1、-. z. 題目：電子密碼鎖設(shè)計(jì) 院系：信院電子系班級(jí)：10電信一班 ：田壯壯*：100102085電子密碼鎖市場(chǎng)調(diào)查 1 電子密碼鎖概述 電子密碼鎖是一種通過(guò)密碼輸入來(lái)控制電路或是芯片工作，從而控制機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合，完成開(kāi)鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。它的種類很多，有簡(jiǎn)易的電路產(chǎn)品，也有基于芯片的性價(jià)比較高的產(chǎn)品。現(xiàn)在應(yīng)用較廣的電子密碼鎖是以芯片為核心，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其性能和安全性已大大超過(guò)了機(jī)械鎖。其特點(diǎn)如下：1) 性好，編碼量多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈子鎖。隨機(jī)開(kāi)鎖成功率幾乎為零。2) 密碼可變，用戶可以隨時(shí)更改密碼，防止密碼被盜，同時(shí)也可以避免因人員的更替而使鎖的下降。3) 誤碼輸入保護(hù)，當(dāng)輸入密碼多

2、次錯(cuò)誤時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。4) 無(wú)活動(dòng)零件，不會(huì)磨損，壽命長(zhǎng)。5) 使用靈活性好，不像機(jī)械鎖必須佩帶鑰匙才能開(kāi)鎖。6) 電子密碼鎖操作簡(jiǎn)單易行，一學(xué)即會(huì)。2 電子密碼鎖的發(fā)展趨勢(shì)在日常生活和工作中，住宅與部門的安全防、單位的文件檔案、財(cái)務(wù)報(bào)表以及一些個(gè)人資料的保存多以加鎖的辦法來(lái)解決。目前門鎖主要用彈子鎖，其鑰匙容易丟失；保險(xiǎn)箱主要用機(jī)械密碼鎖，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造精度要求高，成本高，且易出現(xiàn)故障，人們常需攜帶多把鑰匙，使用極不方便，且鑰匙丟失后安全性即大打折扣。針對(duì)這些鎖具給人們帶來(lái)的不便若使用機(jī)械式鑰匙開(kāi)鎖，為滿足人們對(duì)鎖的使用要求，增加其安全性，用密碼代替鑰匙的密碼鎖應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)

3、為人們的生活帶來(lái)了很大的方便，有很廣闊的市場(chǎng)前景。 出于安全、方便等方面的需要許多電子密碼鎖已相繼問(wèn)世。但這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是針對(duì)特定有效卡、指紋或聲音有效，且不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，只能適用于要求高且供個(gè)人使用的箱、柜、房間等。由于數(shù)字、字符、圖形圖像、人體生征和時(shí)間等要素均可成為鑰匙的電子信息，組合使用這些信息能夠使電子防盜鎖獲得高度的性，如防森嚴(yán)的金庫(kù)，需要使用復(fù)合信息密碼的電子防盜鎖，這樣對(duì)盜賊而言是道高一尺、魔高一丈”。組合使用信息也能夠使電子防盜鎖獲得無(wú)窮擴(kuò)展的可能，使產(chǎn)品多樣化，對(duì)用戶而言是千挑百選、自得其所”。可以看出組合使用電子信息是電子密碼鎖以后發(fā)展的趨勢(shì) 。經(jīng)過(guò)對(duì)目前國(guó)外市場(chǎng)上各種

4、密碼鎖的研究發(fā)現(xiàn)它們都有自己的優(yōu)點(diǎn)及缺陷：一、機(jī)械式密碼鎖。最早期的密碼鎖，它抗干擾能力強(qiáng)，成本低，但是在安全性上，不能避免非法用戶的多次嘗試，輸入密碼極不方便，而且密碼量也少。二、固定鍵盤式密碼鎖。此類密碼鎖為鍵盤輸入密碼，一般密碼位數(shù)可設(shè)定，它的密碼量相對(duì)機(jī)械密碼鎖大大增強(qiáng)，但是此類密碼鎖在輸入密碼時(shí)暴露在外的鍵盤很容易泄露密碼。下圖是一個(gè)固定鍵盤式密碼鎖（無(wú)顯示設(shè)置），可用于更衣柜，小型門。市場(chǎng)價(jià)為60元/套。三、紅外遙控電子密碼鎖。在日常生活中紅外線遙控技術(shù)出現(xiàn)已經(jīng)極其普遍，而紅外遙控技術(shù)與密碼技術(shù)相結(jié)合的電子密碼鎖也比較常見(jiàn)。然而紅外線遙控需要在一定圍，所以它的缺點(diǎn)在與距離和是否被干

5、擾方面。四、其它密碼鎖。上述幾種密碼鎖為典型的幾種密碼鎖，除此之外還有如磁卡式密碼鎖，指紋式密碼鎖等。磁卡密碼鎖使用較為方便，但容易折損，它對(duì)環(huán)境的要求，使得使用者必須小心翼翼。指紋式密碼鎖安全性高，具有唯一性指紋鑒別，但是成本也高，不具有普片實(shí)用性。下圖是一個(gè)多功能密碼鎖，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械、密碼輸入、磁卡感應(yīng)三種開(kāi)鎖方式。但是縱觀市場(chǎng)前景第二種固定鍵盤式密碼鎖更具有潛力，因?yàn)樗啾扔诘谝环N安全性大提高、操作起來(lái)也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。雖然紅外遙控密碼鎖和其他更加先進(jìn)的密碼鎖在技術(shù)上更高級(jí)，但是相應(yīng)的成本也提高了很多，價(jià)錢差距很明顯，產(chǎn)品普及性不強(qiáng)市場(chǎng)前景不具優(yōu)勢(shì)。而且紅外遙控式只能短距離控制，固定鍵盤

6、式密碼鎖只要在操作時(shí)稍微用手遮掩，就可以避免密碼的泄露，并且價(jià)格優(yōu)勢(shì)十分明顯。3 電子密碼鎖市場(chǎng)行情3.1市場(chǎng)狀況分析及預(yù)測(cè)根據(jù)市場(chǎng)狀況分析及預(yù)測(cè)圖看出電子密碼鎖，在今后的幾年中需求量將有一個(gè)大幅度的上升，有很廣闊的市場(chǎng)前景，是投資者的首選。3.2市場(chǎng)價(jià)格分析及預(yù)測(cè)根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格分析及預(yù)測(cè)圖可以看出在電子密碼鎖價(jià)格在2012年有一個(gè)幅度的下降，后將穩(wěn)固回升，故投資者應(yīng)避過(guò)價(jià)格下降這一階段。4 元器件價(jià)格調(diào)查通過(guò)網(wǎng)上查詢得到每種元件的價(jià)格如下：元器件單片機(jī)數(shù)碼管鍵盤電阻電容發(fā)光二極管類型AT89C51 四位4*4數(shù)量 1 2 1 20 4 1價(jià)格18/個(gè) 2/個(gè) 4.8/個(gè)6.8/包1/包0.08

7、/個(gè)電子密碼鎖設(shè)計(jì)方案論證1設(shè)計(jì)要求其主要具有如下功能：(1) 設(shè)置6位密碼，密碼通過(guò)鍵盤輸入，若密碼正確，則將鎖打開(kāi)。(2) 密碼可以由用戶自己修改設(shè)定（只支持6位密碼），鎖打開(kāi)后才能修改密碼。修改密碼之前必須再次輸入密碼，在輸入新密碼時(shí)候需要二次確認(rèn)，以防止誤操作。(3) 報(bào)警、鎖定鍵盤功能。密碼輸入錯(cuò)誤數(shù)碼顯示器會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，若密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò)3次，蜂鳴器報(bào)警并且鎖定鍵盤。(4)密碼清除功能：當(dāng)按下清除鍵時(shí)，清除前面輸入的所有值，并清除所有顯示。(5)開(kāi)鎖功能：當(dāng)按下開(kāi)鎖鍵，系統(tǒng)將輸入與密碼進(jìn)行檢查核對(duì)，如果正確鎖打開(kāi)，否則不打開(kāi)。2 設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)采用的芯片大體如下，可見(jiàn)芯片簡(jiǎn)單

8、、價(jià)格低廉。所實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)齊全，密碼重置、多次密碼錯(cuò)誤報(bào)警、開(kāi)鎖關(guān)鎖顯示提示。顯而易見(jiàn)的絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)就是這款密碼鎖的價(jià)格十分低廉。系統(tǒng)工作原理分析：使用AT59C51單片機(jī)、44矩陣鍵盤、LED、蜂鳴器等。矩陣鍵盤分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、CLE、Enter、MODIFY。系統(tǒng)開(kāi)始顯示INPUT”提示輸入密碼；輸入密碼時(shí)，LED顯示電路顯示為-”，當(dāng)密碼輸入完畢按下Enter鍵時(shí)，對(duì)輸入密碼與設(shè)定的密碼進(jìn)行比較，若密碼正確則LED顯示電路顯示為PASS”提示鎖打開(kāi)；若密碼不正確，LED顯示電路顯示提示ERROR”，若連續(xù)3次輸入不正確，則發(fā)出警報(bào)聲同時(shí)鎖定鍵盤。在輸入正

9、確密碼后，按下修改鍵時(shí)，LED顯示電路顯示old”提示輸入舊密碼”，此時(shí)輸入正確的舊密碼，則顯示電路會(huì)有提示輸入新密碼在輸入新密碼后，顯示電路會(huì)再次提示再次輸入新密碼”若兩次輸入密碼不一致，則修改密碼失敗，一致則成功。在修改密碼的過(guò)程中，如果一開(kāi)始輸入的舊密碼錯(cuò)誤顯示電路會(huì)顯示提示，同時(shí)系統(tǒng)返回到開(kāi)始。若在再次輸入新密碼”的時(shí)候輸入新密碼與前次不一致，則會(huì)返回到系統(tǒng)開(kāi)始。修改密碼完成后，系統(tǒng)自動(dòng)清零上鎖。要再次開(kāi)鎖則需要輸入正確的密碼。 系統(tǒng)中CEL鍵用于退格，在輸入密碼時(shí)，若輸入錯(cuò)誤且未按下Enter鍵，按下CLE可以刪除剛輸入的密碼，然后再次輸入。 為了防止惡意嘗試，系統(tǒng)才用若連續(xù)輸入3次

10、錯(cuò)誤密碼則發(fā)出報(bào)警聲，且鎖定鍵盤，可以提高系統(tǒng)的安全系數(shù)，同時(shí)也能夠保護(hù)合法用戶的正常使用。 電 源 AT89C51數(shù)碼管蜂鳴器LED44鍵盤復(fù)位電路 圖1 密碼鎖的整體框圖3 元器件選擇3.1主控芯片AT59C51AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)序存器（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)，片置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲(chǔ)單元，AT89C51單片機(jī)為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活行高且

11、價(jià)廉的方案。其特點(diǎn)如下： 4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫/擦循環(huán)) 全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128*8位部RAM 32條可編程I/O線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片振蕩器和時(shí)鐘電路 圖2 AT59C51單片機(jī)3.2震蕩電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為12MHZ，電容選擇30pF，如下圖*TAL1是反向振蕩放大器的輸入及部時(shí)鐘工作電路的輸入，*TAL2是來(lái)自反向振蕩器的輸出。經(jīng)計(jì)算得單片機(jī)工作機(jī)器周期為：12（112M）=1us。 圖3 震蕩電路3.3鍵盤電路設(shè)計(jì)如圖4所示，本系統(tǒng)采用44矩陣鍵盤，16個(gè)

12、按鍵分為輸入數(shù)字鍵：*、0、#、1、2、3、4、5、6、7、8、9；功能鍵lock、modify、cel、Enter。使用P2口接收鍵盤的中斷，矩陣鍵盤電路連接如下。 使用P2口接收鍵盤的中斷，當(dāng)無(wú)按鍵閉合時(shí)，P2.0-P2.3與P2.4-P2.7之間開(kāi)路。當(dāng)有鍵閉合時(shí)，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。 判斷有無(wú)按鍵按下的方法是： 第一步，置列線P2.4-P2.7為輸入狀態(tài)，從行線P2.0-P2.3輸出低電平，讀入列線數(shù)據(jù)，若*一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。 第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P2.4-P2.7讀入數(shù)據(jù)，若有*一列為低電平，則對(duì)應(yīng)行線上有鍵按下。 綜合一二兩步的結(jié)果

13、，可確定按鍵編號(hào)。 但是鍵閉合一次只能進(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會(huì)連續(xù)多次進(jìn)行同樣的鍵操作。矩陣鍵盤電路連接如下圖所示： 圖4 4*4矩陣鍵盤電路3.4顯示電路由于由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的直流電流不夠，數(shù)碼管亮度顯得不足，所以加上三極管S9013用以放大電流 ，使用的9013的放大倍數(shù)為100。因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼管合適的驅(qū)動(dòng)電流大約為9mA到20mA左右,為了適LED數(shù)碼管工作電流在10mA左右，具體計(jì)算如下：Ib=(5V-1.4V-0.7V)/27K=0.110-3A Ie= Ib(+1)=10 mA圖5 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)放大電路 圖6 四位8數(shù)碼管

14、本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)4位8段共陰極數(shù)碼管，當(dāng)從鍵盤處輸入密碼時(shí)主控芯片單片機(jī)就會(huì)控制相應(yīng)的引腳輸出高電平，再經(jīng)過(guò)三極管放大輸出10mA左右電流就能選通相應(yīng)的數(shù)碼管。具體是P3口輸出高電平用于控制四位數(shù)碼管的外部選碼引腳作為選擇此刻哪一個(gè)數(shù)碼管被選通，然后有P1口與數(shù)碼管的af連接，低電平有效。眾所周知雖然數(shù)碼管不易顯示復(fù)雜的符號(hào)和圖形，但是價(jià)格十分低廉。市場(chǎng)上有小液晶顯示屏其功能強(qiáng)大能顯示字母漢字，但對(duì)于本設(shè)計(jì)中只需要顯示數(shù)字，所以采用便宜的八段數(shù)碼管就能滿足需求。使用P1口驅(qū)動(dòng)8段數(shù)碼管具體電路設(shè)計(jì)如下圖： 圖7 顯示電路3.5發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管的主要作用是顯示電路的工作狀態(tài)：當(dāng)有輸入密碼

15、的操作時(shí)LED燈亮，當(dāng)無(wú)輸入操作時(shí)LED處于關(guān)閉狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中將發(fā)光二極管與P0.0相連，所以電路中要有上拉電阻，電阻值為1K。另外LED發(fā)光二極管的壓降一般為1.52.0 V，其工作電流一般取1020 mA為宜，所以要加電阻R3進(jìn)行降壓和限流。一般對(duì)LED發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)采用的限流的電阻都要比采用10mA計(jì)算出的大，常用的典型值為470歐。R3=(5V-1.5V)/10mA=350歐。 其電路設(shè)計(jì)如下圖： 圖 8 3.6電動(dòng)鎖其原理是當(dāng)鐵芯上的繞線有電流通過(guò)時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)其上部有拉力的作用實(shí)現(xiàn)關(guān)鎖、開(kāi)鎖。使用P0.2端口驅(qū)動(dòng)控制，需要上拉電阻。 圖 9 電動(dòng)鎖3.7 蜂鳴報(bào)警器密碼鎖的報(bào)

16、警部分由這部分電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)輸入的密碼三次錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)報(bào)警，使用P0.3口驅(qū)動(dòng)。喇叭選擇功率為5W的普通的一種，一則其功率不大發(fā)熱量小，二則普通的價(jià)格低。因?yàn)槭鞘褂肞0口驅(qū)動(dòng)的所以電路設(shè)計(jì)上要加上拉電阻，阻值為1K，但蜂鳴器屬于較大功率的器件，不易驅(qū)動(dòng)所以要經(jīng)過(guò)三極管965放大然后實(shí)現(xiàn)其功能。具體電路設(shè)計(jì)如下： 圖10 報(bào)警電路3.8完整電路圖整體設(shè)計(jì)由AT89C51作為主控芯片，外圍的復(fù)位電路和晶振電路是最基本的外部組成部分。顯示部分和鍵盤輸入部分采用市場(chǎng)上常見(jiàn)到的數(shù)碼管和4*4矩陣鍵盤，購(gòu)買方便。此外還有報(bào)警、LED提示燈的連接，需要考慮到其工作的穩(wěn)定性。典型的機(jī)械部分就是電動(dòng)鎖。圖11 整體

17、電路圖3.9 使用到的元器件列表元器件規(guī)格/型號(hào)數(shù)量四位八段共陰數(shù)碼管3461AFR1-B101四位八段共陰數(shù)碼管SR420361三極管SR90138三極管S9651電阻27k8電阻10k電阻1k4電解電容0.47uF/50V1瓷片電容30pF2單片機(jī)AT89C511發(fā)光二極管LED1單片機(jī)AT89C511 表 14 軟件程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序部分使用C語(yǔ)言編寫，C語(yǔ)言是一種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)潔明了、可移植性高。主要完成，開(kāi)始時(shí)數(shù)碼管顯示提示INPUT”輸入密碼。輸入密碼后按下確認(rèn)鍵，系統(tǒng)會(huì)將所輸入與系統(tǒng)密碼進(jìn)行比對(duì)。若輸入密碼正確則顯示PASS”開(kāi)鎖。然后可以選擇上鎖或者修改密碼。開(kāi)鎖后，按下上鎖LOCK”鍵，系統(tǒng)上鎖并返回；選擇修改密碼則可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改密碼操作。在修改密碼前要輸入正確舊的密碼。正確輸入舊密碼之后，會(huì)有提示輸入兩次新密碼，若兩次密碼一致，則修改成功。期間操作出現(xiàn)失誤，系統(tǒng)會(huì)返回初始狀態(tài)，操作錯(cuò)誤超過(guò)3次，系統(tǒng)會(huì)鎖定鍵盤，并報(bào)警用以防止惡意試探密碼。總 結(jié)通過(guò)這次電子密碼鎖設(shè)計(jì)，讓我復(fù)習(xí)了很多學(xué)過(guò)的舊知識(shí)，同時(shí)鍛煉了自己的動(dòng)手能力和查閱資料。尤其是解決在實(shí)際中解決排查問(wèn)題的能力。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，我熟悉了使用Protel的技巧，學(xué)會(huì)了制作電路板的一些技巧，并且熟悉了如何