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电子密码锁设计与应用研究

作者:admin 来源:未知 日期:2020-11-23 08:37人气:
摘要:本文设计的电子密码锁系统主要由五个核心部件组成,分别为STC89C51单片机、AT24C02存储器、LCD1602显示器、矩阵键盘以及蜂鸣报警器。用户可通过矩阵按键键盘进行密码输入,密码输入错误时蜂鸣器会报警提示,并且可根据实际情况修改密码。软件部分采用C语言对各个模块功能进行程序设计,通过一系列算法实现系统所预期的功能。通过不断改进与调试,得到了一个功耗较低、操作简单、安全性高的电子密码锁,具有很强的实用价值。
 
关键词:STC89C51单片机;电子密码锁;蜂鸣报警;安全性
 
利用单片机控制的电子密码锁,不但操作简单,价格易接受,而且很大程度上可以保障设备的安全性和便捷性,消除了人们携带钥匙的烦恼。电子密码锁可靠性较高,弥补了传统机械锁安全系数较低的缺点,逐渐成为用户的优先选择。
 
1总体设计
 
单片机控制的电子密码锁系统主要由硬件和软件两个部分组成。硬件设计是将STC89C51单片机及其外围电路连接起来。密码的输入可通过按键电路模块设置,同时通过存储电路对密码进行存储与识别,密码锁的实际操作过程可通过LCD显示电路实时显示,密码输入有误时蜂鸣报警器发出报警,且错误超次将会锁定键盘。软件设计利用单片机可编程设计的特点,对密码锁控制系统的各个功能模块进行编程。电子密码锁系统设计功能如下:(1)设置6位初始密码,密码输入正确时,黄色LED灯亮提示密码锁被成功打开;密码错误时,蜂鸣器即刻发出报警且红色LED灯亮起,密码锁输入错误次数加1,超过三次锁定输入键盘,第一次锁定30s后解除锁定,解除后可再次输入密码解锁;第二次锁定60s后解除锁定,解除后可再次输入密码解锁,以此类推。(2)可通过功能按键“修改密码”键重新设置密码。在设置新密码前,必须先输入旧密码,然后连续输入两次新密码,当两次新密码输入一致时才可成功完成修改。若旧密码输入错误,系统便会直接退出“修改密码”页面,且错误密码次数加1。(3)密码锁具有掉电保护功能。密码锁锁定后,若未到解除锁定时间出现掉电,则锁定仍将保持,这样可防止以断电方式重新输入密码的操作,对密码锁起到掉电安全保护作用。(4)密码锁的输入具有退格、重新输入、退出输入等功能。
 
2硬件部分设计
 
硬件电路主要分为STC89C51单片机、AT24C02存储模块、按键电路、报警电路、继电器驱动模块五个部分。该控制系统的硬件设计以STC89C51单片机为主控芯片,利用单片机丰富的I/O端口将各个外围电路连接起来构成主系统,可以利用矩阵键盘实现密码输入与修改、关锁、复位等功能,并且通过单片机外接LCD1602液晶显示屏提示用户进行下一步操作。系统的硬件电路设计如图1所示。
 
2.1STC89C51单片机的最小系统
 
STC89C51单片机共有40只管脚,分为电源、时钟、控制和I/O引脚四类,它的优点是容易操作,原有程序可直接使用,硬件也无须改动,运行速度快且功耗低,而且成本低,抗干扰能力强,可提升产品性能,这使得在操作与成本方面都有极大的优势。单片机最小系统的工作由电源、晶振电路以及复位电路构成。
 
2.2AT24C02存储模块
 
AT24C02存储器的数据传送率高且能与IIC总线兼容,功耗低,数据保存时间较长,还有一个专门的防误擦除写保护功能。芯片工作时有读和写两种操作,执行读操作时有当前地址读、随机读和顺序读三种方法;执行写操作时可根据数据量的大小选择字节写还是页写。在本设计中可直接将存储芯片的A0、A1、A2三个引脚连接至GND,为了方便读/写操作,将WP写保护引脚也连接到GND,最后将SDA、SCL两引脚分别接到单片机对应的两个引脚。
 
2.3按键电路
 
该设计在操作过程中所需按键数目较多,所以采用矩阵式扫描的方法来作为键盘的输入形式且用4×4矩阵键盘可满足该设计所设定的功能。使用矩阵扫描法不仅可以减少单片机I/O端口的占用,也会降低电路连接的复杂程度。根据具体要实现的功能,密码锁的按键分布为数字键0-9、输入密码键、退格键、退出输入键、密码修改键、重置键、确认键。用户根据定义的按键功能实现输入,矩阵键盘直接连接单片机的P1口进行输入,通过输入高低电平判断键盘是否按下。
 
2.4报警电路
 
报警电路由LED灯和蜂鸣报警器组成。这样可直观地观察密码锁的工作情况。本设计选用5V电磁式有源蜂鸣器,因为蜂鸣器工作时所需的电流较大,无法驱动单片机的I/O接口,电路中需要用一个三极管来驱动。当输入低电平时,三极管导通,蜂鸣器发出报警同时连接的红色LED灯亮;当输入高电平时,三极管截止,蜂鸣器停止鸣叫。
 
2.5继电器驱动模块
 
由于继电器的工作电流较大而导致无法直接驱动,因此需要在单片机的I/O端口添加一个三极管来放大电流才可驱动,同时在继电器两端并联一个LED灯作为指示来直观判断,提示用户密码输入是否正确。当输入低电平时为有效电平,三极管导通,继电器吸合,黄色LED灯亮,锁打开;当输入高电平时,三极管截止,继电器断开。
 
3软件设计
 
电子密码锁控制系统的软件设计主要分为主程序、LCD1602显示程序、AT24C02存储程序、矩阵按键电路及中断服务程序的设计。为了实现密码锁的预期功能,软件设计部分以STC89C51单片机为核心编写程序,首先对整个系统程序进行初始化设置,开启电子密码锁的功能,采用4×4矩阵式键盘扫描方法来判断是否已按下按键,可通过LCD1602液晶显示屏清楚地看出当前已输入的密码位数,输入完成后按下确认键,密码锁会将输入的密码与事先存储在AT24C02芯片中的原密码进行比对,若密码一致则打开锁,若密码不一致则蜂鸣器报警且LED灯亮,可选择重新输入,当密码错误三次则键盘将被锁定且报警。软件设计流程如图2所示。
 
4结论与展望
 
4.1结论
 
电子密码锁经过不断调试和优化,成功实现了预期功能。目前市场上的电子锁种类繁多,功能也是应有尽有(见表1)。电子锁相比传统机械锁的突出优点就是安全性能高,同时消除了人们携带钥匙的烦恼。相比之下按键式的电子密码锁更为实用,大众更易接受;卡片式电子锁需要携带IC卡,容易丢失、损坏;生物识别式电子锁的要求较高,需要记忆一串自己事先在系统里设定好的数字密码,不太适合老人和孩子使用。
 
4.2展望
 
目前电子锁在功能和安全性方面已得到了很多人的认可,有着非常广阔的应用前景。显而易见,在安全保险技术领域,电子密码锁最大的优势就是满足了人们的安全需求。电子密码锁的发展会越来越贴合人们的实际需要,针对安全性能做进一步拓展与提升,比如可事先在芯片中通过一定算法对初始密码二次加密;也可再添加一个GSM模块,使密码锁通过短信方式提示用户密码锁已被其他用户输错密码,这在很大程度上都能够提高密码锁的安全性,使其更加安全可靠,更具实用价值。
 
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作者:韩燕楚 余宏 单位:贵州师范学院 物理与电子科学学院 贵州大学大数据与信息工程学院

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