基于51单片机的电子密码锁设计与应用研究

韩燕楚，余 宏*

（1.贵州师范学院 物理与电子科学学院，贵州 贵阳 550018；2.贵州大学 大数据与信息工程学院，贵州 贵阳 550025）

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。

图1 系统硬件电路设计

2.1 STC89C51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。

2.2 AT24C02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。

图2 程序设计流程图

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。

表1 各类电子锁比较

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。