基于单片机的电子密码锁.docx
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基于单片机的电子密码锁
青岛理工大学
毕业论文
题目：
基于单片机的电子密码锁设计
学生姓名：
范小凤
学生学号：
201089084
院系名称：
机电工程系
专业班级：
机电一体化104
指导教师：
武传艳
2013年06月15日
毕业设计任务书
专业机电一体化班级104姓名范小凤下发日期2013-3-1
题目
基于单片机的电子密码锁设计
专题
单片机应用
主
要
内
容
及
要
求
主要内容：
（1）绘制系统的整体框架图，确定总体方案；
（2）“基于单片的电子密码锁”硬件电路设计；
（3）主要元器件选择；
（4）单片机控制系统软件设计；
（5）进行仿真调试及运行结果分析。
要求：
（1）输入密码时在LCD屏幕上显示*号。
（2）输入密码错误超过三次电子密码锁延时锁定。
（3）当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮。
（4）密码可以由用户自己修改设定。
技
术
参
数
要求：
（1）AT89S51单片机
（2）LCD1602显示器
（3）4×4矩阵键盘
进
度
及
完
成
日
期
2013年4月1日-2013年4月19日，查阅国内外文献,上交开题报告。
2013年4月22日-2013年5月10日，系统方案选择与论证,软硬件设计。
2013年5月13日-2013年5月24日，主要参数计算及元器件选择,上交中期审核表。
2013年5月27日-2013年6月05日，完成毕业设计说明书的撰写,上交初稿。
2013年6月06日-2013年6月15日，根据老师意见进行修改完善。
2013年6月16日-2013年6月20日，论文打印,完成答辩PPT,准备答辩。
系主任签字
日期
教研室主任签字
日期
指导教师签字
日期
指导教师评语
文章篇幅完全符合学院规定，内容完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚。
该生查阅文献资料能力强，能全面收集关于考试系统的资料，写作过程中能综合运用考试系统知识，全面分析考试系统问题毕业论文，综合运用知识能力强，并有一定的个人见解。
总体讲，该生论文语言表达流畅，格式完全符合规范要求；参考了较为丰富的文献资料，其时效性较强；未发现抄袭现象。
指导教师:
年月日
青岛理工大学毕业论文评阅意见表
论文题目
基于单片机的电子密码锁设计
评价
项目
评价标准（A级）
满分
评分
A
B
C
D
E
文献
资料
利用
能力
能独立地利用多种方式查阅中外文献；能正确翻译外文资料；能正确有效地利用各种规范、设计手册等。
10
10
9
8
7
≤6
综合
运用
能力
研究方案设计合理；设计方法科学；技术线路先进可行；理论分析和计算正确；动手能力强；能独立完成论文；能综合运用所学知识发现和解决实际问题；研究结果客观真实。
20
19－20
17－18
15－16
13－14
≤12
论文
质量
论文结构严谨；逻辑性强；语言文字表准确流畅；格式、图、表规范；有一定的学术水平或实际价值
40
37-40
32-36
28-31
25-27
≤24
创新
能力
有较强的创新意识；所做工作有较大突破；论文有独到见解
15
15
13-14
11-12
10
≤9
工作
量
工作量饱满；圆满完成了任务书所规定的各项任务。
15
15
13-14
11-12
10
≤9
总分
是否同意将该论文提交答辩：
是（）否（）
具体评阅及修改意见：
针对单片机的电压和电源电压之间的压差调节没有注意，应对这方面设计加以补充。
对论文没有多少独到的见解，缺乏创新，有待于进一步的学习和研究。
评阅人：
年月日
注：
1.请按照A级标准，评出论文各项目的具体得分，并填写在相应项目的评分栏中；
2.计算出总分。
若总分<60分，“论文质量”<24分，建议不能提交论文评阅乃至答辩。
该论文须限期修改合格后重新申请答辩。
3.评阅意见栏不够可另附页。
答辩委员会评语
评
定
成
绩
周记
论文
图纸
答辩
总评
答辩委员会主席签字
日期
（5%）
（65%）
（30%）
百分制
等级制
摘要
在日常的生活和工作中,住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。
随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。
为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。
密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作、记住密码即可开锁等优点。
本系统由AT89S51单片机系统、4×4矩阵键盘、LCD1602显示和报警系统等组成，具有设置、修改六位用户密码、超次报警、超次锁定、密码错误报警等功能。
除上述基本的密码锁功能外，依据实际的情况还可以添加遥控功能。
本系统成本低廉，功能实用。
关键词：
AT89S51；LCD1602；电子密码锁；4×4矩阵键盘
ABSTRACT
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,people'sDailylifesafetyinsurancedeviceofdemandishigherandhigher.Tomeettherequirementsofpeopleontheuseofthelocktoincreaseitssafety,usingthepasswordinsteadofthekeycombinationlockarisesatthehistoricmoment.Combinationlockwithhighsafety,lowcost,lowpowerconsumption,easyoperation,rememberthepasswordlock,etc.
ThissystemismadeupofAT89S51,4*4matrixkeyboard,LCD1602displayandalarmsystem,etc,.Ithasthefunctionofsettingupandmodifypassword,lockingthesystemifexceedsthemaxtimes.Alarmetc.Besidestheabovebasiccombinationlockfunction,accordingtotheactualcircumstancealsocanaddfunctionofremotecontrol.Thesystemcost,functionandpractical.
Keywords：
AT89S51；LCD1602；Electronicpasswordlock；4×4keyboard
目录
第1章绪论2
1.1电子密码锁背景及简介2
1.2电子密码锁发展趋势3
1.3本设计主要实现的目标4
第2章总体设计方案的确定5
2.1电子密码锁设计的具体要求5
2.2总体设计方案选定5
第3章电子密码锁系统的工作原理7
3.1系统的基本工作原理7
3.2系统总体设计框图7
3.3系统各单元简单介绍8
第4章系统硬件设计9
4.1系统总体框图9
4.2单片机的介绍9
4.2.1主要特性9
4.2.2引脚功能说明10
4.2.389S51相对于89C51的新功能12
4.2.4单片机硬件资源的分配12
4.3液晶显示LCD1602的介绍13
4.3.1LM1602字符型模块的性能13
4.3.2LCD1602的基本原理13
4.4复位电路的设计15
4.5晶振电路的设计17
4.6开锁机构设计19
4.7键盘设计20
4.8显示电路设计22
4.9Proteus仿真电路23
第5章系统软件设计25
5.1主程序模块25
5.2键盘扫描及识别子程序26
5.3系统模块密码设置子程序27
5.4程序调试28
第6章总结31
致谢33
参考文献34
附录35
附录Ⅰ电子密码锁整体设计图35
附录Ⅱ电子密码锁程序源代码36
附录ⅢModernCombinationLock49
附录Ⅳ现代密码锁52
前言
随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的喜爱。
锁是置于可启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范围或某种器具的,必须以钥匙或暗码打开的扣件。
锁具发展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也研究得很透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。
现代人类文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已的行为，“非礼不为”，虽无钥匙亦不会乱闯。
然而，那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。
为什么会出现这种情况呢？
因为传统锁具都存在致命的弱点：
第一、锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；
第二、锁具制作工艺，技术落后，无法阻止技术手段的开启。
目前，市场上很多国内外的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能。
在惯偷面前，两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开，有的惯偷甚至公开扬言：
“没有我打不开的锁。
”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理太过简单。
面对这一残酷的现状，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。
当前虽然许多智能锁（如指纹辨别、IC卡识别）已相继问世，但这类产品是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间等。
另外，卡片式的IC卡易丢失和损坏，加上其成本较高，在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
电子密码锁具有安全性能高、成本低、功耗低、操作简单等优点使其作为防盗卫士的角色越来越重要。
现有国内市场上的电子密码锁有的是通过购买一些产品模块再开发，不具备自主知识产权；有的是自主研发的，但其功耗与成本都比较高，不具备广泛的应用价值。
为了克服这些缺点，从经济实用角度出发，采用单片机AT89S5l与低功耗CMOS型E2PROMAT24C02作为主控器件与数据存储器单元，设计一款可更改密码，具有报警、实时监控和远程管理功能的电子密码锁。
该电子密码锁体积小，易于开发、成本较低，安全性高，能将其存储的现场历史数据及时上报给上位机系统，实现网络实时监控，方便管理人员及时分析和处理。
第1章绪论
1.1电子密码锁背景及简介
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，单片机性能不断完善，性能价格比显著提高，技术日趋完善。
由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。
本设计利用单片机及附加电子元器件实现数据采集和控制算法，来完成某一实际功能，检验并提高同学对整体电路设计和把握能力，了解单片机系统设计流程，以及电路板的实际制作和调试能力。
同时也加强对数字电路、单片机和微机原理等课程知识的实际应用能力，也为同类产品的进一步发展奠定理论和实践基础。
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，又要使用方便，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。
由于电子锁的密钥量（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，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，电子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，更加可靠的技术实现大门的管理。
在我国电子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。
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。
其性能和安全性已大大超过了机械锁。
其特点如下：
1）保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。
随机开锁成功率几乎为零。
2）密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。
3）误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。
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）电子密码锁操作简单易行，一学即会。
1.2电子密码锁发展趋势
电子密码锁应用于金融业，其根本的作用是“授权”，即被“授权”的人才可以存取钱、物。
广义上讲，金融业的“授权”主要包括以下三种层次的内容：
1、授予保管权，如使用保管箱、保险箱和保险柜；2、授予出入权，如出入金库、运钞车和保管室；3、授予流通权，如自动存取款。
目前，金融行业电子密码锁的应用主要集中在前两个层面上。
下面将介绍几种在金融行业中使用较多的电子密码锁以及它们的技术发展方向。
当然，以上所说的授权技术再高超，都必须由精良的“锁具”担当承载结构部件，实现开启、闭锁的功能，而且承担实体防护作用，抵抗住或尽量延迟破坏行为，让电子密码锁“软、硬不吃”。
一般情况下，锁具防盗的关键是锁身外壳、闭锁的部件的强度、锁止型式、配合间隙和布局。
提高电子密码锁之防护能力的必然途径是报警，在金融业的许多场所有人值守、有电视监控，具有报警功能，可以综合物理防范和人力防范两种作用。
报警的前提是具备探测功能，根据电子密码锁的使用场所和防护要求，可选择多种多样的探测手段。
在中国的城市金融业中，实现联网报警已经成为对各金融网点的基本要求。
根据国内外的实践经验，金融业实行安全防范风险等级很有必要，即依据使用的防盗报警器材的性能、安装布局和人员值守状况等，可以评估被防护物或区域的防护能力，得出风险等级，其中，电子密码锁的性能至关重要。
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钥匙的电子信息，组合使用这些信息能够使电子密码锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子密码锁，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。
组合使用信息也能够使电子密码锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。
1.3本设计主要实现的目标
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，在输入新密码时候一定输对，以防止误操作。
第2章总体设计方案的确定
2.1电子密码锁设计的具体要求
（1）本设计为了防止密码被窃取要求在输入密码时在LCD屏幕上显示*号。
（2）设计开锁密码位六位密码的电子密码锁。
（3）能够LCD显示在密码正确时显示PASSWORDOK，密码错误时显示PASSWORDERROR，输入密码时显示INPUTPASSWORD。
（4）实现输入密码错误超过限定的三次电子密码锁定。
（5）4×4的矩阵键盘其中包括0-9的数字键和A-F的功能键
（6）本产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮。
（7）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），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。
2.2总体设计方案选定
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，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警20秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。
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：
采用一种是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。
由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定应用环境，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、存储器、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，除了以上的一些的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。
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。
基于以上因素本设计选用单片机AT89C51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。
在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密码存储，外接LCD1602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按键盘的数字键0—9输入密码。
密码输入完后按下确认键，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；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。
如图2.1所示。
图2.1单片机控制密码锁原理图
由上面两个方案比较得出，方案一是采用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，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。
方案二使用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。
根据密码锁的的要求灵活、可靠性的出选择方案二比较可靠。
第3章电子密码锁系统的工作原理
3.1系统的基本工作原理
电子密码锁系统主要由AT89S51单片机、矩阵键盘、复位电路、晶振电路、显示器电路、密码错误报警控制电路、开锁控制电路、LED指示电路等部分组成。
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密码，密码经过显示电路进行显示，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还是报警，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，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。
本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。
其中硬件部分由AT89S51单片机、矩阵键盘、复位电路、晶振电路、显示器电路、密码错误报警控制电路、开锁控制电路、LED指示电路等部分组成。
软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、健功能程序、密码设置程序和延时程序等组成。
3.2系统总体设计框图
利用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。
根据密码锁的灵活、可靠性的要求，故得出如图3.1所示的电子密码锁系统的总框图。
图3.1系统总体设计框图
3.3系统各单元简单介绍
电子密码锁系统主要由AT89S51单片机、矩阵键盘、复位电路、晶振电路、显示器电路、密码错误报警控制电路、开锁控制电路、LED指示电路等部分组成。
（1）AT89S51单片机：
是电子密码锁系统的总体控制部分。
（2）晶振电路：
就是为单片机提供“能量”，单片机每条指令的运行都是严格按照机器周期来执行的，机器周期就是由晶振电路提供的。
（3）矩阵键盘：
用于输入数字密码和进行各种功能的实现。
（4）复位电路：
利用复位电路把电路恢复到起始状态。
（5）显示器电路：
用于提示信息的显示及密码的显示。
（6）密码错误报警控制电路：
用于密码输入错误时的报警。
（7）开锁控制电路：
密码输入正确时实现开锁。
（8）LED指示电路：
配合开锁机构，起到一定的提示作用。
第4章系统硬件设计
4.1系统总体框图
系统总电路框图如图4.1所示，包含键盘控制电路模块，实现电路模块，开锁控制电路模块，LED指示电路模块，报警控制电路模块，以及单片机的最小系统模块。
图4.1系统总电路框图
4.2单片机的介绍
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程
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