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一、系统设计背景与核心目标

在安全防护领域，密码锁是保障私密空间安全的重要装置。相较于传统机械锁，电子密码锁通过数字验证提升了安全性，且密码可灵活修改。四位密码锁因操作简便、安全性适中，广泛应用于储物柜、小型保险箱等场景。8086 微处理器具备稳定的逻辑控制能力和接口扩展能力，适合设计一套支持密码验证、修改及错误报警的四位密码锁系统，满足基础安全防护需求。
本系统核心目标是：以 8086 微处理器为控制核心，设计一套四位密码锁仿真控制系统，实现 4 位数字密码（0-9）的输入、验证、修改功能，支持连续 3 次错误输入触发报警（蜂鸣器 + LED 闪烁），通过数码管显示输入状态和系统提示。通过仿真验证密码验证的准确性（100% 正确识别）、响应速度（≤100ms）及报警逻辑的可靠性，为低安全等级场景提供实用的密码防护方案。

二、系统整体架构规划

系统采用 “输入模块 - 核心控制 - 存储模块 - 输出模块” 的架构，以 8086 微处理器为核心协调各模块工作。
输入模块由 4×4 矩阵按键组成，包含 0-9 数字键、“确认” 键、“删除” 键和 “修改密码” 键，用于接收用户的密码输入和功能指令。核心控制模块负责解析输入信号、执行密码验证与修改逻辑，并协调各模块工作。
存储模块采用 EEPROM（电可擦除只读存储器），用于掉电保存当前密码，确保密码修改后长期有效。输出模块包括 4 位数码管（显示输入反馈和状态信息）、蜂鸣器（报警提示）和双色 LED（绿色表示成功，红色表示错误）。系统通过 “输入 - 验证 - 反馈” 的闭环流程，实现密码的安全管理。

三、硬件模块详细设计

（一）核心控制模块
以 8086 微处理器为核心，扩展 8255 并行接口芯片（连接输入输出设备）、8253 定时器（控制报警时长）和 EEPROM（AT24C01，存储密码数据）。8086 通过 74LS138 地址译码器分配外设地址，数据总线经 74LS245 缓冲器增强驱动能力，确保数据传输稳定。EEPROM 通过 I2C 总线与 8086 连接，地址设置为 0xA0，用于存储 4 字节密码数据（默认密码 “1234”）和错误计数。
（二）输入模块
采用 4×4 矩阵按键，包括 10 个数字键（0-9）、“确认”（#）、“删除”（）、“修改”（A）、“保存”（B）键。按键行线连接 8255 的 PA0-PA3，列线通过 10kΩ 上拉电阻接 5V 并连接 8255 的 PB0-PB3，通过行列扫描法识别按键状态。每个按键按下时产生低电平信号，配合软件消抖（延时 20ms 二次检测）避免误触发，确保输入准确。
（三）存储模块
AT24C01 EEPROM 容量为 128 字节，足够存储密码及操作记录。其 SDA 和 SCL 引脚通过 4.7kΩ 上拉电阻连接 8086 的 I/O 口，支持 I2C 通信协议，密码数据按地址 0x00-0x03 存储（每个地址存 1 位 BCD 码），错误计数存储在地址 0x04。写入密码时采用简单校验（地址 0x05 存储前 4 位密码的和校验），防止数据篡改。
（四）输出模块
数码管显示：4 位共阴极数码管，通过两片 74LS373 锁存器分别控制段码（PC0-PC6）和位码（PD0-PD3），动态扫描频率 100Hz。输入密码时显示 “”，验证成功显示 “OPEN”，错误显示 “ERR”，修改成功显示 “SUC”。
状态指示：绿色 LED（验证 / 修改成功）和红色 LED（错误 / 报警）并联 1kΩ 限流电阻后，分别连接 8255 的 PE0 和 PE1 引脚，通过高低电平控制亮灭。
报警装置：蜂鸣器通过 PNP 三极管（9012）驱动，基极经 1kΩ 电阻连接 8255 的 PF0 引脚，单次错误鸣叫 0.5 秒，连续 3 次错误持续鸣叫 20 秒（由 8253 定时器控制）。
（五）电源模块
采用 5V 直流电源供电，为微处理器、按键、存储模块及输出设备供电，电源输入端并联 100μF 电解电容和 0.1μF 陶瓷电容，减少纹波干扰，确保 EEPROM 写入稳定。

四、软件模块功能实现

（一）密码验证流程
系统上电后数码管显示 “----”，等待输入：
用户输入 4 位数字后按 “确认” 键，8086 读取输入数据并与 EEPROM 中的密码比对；
比对一致时，绿色 LED 点亮 2 秒，数码管显示 “OPEN”，错误计数清零；
比对不一致时，红色 LED 点亮 1 秒，蜂鸣器鸣叫，错误计数加 1，若计数≥3 则触发报警（红色 LED 闪烁 + 蜂鸣器长鸣 20 秒）。
（二）密码修改流程
按 “修改” 键后，数码管显示 “OLD”，提示输入原密码，验证通过后显示 “NEW”；
用户输入新 4 位密码（可按 “删除” 键修正），按 “确认” 后显示 “CON”，提示再次输入确认；
两次输入一致时，8086 将新密码写入 EEPROM，更新校验位，数码管显示 “SUC”，绿色 LED 点亮；
两次输入不一致或原密码错误时，显示 “ERR”，红色 LED 点亮，保持原密码不变。
（三）数据安全机制
密码验证通过前，禁止进入修改模式，防止未授权修改；
连续 5 次修改密码失败（原密码错误），系统锁定 3 分钟，期间不响应修改指令；
密码输入超时（10 秒未完成 4 位输入），自动清除当前输入，数码管恢复 “----”。
（四）中断与定时控制
8253 定时器通道 0 工作在方式 0，用于控制报警时长（20 秒）；通道 1 产生 1ms 定时中断，用于按键扫描和数码管刷新，确保操作响应及时（≤50ms）。

五、仿真测试与优化

在 Proteus 仿真环境中验证系统功能：
密码验证：输入正确密码 “1234”，验证成功率 100%；输入错误密码，错误提示响应时间 40ms；
密码修改：原密码验证通过后，修改为 “4321”，再次验证新密码有效，原密码失效；
安全性测试：未输入原密码直接修改，系统拒绝执行；断电后重启，新密码仍有效；
报警逻辑：连续 3 次错误输入，触发 20 秒报警，期间无法进行验证操作。
优化措施：针对密码修改时的 I2C 通信延迟，优化读写时序，减少等待时间；若数码管显示闪烁，提高扫描频率至 150Hz；增加密码简单性检测（禁止全相同数字如 “1111”），提升安全性。

六、结语

基于 8086 的四位密码锁仿真控制系统通过软硬件协同设计，实现了密码的安全存储、可靠验证和便捷修改，适合储物柜、小型保险箱等低安全需求场景。系统结构简单、成本低廉，可通过增加指纹模块、刷卡模块等扩展为多因素认证，进一步提升安全等级，为多样化安全防护需求提供参考。

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