怎么設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)上鎖開鎖功能的簡(jiǎn)易電子鎖？

1 概述

1.1 選題背景

安全是現(xiàn)代社會(huì)更加關(guān)注的現(xiàn)象之一。盜竊事件常有發(fā)生，因此更需要一種工具來維護(hù)門戶安全。在此之前，掛鎖、子彈鎖和插入式鎖被廣泛使用。這些鎖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性低。撬鎖入室和入室盜竊的案件越來越多。因此，我們的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款電子智能密碼鎖。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要考慮了保證人們安全使用、使用方便、使用方便等綜合因素。電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括防探鍵盤輸入、智能控制解鎖、鎖定、報(bào)警、密碼重置等功能。其次，由于采用多位密鑰設(shè)置，具有保密性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 方案描述

（1）輸入密碼功能。輸入密碼時(shí)，用“*”代替真實(shí)的密碼以防密碼泄露。在輸入密碼時(shí)，具有清除前一位/或多位的密碼功能（用清除鍵）。密碼輸入完畢，按（確認(rèn)/開鎖鍵）確認(rèn)并生效。

（2）上鎖功能。在鎖開狀態(tài)下，通過上鎖鍵上鎖。

（3）在鎖合的狀態(tài)下，通過輸入密碼開鎖功能。開鎖時(shí)，先按確認(rèn)/開鎖鍵后，再在鍵盤上輸入六位密碼，然后按確認(rèn)/開鎖鍵，如果密碼正確，進(jìn)入鎖開狀態(tài)。

（4）在鎖開狀態(tài)下，設(shè)置新密碼功能。按設(shè)置新密碼鍵，在鍵盤上輸入六位新的密碼，按（確認(rèn)/開鎖）鍵確認(rèn)，代替舊密碼。

（5）在開鎖時(shí)，如果輸入密碼三次錯(cuò)誤，產(chǎn)生聲、光報(bào)警功能。每錯(cuò)誤一次，告警一次， 若連續(xù)三次錯(cuò)誤，則系統(tǒng)屏蔽輸入功能，直到系統(tǒng)復(fù)位后重新開始。

1.3 設(shè)計(jì)的目的

在信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的今天，我們生活中必不可少的設(shè)備都向著小型化、微型化、智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。避免用鑰匙開啟旋芯式鎖的一切煩惱。安全性能高，成本低，功耗低，易操作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)鎖的電子控制，突破了傳統(tǒng)的機(jī)械鎖的單一性，保密性低，易撬性的缺點(diǎn)，具有使用靈活性好，安全系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。它的主要工作部分是將輸入密碼與設(shè)定密碼進(jìn)行比較，密碼正確時(shí)，控制繼電器開鎖，密碼錯(cuò)誤時(shí)，數(shù)碼管清屏，繼電器保持關(guān)閉狀態(tài)。它的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密碼破譯難度較大，操作簡(jiǎn)單。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心元件, 于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件設(shè)計(jì)利用AT89C51單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的I/O端口, 及其控制的準(zhǔn)確性, 基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能。在AT89C51單片機(jī)的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制,基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖硬件設(shè)計(jì)選用LM016L用于顯示作用。

2.2 功能介紹

當(dāng)用戶需要開鎖時(shí), 先按基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的鍵盤開鎖鍵之后按鍵盤的數(shù)字鍵0-9輸入密碼。基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的密碼輸完后按下確認(rèn)鍵, 如果基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的密碼輸入正確則開鎖, 不正確顯示密碼錯(cuò)誤重新輸入密碼, 當(dāng)三次密碼錯(cuò)誤則發(fā)出報(bào)警;當(dāng)用戶需要修改基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的密碼時(shí), 先按下基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的鍵盤設(shè)置鍵后可以設(shè)置新密碼。新密碼輸入無誤后按基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的確認(rèn)鍵使新密碼將得到存儲(chǔ), 密碼修改成功。

2.3 總體設(shè)計(jì)

圖2-1 電子密碼鎖結(jié)構(gòu)框架圖

3 硬件設(shè)置

3.1 硬件組成

基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的外圍電路包括基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖鍵盤輸入部分、基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的顯示部分、基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的報(bào)警部分、基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的開鎖知識(shí)部分組成, 根據(jù)基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的實(shí)際情況鍵盤輸入部分選擇4*4矩陣鍵盤, 基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的顯示部分選擇字符型液晶顯示LM016L。

3.2 LCD顯示器設(shè)置

LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個(gè)8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計(jì)數(shù)器RAM（AC）。

圖3-1 LCD顯示器

3.3 矩陣按鍵電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的4*4矩陣共有16個(gè)鍵位，4根行線連PI口低4位，4根列線連PI口高4位。在按鍵未被按下時(shí)，每條行線與列線的交叉處互不相通，當(dāng)莫格按鍵被按下后，該鍵所在的行線和列線連通。這樣PI口的高4位和低4位中各有一位互相連通。通過行列掃描檢測(cè)出這兩位，即可識(shí)別出被按下的鍵。

圖3-2 矩陣按鍵設(shè)計(jì)

基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的輸入密碼輸入過程中可以進(jìn)行退格, 輸入完成后按下確認(rèn)鍵, 電子密碼鎖會(huì)將所輸入與系統(tǒng)密碼進(jìn)行比對(duì)。若輸入密碼正確則顯示“Open”開鎖, 按下電子密碼鎖的B選擇上鎖, 鎖重新回到閉鎖狀態(tài), 電子密碼鎖LCD液晶顯示回到初始化狀態(tài)。電子密碼鎖如果密碼輸入錯(cuò)誤, 基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的錯(cuò)誤警告燈亮,電子密碼鎖的LCD液晶顯示器會(huì)顯示錯(cuò)誤, 并顯示輸入錯(cuò)誤限制次數(shù)。一段時(shí)間后, 進(jìn)入閉鎖狀態(tài)。若連續(xù)在電子密碼鎖上操作錯(cuò)誤超過3次, 一定時(shí)間內(nèi)電子密碼鎖的系統(tǒng)會(huì)鎖定鍵盤, 并報(bào)警用以防止惡意試探密碼。如果在規(guī)定次數(shù)以內(nèi)密碼輸入正確, 則鎖開, 且錯(cuò)誤次數(shù)清空, 不會(huì)影響到下一次的開鎖。

3.4 報(bào)警器設(shè)置

蜂鳴器模塊部分的電路如下圖3-2 報(bào)警器設(shè)置，就是用P2.1口控制一個(gè)有源蜂鳴器發(fā)聲，作為提示音或報(bào)警音。蜂鳴器有兩個(gè)引腳，其中長(zhǎng)腳為正極，短腳為負(fù)極。其發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動(dòng)它。由于單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路，一般使用三極管來放大電流就可以了。本設(shè)計(jì)中使用三極管，P2.1口高電平時(shí)三極管截至，蜂鳴器不發(fā)聲；P2.1口低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制P2.1腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。

圖3-3 報(bào)警器設(shè)置

3.5 系統(tǒng)電路設(shè)置

下圖為基于AT89C51單片機(jī)的電子密碼鎖的系統(tǒng)主電路圖：

圖3-4 電子密碼鎖主電路

4 程序設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)初始化并讀取密碼完成后，液晶顯示"Password:”，提示用戶可以輸入密碼。此時(shí)程序即不斷測(cè)試按鍵，檢査是否有按鍵被按下。如果有，則進(jìn)行按鍵識(shí)別：行列掃描法識(shí)別出的鍵位與對(duì)應(yīng)BUFF的值。如果沒有按鍵按下，或者按下的按鍵沒有被識(shí)別，BUFF賦值0FFH，并跳轉(zhuǎn)至按鍵測(cè)試。

4.2 源程序

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define GPIO_KEY P1

sbit RS=P2^2;

sbit RW=P2^3;

sbit E=P2^4;

sbit LED = P2^0;

sbit BEEZ = P2^1;

uchar welcome[]="Hello Welcom";

uchar pw_error[]="Password Error";

uchar Lock[]="XXXXXXXXXXXXXXXX";

uchar set_pw[]="Set PassWord";

uchar input_pw[]="Please Input";

uchar pw[6]={0,0,0,0,0,0};

uchar temp_pw[6]={0,0,0,0,0,0};

uchar KeyValue;

uchar flag=0;

uchar pw_count;

uchar pw_errnum=0;

void lcd_int();

void lcd_w_cmd(unsigned char com);

void lcd_w_dat(unsigned char dat);

unsigned char lcd_r_start();

void show_Status(uchar *str);

void show_pw(uchar num);

void Input_Key();

void KeyDown(void);

void open();

void alarm();

void Lock_Device();

void delay(uint j)

{ uint x;

for(x=0;x

}

void main()

{ lcd_int();

show_Status(&input_pw);

show_pw(0);

while(1){

Input_Key();

}

}

void KeyDown(void)

{

GPIO_KEY=0x0f;

if(GPIO_KEY!=0x0f)

{ delay(3);

if(GPIO_KEY!=0x0f)

{ GPIO_KEY=0X0F;

switch(GPIO_KEY)

{

case(0X07): KeyValue=0;break;

case(0X0b): KeyValue=1;break;

case(0X0d): KeyValue=2;break;

case(0X0e): KeyValue=3;break;

}

GPIO_KEY=0XF0;

switch(GPIO_KEY)

{

case(0X70): KeyValue=KeyValue;break;

case(0Xb0): KeyValue=KeyValue+4;break;

case(0Xd0): KeyValue=KeyValue+8;break;

case(0Xe0): KeyValue=KeyValue+12;break;

}

while(GPIO_KEY!=0xf0);

return ;

}

}

KeyValue = 0xff;

}

void open() { }

void alarm()

{ uchar i;

LED = 0;

for(i = 0;i<100;i++)

{ BEEZ = ~BEEZ;

delay(100);

}

LED = 1;

}

void Lock_Device()

{ while(1)

{ alarm();

}

}

void Input_Key()

{ KeyDown();

if(KeyValue == 0xff||pw_errnum>=3)return;

if(KeyValue>=0&&KeyValue<=9)

{ if((flag == 0 || flag ==2)&&pw_count<6)

{ pw_count++;

temp_pw[pw_count] = KeyValue;

show_pw(pw_count);

}

}

else if(KeyValue == 12)

{ if(flag == 1)

{ flag = 0;

show_Status(&input_pw);

}

}

else if(KeyValue == 13)

{ if(pw_count>0)pw_count--;

show_pw(pw_count);

}

else if(KeyValue == 14)

{ if(pw_count == 6)

{ if(flag == 0)

{if(temp_pw[0] == pw[0]&&temp_pw[1] == pw[1]&&temp_pw[2] == pw[2]&&temp_pw[3] == pw[3]&&temp_pw[4] == pw[4]&&temp_pw[5] == pw[5]){

show_Status(&welcome);

flag = 1;

pw_count = 0;

pw_errnum = 0;

show_pw(pw_count);

open();

}

else{ pw_errnum++;

pw_count = 0;

show_pw(pw_count);

show_Status(&pw_error);

alarm();

if(pw_errnum>=3)

{ show_Status(&Lock);

Lock_Device();

}

}

}

else if(flag == 1)

{ }

else if(flag == 2)

{ pw[0] = temp_pw[0];

pw[1] = temp_pw[1];

pw[2] = temp_pw[2];

pw[3] = temp_pw[3];

pw[4] = temp_pw[4];

pw[5] = temp_pw[5];

show_Status(&welcome);

flag = 1; pw_count = 0; show_pw(pw_count);

}

}else{ LED = 0;

}

}

else if(KeyValue == 15)

{ if(flag == 1)

{ show_Status(set_pw);

flag = 2;

}

}

}

void show_pw(uchar num)

{ uchar i;

lcd_w_cmd(0xC5);

for(i=0;i<6;i++)

{ lcd_w_dat(' ');

}

lcd_w_cmd(0xC5);

for(i=0;i

{ lcd_w_dat('*');

}

}

void show_Status(uchar *str)

{ uchar i=0;

lcd_w_cmd(0x80);

for(i=0;str[i]!='\\0';i++)

{ lcd_w_dat(str[i]);

}

}

void lcd_int()

{ lcd_w_cmd(0x3c);

lcd_w_cmd(0x0c);

lcd_w_cmd(0x01);

lcd_w_cmd(0x06);

lcd_w_cmd(0x80);

}

void lcd_w_cmd(unsigned char com)

{ unsigned char i;

do

{i=lcd_r_start();

i&=0x80;

delay(2);

}while(i!=0);

RW=0;

delay(1);

RS=0;

delay(1);

E=1;

delay(1);

P0=com;

delay(1);

E=0;

delay(1);

RW=1;

delay(2);

}

void lcd_w_dat(unsigned char dat)

{ unsigned char i;

do

{i=lcd_r_start();

i&=0x80;

delay(2);

}while(i!=0);

RW=0;

delay(1);

RS=1;

delay(1);

E=1;

delay(1);

P0=dat;

delay(1)

E=0;

delay(1);

RW=1;

delay(2);

}

unsigned char lcd_r_start()

{ unsigned char s;

RW=1;

delay(1);

RS=0;

delay(1);

E=1;

delay(1);

s=P0;

delay(1);

E=0;

delay(1);

RW=0;

delay(1);

return(s);

}

5 仿真測(cè)試

（1）點(diǎn)擊proteus軟件下方最左邊按鈕，使電路開始運(yùn)行，圖5-1為電路運(yùn)行后狀態(tài)，LCD液晶顯示出Please Input,輸入密碼進(jìn)行開鎖：

圖5-1 初始化界面

（2）通過矩陣按鍵，輸入數(shù)據(jù)，會(huì)顯示在LCD液晶上，按C按鍵可以刪除上個(gè)輸入數(shù)字。連續(xù)輸入6個(gè)數(shù)后，按D鍵系統(tǒng)自動(dòng)判斷密碼的對(duì)錯(cuò)，如圖 5-2輸入錯(cuò)誤密碼后，會(huì)提示密碼錯(cuò)誤，并提示點(diǎn)擊任意按鍵退出：

圖5-2 輸入錯(cuò)誤密碼

（3）按鍵輸入000000后，LCD液晶會(huì)顯示密碼正確，同時(shí)LED“鎖”被打開，LED顯示Hello Welcome：

圖5-3 輸入正確密碼

（4）在開鎖狀態(tài)下，點(diǎn)擊F鍵，此時(shí)聽到兩聲提示，輸入新的六位密碼并按“D”（重設(shè)）鍵，會(huì)聽到兩聲提示音，表示重設(shè)密碼成功。

圖5-4 重新設(shè)置密碼