一种智能电子密码锁的设计.docx
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一种智能电子密码锁的设计
毕业设计说明书
一种智能电子密码锁的设计
学院：
电气与电子工程学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
学号：
指导教师：
2012年6月
摘要
随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，锁具系统的安全性变得至关重要，传统的机械锁由于其构造的简单，安全性能低，无法满足人们的需要，电子锁是通过输入密码来控制电路或是芯片工作的，从而控制机械开关的闭合，实现开锁、闭锁任务的电子产品，其安全系数高，使用灵活性好，保密性高，受到了广大用户的青睐。
本次设计使用AT89C51实现一基于单片机的电子密码锁。
该电子密码锁系统由单片机、LED显示器、矩阵键盘和报警系统组成。
其功能是由键盘输入4位密码，通过单片机进行密码的比较，实现系统开锁的功能，此外系统还可以完成超次锁定、修改密码等基本的密码锁功能，而该系统的电源部分将由市电供电电路和备用电源电路两部分组成，因此，本次设计的电子密码锁只适用于保险柜、门等固定设备。
本文详细的介绍了系统各个硬件的性能和作用，以及软件设计思路和主要软件模块的流程图。
该密码锁安全、有效、可靠，有很强的实用价值，另外由于设计简单，实验材料价钱低，可用于实际生活中。
关键词：
单片机；矩阵键盘；LED显示；报警；
Abstract
Withtheimprovementofpeople'slivingstandardandsafetyconsciousnessstrengthen,locksystemsecuritybecomesmoreandmoreimportant,thetraditionalmechanicallockbecauseofitssimplestructure,lowsafetyproperty,cannotmeettheneedsofthepeople,theelectroniclockisbyenteringthepasswordtothecontrolcircuitorchipwork,mechanicalswitchestocontroltheclosure,realizeunlocking,closedthetaskofelectronicproducts,thesafetyfactorishigh,theuseofflexibilitygood,highconfidentiality,bythemajorityofusersofallages.
ThedesignusesAT89C51microcontroller-basedelectroniccombinationlock.Theelectroniclocksystemiscomposedbythemicrocontroller,LEDdisplay,matrixkeyboard,andalarmsystems.Itsfunctionisenteredfromthekeyboard4password,thepasswordcomparison,throughtheSCMsystemlockfunction,inadditiontothesystemcanalsobecompletedSubharmonicandUltralock,modifypasswordsandotherpasswordlockfunction,andthepowerpartofthesystemmainspowersupplycircuitandstandbypoweroftwoparts,therefore,thedesignoftheelectroniccodelockisonlyapplicabletosafes,doorsandotherfixtures.Thispaperdescribestheperformanceandroleofthesystemhardwareandsoftwaredesignideasandtheflowchartofthemajorsoftwaremodules.
Thecipherlockissafe,effective,reliable,hasastrongpracticalvalue,alsoduetothesimpledesign,experimentalmaterials,lowprice,canbeusedinreallife.
Keywords：
themicrocontroller、matrixkeyboard、LEDdisplay、alarm
第一章绪论1
1.1电子密码锁简介1
1.2电子密码锁的背景1
1.3电子密码锁设计的意义及本设计的特点1
第二章方案的比较与论证3
2.1方案比较与论证3
方案一：
采用数字电路控制方案3
方案二：
采用以单片机为核心的控制方案4
第三章主要元器件介绍5
3.1主控芯片89C515
3.2LED显示器7
3.3晶体振荡器8
第四章硬件电路设计9
4.1设计原理9
4.2电源输入电路设计9
4.2.1市电供电电路9
4.2.2备用电源电路13
4.3键盘输入电路设计13
4.3.1键输入原理13
4.3.2矩阵键盘13
4.4晶振电路设计14
4.5显示电路设计14
4.6报警电路设计15
4.7开锁电路设计16
4.8ProtelDXP应用16
4.8.1原理图设计步骤17
4.8.2PCB板图的设计17
第五章软件程序设计21
5.1主程序流程图21
5.2按键功能软件设计22
5.3密码设置软件设计23
5.4密码比较软件设计24
5.5开锁软件设计25
第六章系统调试26
6.1系统调试用到的软件及工具26
6.2uVision2简介26
6.3Proteus简介27
6.4调试方法28
6.4.1键盘、LED部分的调试28
6.4.2开锁及报警电路的调试39
6.4.3系统调试29
结论30
参考文献31
致谢32
附录1系统电路33
附录2源程序34
第一章绪论
1.1电子密码锁简介
智能电子密码锁是通过输入密码来实现对电路或芯片控制，从而实现机械开关的闭合，实现开锁、闭锁任务的电子产品。
它的类型非常多，有简单的电路产品，也有性价比比较高的基于芯片的集成电子产品。
现在应用较为广泛的智能电子密码锁是以芯片为主要部分，通过编写程序来实现的。
其安全性和性能已远远超过了机械锁。
其特点如下：
1）编码量较多，保密性较好，已远远大于弹子锁。
2）用户可以根据自己的习惯随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的替换而使电子锁的保密性下降。
3）错误密码输入保护，当输入密码错误时，报警系统自动启动；如果电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，以防止他人的非法操作
4）灵活性好，不需要佩带钥匙就能开锁。
5）智能电子密码锁的操作方便而且简单易行，一学即会。
1.2电子密码锁的背景
随着科学技术的进步，锁具器械已发展到了磁性锁、声控锁、激光锁、密码锁等等。
在传统钥匙的基础上，加了磁场、声波、光波及密码等不同介质，来控制锁的开启，从而极大地提高了锁的安全性能，使不法分子无法启动。
人们也就能对自身财产安全有了更多的保障。
当今信息安全系统的应用越来越广泛，特别是在财产保护、维护隐私和保护机密方面起到重大作用，而基于电子密码锁的安全系统是其中的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。
1.3电子密码锁设计的意义及本设计的特点
单片机，亦称单芯片微型计算机或单芯片微电脑。
它是把随机存取存储器（RAM）、中央处理器（CPU）、输入/输出端口（I/0）、只读存储器（ROM）和其它计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。
单片机单芯片体积小和成本低，可广泛地应用到如玩具、录像机、摄像机、智能仪器仪表、导弹的导航装置、全自动洗衣机的控制、办公自动化设备、医用设备、计算机的网络通信和数据传输中，成为现代电子产品系统中最重要最常用的智能化工具。
我们只需要挑一点点简单的单芯片外围接口电路，最核心部分只能由人为的写入程序来实现。
电子锁可以在日常生活和现代化的办公中，住宅与办公室的安全性、单位的文件和档案、财务报表以及一些个人资料的保存等多种场合使用。
大大提高了主人物资的安全性及可靠性，安全可以取代老式的机械锁。
目前使用的密码锁有多种不同的特点。
本设计要求研制一款具有防盗自动报警功能的智能电子密码锁。
该电子密码锁要求设计方法合理，成本低廉，操作简单易行，符合住宅、办公室用锁要求，具有一定的推广价值。
（1）将一个4位代码存储在锁的控制电路中，当开锁部分开关的输入代码等于在控制电路中存储的代码时，进入开锁状态，从而将锁打开。
（2）若开锁部分开关的输入代码不等于在控制电路中存储的代码时，键盘输入电路则自动清零，原先输入的密码成为无效密码，需要重新输入新密码；如果用户输入密码的时间超过了40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不方便，还可以修改）电路将报警80秒，如果电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，以防止他人的非法操作。
第二章方案的比较与论证
2.1方案比较与论证
方案一：
采用数字电路控制。
其原理方框图如图2-1所示。
开始
计时
消除报警信号锁
定
脉
冲
220V
图2-1数字电路控制密码锁电路方案
采用数字电路控制密码锁电路的好处就是设计简单易行。
该设计中密码锁的核心控制是74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路，共设了10个输入键供用户选用，其中有效的密码按键只有4个，如果按下一个无效按键，键盘输入电路则自动清零，预先输入的密码是无效的，您需要重新输入；如果电路是连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，以防止他人非法操作。
该电路由两部分组成：
备用电源和密码锁电路，其中设置的备用电源，以防止由于停电造成的智能电子密码锁电路的使用失效，使用户免于遭受此类麻烦。
密码锁电路包括：
键盘输入电路、检测密码、修改密码、执行电路、键盘输入、开锁电路、报警电路。
方案二：
采用以单片机为核心的控制方案
由于单片机型号繁多，各种类型都有其一定的应用环境，因此在选用时需要多加比较，以选择合理的型号，获得最好的性价比。
在一般情况下，选择单片机时考虑以下几个方面：
内存、性能、I/O端口、定时/计数器、串行接口、运行速度、模拟电路、工作电压、功耗、封装和抗干扰性及保密性，除了上面的一些还有一些非常简单的例子：
工作温度范围、中断源的优先级和数量、低电压检测、单片机内是否有时钟振荡器、是否带上电复位功能等。
该单片机在开发过程中还受到：
编程器、开发成本、开发工具、技术支持和服务、开发人员的适应性等等因素。
基于以上因素本设计的核心元件选用单片机AT89C51，利用单片机丰富的I/O端口和灵活的编程设计及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。
单片机的外围电路中接入矩阵键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接LED显示器用于显示作用。
当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后再按键盘的0－9数字键输入密码。
密码输完后按下确认键，如果输入的密码正确则开锁，如果输入的密码不正确则发出报警，然后再重新输入密码，当三次输入的密码都错误时则系统锁定；当用户需要修改密码时，先按下键盘设置按键后再输入原来所设置的密码，必须当输入的原密码是正确的时侯，才能设置新的密码。
新的密码输入正确后按确认键，新密码即得到存储，密码则修改成功。
以上可以看出方案二准确性好、控制灵活且保密性强，此外还具有扩展功能，根据现实生活的需要本次设计采用此方案。
第三章主要元器件介绍
3.1主控芯片89C51
MCS-51单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O功能部件，与一台微型计算机的基本结构相同，主要由以下几个部分组成：
一个8位的CPU、一个布尔处理机、一个片内振荡器、128字节的片内数据存储器、4K字节的片内程序存储器、寻址范围为64K字节的外部数据存储器和程序存储器、21字节的专用寄存器、四个8位并行I/O口、一个全双工的串行口、两个16位的定时器/计数器、五个中断源、两个中断优先级和111条指令，片内采用单总线结构。
外部引脚脚说明：
（1）主电源引脚
VCC：
接+5V电源.
VSS：
接地。
（2）时钟引脚
片内的反向放大器与外接晶体的时钟引脚构成一个振荡器，它为单片机提供时钟控制信号。
此外，时钟引脚也能接外部晶体振荡器。
XTAL1：
接在外部晶体的一个引脚上。
它作为一个反向放大器的输入端存在于单片机的内部，并且正是这个放大器构成了片内震荡器。
XTAL2：
接在外部晶体的另一个引脚上，它作为一个反向放大器的输出端存在于单片机的内部。
（3）输入/输出引脚
P0口（P0.0~P0.7）：
P0口为双向的8位三态I/O口。
当不接片外存储器或不扩展I/O口的时候，可作为一个通用输入/输出口；当接有片外存储器或扩展I/O口时,P0口是低8位地址线和8位双向数据线的分时复用口，可以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。
P1口（P1.0~P1.7）：
P1口是准双向8位I/O口，其中P1.2~P1.7是带有上拉电阻的引脚。
它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，可启动4个TTL负载。
P2口（P2.0~P2.7）：
P2口为准双向8位I/O口，如果做为I/O口使用时，可直接与外部I/O设备相连接；在接有片外存储器或扩展I/O口并且寻址范围超过256字节时，P2口可以用来作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
可以驱动四个TTL负载。
P3口（P3.0~P3.7）：
P3口为8位准双向I/O口，这8位引脚的每一位还可以用于第二功能，而且P3口第一功能的输入/输出以及第二功能均可以在每一条引脚上进行独立定义。
P3口的第二功能定义如下表所示。
表3-1P3口第二功能定义
引脚
第二功能
P3.0
RXD串行输入口
P3.1
TXD串行输出口
P3.2
/INT0外部中断0
P3.3
/INT1外部中断1
P3.4
T0记时器0外部输入
P3.5
T1记时器1外部输入
P3.6
/WR外部数据存储器写选通
P3.7
/RD外部数据存储器读选通
（4）控制引脚
控制引脚包括RST,ALE,/PSEN,/EA等，这类引脚主要用于提供控制信号，有些引脚还具有复用功能。
RST/VPD（9脚）：
RST即为RESET，此引脚是单片机的上电复位或掉电保护端，当单片机振荡器工作的时候，此引脚上只要持续出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），就可以将单片机复位，在单片机回到复位状态以后应当使这个引脚的电平保持为小于等于0.5V的低电平，用来保证单片机的正常运行及工作。
当VCC发生故障降低到低电平规定值时或在VSS掉电时，此引脚可接上备用电源VPD，通过VPD为内部RAM提供电源，以保证RAM中的数据不会丢失。
ALE/PROG（30脚）：
地址锁存有效输出端。
在每个机器周期内ALE会输出两个脉冲。
当访问外部存储器时，ALE的输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，但需要注意的是，在每次访问外部存储器的时候将跳过一个ALE脉冲，即失去了一个ALE脉冲，ALE端可以驱动8个TTL负载。
/PSEN（29脚）：
外部程序存储器的读选通信号输出端。
从外部程序存储器取指期间，每个机器周期内有两次有效的/PSEN信号。
/PSEN驱动TTL负载时可以驱动8个。
/EA/VPP（31脚）：
/EA为片内、片外程序存储器的选用端，如果/EA为高电平时，单片机访问的是内部程序存储器；如果/EA端为低电平时，则不管有没有内部程序存储器而仅访问外部程序存储器。
图3-1AT89C51图
3.2LED显示器
LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、清晰度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、色彩艳丽和工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的。
可实现0～9的显示。
其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。
3.3晶体振荡器
晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，在电工学上这个网络存在两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率为串联谐振，较高的频率为并联谐振。
因为晶体自身的特性致使串联谐振与并联谐振二者频率的距离相当的接近，在这个比较窄的频率范围内，晶振可以等效成一个电感，因此只要晶振的两端并联上较为理想的电容，这就构成了并联谐振电路。
然而在负反馈电路中加上上述的并联谐振电路则构成了正弦波振荡电路，因为晶振被等效成电感的频率范围比较窄，所以尽管别的元件的参数可能变化很大，但这个振荡器的频率及参数不会发生很大的变化。
晶振有一个非常关键的参数，这个参数被称为负载电容值，并联电容的选择必须与负载电容值相等，这样就可以得到晶振标称的谐振频率。
在一个反相放大器的两端接入晶振就构成了一般的晶振震荡电路，在晶振的两端再分别接上两个电容，两个电容的另一端再分别接到地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，但需要注意的是一般集成电路的引脚都有等效输入电容，这个是不可以忽略的。
晶振的负载电容一般为15pf或12.5pf，若要考虑到元件引脚的等效输入电容，则两个22pf的电容构成的晶振振荡电路就是比较好的选择。
第四章硬件电路设计
4.1设计原理
本设计主要由单片机、LED显示器、密码存储和矩阵键盘等部分组成。
其中矩阵键盘主要是用来进行各种功能的实现和进行数字密码的输入。
用户通过矩阵键盘向与其连接的单片机输入密码，然后单片机对用户输入的密码与单片机内部存储的密码比较，进而再判断密码的正确与否，然后通过对引脚高低电平的控制来进一步控制开锁电路或报警电路，从而实现开锁或报警，实际使用过程中只要用智能电子密码锁的电磁铁吸合线圈来替换单片机的负载——继电器即可，此外使用继电器的常开触点来控制电磁铁吸合线圈也是可以的。
图4-1电子密码锁原理图框图
4.2电源输入电路设计
电源电路的作用是给其它电路提供电源的，因此电源设计对整个电路来说是非常重要的。
4.2.1市电供电电路
一般电网提供的交流电通过整流、滤波和稳压以后才能得到的电子设备中所使用的直流电源。
对直流电源的关键要求，除了能够输出不同电路所需要的电压和电流以外，还应做到，直流输出平滑，脉动成分小；电压输出幅值稳定；交流电转换成直流电时的转换效率高等。
因此，直流电源一般包括四个组成部分，即电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路。
电路图如下所示：
图4-2电源输入电路
电源变压器
电网提供的交流电一般为220V，而各种电子设备所需直流电压的幅值却各不相同。
所以，常常将电网直接传来的交流电压先经过电源变压器进行变换，然后将变换以后得到的二次电压再去进行整流、滤波和稳压，经过这几个步骤后最终就可以得到所需要的直流电压幅值了。
整流电路
整流电路的功能主要是通过整流元件来实现的，该整流元件通常具有单向导电性能，整流电路通过整流元件将正向、负向来回交替的正弦交流电压整流为单方向的直流电压。
本设计运用的是桥式整流法，将交流电转换为直流电。
整流电路如下图所示：
图4-3整流电路
在u2的正半周，二极管VD1、VD4导通，此时二极管VD2、VD3截止，电流i从VD1流出，经过RL、VD4流回负极,在负载上得到的输出电压的极性为上正下负。
在u2的负半周，二极管VD2、VD3导通，此时二极管VD1、VD4截止，电流i从VD3流出，经过RL、VD2流回负极，在负载上得到的输出电压的极性也是上正下负，因此在负载上得到一个单方向的脉动电压。
滤波电路
经过整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分，因此极少直接用作电路的直流电源。
一般情况下在整流电路的后面还要加上一定的滤波电路，滤除较大的脉动成分。
对滤波电路的要求是，不仅要尽量降低输出电压中的脉动成分，而且还要要尽量保留其中的直流成分，使输出的电压是比较平滑的直流电压。
电感是基本的滤波元件，它具有储能作用，在二极管导电时先将一部分能量储存在电场和磁场中，然后再慢慢地释放出来，从而在负载上得到比较平滑的波形。
在整流之后采用了电解电容进行滤波，以便减小输出电压的波动。
采用了电容滤波后，整流二极管中将流过较大的冲击电流。
接入电容后，整流二极管的导电角
<
而且RC的乘积越大，则导电角越小。
因为加了电容滤波后，电流输出的平均值比原来提高了，但是导电角减小了，因此，在较短的导电时间内整流管将流过一个比较大的冲击电流，这将对整流管的寿命带来不利的影响，因而选用的整流二极管容量必须较大。
稳压电路
稳压电路的作用是在电网电压或负载电流发生变化时使输出的直流电压保持稳定。
随着集成技术的的快速发展，稳压电路也迅速集成化。
到现在为止，集成稳压器已经成为模拟集成电路的一个重要组成部分。
集成稳压器具有比较多的优点，比如体积小、可靠性高等，而且使用灵活较为方便、价格便宜，特别是三端稳压器，被广泛应用与仪器、仪表及其他各种电子设备中。
芯片只要引出三个端子，分别接入输入端、输出端和公共端，基本上不需要外接其他的元件。
芯片内集成了保护电路，使用更加安全、可靠。
设计中我们选用了LM7805三端稳压器。
它提供的直流电压为+5V，峰值电流为1.5A。
4.2.2备用电源电路
为了防止停电情况的发生，本电路加上了备用电源电路，它包括停电检测电路，电子开关切换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。
由R1，R2，R3，R4及IC14构成电压比较器，正常情况下V+V-，IC14输出高电平，T1，T2分别导通，然后继电器得电开启，其常开触点吸合，将蓄电池和电路相连，实现市电和蓄电池供电的切换，保证电子密码锁的正常工作（视电池容量而定持续时间）。
其电路图如下图4-4所示：
图4－4停电检测及电子开关切换电路
R6，R7，T3构成的蓄电池自动充电电路，其中LED1亮表示充电。
蓄电池电压低时，则T3导通，实现对其充电；当蓄电池的电压充至Vb-0.7V时，T3截止，此时停止充电，同时指示灯LED1熄灭，其充电电流由R7控制，其电路图如图4－5所示：
图4－5蓄电池自动充电电路
4.3键盘输入电路
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