李凯丽+樊建强
【摘要】 本论文采用AT89S51单片机作为主控芯片，密码程序采用C51语言实现，使用3-8译码器和数码管相互结合实现密码显示。数码管以“-”实时显示当前输入密码个数。密码输入正确正常显示，表示密码正确指示灯亮；密码输入错误时，表示密码错误指示灯亮，继而蜂鸣器发出警报声进行报警。
【关键词】 AT89S51单片机 C51语言 3-8译码器 数码管
引言
传统锁在安全方面有很多隐患，为了保证人们的生命财产安全，提高锁的安全等级非常必要，现如今越来越多的人开始应用安全信息系统，在财产安全、隐私保护、机密保护等方面的需求非常迫切。
在此我们研究了电子密码锁，电子密码锁种类繁多，既有简单的电路控制产品，又有复杂基于芯片的控制部分和外围电路部分、机械部分等性价比高的产品。随着电子技术的更新换代，电子锁具的发展也异常迅速[1]，我们可以结合各种电子密码锁开锁信息，对研究电子密码锁产品的多样化发展具有非常重大的意义。
一、设计方案选择
电子密码锁设计的主控芯片使用单片机，硬件电路还包括数码管显示模块、声光报警模块、键盘扫描模块等，为了能够将电子锁的相关作用充分发挥出来，需要实现以下功能。
（1）使用数字键盘实现密码输入。当按键顺序与设计值相符合，并且字符数相等时，可以将锁打开。
（2）键盘锁定和报警。首次密码输入错误，数码管显示错误提示，密码输入次数超过
设定次数，蜂鸣器报警的同时锁定键盘。
（3）输入密码功能。当按下一位数字键时，最右边的数码管显示一个“-”，同时将已
经输入的所有“-”依次向左移动一位。
（4）清除密码功能。按下清除键时清除输入的所有值并清除所有显示。
二、基于51单片机的电子密码锁硬件电路设计
通过对电子密码锁进行研究，在此选择AT89S51 单片机作为主控模块、使用4×4 键盘输入密码、采用74LS47、74LS138 和三极管设计显示模块与声光报警模块。电子密码锁的硬件电路设计系统框图如图1所示。
基于51单片机的电子密码锁硬件电路主要利用键盘对各个模块进行扫描，在完成数据显示同时也能对密码进行修改，通过扫描相应模块来完成输入工作。在完成输入工作后，显示模块能够为我们提供所需数据，然后利用声光报警系统对密码输入情况进行判别：红灯为正确；绿灯及声音为错误。本文所设计的基于51单片机的电子密码锁硬件电路包括四部分，分别为扫描模块、控制模块、显示模块以及报警系统。
2.1键盘扫描模块电路设计
扫描模块主要是对键盘扫描模块电路进行设计，通过4×4 扫描键盘对按键及按键位置进行判别。在按键后，按键位置的行线及列线能够接头，使得开关之间接通。在电路中扫描到按键后，及时对其使用软件进行抖动，利用软件计算时间的延迟，进而得以错过抖动时间，完成输入。
2.2单片机控制模块电路设计
控制部分选择AT89S51单片机控制模块来完成，单片机能够在该系统中完成显示、报警等一系列的功能，采用的芯片属于直插式的集成电路[2]，有4 个八位的并行双向I/O 端口，分别记作P0、P1、P2、P3。第20 引脚为接地端；第40引脚为电源端；第31 引脚通过接高电位来选择合理的存储设施；第18、19 脚处连接晶振（工作频率为12MHz），其主要作用是产生时钟信号；第9 脚为复位脚，该处接通高电位时，能够中断单片机的运行状态。P0 口连接的是声光报警器， P2 口连接译码器通过动态扫描来实现数码管的驱动，该译码器可以同时驱动六个数码管，P1 口与16 个阵列式按键相连实现对键盘的扫描。我们利用编程来实现数码管的驱动及数据显示，然后，在设置相关的一些指令来实现数码管的动态显示及报警提示等[3]。
2.3声光报警模块电路设计
当按下开锁指令后，数码管会显示相应的数组，当数字相等指示灯颜色显示绿色，输入正确；反之，数值与密码不符，指示灯颜色显示红色，并且会触发蜂鸣器的反应。
2.4数码显示模块电路设计
图2是数码显示模块，它包括74LS47、74LS138两个译码器及6个8段数码显示管。系统中的数据由编码器传送，然后该数据会分别由两个不同的译码器进行译码，再利用显示管将数据分别显示出来[4]。
在该系统设计当中，P2口低4位连接74LS47译码器，然后根据译码器的属性选择数码管，在此选择共阳极数码管类型的七段译码器。AT89S51通过不同接口输出的相应数据[5]，在经过译码器处理后能显示出不同数字，需要注意的是，译码器与数码管之间还应当设置限流电阻，避免电流过大时数码管出现损坏现象。P2.4-P2.6 口接于74LS138译码器的三个输入端，这个译码器的输出端连接在公共极上，利用三极管与数码管来实现。然后根据不同端口输出量对译码器进行控制，通过译码器点亮相应的数码管，三极管在该系统中能起到控制的功能，通过芯片来对数码管进行动态的扫描显示。
三、系统软件部分设计
电子密码锁系统中密码程序使用Keil uVision4软件进行程序编写，电路采用Proteus Professional V7.5 SP3进行仿真。
具体操作流程如下，通过扫描键盘对系统中的各项功能进行控制，对于系统的初始密码设置来说，我们可以利用数码管来完成显示，然后通过按键进行输入，并且在键盘中，我们还可以设置3个按键来对密码进行修改、显示以及开锁功能进行操作[6]。当操作人员按下开锁按钮以后，数码管的显示数值同设计值相同时，绿灯亮；反之，红灯亮，蜂鸣器发出声响，触动报警装置。
当单片机复位以后，系统会启动初始化，将初始密码存放到设定的几个单元当中（40H～45H），然后重新选择六个单元（30H～35）存储数码管的数据，在设置完成后，系统开始自检，当自检完成以后启动扫描程序，对键盘开始扫描，当键盘中的按键触发相应程序后，能够将后设置的密码数据显示到数码管中。数码管显示完成后可以重复启动子程序扫描键盘，该过程循环进行。
四、 电子密码锁硬件电路测试分析
4.1 硬件电路测试
数码管在程序启动后显示“------”，等待输入密码。输入密码后，F会逐渐左移，一旦密码错误操作人员按“clr”键能够对已输入的密码进行清除，重新进行输入。
密码正确后，数码管显示“PASS”， 如图3所示，并且LED灯显示绿色，电路自动完成开锁开始运行。
如果密码错误，数码管会显示 “ERROR1”，如图4所示，密码连续输入三次错误后，系统的报警系统会自动触发，LED灯显示绿色，并且蜂鸣器开始发声报警，然后键盘自动锁死，停止相关操作。找到键盘中的“lock”键来对密码锁进行锁定。数码管恢复初始“------”，黄色指示灯亮起。
4.2系统在仿真调试可能存在问题及处理措施分析
当操作人员没有输入密码或密码输入位数不够时按下“enter”键，数码管界面为 “false”，导致不能正常返回初始界面。解决办法：“enter”键跳转时，跳转到开始即可。
当操作人员输入正确密码并按下确认键，数码管会输出通过指令，如果操作人员继续操作按下“clr”键，屏幕上显示“ERROR1”，触发系统的报警装置，同时数码管不能继续工作。产生这种现象的主要原因是由于跳转故障，我们可以添加一个标志帮助数码管正常工作。
如果系统处于运行状态中，用户开启密码锁后重新对其进行上锁，在完成相关操作后，该系统能够完成上锁指令，但是在上锁前系统的报警装置自动启动，数码管显示的是密码错误指令。产生这种故障的主要原因是由于系统的运行速度快，造成键盘的按键恢复不及时，扫描系统会重新对按键进行检测，“lock”的重复操作会造成系统运行出现故障。针对这种现象，我们可以在完成按键后，等待一段时间，当按键恢复后，再执行相关的指令。
五、结论
本次设计的基于51单片机的电子密码锁硬件电路中采用AT89S51单片机作为主控芯片，密码程序采用C51语言实现，使用3-8译码器和数码管，相互结合实现密码显示。数码管可以实时显示当前输入密码个数。密码输入正确正常显示，表示密码正确的指示灯变亮；密码输入错误时，表示密码错误的指示灯变亮，且蜂鸣器发出声音进行报警。该电子密码锁运行安全可靠，维护方便。
参 考 文 献
[1] 李力.《双处理器控制数字化焊接电源单片机系统》[M].天津：天津大学出版社， 2007：18-21.
[2] 周润景，张丽娜，丁莉.基于Proteus的电路及单片机设计与仿真（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003： 49-51
[3] 李广第等.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001：03-06.
[4] V.Yu. Teplov，A. V. Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect[J] ，2002 .
[5] Yeager Brent.How to troubleshoot your electronic scale[J]. Powder and Bulk Engineering. 1995 .
[6] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. 2001 .
