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单片机密码锁毕业论文
1绪论
1.1背景
随着社会的发展及物资财富的日益增长，安全防盗愈来愈受到人们的关注，自古以来，人们都是用锁来解决安全问题，然而，安全可靠、使用方便一直是制锁者研究的主题。
目前机械锁因操作不便，易受破坏而饱受诟病，密码锁则受到了人们的关注。
在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码控制系统逐渐代替传统的机械式密码控制系统，克服了机械式密码控制的密码量少、安全性能差的缺点，使电子密码控制系统无论在技术上还是在性能上都大大提高了一步。
随着大规模集成电路技术的发展，特别是单片机的问世，出现了带微处理器的智能密码控制系统，它除具有传统电子密码控制系统的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码控制系统具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。
1.2电子密码锁简介
电子密码锁是一种通过输入密码来控制芯片或电路，继而控制机械开关闭合，实现开、闭锁目标的电子产品。
电子锁有很多种类，有基于芯片的性价比较高的产品，也有简单的电路产品。
目前应用较广的电子密码锁是前者，基于芯片，通过编程来实现。
它的性能和安全性大大超过了机械锁。
特点如下：
1）安全性好，编码量远远多于机械锁。
随机开锁几乎不可能。
2）密码可修改，用户可以随时更改密码，以应对密码被盗，同时也可以避免人员更替引起的保密性下降。
3）防试探保护，当多次输入密码错误时，自动启动报警系统。
4）无活动零件，不会磨损，寿命长。
5）使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。
6）电子密码控制系统具有操作简单易行，一学即会[2]。
1.3电子密码锁的发展趋势
以前由于电子器件的限制，开发出的电子密码控制系统种类不多、保密性不理想。
有的甚至只是使用最简单的模拟电子开关来实现，虽然制作简单但是安全性低。
后来的设计是使用EDA实现的，其电路复杂，电子元件也增加了不少。
一部分采用先前的20引脚的2051系列单片机来实现，不过密码简单，易破解。
随后随着电子元件的逐渐发展，电子密码的控制系统出现了很多新的种类，较之以前的控制系统，其功能更加强大，安全性大为增强，使用起来也更加方便。
从以前单密码输入发展到现在的感应元件加密码，使电子加密更加名副其实。
如果用户只有密码或电子钥匙，是无法锁的。
随着社会的发展人们对保密性需求越来越高，而电子元件的发展则为人们需求的满足提供了可能。
据国外的统计资料显示,装有电子防盗装置的商业区或居民区盗窃犯罪率平均下降30%左右[4]。
目前西方发达国家已经大量地应用这种智能门禁系统。
由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为电子信息，组合使用这些信息能够使电子防盗密码控制获得更高的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子防盗密码控制系统。
组合使用信息也能够使电子防盗密码控制系统获得无穷扩展的可能。
可以看出组合使用电子信息是电子密码控制系统今后发展的趋势。
1.4预期目标
本设计以单片机为主控芯片，结合外围的4*4矩阵键盘接口电路、液晶显示电路、密码锁控制电路、报警电路等，组成密码锁控制系统，用户想要打开锁，必须通过矩阵键盘输入正确的密码，有密码错误提示，为提高安全性，当密码错误三次将报警。
密码可以由用户自行修改，但锁打开后才能进行修改密码操作。
修改密码时须两输入密码，并输入两次新密码，以防止误操作。
2方案论证与比较
2.1方案一：
采用数字电路控制
一般以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为电子密码控制系统的主控部分。
一共有9个用户输入键，但只有4个是有效的密码按键，其它为干扰按键。
若按下密码键，则输入密码；若按下干扰键，则键盘自动清零，原来输入的密码无效，可以重新输入；如用户输入密码的时间超过一定值（如10s，具体时间可自行修改）电路将报警，持续20秒；如果连续报警三次，键盘电路将被锁定2分钟，以防止他人的非法操作。
关于数字电路的设计方案虽然设计简单便利，但控制的准确性和灵活性较差[3]，不采用。
2.2方案二：
以单片机为核心的控制方案
单片机种类繁多，各种型号都有其特定的应用环境，虽然给了我们更多的选择，但在选用时要多加比较，合理选择，以获得最佳的性价比。
一般来说在选取单片机时要考虑下面几个方面：
性能、运行速度、存储器、I/O口、串行接口、定时/计数器、工作电压、功耗、电路模拟功能、封装形式、抗干扰性、保密性，除此以外，还有一些最基本的选择条件如：
工作温度范围、中断源的数量和优先级、有无低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、上电复位功能等。
在开发过程中单片机还受到开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素的影响[5]。
基于以上因素这次设计选用单片机AT89S51作为设计的核心元件，利用其灵活的编程设计、丰富的I/O端口、控制的准确性，来实现基本的密码控制功能。
在单片机的外围电路接入4*4矩阵键盘用于密码输入和一些功能的控制，外接LCD1602液晶显示器用于显示。
执行开锁操作时，要先按下键盘开锁键，然后可以从键盘上的0－9数字键输入密码，输入完成后按下确认键予以确认。
若密码正确则启动开锁电路执行开锁，错误则显示输入错误，允许重新输入，不过连续三次密码错误则报警。
如需修改密码，可以按下键盘上的设置键后进行设置，不过要在开锁状态下才能执行该操作。
新密码需要输入两次以确认无误，按确认键存储新密码，修改密码成功。
对比可见方案二控制灵活，准确性高，保密性强且具有扩展功能，根据现实生活的需要此次设计采用此方案。
3主要元器件介绍
3.1主控芯片
AT89S51是一种性能高、功耗低CMOS型的8位单片机，片内含有4kBytesISP（In-systemprogrammable）的Flash只读程序存储器，擦写次数1000次以上。
元器件由ATMEL公司的高密度、非易失存储技术制造，兼容现在流行的51系列指令系统及80S51引脚结构。
芯片中集成了8位通用中央处理器及ISPFlash型存储单元。
AT89S51作为一个功能强大的微型计算机，可为许多控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.1.1AT89S51性能
AT89S51有如下特点：
40引脚，4kbFlash片内程序存储器，128b的随机数据存储器（RAM），32个外部双向输入/出（I/O）口，5个中断优先级，2层嵌套中断，2个全双工串行通信口，2个可编程的16位定时计数器,看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
除此以外，AT89S51设计配置可以让振荡频率为0Hz的软件可设置的省电模式。
在这种模式下，CPU工作怎天，RAM计数器，外中断系统，串行口保持继续工作，掉电模式下冻结振荡器而保存RAM数据，芯片的其它功能停止工作直至硬件复位或外中断激活。
同时该芯片还具有PDIP、PLCC和TQFP三种封装形式，以适应不同的需求。
图3.1AT89S51芯片引脚图
主要功能：
兼容MCS-51指令系统4kbISPFlashROM（可反复擦写1000次以上）
32个双向I/O口工作电压：
4.5-5.5V
2个16位的可编程定时/计数器时钟频率：
0-33MHz
全双工的UART串行中断口线128x8b内部RAM
2个外部中断源可设置低功耗空闲和省电模式
中断唤醒模式3级加密
看门狗电路双数据指针
ISP字节和分页编程很灵活
由此可见AT89S51提供以下标准功能；4kbFlash存储器，128b内部RAM，32个双向I/O口线，两个16位定时/计数器，5个中断优先级，2层嵌套中断，全双工串行通信口，看门狗电路，双数据指针，片内时钟及振荡器。
同时,AT89S51提供可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件调节选择的节电工作模式[7]。
空闲工作模式下CPU工作暂停，允许RAM，定时/计数器，中断系统及串行通信口可继续工作。
掉电工作模式下保存RAM中的内容，但冻结振荡器并禁止其它所有部件工作直接到硬件复位。
3.1.2AT89S51引角功能
Vcc：
电源电压
GND：
接地
P0口：
P0口是一组漏极开路型的8位双向I/O口，即地址/数据的总线复用口，当P0作为输出口使用的时候，每位可驱动8个TTL电路，对端口写“1”使之变成高阻抗输入端口。
而访问程序存储器或外部存储器时，该组口线进行分时转换地址（低8位）和进行数据总线的复用，在访问时激活内部的上拉电阻。
在进行Flash编程时，P0口接收到指令后，在程序校验时输出指令字节。
在校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可以驱动（输出或吸收电流）4个TTL电路。
此时对端口写“1”,通过内部上拉电阻端口被拉到高电平，可作输入口使用。
当作输入口用时，因内部有上拉电阻存在，在某个引脚被外部信号校验期间，P1口接收低8位地址。
表3.1为P1口第二功能：
表3.1P1口第二功能
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP编程）
P1.7
SCK（用于ISP编程）
P2口：
P2口是一组带有内部上拉电阻8位双向I/O口，P2口输出缓冲级可驱动4个TTL门电路。
当对端口写“1”,端口通过内部上拉电阻被拉到高电平，这时可作输入口使用。
当作输入口用时，因内部存在上拉电阻，当某引脚被外部信号拉低时便会输出一个电流I。
访问８位外部数据存储器（如执行：
MOVX@Ri指令）时，P2端口上的特殊功能寄存器，在访问期间保持不变。
当进行Flash编程或校验时，P2也能接收高位地址和其它类的控制信号。
P3口：
P3口是一组带内部上拉电阻8位双向I/O口。
P3口的输出缓冲级可驱动（输出或吸收电流）4个TTL门电路。
当对P3口写入“1”时，端口被内部上拉电阻拉到高电平并可作为输入端口使用。
当作为输入端口时，被外部拉低的P3端口将使用上拉电阻输出电流I[8]。
P3口除了作为一般的I/O口线外，还有重要的用途，那就是它的第二功能。
P3口的第二功能如表3.2：
表3.2P3口的第二功能
端口功能
第二功能
端口引脚
第二功能
RXD（P3.0）
串行输入口
T0（P3.4）
定时/计数器0外部输入
TXD（P3.1）
串行输出口
T1（P3.5）
定时/计数器1外部输入
INT0（P3.2）
外中断0
WR（P3.6）
外部数据存储器写选通
INT1（P3.3）
外中断1
RD（P3.7）
外部数据存储器读选通
RST：
复位。
当振荡工作的时候，单片机将会因RST引脚上出现两个机器周期以上的高电平而复位。
WDT的溢出使该引脚输出高电平，可通过设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）来打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET的输出高电平打开状态。
ALE/PROG：
当访问外部程序或数据存储器的时候，ALE（地址锁存允许）可以输出脉冲用作锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍然以时钟振荡频率的1/6频率输出正脉冲信号，因此它可用作对外输出时钟或定时目的使用。
需要留意的是：
访问外部数据存储器时会跳过一个ALE脉冲。
如果有必要，可以通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元D0位置位设置，禁止ALE操作。
该位被禁止后，只有指令MOVX和MOVC才会激活ALE[9]。
除此以外，当该引脚伎被微弱拉高，芯片执行外部程序的时候，ALE应当设置为无效。
PSEN：
程序储存允许输出为外部程序存储器进行读选取的通信号，当AT89S51由外部程序存储器读取指令（或数据）时，一个机器周期两次PSEN有效，即为输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，应有两次有效的PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
想要让CPU访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH）时，EA端须保持低电平（接地）。
但是，若加密位LB1被编程，复位的时候内部便会锁存EA端状态。
如果此时EA端为高电平（接Vcc端），CPU进行执行内部程序存储器中的指令。
用Flash存储器编程的时候,该引脚须加上正12V的编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.1.3AT89S51内部结构
特殊功能寄存器：
特殊功能寄存器中的片内空间分存如图3-2所示。
由图可见，地址并没有被全部占用，但没有占用的地址不可使用，如果读这些地址将得到一个随意的数值。
若写这些地址单元不能得到预期的结果。
中断寄存器：
各个中断允许控制位于IE寄存器内，而5个中断源的中断优先级控制则位于IP寄存器。
下图3.2为AUXR辅助寄存器：
图3.2AUXR辅助寄存器
双时钟指针寄存器：
为了方便地访问内部和外部的数据存储器，芯片提供了两个16位数据指针寄存储器：
位于SFR区块中地址82H、83H的PD0和位于SFR区块中的地址84H、85H的DP1，当SFR中的位DPS=0时要选择DP0,DPS=1时则选择DP1。
图3.3双时钟指针寄存器
上图为双时钟指针寄存器，在使用前需初始化DPS。
电源空闲标志：
电源空闲标志（POF）位于特殊功能寄存储器SFR中PCON第4位（PCON.4）,电源启动时POF置“1”,它可以由软件设置睡眠状态并且不受复位所影响。
存储器结构：
MCS-51单片机内核普遍采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构，二者均具有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），则全部程序均执行外部存储器。
在AT89S51中,如果要接Vcc（电源+），程序首先要执行地址0000H－0FFFH（4KB）的内部程序存储器，才能执行地址1000H－FFFFH（60KB）的外部程序存储器。
数据存储器：
AT89S51具有128字节的内部RAM，这128字节的空间可以进行直接或间接的寻址方式访问，堆栈操作可以使用间接寻址方式进行，128字节可全部设置为堆栈区空间。
看门狗定时器（WDT）：
WDT是为了应对CPU程序运行时可能出现的进入混乱或死循环而设置，它由一个14位的计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。
当外部复位时，WDT默认为关闭状态。
想要打开WDT，必须按顺序将01H和0E1H写进WDTRST寄存器，当WDT被启动了以后，它会随这晶体振荡器而在每个机器周期计数。
除了硬件复位或WDT溢出复位外，没有其它方法关闭WDT，当WDT溢出，将使RST引脚输出高电平的复位脉冲[10]。
3.2液晶显示
现在，在显示器件里，字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
1602LCD显示模块具有一下特点：
体积小，功耗低，显示内容丰富等。
1602型LCD可以显示2行共16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，5V工作电压，并且具有字符对比度调节和背光功能。
3.2.1接口信号说明
1602型LCD的接口如表3.3所示：
表3.31602型LCD的接口信号说明
编号
符号
引脚说明
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
DataI/O
3
V0
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
3.2.2主要技术参数
1602LCD的主要技术参数如下表所示：
表3.41602型LCD的主要技术参数
显示容量
16X2个字符
芯片工作电压
4.5～5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95X4.35（WXH）mm
3.2.3基本操作程序
读状态：
输入：
RS=L，RW=L，E=H输出：
D0~D7=状态字
读数据：
输入：
RS=H，RW=H，E=H输出：
无
写指令：
输入：
RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲输出：
D0~D7=数据
写数据：
输入：
RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲输出：
无
3.3存储芯片
AT24C02是美国Atmel公司开发的低功耗CMOS型的E2PROM，内含256×8位存储空间，具有以下优点：
工作电压宽（2.5-5.5V）、擦写次数多（>10000次）、写入快（<10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等。
而且它式采用了I2C总线方式进行数据读写的串行器件，占用更少的资源和I/O线[11]。
支持在线编程，可以十分方便的进行数据实时的存取。
AT24C02中带有的片内地址寄存器，每写入或读出一个数据后，这个地址寄存器会自动加1，以便实现对下一个存储单元的读写。
所有的字节均以单一操作方式读取。
不过为了降低总的写入时间，一次操作可写入最多8个字节的数据。
I2C总线是一种使用于IC器件之间连接的二线制总线结构。
它通过SDA（串行数据线）和SCL（串行时钟线）两根线与连到总线上的器件传送信息，并且会根据地址识别每个器件。
正是由于AT24C02运用了I2C规程，使用了主/从机双向通信，主机（一般为单片机）和从机（AT24C02）均可接收器和发送器状态下工作。
主机会在产生串行时钟信号（通过SCL引脚）的同时发出控制字，以控制总线的传送方向，产生开始和停止的前提条件。
不过无论是主机还是从机，当接收到一个字节后都须发一个确认信号ACK[12]。
AT24C02的控制字由8位的二进制数构成，当开始信号发出以后，主机便会发出控制字，以选择从机并同时控制总线传送的方向。
SOICPDIP
图3.4AT24C02的引脚图（两种）
图3.5AT24C02电路图
图3.5中AT24C02的1、2、3脚分别是它的三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
在AT89S51试验开发板上它们都是接地。
第8脚、第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA用于串行数据输入/输出，数据可通过这条双向得I2C总线进行串行传送，在AT89S51试验开发板上和单片机的P2.0连接。
第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89S51试验开发板上和单片机的P2.1连接。
SDA和SCL二者都需要和正电源间各接一个10K的电阻上拉。
而第7脚需要接地。
AT24C02中附带有片内地址寄存器。
每当写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器会自动加1，以便实现对下一个存储单元的读写。
所有字节均以单一操作方式读取。
为降低总的写入时间，一次操作可写最多8个字节的数据。
3.4晶振
晶体振荡器，简称晶振，其作用为产生原始的时钟频率，正是这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了微机中各种不同的总线频率。
以声卡为例，如果要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就要必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。
如需对这两种音频同时支持，声卡就要有两颗晶振。
不过现在的娱乐级声卡为了降低成本，一般都采用SCR将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而现在的娱乐级声卡也都没有很好地解决这个问题[12]。
目前应用最广泛的是石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是一种高精度高稳定度的振荡器，为数据处理设备产生时钟信号和为特定的系统提供基准信号。
石英晶体振荡器也称石英体谐振器，用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。
石英晶体振荡器现在广泛的应用在电视机、录像机、影碟机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。
在单片机中提供时钟频率。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致为：
从一块石英晶体上按一定的方位角切下薄片（简称为晶片，可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线以接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶振。
其产品一般用金属外壳封装，也有用陶瓷、玻璃或塑料封装的。
在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。
若外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
4系统硬件设计
4.1硬件设计原理
这次设计主要由单片机、矩阵键盘、显示器和密码存储等部分组成。
其中矩阵键盘用于输入密码和各种指令以进行各种功能的实现。
用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，经过单片机对用户输入的密码与自己已保存的密码进行逐个核对，判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控以制开锁还是报警，在实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以使用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。
本系统一共有两部分构成：
硬件部分与软件部分。
其中硬件部分由键盘输入部分、电源输入部分、复位部分、密码存储部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、键功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。
其原理框图如下图4.1所示：
图4.1电子密码锁原理框图
4.2总体电路构成
在确定了选用AT89S51的单片机后，就要确定其外围电路。
其外围电路包括键盘输入部分、电源输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分选择4*4矩阵键盘，显示部分选择LCD1602字符显示器，密码存储部分选用AT24C02芯片来完成。
其原理图如图4.2所示：
图4.2电路原理图
4.3电源电路
电子密码锁的主控制部分电源需要用5V直流电源（移动电源或USB）供电，电路图如下图4.3所示。
不过5V电源输入时常常伴有杂波，为滤掉杂波，所以加一个2.2uF的电容进行滤波，以满足所需的电压要求。
图4.3电源输入电路原理图
4.4键盘接口电路
由于本设计用到的按键数量较多因而不适合用独立按键式键盘。
这里采用的是4*4矩阵式按键键盘。
它由行线和列线组成，又称行列式键盘，按键位于行列线的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成。
与独立式按键键盘相比，行列式键盘要节省很多I/O口。
本设计使用的4*4键盘不但能完成密码的输入多余的键还能用作特别功能使用，如清空显示功能等。
键盘的每个按键功能在程序设计中设置[13]。
其大体功能及与引脚如图4.4所示：
图4.4键盘输入原理图
4.5复位电路
所谓单片机复位是让CPU和系统中所以其他功能部件都处在一个确定的初始状态，且从这个状态开始工作。
例如复位后PC＝0000H，单片机从第—个单元开始读取指令。
无论单片机刚接上电源时，还是断电或者发生系统故障后都要进行复位。
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，此时外部程序存储器读选通信号PSEN无效，地址锁存信号ALE也是高电平。
根据实际需求选择了如图4.5所示的复位电路。
该电路在简单的复位电路下增加手动的复位按键。
在接通电源的瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻
上的电压接近于电源电压，即RST状态为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一特定数值（低电平）后，CPU便脱离复位状态，电容C1要足够大，因为CPU要有足够的时间来可靠复位，则RST高电平有效
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