基于51单片机的电子密码锁设计
摘要：本文设计了一种基于单片机的电子密码锁，由单片机系统、矩阵键盘、LED显示和报警系统组成。系统能完成开锁、超次锁定、报警、修改用户密码基本的密码锁的功能。除上述基本的密码锁功能外，还具有掉电存储、声光提示等功能。本密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作、记住密码即可开锁等优点。
关键词：STC89C52；电子密码锁；矩阵键盘
1绪论
1.1 课题背景
随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。
1.2 课题设计目标
本设计采用STC89C52单片机为主控芯片，通过软件程序组成电子密码锁系统，能够实现：
(1) 密码输入错误，蜂鸣器报警。
(2) 密码为6位，可以随意更改，
(3) 采用矩阵按键输入。
(4) 通过LCD1602液晶显示。
(5) 有开锁指示灯。
(6)查阅有关文献与资料，深入学习单片机硬件原理图及软件编程相关知识。
2系统方案论证
系统将从主控部分和密码输入方式两方面进行论证。
2.1 主控部分的选择
方案一：采用数字电路控制
用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警20秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。采用数字电路设计的方案好处就是设计简单但控制的准确性和灵活性差。故不采用。
方案二：采用以单片机为核心的控制方案
选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。利用单片机部的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接液晶显示（LCD），键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，可以看出方案二控制灵活准确性好且性强还具有扩展功能，根据现实生活的需要综合考虑，此次设计采用此方案。
2.2 密码输入方式的选择
方案一：指纹输入识别
指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰，再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。软件从指纹上找到被称为"节点"（minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。这些数据，通常称为模板。通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果，从而判断输入结果的正确与否。考虑到本方案软硬件太过复杂，而且成本也高，故不采用。方案二：矩阵键盘输入识别
由各按键组成的矩阵键盘每条行线和列线都对应一条I/O口线，键位设在行线和列线的交叉点，当一个键按下就会有某一条行线与某一条列线接触，只要确定接触的是哪两条线，即哪两个I/O口线，就可以确定哪一个键被触动。行线设计成上拉口线，初始时被置高电位，列线悬空，初始置低。通过不断读行线口线，或者中断方式触发键位扫描。当发现有键按下，将列线逐一置低，其他列线置高，读行线口线。当某条列线置低时，某条行线也被拉低，则确定这两条线的交点处的按钮被按下。每个按键都可通过程序赋予功能，从而完成密码识别。本方案简单易行，故采用。
3 硬件电路设计
3.1 硬件系统总体电路设计
本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可。系统整体框图如图1所示。
图1 系统结构框图
各模块功能如下：
矩阵键盘输入模块：分为密码输入按键与功能按键，用于完成密码锁输入功能。
显示模块：用于完成对系统状态显示及操作提示功能。
报警电路：用于完成输错密码时候的警报功能。
密码存储模块：用于完成掉电存储功能，使修改的密码断电后仍能保存。
电源模块：用于对系统电路提供+5V的直流电压。
3.2 单片机最小系统模块电路设计
由STC89C52，复位电路，时钟产生电路组成。STC89C52是美国Atmel公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。
