一種基于單片機(jī)和串行EEPROM的智能密碼鎖

1.引言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)的機(jī)械鎖帶來(lái)了巨大的變革，現(xiàn)代的電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一大批如聲控鎖、電子密碼鎖、遙控鎖，指紋鎖等先進(jìn)的鎖具。雖然這類(lèi)產(chǎn)品安全性高,但因其生產(chǎn)成本高,安裝使用不方便,在一定程度上限制了這類(lèi)產(chǎn)品的普及和推廣。本文介紹的是一種基于AT89C51單片機(jī)和AT24C01串行EEPROM的智能密碼鎖的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法，這種電路設(shè)計(jì)具有防試探按鍵輸入、智能控制上鎖、開(kāi)鎖、報(bào)警、修改密碼等多種功能。密碼長(zhǎng)度可變,保密性強(qiáng),靈活性高,外接各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可廣泛用于車(chē)輛、大門(mén)、保險(xiǎn)柜等各種需上鎖的場(chǎng)合。

2.設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)中，智能密碼鎖工作時(shí)分為兩種工作狀態(tài)，分別是正常狀態(tài)和鎖定狀態(tài)。鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出鎖定信號(hào)，供外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用，實(shí)現(xiàn)上鎖功能；正常狀態(tài)時(shí)，鎖定信號(hào)消失，供外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用，實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能。初始密碼存儲(chǔ)在AT24C01中，開(kāi)鎖時(shí)，將從面板上的微鍵盤(pán)輸入的數(shù)字序列與AT24C01中存儲(chǔ)的密碼相比較，如果位數(shù)及每一位上的數(shù)都相吻合，則進(jìn)行開(kāi)鎖動(dòng)作，轉(zhuǎn)入正常狀態(tài)，否則仍將鎖定。

為安全起見(jiàn)，密碼可以進(jìn)行更改。在正常狀態(tài)時(shí)，程序允許用戶(hù)隨時(shí)進(jìn)行密碼修改，密碼長(zhǎng)度和數(shù)字可隨意進(jìn)行組合。

為防止程序“跑飛”等異常情況，本設(shè)計(jì)在軟件中使用了簡(jiǎn)單的“程序陷阱”技術(shù)，根據(jù)實(shí)際需要，可酌情增加“看門(mén)狗”電路。無(wú)論是硬件復(fù)位還是軟件復(fù)位后，自動(dòng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，保證異常情況下的安全。

鎖定狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警功能。如遇非法情況（如車(chē)輛鎖定下仍萬(wàn)一發(fā)生移動(dòng)等，可將這些情況轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖形式輸入），計(jì)數(shù)若干次后報(bào)警（計(jì)數(shù)值可通過(guò)程序調(diào)整）。另外，為防止非法用戶(hù)進(jìn)行惡意多次試探開(kāi)鎖，連續(xù)三次輸錯(cuò)密碼，將進(jìn)行報(bào)警。直至開(kāi)鎖后，所有報(bào)警消失。

3. AT89C51單片機(jī)和AT24C01串行EEPROM及其通訊

AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，內(nèi)置8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元的AT89C51為智能密碼鎖提供了高性?xún)r(jià)比的解決方案。

AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)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(yīng)不同產(chǎn)品的需求。下圖是PDIP封裝的AT89C51引腳圖：

AT24C01是美國(guó)ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它內(nèi)含1288位存儲(chǔ)空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫(xiě)次數(shù)多（大于10000次）、寫(xiě)入速度快（小于10ms）等特點(diǎn)。AT24C01具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)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(kāi)發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I²C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)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(shù)量，降低了互聯(lián)成本。I²C總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主控。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。

I²C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps?？偩€必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)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(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。時(shí)序如下圖：

接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，應(yīng)向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖（應(yīng)答信號(hào)），表示已收到數(shù)據(jù)。時(shí)序如下圖：

在開(kāi)始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類(lèi)型識(shí)別符（不同的芯片類(lèi)型有不同的定義，EEPROM一般應(yīng)為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫(xiě)位，當(dāng)為1時(shí)為讀操作，為0時(shí)為寫(xiě)操作。控制字節(jié)如下圖所示：

AT24C01寫(xiě)操作分為字節(jié)寫(xiě)和頁(yè)面寫(xiě)兩種操作，讀操作分為當(dāng)前地址讀、隨機(jī)讀和順序讀等三種操作，每種讀寫(xiě)操作都有規(guī)定的時(shí)序，可參考AT24C01用戶(hù)手冊(cè)。本系統(tǒng)采用字節(jié)寫(xiě)和隨機(jī)讀兩種操作方式，具體時(shí)序由軟件模擬。

4.硬件連接

AT89C51內(nèi)含4k bytes程序存儲(chǔ)器和128 bytes數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，因此外部無(wú)需擴(kuò)展，節(jié)省了很多I/O口線。

系統(tǒng)輸入部分主要有：“設(shè)置密碼”鍵、“上鎖”鍵、“開(kāi)鎖”鍵、34微鍵盤(pán)陣列（數(shù)字0～9以及“確定”和“取消”鍵）、異常情況下的計(jì)數(shù)脈沖輸入等。系統(tǒng)輸出部分主要是鎖定信號(hào)的輸出和報(bào)警信號(hào)的輸出。

AT89C51與AT24C01的連接，通過(guò)RxD充當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)線SCL，TxD充當(dāng)數(shù)據(jù)線SDA來(lái)實(shí)現(xiàn)，I²C總線的時(shí)序由軟件模擬。由于AT24C01是I²C總線上與CPU相連的唯一的一個(gè)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(shí)現(xiàn)

程序復(fù)位后，先將AT24C01中保存的密碼取出，放入RAM緩沖區(qū)1中暫存，將定時(shí)器、堆棧等進(jìn)行初始化，為報(bào)警系統(tǒng)作好準(zhǔn)備，將RAM緩沖區(qū)2中的密碼初值設(shè)置為和RAM緩沖區(qū)1中的密碼不同，保證程序復(fù)位后比較密碼不會(huì)相同，這時(shí)，進(jìn)入RAM緩沖區(qū)1和RAM緩沖區(qū)2的密碼比較程序，只有當(dāng)兩者位數(shù)相同而且每一位數(shù)字都相同時(shí)，執(zhí)行開(kāi)鎖動(dòng)作、輸出開(kāi)鎖信號(hào)、進(jìn)入正常狀態(tài)，否則執(zhí)行上鎖動(dòng)作、輸出上鎖信號(hào)、進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在正常狀態(tài)時(shí)，可以進(jìn)行重新設(shè)置密碼、上鎖等操作，重新設(shè)置密碼時(shí)，首先驗(yàn)證原始密碼，如相同則可進(jìn)行密碼更改，然后將新密碼保存至AT24C01中，同時(shí)更新RAM緩沖區(qū)1。在鎖定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)等待用戶(hù)開(kāi)鎖，如發(fā)現(xiàn)用戶(hù)按下“開(kāi)鎖”鍵，則讀入從微鍵盤(pán)輸入的數(shù)字序列，用其更新RAM緩沖區(qū)2，轉(zhuǎn)入密碼比較程序，如密碼相同則開(kāi)鎖，否則繼續(xù)等待用戶(hù)開(kāi)鎖，為防止非法用戶(hù)惡意多次試探密碼，可在程序中設(shè)置當(dāng)連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤密碼后自動(dòng)報(bào)警，直至開(kāi)鎖后解除。

報(bào)警系統(tǒng)由AT89C51內(nèi)置的定時(shí)/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，鎖定狀態(tài)時(shí)開(kāi)啟，正常狀態(tài)時(shí)關(guān)閉。如遇異常情況，如車(chē)輛鎖定下仍萬(wàn)一發(fā)生移動(dòng)、門(mén)鎖定下仍被強(qiáng)行打開(kāi)等，可將這些情況轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)脈沖形式輸入，計(jì)數(shù)若干次后報(bào)警，計(jì)數(shù)值可通過(guò)程序調(diào)整。

按鍵和微鍵盤(pán)的“去抖”，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用軟件延時(shí)的方法。為防止程序“跑飛”等異常情況，在軟件中使用簡(jiǎn)單的“程序陷阱”技術(shù)，即在多余程序空間內(nèi)設(shè)置一些長(zhǎng)轉(zhuǎn)移指令LJMP 0000H，進(jìn)行程序復(fù)位。

程序流程圖如下：

6.總結(jié)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):采用串行EEPROM保存密碼，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)密碼鎖的控制功能，克服了機(jī)械密碼鎖密碼量少，安全性差的缺點(diǎn)，具有更高的安全性、可靠性。本設(shè)計(jì)中，輸入采用34微鍵盤(pán)陣列，根據(jù)需要，可將其改為與電子表更改時(shí)間類(lèi)似的裝置。另外，可以與PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)施遠(yuǎn)距離監(jiān)控、報(bào)警等功能，可廣泛用于樓宇智能系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文濤，MCS-51單片機(jī)培訓(xùn)教程，電子工業(yè)出版社，2005.8

[2]鄔寬明，單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)，北京航空航天大學(xué)出版社，1998.12

[3]趙曉玲，單片機(jī)在指紋保險(xiǎn)柜中的應(yīng)用[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2006.7-2：134-136