最新版电子密码锁的研究与设计毕业论文.docx
《最新版电子密码锁的研究与设计毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新版电子密码锁的研究与设计毕业论文.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
最新版电子密码锁的研究与设计毕业论文
本科生毕业设计（论文）
题目：
电子密码锁的研究与设计
姓名：
学号：
系别：
电子信息工程系
专业：
通信工程
年级：
2011级
指导教师：
2015年4月15日
独创性声明
本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。
文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。
特此声明。
论文作者签名：
日期：
关于论文使用授权的说明
本人完全了解有关保留、使用学位论文的规定，即：
学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。
保密的论文在解密后应遵守此规定。
论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
基于电子密码锁的研究与设计
摘要
随着现代科技的飞速发展，人们对具有重要场所、私密物质的安全性的要求越来越高。
为了更好的满足人们对锁的使用要求，代替传统锁的电子密码锁横空出世。
具有报警功能的电子密码锁在日常生活中的使用越来越多，而密码锁也具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。
本次电子密码锁的设计采用的是以单片机STC12C5A60S2为主要的控制器，并且应用蜂鸣器、矩阵键盘、液晶显示器等器件进行液晶显示电路、指示（LED）电路、报警（蜂鸣器）电路、串口电路等电路的设计；应用protel软件进行原理图、PCB图的设计；应用C++语言编写实现电子密码锁功能的程序；最后pcb板的制作与调试。
电子密码锁可实现6位密码的输入，密码正确则锁打开；修改密码须再次输入旧密码，修改密码完需要二次确认，以防止误操作；密码锁的密码输入错误次数超过3次，蜂鸣器报警。
设计此系统的密码锁具有较高的安全性和科学性。
关键词：
单片机，电子密码锁，液晶显示，报警
Researchanddesignofelectronic passwordlock basedon
Abstract
Withtherapid developmentofmodernscienceandtechnology, people onthesafetyofimportant places, private matter oftheincreasinglyhighdemand.Inordertobetter meettherequirementsofpeopleon theuseof electronicpassword lock,insteadofthetraditional lock wasborn.Hasthealarmfunctionofelectronicpassword lock isusedmoreand more inourdailylife, butalsohasa moresecure passwordlock withhigh, lowcost, lowpowerconsumption, easyoperation, etc..
The designof the electroniccodelock isbasedonSTC89C52RCmicrocontrollerasthe maincontroller, anduse thebuzzer, matrixkeyboard, LCDdisplay device, liquidcrystaldisplaycircuit indicator （LED） circuit, alarm （buzzer） circuit, serial circuit;DesignandapplicationofProtel softwareschematic, PCBdiagram;ApplicationofC++languageto realizethe electronic passwordlockfunctionoftheprogram;Finally, thePCB board productionanddebugging.Thepassword lock throughthekeyboardinput 6password, thepasswordiscorrect, itwillopenthelock;Changethepassword mustfirst lock, modifythepassword to entertheoldpassword again, changethepassword to confirm after twotimes, inordertoprevent misoperation;Enterthewrongpassword lock morethan3times, thebuzzeralarmandlockthe keyboard.Thedesignofthesystem passwordlock with highsecurityand Science.
KeyWords:
Singlechipmicrocomputer,Electronicpasswordlock,LCD,Alarm
第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着人们安全意识与生活水平的提高，对安全方面的要求也急剧增长，自古以来，锁就是人们生活中不可或缺的一部分，锁具是守护门的将军，既要安全可靠又得方便使用。
但是传统钥匙的锁具在经过若干年的使用和研究，人们对它的机理与结构知道得也是相当清楚，即使不使用钥匙而打开锁的办法也是数不胜数。
就如同传统构造简单的机械锁，不仅是偷盗者即使是普通人，只要一根铁丝就可以直接打开这看似安全性十足的机械锁，从而锁渐渐的失去了保障人们财产安全的意识。
那么，提高锁具保护人们财产安全变成时代的主题。
在现在信息现代化的时代，保障人们财产人身安全的锁也应该向高安全、高精度的信息化、智能化的方向发展。
在传统钥匙的基础上，加了几组密码，根据不同声波、光束、声音、磁场、图像（如指纹、眼底视网膜等）等来开启锁[1]。
自从20世纪70年代第一块单片机芯片TMS-1000在美国德克萨斯仪器公司问世以来，基于它特点是价格低廉、体积小、个性突出等，越来越多的电子产品开始采用单片机芯片作为核心控制部件。
随着现代科学技术的飞速发展，各类电子产品相继出现在人们的生活中，而电子密码锁就是其中的一种。
据有关资料介绍，电子密码锁在从20世纪30年代就已经开始研究了，也已经应用在一些特殊场所。
电子密码锁若是想主流于市场完全取代传统的密码锁，就必须不断改进，在它具有多功能的同时还得向更低成本化和更智能化发展。
这便需要我们不断的去研究电子密码锁的功能和实现情况。
因此，对基于单片机的电子密码锁的研究对现实生活是很有必要的。
因为只有提高了锁的安全性，才能使不法分子无从下手，减少对人们财产人身安全的威胁，人们也就能对自身财产安全有了更多的保障。
当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，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。
1.2电子密码锁技术的研究现状
目前我国的电子密码锁技术和西方发达国家相比还相对落后。
因为在西方发达国家中的电子密码锁的种类已经相当广泛且技术相对领先，不仅在各个领域得到了广泛应用而且技术也向世界扩展。
在我国，电子密码锁技术却只是国际上二十世纪中期时候的水平，所以相对来说还是比较落后。
而自从20世纪80年代以来，出现的各种电子集成电路，特别是单片机的横空出世，电子密码锁得到了很高的提升。
经过翻阅各种资料文献对电子密码锁系统设计的研究，主要的实现方案是矩阵式键盘的密码输入、7段数码管的系统显示、二极管的指示灯提醒等等。
应用STC89C52单片机，这个单片机和AT系列的单片机最大区别就是这类单片机有内部集成了4kb大小的EEPROM，利用ISP/API功能应用编程来控制内部的EEPROM的读写而不需要外接存储器来进行数据保护[2]。
当前电子密码锁的功能得到实现的新方法真是类型多样，无时无刻不展现着科技的发展和进步，比如：
IC卡和指纹识别，IC卡密码锁设计是基于一个AT24C01A卡进行设计的，IC卡的核心是EEPROM。
尽管电子密码锁还存在着一些似有若无的缺陷，但是它的安全性价值高、方便携带、容易操作、能够智能报警等的各类优势却是传统钥匙锁所取代不了的，而且现在各种电子器件的价格的不断降低和电子信息技术的不断发展，电子密码锁也将往低成本、多功能的方向发展。
第2章系统总体方案设计
2.1电子密码锁功能简介
（1）系统设置6位密码，密码通过键盘输入，密码正确，将锁打开。
（2）系统密码可以由用户修改设定，锁打开后才能修改密码。
修改密码之前必须再次输入旧密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。
（3）系统的报警、锁定键盘功能。
密码输入错误次数超过3次，蜂鸣器报警。
（4）系统的密码输入都在液晶屏中显示。
2.2芯片选取
2.2.151系列和stc系列单片机的对比
在51系列的单片机中，能具有更大竞争力的是STC公司的1T增强系列。
它不但和8051指令、管教完全融合，也支持串口程序烧写，而且其片是FLASH工艺且内有大容量程序存储器，这种工艺的存储器用电方式瞬间改写、擦除。
写入单片机的程序可以加密与很好保护劳动成果[3]。
像STC12C4A60S2单片机内部就自带高达60kFLASHROM，重要的是它目前的售价和51系列单片机不相上下，有其很高的性价比。
2.2.2STC12C5A60S2概述
STC12C5A60S2的一些基本内容：
工作电压：
5.5V-3.3V；工作频率范围：
0-35MHz；看门狗；商业级工作温度范围：
0-75℃；有双串口；片上集成1280字节RAM；A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）；通用全双工异步串行口（UART）；2个时钟输出口；共4个16位定时器；内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接接1K电阻到地）；增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期；应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；有EEPROM功能；通用I/O口，可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，复位后为：
准双向口/弱上拉；外部中断I/O口7路，除传统的下降沿中断或低电平触发中断外，新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒；封装，可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU三线通信；ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），直接下载用户程序，数秒即可完成一片等[4]。
STC12C5A60S2芯片管脚如图2-1所示：
图2-1STC12C5A60S2芯片管脚图
引脚的功能如表2-1所示:
表2-1STC12C5A60S2芯片引脚功能表
STC12C5A60S2芯片引脚的功能
管脚
功能
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，每个管脚可吸收8TTL门电流
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，电位被内部上拉为高，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口作为第八位地址接收。
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
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。
另外P3口也有一些特殊功能口：
串行输入、输出口；外部中断0、外部中断1；记时器0外部输入、记时器1外部输入；外部数据存储器写选通、外部数据存储器读选通[5]。
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平时间
ALE/PROG
访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节
PSEN
外部程序存储器的选通信号
EA/VPP
当EA端保持高电平时，访问内部ROM；当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET
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
2.2.3lcd1602介绍
管脚功能如表2-2所示：
该显示器采用的标准16个管脚接口，其中：
表2-2lcd1602管脚功能表
lcd1602管脚的功能
管脚
功能
第1管脚
VSS为电源接地
第2管脚
VCC接5V电源正极
第3管脚
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时最弱，接地电源时最高
第4管脚
RS为寄存器选择
第5管脚
RW为读写信号线
第6管脚
EN端为使能（enable）端
第7～14管脚
D0～D7为8位双向数据端
第15管脚
背光正极
第16管脚
背光负极
Lcd1602的优点：
显示质量高：
液晶显示器每一个点在收到信号后就一直持续同种的色彩与亮度，因此其画质高更不闪烁。
数字式接口：
液晶显示器是数字式，操作方便使用简单。
功耗低：
液晶显示器内部的驱动IC和电极耗电极少。
体积小、重量轻：
液晶显示器显示屏上的电极控制液晶分子状态达到显示的目的，因此比传统的显示器轻得多[6]。
2.3电子密码锁的总设计方案
2.3.1主要芯片与控制
一个是STC12C5A60S2单片机，作为系统的总控制核心；一个是lcd1602液晶显示器控制外围电路。
另外输入器件用矩阵键盘，报警器件用蜂鸣器，LED灯为指示器件，晶振与继电器等。
总设计原理图如图2-2所示：
图2-2设计原理图
2.3.2STC12C5A60S2管口与各个部分电路的接线情况
P1.0~P1.7连接矩阵键盘电路，对按键进行编码，从而实现输入密码和修改密码的功能
RST连接复位电路，实现复位、重新启动功能
INT0连接指示电路，实现密码输入是否正确指示的功能
XTAL1、XTAL2连接晶振电路，控制各部分保持同步
P0.0~0.7连接液晶显示电路，实现从单片机向液晶显示器传输数据
P2.6~P2.8，实现字符显示的作用与控制显示器的作用
P2.0连接报警电路，通过PNP型三极管来驱动蜂鸣器，当输入密码错误三次后自动实现报警功能
RXD、TXD控制程序烧入芯片
第3章系统硬件设计
3.1系统硬件设计
本次毕业设计的密码锁电路主要的组成模块：
矩阵键盘输入模块、数码管显示控制模块、继电器驱动二极管显示模块、蜂鸣器报警模块、复位模块和数据处理模块。
当输入的密码正确时，单片机便输出开锁信号，指示灯亮起达到开锁的目的；当输入三次密码错误时，则开启报警系统。
系统硬件设计如图3-1所示：
图3-1系统硬件设计图
3.2STC12C5A60S2最小系统设计
本设计除主要STC12C5A60S2控制电路如图3-2外，还有最小系统包括矩阵键盘电路、数码管显示控制模块、指示灯电路、蜂鸣器报警电路、复位电路、晶振电路等。
图3-2STC12C5A60S2控制电路图
3.2.1晶振电路设计
单片机工作时所具备的时钟控制信号是时钟电路，而常用的时钟电路有内部时钟和外部时钟两种方式。
内部时钟方式则是根据不同的振荡频率要求，外接不同阻值的一个晶振和两个电容[7]。
时钟电路中的晶振震荡频率范围通常是1.2MHz～12MHz，而STC12C5A60S2的晶振范围是0-35MHz，为消除开锁驱动电路误差，得到准确的波特率则该实验使用的是12M的石英晶体与12pf的两个电容。
晶振电路如图3-3所示：
图3-3晶振电路图
3.2.2复位电路设计
单片机复位是只需在单片机的复位引脚加上大于两个机器周期的高电平，单片机的初始化操作便是复位。
通过复位重新启动程序便可解决程序运行出错或操作进入死循环状态。
复位一般都是由外部的复位电路来实现的，而复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
而STC12C5A60S2用的是外部的复位电路，本设计采用的是按键电平复位，因为复位操作比较方便，其中电阻R2取1K，电容C1取10UF。
复位电路如图3-4所示：
图3-4复位电路图
3.2.3指示灯电路
发光二极管由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成，简称为LED[8]。
砷化镓二极管发的是红光，氮化镓二极管发的是蓝光，磷化镓二极管发的是绿光，碳化硅二极管发的是黄光等因为当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而经常被使用用来制成发光二极管。
而且发光二极管构造简单，体积微小，价格便宜，更广泛用于生活中各个地方。
所以本设计，也选用发光二极管作为指示灯，指示密码输入的正确与否情况。
在如图3-5的指示电路图中，P3.2（replay）口是输入信号的作用且它上面的高低电压控制着指示灯的亮灭情况，当密码输入正确信号传进时，P3.2口便处于高电压则电路导通，二极管灯亮起；反之，当密码输入错误信号无法传时，P3.2口边处于低电平，电路不导通则二极管不亮。
图3-5指示电路图
3.2.4继电器电路
继电器是具有输入回路（又称控制系统）和输出回路（又称被控制系统）之间的互动关系的一种电控制器件。
继电器实际上是一种“自动开关”是由用小电流去控制大电流运作的。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，通常应用于自动化的控制电路中。
因为继电器有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等各种优点，所以它广泛应用于自动化、遥控、电力保护、运动、测量和通信等装置中[9]。
当电压、电流、温度等这些输入量达到一定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。
输入量可分为电气量像电流、电压、频率、功率等及非电气量像温度、压力、速度等两大类。
继电器原理图如图3-6所示：
图3-6继电器原理图
电磁继电器工作原理和特性：
电磁继电器是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
电磁效应是指在线圈两端加上一定的电压后电流就会从线圈中流过从而产生的现象。
衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放。
这样吸合、释放的来回，便能达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的触点，通常可以这样区分：
处于接通状态的静触点叫做“常闭触点”；继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点叫做“常开触点”。
继电器一般低压控制和高压工作这两股电路。
继电器电路图如图3-7所示：
图3-7继电器电路图
3.2.5矩阵键盘电路设计
键盘是系统中的基本上用手动控制的部分，则键盘的设计就显得尤为的重要。
在键盘中按键数量较多时，通常将按键排列成矩阵形式是为了减少I/O口的占用，每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不直接相通，而是通过一个按键加以连接。
需要具有M×N个按键的键盘只要利用行列式矩阵结构只需要M条行线和N条列线就可以了。
由于矩阵键盘可以减少I/O口的占用，故使用矩阵键盘[10]。
这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍。
本设计中，矩阵键盘列线和单片机P1.0-P1.3相连，行线与单片机P1.4-P1.7相连。
键盘扫描采用行扫描法，设置行线中每一行为低电平，列线中每一列为高电平。
则输入线都是高电平时，代表无键按下；一旦有键按下，则输入线的电平就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
矩阵键盘电路如图3-8所示：
图3-8矩阵键盘电路图
3.2.6蜂鸣器报警电路
蜂鸣器提示经常被使用在报警提示电路中，因为它可以根据信号的频率以及脉冲信号发出各种不同的声音，容易辨认，以达到密码错误时发出的指示达到报警的要求。
本设计的报警电路除一只电压式蜂鸣器，还有一些外围电路，有PNP三极管和电阻。
电路中的三极管PNP所处的状态受P2.0控制，当P2.0为高电平时，三极管导通则蜂鸣器供电响鸣；当P2.0为低电平时，蜂鸣器无电源不响。
当正常工作时密码输入正确时，蜂鸣器不发声直接输出开锁信号，只有当按错误密码达到三次时，单片机P2.0口高低电平震荡，蜂鸣器发出报警声。
压电式蜂鸣器工作时约需要100mA驱动电流，从而根据密码错误时发出的声音，达到报警的效果。
蜂鸣器报警电路图如图3-9所示：
图3-9蜂鸣器报警电路图
3.2.7续流二极管
继电器旁边和电源旁边的二极管是IN4148通常叫“续流二极管”由于在电路中起到续流的作用而得名[12]，一般选择快速恢复二极管或者肖特基二极管来作为“续流二极管”，它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏，以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端，并与其形成回路，使其产生的高电动势在回路以续电流方式消耗，从而起到保护电路中的元件不被损坏[11]。
二极管D1、D2如图3-10所示：
图3-10二极管D1、D2图
3.2.8液晶显示器电路
显示部分由液晶显示器lcd1602完成。
开锁时，利用键盘上的数字键0--9输入密码。
所输入的密码则会显示在屏幕上，当密码输入完成时，根据输入密码的正确与否，显示器作相应的显示。
本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。
在电路中P0.0~P0.7连接的是显示器的第7~14的管脚进行8位双向数据端；第4、5、6的管脚分别控制RS为寄存器选择、RW为读写信号线、EN端为使能（enable）端；第3管脚接的控制背光亮度的可调节电阻[13]。
通过软件实现数字和位控制，实现屏幕上各个字符的显示。
液晶显示器电路图如图3-11所示：
图3-11液晶显示器电路图
3.3整体的原理图及pcb图
第4章系统软件设计
4.1 软件设计方案
电子密码锁通电后便可开始操作，首先输入原始密码012345。
密码输入完按下确认键，系统会将所输入的原始密码与系统密码进行比对。
若输入密码正确则指示灯亮起，密码锁成功开启，当一定时间内无操作时，密码锁自动关闭。
密码锁开启后可进入修改密码系统，按下密码修改键时显示器出现old（输入旧密码），输入旧密码之后显示器出现new（输入新密码），输入完在确认一次，确认密码输入时若与第一次修改密码一致则显示器出现ok，密码修改成功，并关闭密码锁；确认密码输入时若与第一次修改密码不一致时则显示器出现no，并关闭密码锁。
修改密码成功后，再次输入密码则系统会将输入的密码与重新设定的密码进行对比，符合则开启，当不符合密码的操作至3次时蜂鸣器报警并锁定密码锁。
软件程序运用模块化方式设计，在程序中以一个主函数，多个子函数的方式编写，这样更方便读写程序。
函数共包含：
1．主函数；2．按键函数；3．按键扫描函数；4．按键判断处理函数。
4.2软件设计总流程图
软件设计总流程图如图4-1所示
图4-1软件设计总流程图
第5章硬件系统仿真
5.1硬件图样情况
5.2硬件调试情况图
初始密码012345
更改密码
新密码及二次确认
二次确认失败后，密码锁自动关闭，需要重新开密码
另外，密码锁开启后若无操作，一段时间后指示灯灭掉则锁关闭。
升级会员 