一款基于单片机I2C总线实现的密码锁

广东 杨旭方

随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的不断提高，人们的安全意识也越来越强，传统机械钥匙不仅携带不方便、容易损坏，而且安全性能低，被撬事件屡见不鲜，机械锁已不能满足人们日常生活需要。电子密码锁利用软件加密、解密功能，从根本上克服了传统机械锁安全性能低的缺点，不仅使用方便、成本低，而且不用携带钥匙，寿命长，逐步成为现代家庭门锁的首要选择。

一、I2C总线简介

I2C总线 (Inter Integrate Circuit BUS)全称为芯片间总线，它是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接CPU及其外围设备。I2C总线产生于上世纪80年代，最初为音频和视频设备开发，现主要用在服务器管理中，其中包括单个组件状态的通信。I2C总线利用两根线实现全双工同步数据传送，具有连线少、可靠性高、成本低、不需要片选信号、支持热插拔等优点。

I2C总线支持主从和多主两种工作方式。在主从方式中，系统只有一个处理器，从器件的地址由I2C总线委员会分配，引脚地址决定芯片引脚外接电平。在主从方式的I2C总线系统中只需考虑主方式的I2C总线操作，没有总线的竞争等问题，系统相对简单，成本也较低，因此，密码锁采用主从工作方式设计。

I2C总线传送的数据每一个字节为8位，且高位在前，如图一所示。首先由起始信号启动I2C总线，其后为寻址字节，寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成，方向位表明主控器与被控器数据传送方向，方向位为“0”时，表明主控器对被控器进行写操作，为“1”时，表明主控器对被控器进行读操作，其后的数据传输字节数是没有限制的，每传送一个字节后都必须跟随一个应答位或非应答位，在全部数据传送结束后主控制器发送终止信号。

图一 I2C总线一次完整数据传输过程

二、系统硬件设计

密码锁硬件电路主要由AT89C51单片机、密码正误显示、AT24C02掉电存储、密码设置与输入、开锁驱动、报警以及电源等电路组成，如图二所示。

图二 密码锁硬件电路组成框图

图中，AT 89C51单片机是整个密码锁的控制中心，主要承担密码识别任务，并根据识别结果开锁或报警。AT24C02为E2PROM器件，既具有ROM掉电不丢失数据特点，又具有RAM随机读写特点，从而实现掉电保护功能。

三、系统软件设计

（一）模拟单片机I2C总线数据

在标准I2C总线中，总线状态监测由硬件完成，用户无须介入，但是具有I2C总线接口的MCS-51单片机毕竟不多，虽然AT89C51不带I2C总线，但只要通过软件模拟，即可达到I2C总线接口单片机功能。

在密码锁设计中，将AT 89C51的P3.4、P3.5分别作为时钟线SCL和数据线SDA，分别与E2PROM器件AT24C02的时钟线和数据线相连，根据I2C总线一次完整数据传输过程特点，通过软件模拟，调用启动（START）、停止（STOP）、发送应答位（ACK）、发送非应答位（NACK）、应答位检查（CACK）、发送一个字节数据（WRBYT）、接收一个字节数据（RDBYT）、发送 n个字节数据（WRNBYT）、接收 n个字节数据（RDNBYT）九个子程序，完成I2C总线数据传输过程。

（二）程序流程图

密码锁主程序主要由单元地址定义、预置密码、用户密码输入、读设置密码、识别密码、密码正误显示等组成，如图三所示。

密码锁首先要进行初始化，主要用于定义I2C总线的数据线与时钟总线、读/写控制字节存放单元、发送/接收数据缓冲区首址以及设置密码与用户密码存放单元等。然后，系统调用预置密码子程序和输入用户密码子程序，并将两个密码进行比较，若密码一致，则驱动开锁电路实现开锁，同时通过显示器显示密码正确字符“Y”，否则，显示密码错误字符“N”，并报警提示。

图三 密码锁主程序流程图

四、结束语

电子密码锁作为一种新型的锁具，越来越受到人们的青睐。本文以AT89C51为主控芯片，结合AT24C02掉电存储、密码正误显示、密码设置与输入、开锁驱动等外围电路，设计了一款多种功能电子密码锁，克服了传统机械密码锁安全性能差、携带不方便的缺点，具有较高的推广价值。

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