基于单片机的电子密码锁设计大学学位论文Word下载.docx
《基于单片机的电子密码锁设计大学学位论文Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电子密码锁设计大学学位论文Word下载.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
storageandsavethepasswordfunction..Thedesignhas
manyadvantages,suchasgoodconfidentiality,
lowcost,
lowpowerconsumption,
simpleoperation,randomunlocking
successrateisalmostzero,
the
variablepassword,
errorinputprotection,multiple
erroralarming,
power-offmemory
andsoon.
Keyword:
SCM;
electronicpassword-lock;
alarm
1引言
科技发展和生活水平提高的同时，安全问题也随之而来，失窃事件时有发生，那么如何更好的防盗呢？
传统的机械锁通常具有机械结构复杂，密码数量少，安全性能差的缺点。
为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，电子密码锁应运而生。
电子密码锁是通过输入密码，控制电路工作，由电路控制机械结构开锁或关锁的电子产品。
它具有保密性好、使用灵活、操作简单、寿命长的特点。
该设计从经济实用角度出发，采用AT89C51单片机作为密码监控装置和控制核心，设计了一个电子密码锁系统。
系统分为硬件和软件两个部分，硬件部分主要包括键盘模块、密码存储模块、开锁模块、报警模块、复位模块、晶振模块等；
软件部分主要包括：
初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键盘功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。
这种密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。
2设计方案及实现的目标
2.1选用单片机为核心控制
由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。
一般来说在选取单片机时从下面几个方面考虑：
性能、内存、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性。
除了以上一些要考虑的方面，还有一些最基本的比如：
中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等[1]。
本设计采用AT89C51单片机为主控芯片，外接LCD1602显示器用于显示作用，结合外围电路，组成电子密码锁，系统能完成开锁、超次锁定、修改用户密码等基本的密码锁功能.除此之外，还具有掉电存储、声提示等功能。
2.2设计所要实现的目标
本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成电子密码锁，用户想要打开锁，必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开，密码输入错误有提示，为了提高安全性，当密码输入错误三次将报警。
密码可以由用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。
修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。
当用户需要开锁时，先按键盘启动键之后按键盘的数字键0－9输入密码。
输入6位数密码，然后按下确认键，校对密码的正确性，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；
在输入密码时，发现前一位数字输入错误，可以按下删除键删除，然后继续输入正确密码。
当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后输入原来的密码，只有当输入的原密码正确后才能设置新密码。
新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。
3主要芯片介绍
3.1主控芯片AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH内存（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失内存制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁内存组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
3.1.1AT89C51芯片的功能
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速内存，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.2AT89C51的引脚
VCC：
供电电压
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器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）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部内存时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
/PSEN：
外部程序内存的选通信号。
在由外部程序内存取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序内存（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序内存。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序内存。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
At89c51芯片结构如图1所示。
图1AT89C51芯片引脚图
3.1.3AT89C51芯片的内部结构
中断寄存器：
各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。
双时钟指针寄存器：
为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：
PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。
在使用前初始化DPS。
电源空闲标志：
电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。
存储器结构：
MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。
程序存储器：
如果EA引脚接地（GND），全部程序均执行外部存储器。
在AT89C51,假如接至Vcc（电源＋），程序首先执行从地址0000H－0FFFH（4KB）内部程序存储器，再执行地址为1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存储器。
数据存储器：
在AT89C51的具有128字节的内部RAM，这128字节可利用直接或间接寻址方式访问，堆栈操作可利用间接寻址方式进行，128字节均可设置为堆栈区空间。
看门狗定时器（WDT）：
WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置。
3.1.4芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.2AT24C02存储芯片
AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，
内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。
AT24C02有一个16字节页写缓冲器。
该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。
[2]AT24C02
芯片结构如图2所示。
图2AT24C02芯片引脚图
管脚名称
功能
A0、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据、地址
SCL
串行时钟
WP
写保护
VCC
+1.8V~6.0V
工作电压
VSS
地
表1AT24C02管脚名称及功能
AT24C02支持I2C，总线数据传送协议I2C，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。
任何从总线接收数据的器件为接收器。
数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的[3]。
主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，由于A0、A1和A2可以组成000~111八种情况，即通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上，通过进行不同的配置进行选择器件。
3.3LCD1602接口信号说明
表2LCD1602接口信号说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
3
V0
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
4系统硬件结构
4.1系统原理框图
该设计以AT89C51单片机为主控单元,AT24C02存储芯片为存储单元，矩阵键盘为主输入单元，LCD1602为显示单元，独立按键为模拟功能按键，蜂鸣器为报警装置以及开锁装置完成整个系统设计。
系统原理框图如图3所示。
图3系统原理框图
4.2复位模块
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。
在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；
外部程序存储器读选通信号PSEN无效。
地址锁存信号ALE也为高电平。
当复位按键按下后电容C3通过R3放电，R2的作用在于限制按键按下瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电位电路设计[4-6]。
复位模块电路如图4所示。
图4复位模块电路图
4.3晶振模块
单片机XIAL1和XIAL2分别接20uF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。
晶振模块电路如图5所示。
图5晶振模块电路图
4.4键盘模块
键盘输入模块作为AT89C51单片机电子密码锁设计中关键的部分，主要形式为矩阵式键盘输入，由0~9数字键、输入键、确定键、删除键组成。
这种行列式矩阵键盘的单片机系统，通过构建M条列线和N条行线，组成具有M×
N的键盘。
若需要进入大门，首先按下输入键，输入6位数密码，然后按下确认键，校对密码的正确性，密码输入错误三次将自动报警；
将AT89C51的并行口P1接4×
4矩阵键盘，以P1.0-P1.3作为行线，以P1.4-P1.7作为列线[7]。
其电路如图4所示。
图4矩阵键盘电路图
4.5显示模块
系统显示主要由液晶显示器完成，系统加电后，锁被合上，这时通过观察显示器则知道锁是被合上的，需要输入密码才能进入。
开锁时，通过键盘上数字键0~9输入密码，每按一下显示器都会显示“*”，最多输入6位和显示6个“*”。
当密码输入完成时，按下确认键，如果输入的密码正确的话，LCD子显示“CORRETCODEDOOROPEN”，电子密码锁被打开；
如果密码不正确，LCD显示屏会显示“CODEWRONG”，密码锁不能被打开。
通过LCD显示屏，可以清楚的判断出锁的状态。
。
其电路如图5所示。
图5显示模块电路图
4.6开锁模块
开锁控制电路的功能是当输入正确的密码后将锁打开。
系统使用单片机其中一引脚线发出信号，经三极管放大后，由继电器驱动电磁阀动作将锁打开。
用户通过键盘任意设置密码，并储存在EEPROM中作为锁码指令。
只有用户操作键盘时，单片机的电源端才能得到3V电源，否则．单片机处于节电工作方式[8]。
开锁步骤如下：
首先按下键盘上的开锁按键，然后利用键盘上的数字键0－9输入密码，最后按下确认键。
当用户输入一密码后，单片机自动识码，如果识码不符，则报警。
只有当识码正确，单片机才能控制电子锁内的微型继电器吸台。
当继电器吸台以后带动锁杆伸缩，这时，锁勾在弹簧的作用下弹起，完成本次开锁。
开锁以后，单片机自动清除掉由用户输人的这个密码[9]。
其电路如图6所示。
图6开锁模块电路图
4.7密码存储模块
图中R4和R5为上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SDA（数据/地址）和SCL（移位脉冲）与AT89C51单片机传送数据[10]。
其电路如图7所示。
图7密码存储模块电路图
4.8报警模块
该电路的作用是在密码输入错误的状态下，单片机送出信号使得蜂鸣器响。
该电路较为简单，由一个电阻、PNP三极管和蜂鸣器组成，如图所示。
单片机的P3.0引脚控制三极管的基极b，当P3.0输出高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；
当P3.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音，进行报警[11]。
其电路如图8所示。
图8报警模块电路图
5系统总电路图
该设计涉及到的主要器件有：
主控芯片AT89C51单片机、LCD1602液晶显示器、AT24C02存储芯片、蜂鸣器等。
主要电路有：
4×
4矩阵键盘模块、复位模块、报警模块、开锁模块、显示模块、密码存储模块以及晶振模块等。
Proteus环境下的系统总电路如图9所示。
图9系统总电路图
6系统软件设计
本系统软件设计由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。
主要程序设计流程图如图10-13所示。
图10主程序流程图
图11键盘功能流程图
图12密码设置流程图
图13开锁程序流程图
用汇编语言编写的开锁程序，见附录。
7Proteus仿真
本设计使用了Proteus软件进行仿真。
优势在于：
软硬件设计可同时进行。
当硬件还没有制作出来时，利用该软件绘制出电路图，加载编译好的程序，先在电脑上进行连调仿真，发现硬件或软件上的设计错误。
大大缩减了设计周期[12]。
7.1仿真过程
在ProteusISIS编辑窗口中单击元件列表上的“P”按钮，打开“PickDevice”对话框，添加元件。
有些元件没有，可以用类似芯片代替，它们的功能是兼容的。
如用AT89C51代替AT89S51，用M24C16代替AT24C16。
绘制好密码锁电路图后，给单片机AT89C51设置晶振频率为12MHz，加“*.HEX”文件。
在编辑窗口下单击“运行”图标或在“Debug”菜单中选择“Execute”，可以看到仿真模拟的结果。
7.2仿真结果
系统仿真结果如图14-17所示。
图14密码输入时的仿真结果图
图15密码正确时的仿真结果图
图16密码错误时的仿真结果图
图17修改密码时的仿真结果图
8总结
本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成电子密码锁，设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用，符合日常用锁要求，具有一定推广价值。
利用单片机灵活的编程设计及其控制的准确性，通过软件程序来控制整个系统实现电子密码锁的基本功能。
该电路设计还具有按键有效提示，输入错误提示，控制开锁电平，控制报警电路，修改密码等多种功能。
可在意外泄密的情况下随时修改密码。
保密性强，灵活性高，特别适用于家庭、办公室、学生宿舍及宾馆等场所。
参考文献
[1]戴文雯采用AT89C51的电子密码锁的设计[J].南京航空航天大学学报,2013,16（4）:
31-35.
[2]任艳艳基于AT89C51单片机多功能密码锁的研究[J].重庆职业技术学院学报（第17卷第5期）,2008,17（5）:
5-31.
[3]蒋辉平,周国雄基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例[M].机械工业出版社,2009.
[4]贺敬凯,刘德新,管明祥单片机系统设计、仿真与应用[M].西安电子科技大学出版社,2011.
[5]石文轩,宋薇基于单片机MCS-51的智能密码锁设计[J].武汉工程职业技术学院报,2004,8（3）:
108-109.
[6]郭海英.基于单片机的电子安全密码锁的设计[J].现代电子技术,2005,（13）:
95-97.
[7]董继成.一种新型安全的单片机密码锁[J].电子技术,2004,31（3）:
58-60.
[8]杨茂涛.一种电子密码锁的实现[J].福建电脑,2004,（8）.
[9]周文龙.基于单片机控制的电子密码锁设计[J].大众商务,2009,（3）:
108-109.
[10]董继成.能防止多次试探密码的单片机密码锁[J].国外电子元件,2004,（3）:
19-21.
[11]吴汉清.单片机做电子密码锁[J].无线电期,2007,（5）:
37-39.
[12]徐欣,樊昀.一种有单片机实现的多功能密码锁[J].计算机应用研究,1998,15（3）:
113-115.
附录：
LED1EQU6FH
BUFFEQU6EH
TIMERS1EQU6DH;
输入回车的次数
TIMERS2EQU6CH;
报警的次数
LED6EQU6AH
;
密码缓冲区
PS1EQU69H
PS2EQU78H
PS3EQU67
PS4EQU66H
PS5EQU65H
PS6EQU64H
PS7EQU63H
PS8EQU62H
AT24C02读取缓冲区
AT1EQU61H
AT2EQU60H
AT3EQU5FH
AT4EQU5EH
AT5EQU5DH
AT6EQU5CH
AT7EQU5BH
AT8EQU5AH
按键标志位
F_0BIT20H
F_1BIT21H
F
升级会员 