內(nèi)部，通過設(shè)定好的程序顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字。只有順序按下與設(shè)定密碼一致的按鍵時(shí)，才會(huì)開鎖成功，且密碼由自己設(shè)置，保證了人們的私人安全。

1.2.3 開鎖顯示模塊

LCD1602液晶顯示屏內(nèi)部自帶存儲(chǔ)器且具有強(qiáng)大的顯示功能，可以通過驅(qū)動(dòng)電路直觀地顯示多項(xiàng)內(nèi)容，與單片機(jī)的連接也相對(duì)簡(jiǎn)單易行。因此，以LCD1602作為顯示器。每輸入一位密碼時(shí)，就會(huì)有對(duì)應(yīng)的數(shù)字顯示，同時(shí)，為了保證安全，LCD1602可以在顯示時(shí)以“*”來代替密碼數(shù)字。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，顯示屏?xí)诹硪恍酗@示開鎖成功的提示，相反，顯示屏則提示開鎖失敗并返回至等待輸入密碼狀態(tài)。開鎖成功后，還可以進(jìn)行修改密碼操作，與傳統(tǒng)鎖相比更加便利。

1.2.4 報(bào)警保護(hù)模塊

報(bào)警功能由繼電器模塊與蜂鳴器共同完成。當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，單片機(jī)主程序會(huì)將檢測(cè)到的錯(cuò)誤開鎖信息以電平信號(hào)的方式傳給繼電器與蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，繼電器工作使連接的指示燈點(diǎn)亮，以此提示開鎖失敗。蜂鳴器還可以在輸入密碼時(shí)，按一次按鍵便會(huì)短暫響一下來提示是否輸進(jìn)密碼。繼電器還可以起到監(jiān)測(cè)作用，在正確輸入密碼的一定時(shí)間后使系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài)。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序模塊

單片機(jī)的軟件系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)重要組成部分之一，要使單片機(jī)協(xié)調(diào)有序地工作，就需要片單片機(jī)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的共同配合[4]。主程序是設(shè)計(jì)的核心，是系統(tǒng)能夠完成一系列開鎖過程中最重要的內(nèi)容，可以存放用于單片機(jī)與顯示屏工作的程序并可以將其初始化，使系統(tǒng)接通電源時(shí)可以從指定的地方開始工作。主程序還可以檢測(cè)與判斷矩陣鍵盤的輸入，判斷是否開鎖并相應(yīng)傳輸接下來的信號(hào)，同時(shí)控制LED的顯示。由此可見，主程序的建立使系統(tǒng)可以有序地進(jìn)行，同時(shí)也將所有的模塊連接起來共同工作。

2.2 鍵盤掃描子程序

首先掃描第0行，判斷3個(gè)按鍵，加入消抖指令消抖，之后等待按鍵釋放，接著掃描第二行、第三行和第四行，最后返回鍵值。只要有一個(gè)按鍵按下，單片機(jī)就會(huì)有信號(hào)變化，然后做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，使LED顯示，對(duì)應(yīng)的按鍵數(shù)字。

2.3 其他軟件設(shè)計(jì)

LCD顯示系統(tǒng)具有輸入密碼正確或錯(cuò)誤的相應(yīng)顯示，同時(shí)可以將鍵盤輸入的密碼轉(zhuǎn)換為“*”增加隱蔽性。開鎖顯示是主程序的一部分，可以顯示用戶的開鎖情況，方便觀測(cè)與判斷。其中增加了繼電器與延時(shí)子程序，繼電器可以用來保護(hù)系統(tǒng)電路安全，同時(shí)連接更多的外圍設(shè)備，增加了系統(tǒng)的多樣性與安全性。

3 Prote u s仿真分析

根據(jù)上文總結(jié)的軟硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合單片機(jī)等方面的理論知識(shí)，采用Proteus仿真軟件根據(jù)設(shè)計(jì)過程完成搭線，對(duì)設(shè)計(jì)的電子密碼鎖系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

例如：設(shè)置密碼為543210六位數(shù)字。當(dāng)輸入正確的密碼時(shí)，LCD顯示“open”，繼電器后面的燈亮表示開鎖成功，之后P1.3連的LED亮滅閃爍。當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)，LED顯示屏顯示“error”，蜂鳴器工作發(fā)出報(bào)警信號(hào)，P1.7連的led亮處于警示狀態(tài)，仿真圖如圖4所示。

圖4 開鎖示意圖

仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)想，系統(tǒng)具有輸入密碼開鎖與報(bào)警顯示等功能?？梢詰?yīng)用于日常生活，保證人們的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的電子密碼鎖系統(tǒng)。系統(tǒng)開鎖顯示、報(bào)警系統(tǒng)、密碼輸入等功能都按照預(yù)期設(shè)定正常進(jìn)行，最后的仿真結(jié)果說明電子密碼鎖具有安全可靠，操作簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。電子密碼鎖可以在人們的日常生活中起到至關(guān)重要的作用，保護(hù)人們的人身和財(cái)務(wù)安全，密碼鎖的報(bào)警功能、顯示功能也是非常實(shí)用且便利的，可以更加直觀地呈現(xiàn)開鎖結(jié)果，方便人們的生活。隨著科技的進(jìn)步，我們還需要去研究更加安全、更加多樣化的密碼鎖，為我們的生活帶來更多的便利，也使我們的日常生活更加多樣化。