基于AT89C51的密码锁设计

孙韩

摘 要：本文采用ATMEL公司的AT89C51 MCU为主控芯片，开发设计了E2PROM、晶振、矩阵按键键盘、报警、开锁等外围功能模块，用C语言编写了系统主控程序和各功能模块执行程序，完成了电子密码锁控制系统硬件设计、软件编程和系统调试。该密码锁控制系统密码6～12位长度可变、可反复修改；密码编码量大，安全性能高；能实现智能上锁、开锁；具备防试探性密码输入开锁，误码报警等功能。有一定的学术和应用价值。

关键词：密码锁；AT89C51 MCU；报警；矩阵键盘

中图分类号： TP391 文献标志码： A 文章编号：2095-2163（2015）04-

The Design of Combination Lock based on AT89C51 MCU

SUN Han

（School of Electronic Information Engineering， Anhui University， Hefei 230601， China）

Abstract： This paper adopts AT89C51 MCU as main control chip of ATMEL company， develops and designs E2PROM chips， the crystals， matrix keyboard， alarm， lock and unlock， and other peripheral function module. After that， the paper also uses the C language to write the program of the master control system and each function module， completes the hardware design of control system， software programming and debugging of electronic combination lock. The well-designed password length can be 6 ～ 12， and can be changed； Large amount of password code， safety performance is high； To realize intelligent lock and unlock； Had prevent tentative password input， Password input error reporting alarm， etc. The design in this paper has high academic and application value.

Key word： Combination Lock； AT89C51 MCU； Alarm； Matrix Keyboard

传统机械锁具由于机构简单、安装便捷、价格便宜、使用方便等特点，在家庭门锁中占据绝对优势。但同时，第一，传统机械锁具是利用钥匙与锁芯的机械配合来工作的，每4000道锁具就有2把钥匙是相同或类似的，存在安全缺陷；第二，传统机械锁具由于本身机械结构的局限性，可以不需要钥匙配合开锁，故安全性低；第三，钥匙不能丢失，否则房主无法打开锁具，而任何捡到的人都可使用该钥匙打开相应的锁具；第四，机械钥匙易复制，不宜在流动性比较大的宾馆等场合使用；第五，机械钥匙和锁芯质地较软，反复使用，易损坏。

电子密码防盗锁可自我设置开锁密码，通过密码输入与比对来控制电路或芯片，进而驱动机械开关的开闭，来实现开锁和关锁的任务。与传统机械锁相比，电子密码防盗锁具有以下优点：第一，密码位数多，编码信息量大，随机开锁概率极小，安全性高；第二，用户可根据需要随时更改密码，避免密码信息泄露造成的安全隐患；第三，密码为无形信息，避免随身携带，同时也避免因丢失和被捡到造成的安全隐患；第四，无活动部件，不磨损，寿命长；第四，可与小区安保或派出所报警系统互联互通，实现远程安防报警等。电子密码防盗锁得到越来越多的重视和使用。

1 系统方案

1.1 电子密码防盗锁功能指标

（1）初始密码为6位，“111111”。在正确输入原密码的条件下，用户可自行修改、设置新密码。

（2）密码为纯数字，密码位数6～12位，可自定义。

（3）密码通过键盘输入。若密码输入正确，芯片控制驱动机械开关开锁。

（4）门合上，芯片自动控制驱动机械开关关锁。

（5）密码有三次输入机会。三次密码输入错误，芯片控制锁具锁死（延迟一段时间后才能再次输入密码开锁），并通过声、光等形式报警。

（6）内置电源电量不足时，可外接电源，使系统重启功能。

（7）预留扩展功能。将报警装置与业主手机、小区物业或派出所报警系统互联，实现远程监控报警。

1.2 方案设计

通过对MCU密码锁和数字电路密码锁技术方案的分析对比，数字电路密码锁不具有确定的灵活6～12位密码位数自定义功能，不符合本研究的设计要求，故选择基于MCU的电子密码锁设计，利用单片机编程灵活、接口丰富、控制精确等的特点，实现设计目标功能方案。。再从MCU的I/O接口、串行接口、存储器、运行速度、定时/计数器、功耗、封装形式以及保密性、抗干扰性、性价比等全面权衡，选择基于AT89C51单片机为主控模块的电子密码防盗锁。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括AT89C51 MCU主控模块、键盘输入模块、密码存储模块、开锁模块、报警模块等[1]。系统硬件总体框图如图1所示。

图1 系统结构框图

Fig.1 Structure diagram of system

2.1 AT89C51主控模块

AT89C51是一种低功耗、高性能8位CMOS微处理器（MCU），与工业MCS-51的指令集和管脚完全兼容。使用ATMEL公司高密度非易失存储技术制造，8位CPU和4k闪烁存储器集成在同一芯片内，紧凑高效，且性价比高。具有32位可编程I/O线；可编程串行通道；5个中断源；2个16位定时/计数器；低功耗闲置和掉电模式；长寿命存储器可以反复写/擦10000次，数据保留时间长达10年等。AT89C51 MCU为自动控制和嵌入式系统提供多种灵活高效廉价解决方案[2-3]。管脚引线说明详见AT89C51芯片说明书。

系统电路原理图如图2所示。

图2 系统电路原理图

Fig.2 Circuit schematic diagram of system

2.2 E2PROM存储模块

该模块采用ATMEL公司的AT42C02 2kB字节可擦除存储芯片。该芯片为CMOS型宽电压（2.5～5.5V）工作，大于1万次可擦写，抗干扰能力强。采用8引脚DIP封装，有2线串行总线与单片机通讯，自带地址寄存器。每写入或读出一个字节数据，寄存器自动加1，可方便密码位数自定义。断电情况下信息可保留10年以上。

2.3 键盘输入模块

键盘输入模块采用4×4按键键盘设计。因按键较多，故没有采取独立式按键键盘设计。与独立按键键盘相比，矩阵式键盘设计可节省一半的I/O口。在行和列的交叉点设置按键。可以通过程序来自主设定键盘上每个按键的功能。

与独立式键盘的等待处理程序相比，矩阵式行列键盘执行扫描处理程序。需要注意的是，机械按键在开断瞬间会有抖动现象。为保持电平稳定，当扫描检测程序检测到有按键按下时，会执行一个延迟程序，采用软件消抖。

2.4 复位模块

复位电路的作用是使CPU和其他功能模块都恢复到一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。本系统设计了外触发手动复位和自触发自动复位两种复位方式。系统执行完整的操作过程，返回主程序后，都会自动复位。

2.5 晶振模块

本设计晶振电路采用电容三点式振荡器结构，由晶振、电容C2/C3、以及芯片内的与非门构成，使用AT89C51的XTAL1he XTAL2引脚，通过调节电容值来改变振荡信号频率。本设计采用20pF、12MHz外部晶振信号。

2.6 开锁模块

密码输入正确，单片机输出开锁信号，通过放大电路驱动电磁锁吸合，控制机械装置开锁。

2.7 报警模块

报警电路由外围控制电路和压电陶瓷发生装置组成。正常情况下不发生。有按键按下时，每按一下，发生一次。密码输入正确，直接开锁不发声。密码输入错误，单片机P2.1引脚转变成低电平，蜂鸣器发声，提示密码输入错误，系统复位。当密码输入错误达到三次，单片机P2.1引脚转变成低电平，蜂鸣器持续发声报警。

3 系统软件设计

系统程序主要由主程序、按键功能设置程序、键盘扫描程序（包括延时消抖程序）、密码设置程序、开锁程序、显示程序等组成。主程序流程图、开锁程序流程图和密码设置程序流程图分别如图3、图4和图5所示。

图3 主程序流程图 图4 开锁程序流程图 图5 修改密码程序流程图

Fig.3 Program flow chart Fig.4 Program flow chart Fig.5 Program flow chart

of the main program of the unlock of change the password

4 结束语

本电子密码锁基于AT89C51 MCU设计，具有6～12位自定义可修改密码、4×4矩阵按键键盘密码输入开闭门锁、误操作和密码输入错误报警等功能。编码量巨大，随机重合率极低，安全系数高。系统结构合理、功能先进，器件选择科学适宜、性价比高。设计中结合兼顾锁身外壳、闭锁部件等，保密防盗性能优越。

本装置预留接口，可外联摄像头拍摄控制开关，密码输入错误时自发启动摄像系统拍摄及画面传输，也可将报警信号通过物联网与户主手机、物业或派出所安保防盗系统互通互联，实现远程联防报警。

参考文献：

[1] 赵全利. 单片机原理及应用教程[M].第三版. 北京：机械工业出版社，2013：78-81.

[2] 张志良.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002：78-81.

[3] 喻萍，郭文川.单片机原理与接口技术[M].北京：化学工业出版社，2006：195-197.