一種基于單片機和串行EEPROM的智能密碼鎖

1.引言

電子技術的飛速發展，給傳統的機械鎖帶來了巨大的變革，現代的電子技術與機械技術相結合，產生了一大批如聲控鎖、電子密碼鎖、遙控鎖，指紋鎖等先進的鎖具。雖然這類產品安全性高,但因其生產成本高,安裝使用不方便,在一定程度上限制了這類產品的普及和推廣。本文介紹的是一種基于AT89C51單片機和AT24C01串行EEPROM的智能密碼鎖的硬件設計和軟件實現方法，這種電路設計具有防試探按鍵輸入、智能控制上鎖、開鎖、報警、修改密碼等多種功能。密碼長度可變,保密性強,靈活性高,外接各種執行機構，可廣泛用于車輛、大門、保險柜等各種需上鎖的場合。

2.設計思路

本設計中，智能密碼鎖工作時分為兩種工作狀態，分別是正常狀態和鎖定狀態。鎖定狀態時，輸出鎖定信號，供外部執行機構使用，實現上鎖功能；正常狀態時，鎖定信號消失，供外部執行機構使用，實現開鎖功能。初始密碼存儲在AT24C01中，開鎖時，將從面板上的微鍵盤輸入的數字序列與AT24C01中存儲的密碼相比較，如果位數及每一位上的數都相吻合，則進行開鎖動作，轉入正常狀態，否則仍將鎖定。

為安全起見，密碼可以進行更改。在正常狀態時，程序允許用戶隨時進行密碼修改，密碼長度和數字可隨意進行組合。

為防止程序“跑飛”等異常情況，本設計在軟件中使用了簡單的“程序陷阱”技術，根據實際需要，可酌情增加“看門狗”電路。無論是硬件復位還是軟件復位后，自動進入鎖定狀態，保證異常情況下的安全。

鎖定狀態時，自動開啟報警功能。如遇非法情況（如車輛鎖定下仍萬一發生移動等，可將這些情況轉換為計數脈沖形式輸入），計數若干次后報警（計數值可通過程序調整）。另外，為防止非法用戶進行惡意多次試探開鎖，連續三次輸錯密碼，將進行報警。直至開鎖后，所有報警消失。

3. AT89C51單片機和AT24C01串行EEPROM及其通訊

AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，內置8位中央處理器和Flash存儲單元的AT89C51為智能密碼鎖提供了高性價比的解決方案。

AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。下圖是PDIP封裝的AT89C51引腳圖：

AT24C01是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內含1288位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。AT24C01具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。下圖是PDIP封裝的AT24C01引腳圖：

AT24C01與外部通訊采用I²C總線。I²C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I²C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I²C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本。I²C總線的另一個優點是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進行發送和接收的設備都可以成為主控。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

I²C總線是由數據線SDA和時鐘SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產生起始和停止條件。SDA線上的數據狀態僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態的改變被用來表示起始和停止條件。時序如下圖：

接收數據的IC在接收到8bit數據后，應向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖（應答信號），表示已收到數據。時序如下圖：

在開始條件之后，必須是器件的控制字節，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。控制字節如下圖所示：

AT24C01寫操作分為字節寫和頁面寫兩種操作，讀操作分為當前地址讀、隨機讀和順序讀等三種操作，每種讀寫操作都有規定的時序，可參考AT24C01用戶手冊。本系統采用字節寫和隨機讀兩種操作方式，具體時序由軟件模擬。

4.硬件連接

AT89C51內含4k bytes程序存儲器和128 bytes數據存儲器，可以滿足設計需要，因此外部無需擴展，節省了很多I/O口線。

系統輸入部分主要有：“設置密碼”鍵、“上鎖”鍵、“開鎖”鍵、34微鍵盤陣列（數字0～9以及“確定”和“取消”鍵）、異常情況下的計數脈沖輸入等。系統輸出部分主要是鎖定信號的輸出和報警信號的輸出。

AT89C51與AT24C01的連接，通過RxD充當時鐘信號線SCL，TxD充當數據線SDA來實現，I²C總線的時序由軟件模擬。由于AT24C01是I²C總線上與CPU相連的唯一的一個芯片，因此可將AT24C01的地址置為000，即將A0、A1、A2接地。

具體硬件連接圖如下：

5.軟件實現

程序復位后，先將AT24C01中保存的密碼取出，放入RAM緩沖區1中暫存，將定時器、堆棧等進行初始化，為報警系統作好準備，將RAM緩沖區2中的密碼初值設置為和RAM緩沖區1中的密碼不同，保證程序復位后比較密碼不會相同，這時，進入RAM緩沖區1和RAM緩沖區2的密碼比較程序，只有當兩者位數相同而且每一位數字都相同時，執行開鎖動作、輸出開鎖信號、進入正常狀態，否則執行上鎖動作、輸出上鎖信號、進入鎖定狀態。在正常狀態時，可以進行重新設置密碼、上鎖等操作，重新設置密碼時，首先驗證原始密碼，如相同則可進行密碼更改，然后將新密碼保存至AT24C01中，同時更新RAM緩沖區1。在鎖定狀態時，系統啟動報警功能，同時等待用戶開鎖，如發現用戶按下“開鎖”鍵，則讀入從微鍵盤輸入的數字序列，用其更新RAM緩沖區2，轉入密碼比較程序，如密碼相同則開鎖，否則繼續等待用戶開鎖，為防止非法用戶惡意多次試探密碼，可在程序中設置當連續三次輸入錯誤密碼后自動報警，直至開鎖后解除。

報警系統由AT89C51內置的定時/計數器實現，鎖定狀態時開啟，正常狀態時關閉。如遇異常情況，如車輛鎖定下仍萬一發生移動、門鎖定下仍被強行打開等，可將這些情況轉換為計數脈沖形式輸入，計數若干次后報警，計數值可通過程序調整。

按鍵和微鍵盤的“去抖”，為簡單起見，采用軟件延時的方法。為防止程序“跑飛”等異常情況，在軟件中使用簡單的“程序陷阱”技術，即在多余程序空間內設置一些長轉移指令LJMP 0000H，進行程序復位。

程序流程圖如下：

6.總結

本文作者創新點:采用串行EEPROM保存密碼，用單片機實現密碼鎖的控制功能，克服了機械密碼鎖密碼量少，安全性差的缺點，具有更高的安全性、可靠性。本設計中，輸入采用34微鍵盤陣列，根據需要，可將其改為與電子表更改時間類似的裝置。另外，可以與PC機聯網，實施遠距離監控、報警等功能，可廣泛用于樓宇智能系統中。

參考文獻

[1]劉文濤，MCS-51單片機培訓教程，電子工業出版社，2005.8

[2]鄔寬明，單片機外圍器件實用手冊，北京航空航天大學出版社，1998.12

[3]趙曉玲，單片機在指紋保險柜中的應用[J]，微計算機信息，2006.7-2：134-136