I
利用数字电路实现电子密码锁
前言
随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。
为何弹子锁的“互开率”会如此之高？据有关专家人士剖析，弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。机械锁的这些弊端为一种新型的锁---电子密码锁，提供了发展的空间。
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁，主要特点如下：
保密性好，编码量多，远远大于弹子锁，随机开锁成功率几乎为零。
密码可变。 用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人的更替而使锁的密级下降。
误码输入保护。当输入密码多次错误时，报警系统自动启动，防止试探密码。 从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记），难以被窃（除非自己泄露）。但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。因此，为了发扬优点、克服弱点，键盘式电子密码也在不断发展中，如“任意设定密码”技术使得被授权人可以根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新；而“自动更改密码”技术使得本次输入的密码
1 将自动更改成下次应输入的密码，更改的规律不为他人所知，因而不怕旁观者窥测；独出心裁的“键盘乱序显示”技术使得键盘上的固定键位每次显示出的字符不固定，并且显示的窄小角度只能由操作者正面看得到，因而即使旁观者看见操作动作也难以窥测出密码；“多重密码设定”技术使得单组密码不一定有效，适合多人分权使用，需要输入两组以上的密码才被认可，大大提高了保密性，如果限定输入这些密码的先后顺序或时间区段，则保密性还可提高。在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段。
1 系统的硬件设计
1.1 硬件的总体结构和原理 1.1.1 硬件系统的总体结构图
硬件系统的总体结构图如图1.1.1-1所示。
LCD1602显示 AT24C02 驱动电路 AT89S52 报警电路 4×4键盘输入 振荡电路
图1.1.1-1 体结构图
1.1.2 硬件系统组成
如图1.1.1-1所示，本系统的硬件部分主要由单片机AT89S52、存储芯片AT24C02、4×4矩阵键盘、LCD1602、报警电路和驱动电路组成；其中驱动电路用发光二极管LED表示，而报警电路使用蜂鸣器。总的来说，数字密码锁主要由微处理器模块、记忆模块、
2 键盘模块、声光提示模块和显示模块构成。
微处理器模块，也就是AT89S52单片机，因为本系统要实现密码检测、密码设定、声光提示等功能，要求微处理器必须能提供很多I/O口，而且由于系统体积限制，很难扩展I/O口和使用外部程序存储器，所以选用AT89S52单片机。
记忆模块，AT24C02芯片作为记忆模块的核心部分，作用是存储用户设置的有效开锁密码。由于一片AT24C02拥有256字节存储空间，而本设计中只需要存储8个字节的数据，所以只需要一片AT24C02就已足够了。并且AT24C02是一种非易失性存储器，掉电后数据不会掉失，而且该存储器内数据保存寿命可以保证达到100年以上，功耗低，十分适合本设计使用。
声光提示模块，由发光二极管LED和蜂鸣器组成，由单片机控制。发光二极管LED有绿色和红色两种，绿色LED亮表示密码输入正确，驱动开锁电路；相反，红色LED亮就表示输入密码错误。蜂鸣器采用5V驱动蜂鸣器，作为报警电路。当输入密码错误次数超过3次后就发出声音警报。
显示模块，考虑到友好的人机界面，采用LCD1602液晶显示。显示模块的作用主要是显示提示信息和输入的密码，以方便用户使用。
键盘模块，键盘模块的作用是让用户输入密码和修改密码。考虑到本系统需要用到大量的按键，键盘模块采用4×4的16矩阵键盘模式。
1.1.3 系统的可能性分析
系统工作原理分析：使用AT89S51单片机、4×4矩阵键盘、发光二极管LED、蜂鸣器等。4×4矩阵键盘的按键分别为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、取消、全取消、确定、修改密码、密码初始化还原、返回。系统启动后，开始时LCD1602显示时钟界面，切换到密码锁输入界面后，LCD1602显示“Enter Password”提示输入密码；输入密码时，LCD1602显示输出为“*”，以保证密码的安全性。当密码输入完毕按下确定键时，对输入密码与设定的密码进行比较，若密码正确则LCD1602显示为“Right！”，并驱动开锁电路，绿色发光二极管LED亮；若密码不正确，LCD1602显示为“Error！”，红色发光二极管LED亮；若连续3次输入不正确，则发出警报声同时锁定键盘。
在按下修改密码键时，LCD1602显示“Enter old Key”提示输入旧密码,此时若输入正确的旧密码，则LCD1602显示会有提示输入新密码,在输入新密码后，LCD1602显示会再次提示“再次输入新密码”。若两次输入的新密码不一致，则修改密码失败；一致则成功，并将新密码保存到AT24C02芯片中。在修改密码的过程中，如果一开始输入的旧密码错误LCD1602会显示错误提示，同时系统返回到开始界面。
3 若在“再次输入新密码”的时候输入新密码与前次不一致，则会返回到系统并要求重新输入新密码。修改密码完成后，系统自动储存到AT24C02中，要再次开锁则需要输入正确的新密码。
系统中取消键用于退格，在输入密码时，若输入错误且未按下确定键，按下取消键可以删除刚输入的密码，然后再次输入。
为了防止恶意尝试，系统采用若连续输入3次错误密码则发出报警声，同时锁定键盘。以此提高系统的安全系数，同时也能够保护合法用户的正常使用。若用户忘记了密码，可以按下密码初始化还原键，恢复到最原始的密码。 1.2 单片机AT89S51简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM,32位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
1.2.1 主要性能
◆与MCS-51单片机产品兼容 ◆8K字节在系统可编程Flash存储器 ◆1000次擦写周期 ◆全静态操作：0Hz～33Hz ◆三级加密程序存储器 ◆32个可编程I/O口线 ◆三个16位定时器/计数器 ◆八个中断源
◆全双工UART串行通道 ◆低功耗空闲和掉电模式 ◆掉电后中断可唤醒 ◆看门狗定时器
4