一种基于单片机和串行EEPROM的智能密码锁

1.引言

电子技术的飞速发展，给传统的机械锁带来了巨大的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批如声控锁、电子密码锁、遥控锁，指纹锁等先进的锁具。虽然这类产品安全性高,但因其生产成本高,安装使用不方便,在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。本文介绍的是一种基于AT89C51单片机和AT24C01串行EEPROM的智能密码锁的硬件设计和软件实现方法，这种电路设计具有防试探按键输入、智能控制上锁、开锁、报警、修改密码等多种功能。密码长度可变,保密性强,灵活性高,外接各种执行机构，可广泛用于车辆、大门、保险柜等各种需上锁的场合。

2.设计思路

本设计中，智能密码锁工作时分为两种工作状态，分别是正常状态和锁定状态。锁定状态时，输出锁定信号，供外部执行机构使用，实现上锁功能；正常状态时，锁定信号消失，供外部执行机构使用，实现开锁功能。初始密码存储在AT24C01中，开锁时，将从面板上的微键盘输入的数字序列与AT24C01中存储的密码相比较，如果位数及每一位上的数都相吻合，则进行开锁动作，转入正常状态，否则仍将锁定。

为安全起见，密码可以进行更改。在正常状态时，程序允许用户随时进行密码修改，密码长度和数字可随意进行组合。

为防止程序“跑飞”等异常情况，本设计在软件中使用了简单的“程序陷阱”技术，根据实际需要，可酌情增加“看门狗”电路。无论是硬件复位还是软件复位后，自动进入锁定状态，保证异常情况下的安全。

锁定状态时，自动开启报警功能。如遇非法情况（如车辆锁定下仍万一发生移动等，可将这些情况转换为计数脉冲形式输入），计数若干次后报警（计数值可通过程序调整）。另外，为防止非法用户进行恶意多次试探开锁，连续三次输错密码，将进行报警。直至开锁后，所有报警消失。

3. AT89C51单片机和AT24C01串行EEPROM及其通讯

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，内置8位中央处理器和Flash存储单元的AT89C51为智能密码锁提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。下图是PDIP封装的AT89C51引脚图：

AT24C01是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它内含128×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C01具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。下图是PDIP封装的AT24C01引脚图：

AT24C01与外部通讯采用I²C总线。I²C(Inter－Integrated  Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I²C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I²C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。I²C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

I²C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。时序如下图：

接收数据的IC在接收到8bit数据后，应向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲（应答信号），表示已收到数据。时序如下图：

在开始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。控制字节如下图所示：

AT24C01写操作分为字节写和页面写两种操作，读操作分为当前地址读、随机读和顺序读等三种操作，每种读写操作都有规定的时序，可参考AT24C01用户手册。本系统采用字节写和随机读两种操作方式，具体时序由软件模拟。

4.硬件连接

AT89C51内含4k bytes程序存储器和128 bytes数据存储器，可以满足设计需要，因此外部无需扩展，节省了很多I/O口线。

系统输入部分主要有：“设置密码”键、“上锁”键、“开锁”键、3×4微键盘阵列（数字0～9以及“确定”和“取消”键）、异常情况下的计数脉冲输入等。系统输出部分主要是锁定信号的输出和报警信号的输出。

AT89C51与AT24C01的连接，通过RxD充当时钟信号线SCL，TxD充当数据线SDA来实现，I²C总线的时序由软件模拟。由于AT24C01是I²C总线上与CPU相连的唯一的一个芯片，因此可将AT24C01的地址置为000，即将A0、A1、A2接地。

具体硬件连接图如下：

5.软件实现

程序复位后，先将AT24C01中保存的密码取出，放入RAM缓冲区1中暂存，将定时器、堆栈等进行初始化，为报警系统作好准备，将RAM缓冲区2中的密码初值设置为和RAM缓冲区1中的密码不同，保证程序复位后比较密码不会相同，这时，进入RAM缓冲区1和RAM缓冲区2的密码比较程序，只有当两者位数相同而且每一位数字都相同时，执行开锁动作、输出开锁信号、进入正常状态，否则执行上锁动作、输出上锁信号、进入锁定状态。在正常状态时，可以进行重新设置密码、上锁等操作，重新设置密码时，首先验证原始密码，如相同则可进行密码更改，然后将新密码保存至AT24C01中，同时更新RAM缓冲区1。在锁定状态时，系统启动报警功能，同时等待用户开锁，如发现用户按下“开锁”键，则读入从微键盘输入的数字序列，用其更新RAM缓冲区2，转入密码比较程序，如密码相同则开锁，否则继续等待用户开锁，为防止非法用户恶意多次试探密码，可在程序中设置当连续三次输入错误密码后自动报警，直至开锁后解除。

报警系统由AT89C51内置的定时/计数器实现，锁定状态时开启，正常状态时关闭。如遇异常情况，如车辆锁定下仍万一发生移动、门锁定下仍被强行打开等，可将这些情况转换为计数脉冲形式输入，计数若干次后报警，计数值可通过程序调整。

按键和微键盘的“去抖”，为简单起见，采用软件延时的方法。为防止程序“跑飞”等异常情况，在软件中使用简单的“程序陷阱”技术，即在多余程序空间内设置一些长转移指令LJMP 0000H，进行程序复位。

程序流程图如下：

6.总结

本文作者创新点:采用串行EEPROM保存密码，用单片机实现密码锁的控制功能，克服了机械密码锁密码量少，安全性差的缺点，具有更高的安全性、可靠性。本设计中，输入采用3×4微键盘阵列，根据需要，可将其改为与电子表更改时间类似的装置。另外，可以与PC机联网，实施远距离监控、报警等功能，可广泛用于楼宇智能系统中。

参考文献

[1]刘文涛，MCS-51单片机培训教程，电子工业出版社，2005.8

[2]邬宽明，单片机外围器件实用手册，北京航空航天大学出版社，1998.12

[3]赵晓玲，单片机在指纹保险柜中的应用[J]，微计算机信息，2006.7-2：134-136