机械设计与制造 ４０ 文章编号：１００１＝３９９７（２０１２）０８—００４０—０３ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第８期 ２０１２年８月 基于单片机系统的密码锁电路设计 术 王涛张喜瑞刘汉侃马庆芬李粤 （海南大学机电工程学院，海口５７０２２８） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐａｓｓｗｏｒｄ Ｌｏｃｋ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＷＡＮＧ Ｔａｏ。ＺＨＡＮＧ Ｘｉ—ｒｕｉ，ＬＩＵ Ｈａｎ－ｋａｎ，ＭＡ Ｑｉｎｇ－ｆｅｎ，ＬＩ Ｙｕｅ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｉｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｉｋｏｕ ５７０２２８，Ｃｈｉｎａ） 。 ＿、ｔ一 、．斤＾玉 ｌ，二、．—＾＂， ｔ一 十．、 ＂、． ・ ＂ ｌ一＂、．— Ｎ Ｈ、｜ ‘ Ｎ Ｈ、．— ｔ十 、－ 事十 Ｎ Ｈ、．— 十 十 ＂、．— Ｈ ＇Ｉ ＾ Ｎ 呻 ’、 ’ 【摘要】用电子密码锁代替传统的机械式密码锁，能克服机械式密码锁密码量少、安全性能差的 缺点。因此研究和开发保密性能高的电子密码锁电路就成为现实的迫切需求。为此设计了门禁系统密 码锁控制电路，采用单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２与Ｅ２ＰＲＯＭ ＡＴ２４Ｃ０２作为控制芯片与密码存储器，结合键盘输 入电路、ＬＣＤ１２８６４显示模块、声光报警电路、开锁控制等电路，用Ｃ语言编写主控芯片的控制程序，完 成密码的写入与存储修改功能。该电路能够多次更改密码并具有报警功能。试验结果表明该电路能够 满足密码锁控制要求，并具有系统功能实用，成本较低等特点，有一定的实际应用价值。 关键词：密码锁：门禁系统 【Ａｂｓｔｒａｃｔ ｌ Ｔｏ ｒｅｐｌａｃｅ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｉｐｈｅｒ ｌｏｃｋ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｓｓｗｏｒｄ ｌｏｃｋ ＣＯｌｔ ｏ＇ｕｅｒ— ｃｏｍｅ ｌｅｓｓ ｃｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｌｏｃｋ ａｎｄ ｐｏｏｒ ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉｌｉａｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｓｓｗｏｒｄ ｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ｕｒｇｅｎｔ ｎｅｅｄ ｏｆｔｈｅ ｒｅａｌｉｔｙ．１ｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｃｃｅｓｓａ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓ￣ｔｅｍ ｏｆｐａｓｓｗｏｒｄ ｌｏｃｋ．ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＳＴＣ８９Ｃ５２ ａｎｄ Ｅ２ＰＲＯＭ ＡＴ２４Ｃ０２ ａｒｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｃ ｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｅｍｏｒｙ ｕｎｉｍｔ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｋｅｙｂｏａｒｄ ｉｎｐｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ，ＬＣＤ１２８６４ ｄｉｓｐｌａｙ，扎ｏｄ— ｕｌｅ，ｓｏｕｎｄ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ａｌａｒｍ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓａ ｗｅｌｌ ｓａ ｕｎｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍ ｆｔｏｈｅ ｍａｓｔｅｒ ｃｒｏｐ ｉｓ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ｗｉｔｈ Ｃ ｌｎｇｕａａｇｅ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｗｒｉｏｔｉｎｇｐａｓｓｗｏｒｄ，ｓｔｏｒｉｎｇ ｎｄ ｍｏｄｉａｆｙｉｎｇ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｐａｓｓｗｏｒｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｉｍｅｓ ａｎｄ ｈａｓ ａｎ ｌａａｒｍｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｔｍｌａ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃ吼ｓ — ｓｉｆｙ ｔｈｅ ｐａｓｓｗｏｒｄ ｌｏｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｐａｓｓｗｏｒｄ Ｌｏｃｋ；Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ 中图分类号：ＴＨ１６；ＴＳ９１４．２１１＋．７文献标识码：Ａ ｌ引言 传统的机械锁通常具有机械结构复杂，密码数量少，安全性 能差的缺点＿ｌＩ。电子密码锁通过控制电路的设计再配以密码设计 片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和功能的控制，外 接ＡＴ２４Ｃ０２芯片用于密码的存储，外接ＬＣＤ１２８６４显示器用于状 态显示。ＳＴＣ８９Ｃ５２接收到原始密码数据后，将数据传送给 ＳＴＣ８９Ｃ５２接收到新的输入密码数据后，将数 软件，能够根据实际情况增加密码的数量，并且具有便于修改密 ＡＴ２４Ｃ０４进行存储，据与ＡＴ２４Ｃ０４里存储的数据进行对比，若两者完全相同，则进行开 码的优点，因此，保密效果更好。目前门禁系统能够保证小区的安 若不相同，则不开门。用户通过显示界面的提示信息进行操 全，采用电子密码锁门禁系统作为防盗卫士较为普遍［２ｔ。设计良好 门操作；才能将继电器开关关闭，开锁电路接通， 的密码锁控制电路是提高密码锁安全眭能的关键。许多学者对此 作，只有密码输入正确时，实现开门。硬件电路总图（图略）。包括 展开了多方面研究，文献目通过ＳＴ８９Ｃ５２单片机结合存储芯片设 从而将控制锁体的电机转动，ＬＣＤ１２８６４ 计密码锁电路，应用电路设计软件Ｐｒｏｔｅｔ对电子密码锁的实现过 单片机ＳＴＣ８９Ｃ５２作为控制器的核心单元，键盘电路，时钟电路，控制电路等模块。 程进行仿真。文献 采用ＡＴ８９—５１单片机作为主控芯片结合外围 汉字图形点阵液晶显示模块，１键盘电路 显示，控制，报警等电路设计电子密码锁。文献【５Ｊ运用ＶＨＤＬ程序 ２．实现数字密码锁的上锁，密码输入，密码校对，密码修改等功能并 键盘与单片机相连接时，每个按键都需要单片机的一 分别进行了ＭＡＸ＋ＰＬＬＳＩＩ时序仿真，对整体电路进行了模拟仿 个Ｉ／Ｏ口，电路系统中一共需要１２个按键，采用的是４ｘ３矩阵键 真，能够满足密码锁功能要求。设计制作具有本机开锁和远程控 盘。在矩阵键盘中希望电源输出为高电平，这时候需要在电源输 制的电子密码锁电路，该电路能够进行用户密码设置，密码修改， 出端加上拉电阻使之输出稳定。综合考虑节约功耗与足够的驱动 密码显示等基本功能。具有简单实用的特点。 电流，选用上拉电阻为１０Ｋｏ通过键盘输入密码，并根据输入密码 ２系统总体设计 存储电路，复位电路，用户显示电路，报警电路及开锁电路等组 的有效性做相应的操作。 ２显示电路 电子密码锁控制电路由密码输入电路，串口通信模 密码 ２＿戏 ｌ２酾 汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图 成。利用ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机作为整个控制系统的核心元件，在单 形 在电路中实施显示人机交互信息。工作电压为３．３￣＇５Ｖ，并且 ★来稿日期：２０１１－１０—１６★基金项目：海南省教育厅项目一‘三位一体’的农机化人才综合能力和创新意识培养模式的研究（２０ｏ７—１１）。 海南大学校基金项目—海南大学农业机械化工程学科研究生创新能力的研究（２０１１－７） 第８期 王涛等：基于单片机系统的密码锁电路设计 ４１ 具有字符对比度调节和背光功能。初始化状态下显示用户指定的 信息，ＳＴＣ８９Ｃ５２接收到数据后，将数据与ＡＴ２４Ｃ０４里存储的数 据进行对比，若两者完全相同，则液晶显示正确的信息；若不相 同，则液晶显示错误的信息。 ２．３时钟电路 时钟电路中Ｄ３１、Ｄ３２用来切换电源供电和电池供电。当 ＶＣＣ有电时，ＶＤＤ端电压为５Ｖ－０．７Ｖ－－４．３Ｖ，而ＢＴ１电池电压为 图１硬件电路ＰＣＢ板图 图２实际硬件电路实物 ３软件模块功能设计 主程序模块实现系统的初始化、时间显示、键盘的扫描、检 １主程序模块设计 ３Ｖ。所以Ｄ６２二极管截止；当ＶＣＣ无电时，ＶＤＤ端瞬间电压降到 ３．３Ｖ一下，而ＢＴ１电池电压为３Ｖ。所以Ｄ６２二极管导通，则电池 给ＰＣＦ８５６３供电。确保芯片时钟一直处于工作状态。因为 ３２７６８Ｈｚ＝２的ｌ５次方，即分频１５次后为１Ｈｚ，周期＝Ｉｓ。所以用 这个３２．７６８ＫＨｚ的晶振话时间比较准确，一般晶振的匹配频率 １５ＰＦ－２１ＰＦ。在本电路设计中采用的是１５ＰＦ的电容。 ２．４声光报警电路 ＳＴＣ８９Ｃ５２接收到数据后，将数据与ＡＴ２４Ｃ０４里存储的数 据进行对比，若不相同则报警。本设计中报警电路当出现输入的 密码不正确时，就会进行报警。发光二极管具有单向导电性，通过 ５ｍＡ左右的电流即可发光，电流越大，它的亮度越强，但若电流 过大，则会烧毁二极管。电源供电Ｖ ＝５Ｖ，可以算出限流电阻Ｒ＝ ５ｖ，５ｍＡ＝１０ｏ０ｒ ｌＫ，所以在发光二极管中加上阻值为１Ｋ的限流 电阻能保证发光二极管的正常发光。发光二极管的 。、 ：接单片 机的Ｐ１．０口、Ｐ１．１口，通过Ｐ１．０、Ｐ１．１输出高低电平使发光二极 管发光。在本电路中，使用的是ＵＬＮ２００３驱动芯片增大电流驱动 蜂鸣器发声。要使蜂鸣器发声，至少要有２０ｍＡ的电流通过，限流 电阻Ｒ＝５Ｖ／２０ｍＡ＝２５０Ｉ＇￣。所以在这电路中限流电阻可选１ＯＯＱ。 ２．５控制电路 控制模块电路由７４ＬＳ３７３、ＵＬＮ２００３和继电器组成，控制模 块电路中７４ＬＳ３７３实现Ｉ／Ｏ端口的复位，ＵＬＮ２００３增大驱动电 流，继电器控制锁体的打开与关闭。 ２．６串行通信电路 串行通信电路由ＭＡＸ２３２电平转换芯片与ＲＳ一９标准接头 组成。该电路主要完成ＲＳ一２３２电平与１１＇Ｌ电平之间的转换和单 片机与ＰＣ机之间的通信，系统通过串行口接收用户输入的命 令，然后执行相应的操作。 ２＿７稳压电源电路 门禁系统主控制部分电源需要用５Ｖ直流电源供电，其电路 中ＬＭ２５７５芯片为开关型稳压芯片，它内部集成了一个固定的振 荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大 减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善 的保护电路，包括电流及热关断电路等；其作用是把ＤＣ１２Ｖ 电压转换为的ＤＣ５Ｖ电压。其主要原理是将稳压芯片输出的电压 接到反馈输入端，然后同内部电压基准比较，若电压偏低，则用放 大器来控制内部振荡器以提高输出占空比，从而提高输出电压。 ２．８硬件电路ＰＣＢ板图 整个硬件电路ＰＣＢ板，如图１所示。焊接好的硬件电路实 物，如图２所示。 测是否接收到计算机发送过来的命令。主程序设计流程图，如图 ３所示。 量 匝压蛰壅 图３主程序流程图 图４密码修改程序流程图 ３．２键盘扫描程序模块设计 当程序运行时，会一直判断是否有按键被按下，当有按键被 按下时。系统会确定键值，再将键值存入到密码数组里，然后将输 入的密码与本身的密码做比较，若相同，则执行开门和显示正确 信息的操作；若不相同，则执行报警和显示错误信息的操作嘲。 ３．３密码修改程序模块设计 当系统接收到用户输修改密码命令后，系统会一直判断有 无新密码输入，当第一次新密码输入完成后，将新密码存入新密 码数组中，然后等待第二新密码输入，再将第一次输入的密码与 第二次输入的密码比较。如果相同，则将新密码替换原来旧密码； 如果不同，则修改密码失败。密码修改程序流程图，如图４所示。 ３．４读取键值程序模块设计 读取键值程序首先要初始化Ｐ２口，如图５所示。然后系统 一直检测是否有键按下，为防止抖动引起的按键合，需要延时流 程ｌＯｍｓ后再次检测是否有键按下。如果确实有按键按下，则检 测是否按下的键已松开。如果检测到键已经松开，则Ｐ２口的状态 已经改变，通过读取Ｐ２口的状态就可确定按下的键。 ３．５串口功能程序模块设计 执行程序之前，首先要设置串口波特率等相关串口参数，然 后上位机通过串口向下位机发送命令，并进入串口中断。下位机 根据接收ＳＢＵＦ的值做相应的处理。串Ｅｌ功能程可确定按下的 键。读取键值程序流程图，如图６所示。 ３．６存储子程序模块设计 设计中数据的存储芯片选用的是ＡＴ２４Ｃ０４，该芯片是串行的 Ｅ２ＰＲＯＭ，支持Ｉ２Ｃ总线数据传送协议。首先对ＡＴ２４ｃｏ４进行初始 化。并写入原始的数据进行存储，以便于以后新的密码与之比对。 ＮＯ．８ ４２ 机械设计与制造 Ａｕｇ．２０１２ 入新密码，第一次新密码输入完成后，系统提示新密码确认，只有第 一次输入密码和第二次输入密码相同才能修改密码，系统会提示密 码修改成功，否则系统提示密码修改失败；用户按下３，系统返回开 始界面。管理员可通过指令对门禁系统进行管理，管理员在上位机 中输入ｏ＃，上位机返匣ｌ—个操作菜单；输入１挣，返回实时时刻；输入 图５读取键值程序流程图 图６串口功能程序流程图 ３．７显示子程序模块设计 显示子程序的主要功能是对当前的门控状态进行显示，显示 函数首先判断是写命令操作还是写数据操作，若是写命令操作，则 根据命令进行相应的操作，如清屏、设置显示模式等；若是写数据操 作，则在显示器上显示相应数据。程序流程图，如图７所示。 ４试验及结果 ４．１调试过程及电路功能 调试程序需要用到ＫＥＩＬＣ５１、焊接好的样板、下载烧录软件、 上位机软件。首先打开ＫＥＩＬＣ５１主程序，新建工程，新建文本框写 入程序，保存，检查是否有语法错误，经反复检查无误后汇编，生成 ５ １单片机可执行的ＨＥＸ文件。然后用５ １开发板相匹配的烧录软 件把ＨＥＸ文件写入单片机。软件和硬件调试完成完成后，通过实 验对电路功能检验程序在ＫＥＩＬＣ５１上调试，采用模块程序设计技 术，则逐个模块调好后再进行系统程序总调。将各个部分的硬件模 块合并成一个整体，把软件各个部分程亭合并到—个主程序中。软 件部分通过ｋｅｉｌ调试软件始整体调试，硬件部分用万用表来测试 硬件每部分的接通性。软件部分的测试主要方法是通过设置断点、 单步执行等方法来测试程序的正确性。在确定软硬件无问题后，将 程序通过烧写器把程序烧到单片机中。将程序烧写到控制芯片，打 开电路板电源，电源指示灯亮，整个系统启动。当通过键盘输入密码 后，系统会判断密码的有效性，若是有效密码则开门并在液晶上显 示正确信息；若无效则报警并显示错误信息。运行上位机，向下位机 发送命令，下位机接收到命令后，执行相应的操作并向上位机返回 提示信息同时改变液晶上的显示信息。整个系统调试完成。 密码锁电路在门关闭状态液晶屏第一行显示“欢迎光临”、第 二行显示“请输入密码”、第三行显示“实时时刻”。如图８所示，初始 状态下设置了１Ｏ个用户，管理员可根据需要添加用户，每个用户给 定一个初始密码。用户按下ＥＮＴ进行密码的输入，每输入一个数 字，在液晶屏上显示一个“ ，密码输入过程中按下ＥＳＣ键清除已 经输入的密码，按下ＥＮＴ键确定密码输入完成。系统进行密码比 对，如果密码正确，液晶屏进入子界面；密码比对错误，门禁机的蜂 鸣器响６声，灯闪烁６次，液晶屏显示返回初始状态。子界面第一行 显示“欢迎光临”，第二行显示“１．开门”，第三行显示“２．修改密码”， 第四行显示“返回”。如果用户按下ｌ，锁被打开，并且蜂鸣器一声长 响，灯闪烁一次；用户按下２，进入修改密码状态，系统提示用户输 ，将门打开；输入３＃，提示修改时间；输入４＃，提示修改密码。 图７显示子程序流程图 图８实际硬件电路初始状态 ４．２试验结果及分析 密码锁电路通电之后状态，按下输入键进入密码输入状态， 按下清除键将密码清除，重新输入密码，如果密码输入不正确，提 示密码输入错误，第二个灯闪烁，同时报警。初始密码为ｏｏｏ００￣ ９９９９９９。密码是２２２２２２进入的。此时进入第二级界面，如果按下１， 则开门。将继电器打开，同时第一个灯闪烁一下，同时蜂鸣器响一 声，并返回主界面。再次用２２２２２２进入同时按下２键进入密码修 改界面提示输入新密码，按下输入键进行新密码的输入。第一次输 入密码完成提示再次输入新密码确认密码的。如果第一次输入新密 码和第二次密码不同，则提示密码修改失败并进＾第二级界面。第 一次密码和第二次输入密码相同，则密码修改成功。按键不灵，输入 ３返回主界面，用修改后的密码进＾了二级界面。这时候修改之前 的密码已经不能用了。一共有１０个用户，每—个用户提供—个原始 密码，用户可以通过门禁机和上位机两种方式去修改密码。当密 码成功后将继电器关闭，从而开锁电路导通，将门打开。 ５结论 基于ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机研制了一套可以多次更改密码具有报 警功能密码锁电路。使用单片机制作的系统具有软硬件设计简单， 易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，可应用于住宅、办 公室的保险箱及档案柜等需要防盗的场所，有一定的实用性。 参考文献 【１］曹建林，孙捷，孙学颖．电子密码锁设计［Ｊ］．成都信息工程学院学报， ２０１０，２ｓ（２）：１３３—１３４． ［２］张云，周明辉，周海林．基于ＡＴ８９Ｓ５１的多功能密码锁设计［Ｊ］．电子设 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