智能电子密码锁设计.docx

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天津大学网络教育学院

专科毕业论文

题目：

智能电子密码锁设计

完成期限：

2016年1月8日至2016年4月20日

学习中心：

嘉兴

专业名称：

电气自动化技术

学生姓名：

姚建林

学生学号：

132092433147

指导教师：

刘伯颖

天津大学网络教育学院专科毕业论文

智能电子密码锁设计

1引言

随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。

锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。

随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。

据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。

这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。

研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。

电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。

电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，因而被越来越多的人所欣赏。

电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等，但较实用的还是按键式电子密码锁。

20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。

目前，在西方发达国家，密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全、可靠的技术实现大门的管理。

在我国密码锁整体水平尚处于国际上70年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。

但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。

国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。

希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。

2系统方案论证

2.1主控部分的选择

方案一：

采用数字电路控制

用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，将密码保存在JK触发器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合。

采用数字电路设计的方案好处就是设计简单，但控制的准确性和灵活性差，故不采用。

方案二：

采用以单片机为核心的控制方案

选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。

利用单片机内部的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接数码管显示（LED），键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，因此综合考虑，本系统采用方案二。

2.2密码输入方式的选择

方案一：

指纹输入识别

指纹识别技术主要涉及四个功能：

读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。

通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。

软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。

通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。

这些数据，通常称为模板。

通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果，从而判断输入结果的正确与否。

考虑到本方案软硬件太过复杂，而且成本也高，故不采用。

方案二：

矩阵键盘输入识别

由各按键组成的矩阵键盘每条行线和列线都对应一条I/O口线，键位设在行线和列线的交叉点，当一个键按下就会有某一条行线与某一条列线接触，只要确定接触的是哪两条线，即哪两个I/O口线，就可以确定哪一个键被触动。

行线设计成上拉口线，初始时被置高电位，列线悬空，初始置低。

通过不断读行线口线，或者中断方式触发键位扫描。

当发现有键按下，将列线逐一置低，其他列线置高，读行线口线。

当某条列线置低时，某条行线也被拉低，则确定这两条线的交点处的按钮被按下。

每个按键都可通过程序赋予功能，从而完成密码识别。

本方案简单易行，故采用。

3系统总体设计和主要芯片介绍

3.1系统总体设计

本设计主要由单片机、矩阵键盘、数码管显示以及开锁报警等部分组成。

其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现，由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入所设定的密码，驱动芯片驱动数码管显示输入的数字，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁（黄灯亮）还是报警（红灯亮）。

系统整体框图如图3-1

AT89S52

晶振电路

键盘输入模块

复位电路

密码存储模块

驱动模块

开锁报警模块

显示模块

所示。

图3-1系统结构框图

各模块具体功能如下：

1．键盘输入模块：

分为密码输入的数字按键与几个功能按键，用于完成密码的输入功能。

2．复位电路：

完成系统的复位。

3．密码存储模块：

用于完成掉电存储功能，使密码断电后仍能保存。

4．驱动电路：

用于驱动数码管对键盘所输入的数字进行实时显示。

5．显示模块：

用于完成对系统状态的显示及操作提示功能。

6．报警电路：

应用发光二极管模拟报警，用于完成密码输入错误时候的指示。

7．开锁电路：

应用发光二极管模拟开锁，完成开锁及开锁提示。

3.2主要芯片介绍

3.2.1主控芯片AT89S52

AT89S52单片机是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52的管脚分布如图3-2。

图3-2AT89S52芯片管脚

其各引脚功能如下：

（29引脚）：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

/VPP（31引脚）：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1（19引脚）：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18引脚）：

振荡器反相放大器的输出端。

ALE/PROG（30引脚）：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

RST（9脚）：

当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平，使得单片机复位。

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P1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/地址的第八位。

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。

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）——下载线

P1.6MISO（在系统编程用）——下载线

P1.7SCK（在系统编程用）——下载线

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。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P3口作为AT89S52的一些特殊功能管脚备选功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2（外部中断0）

P3.3（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6（外部数据存储器写选通）

P3.7（外部数据存储器读选通）

AT89S52主要特性如表1所示。

表1AT89S52主要特性

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM

32个双向I/O口

4.5-5.5V工作电压

3个16位可编程定时/计数器

时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线

256x8bit内部RAM

2个外部中断源

低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式

3级加密位

看门狗（WDT）电路

软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程

双数据寄存器指针

3.2.2存储芯片AT24C1024

AT24C1024是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E²PROM，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。

而且他是采用了I²C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。

AT24C1024中带有的片内地址寄存器。

每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以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，一次操作可写入多达8个字节的数据。

I²C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。

它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。

AT24C1024正是运用了I²C规程，使用主/从机双向通信，主机（通常为单片机）和从机（AT24C1024）均可工作于接收器和发送器状态。

主机产生串行时钟信号（通过SCL引脚）并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。

无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK（确认应答）。

AT24C1024的控制字由8位二进制数构成，在开始信号发出以后，主机便会发出控