基于单片机8051的密码锁控制.docx
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基于单片机8051的密码锁控制
基于单片机8051的密码锁控制
目录
第一章：
引言·················2
第二章：
方案设计···············3
1、方案论证与比较············3
2、单片机8051··············4
第三章：
电路原理分析与设计··········7
1、开锁机构···············7
2、按键电路及LCD设计··········7
3、掉电存储单元设计···········14
4、密码锁电源电路设计··········14
5、设计总框图··············16
6、整体程序设计和程序流程图·······16
第四章：
程序设计··············17
第五章：
调试、测试分析及结果········35
第六章：
小结················35
参考文献·················36
第一章、引言
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着cmos化、低功耗、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等方向发展。
下面是单片机的主要发展方向
今年，由于chmos技术的进步，大大的促进了单片机的cmos化。
Cmos除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
Cmos电路的特点是低功耗、大容量、高性能、低价格。
采用双极型半导体工艺的ttl电路速度快、但功耗低和芯片面积大。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
以前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在可以用单片机通过软件方法来实现。
这种软件代替硬件的控制技术也称为传统控制的一次革命
单片机自二十世纪七十年代问世以来，以其极高的性能价格比受到人们的重视和关注，应用广泛，发展快。
由于其的优点多而突出，所以其的应用领域极广，几乎到了无孔不入的地步。
在我国广泛的应用于工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能家用电器、航空航天系统和国防军事、尖端武器等各个方面。
可以采用软硬件结合的办法提高系统的性能的控制技术为微控技术。
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称，是20世纪70年代初发展起来的一种液晶显示器。
随着技术的发展其的分辨率、屏幕发光颜色等进入批量化合实用化。
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，受到了广大用户的亲呢。
第二章：
设计方案
本次设计我组采用液晶显示lcd，按键采用4*4键盘矩阵、8051单片机。
本系统由单片机系统、矩阵键盘、lcd显示和报警系统。
系统可以完成开锁、密码错误报警、修改用户密码、管理员解密基本的密码锁功能。
除上述功能，还应具有掉电存储，声光提示等功能。
依据实际情况还可以添加遥控功能。
本系统成本低廉，功能可靠实用。
设计本课题时构思了两种方案：
一种是用以8051为核心的单片机控制方案；另一种是用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。
考虑到数字电路方案原理过于简单，而且不能满足现在的安全需求，所以本文采用前一种方案。
1、方案论证与比较
方案一：
采用数字电路，其原理方框图如图1
图2－1数字密码锁电路方案
采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。
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40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若输入密码错误报警防止他人的非法操作。
电路由两大部分组成：
密码锁电路和备用电源（UPS），其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。
密码锁电路包含：
键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路。
采用以8051为核心的单片机控制方案。
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，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。
其原理如图1－2所示。
图2－2单片机控制方案
2、单片机8051
1>、芯片8051有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类
·4并行I/O端口，每个端口有8条端口线，用于传送数据、地址。
·可编程串行通道
·5个中断源
·低功耗的闲置和掉电方式
·两个16位定时器、计数器
·片内振荡器和时钟脉冲
·4K内部RoM
·128内部RaM
2>、管脚说明
1）、、主电源引脚VCC和VSS
VCC——（40脚）接+5V电压；
VSS——（20脚）接地。
2）、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。
在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。
3）、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。
VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。
当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。
②ALE/PROG（30脚）：
当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。
对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
③PSEN（29脚）：
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。
④EA/VPP（引脚）：
当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。
对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。
4）、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）
①P0口（39脚至32脚）：
是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。
②P1口（1脚至8脚）：
是准双向8位I/O口。
由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。
P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。
对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。
③P2口（21脚至28脚）：
是准双向8位I/O口。
在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。
P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
④P3口（10脚至17脚）：
是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。
P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。
作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。
作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示
。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
表P3各口线的第二功能定义
口线引脚第二功能
P3.010RXD（串行输入口）
P3.111TXD（串行输出口）
P3.212INT0（外部中断0）
P3.313INT1（外部中断1）
P3.414T0（定时器0外部输入）
P3.515T1（定时器1外部输入）
P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）
P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）
2>、MCS-51单片机的片外总线结构
综合上面的描述可知，I/O口线都不能当作用户I/O口线。
除8051/8751外真正可完全为用户使用的I/O口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用时的P3口。
如图，是MCS-51单片机按引脚功能分类的片外总线结构图。
由图我们可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。
这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即：
①地址总线（AB）：
地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。
②数据总线（DB）：
数据总线宽度为8位，由P0提供。
③控制总线（CB）：
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
下表列出各个子系列的配制情况供读则参考。
芯片种类片内存储器中断源定时/计数器串行口电源消耗（mA）制造工艺
ROM/EPROMRAM
8051（8751，8031）4K12852同、异步方式，8位或10位可程序控制125HMOS
8052（8752，8032）8K25663同、异步方式，8位或10位可程序控制100HMOS
80C51（87C51，80C31）4K12852同、异步方式，8位或10位可程序控制24CHMOS
80C52（87C52，80C32）8K25673同、异步方式，8位或10位可程序控制24CHMOS
8044（8744，8344）4K19252S.L.U200HMOS
3>、控制部件
控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。
它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。
其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN
第二章、电路原理分析与设计
1、开锁机构
通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。
其原理如图2－1所示。
密码锁开锁机构示意图如下图：
图3－1密码锁开锁机构示意图
当用户输入的密码正确输入的时，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。
其实际电路如下图3－2所示。
2、按键电路设计
1、键盘应用4x4组成的0-9数字键及确认键和功能键。
用LCD液晶显示器显示，当密码输入时直接显示，当密码输入完毕按下确认键时对输入的密码和设定的密码比较，若正确则开门，此处用led发光二极管做一秒种提示，同时发出“叮咚”声；若不正确，则发出“滴滴”报警声。
键盘设计采用行列式键盘，同事可以减少键盘与单片机接口时占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候通常采用该方法。
其原理图如图3-3
每一条行线与列线的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可以组成NXM个按键的键盘
在该行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
当确认有按键按下后，下一步要识别哪个按键按下。
对按键的识别通常有两种方法：
一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是先反转法。
应要求我们采用第一种方案。
逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
1>、判断键盘中有无键按下将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2>、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
按键的操作面板如图3-4所示，共计数字键10个，功能键6个，另外有指示灯一个、LCD液晶显示器一个和蜂鸣器一个。
图3-4按键操作面板示意图
10个数字键用来输入密码，另外六个功能键分别是：
CLR\E、EN、A、B、F1、F2。
其中CLR键的功能是当输入密码错误时，清除前面输入的数据，从新输入。
EN键的功能是确认密码。
A设置新密码B输入数字密码并检查。
F1用作电铃键，F2用来关闭显示器。
2、LCD显示器的基本结构和原理
2>、LCD显示电路
LCD模组是由控制器，驱动器，显示器三部份所组成，而目前市面上LCD的模组驱动/控制器都是由日制的HD44780控制器晶片（或是相容产品），因此外部接脚的功能也都相同,这个控制器的内部共有80个位元组可供储存由外部送进来的资料，因此使用此款控器的LCD模组最多一次可显示80个字HD44780中储存显示资料的80个位元组，称之为DisplayDataRAM（DDRAM）,DDRAM的位址从00H~67H,共80个Byte。
在LCD上Show出资料DDRAM位址与可供显示位置的对应图
至于CPU如何将资料送给LCD显示的方法,是将欲显示的字元的ASCII码写到LCD内部的DDRAM,LCD就会将这个自在其对应的位置显示出来.例如,若想在LCD的左上角处（位址00h）,显示’A’.就将ASCII码-41H,送到DDRAM的00H位址.
例:
第二节LCD的接脚规格
虽然LCD的接脚因制造厂商的不同而排列方式有所不同,不过都是编号由1至14,的14根接脚。
LCD模组内只有2个8位元暂存器,称为指令暂存器（InstructionRegister
IR）,和资料暂存器（DataRegister,DR）,他们都是8位元暂存器,由RS脚来选
用
指令暂存器IR用来接收单片机送来的命令，例如清除显示，或功能设定等等…资料暂存器DR则用来接收单片机要写到DDRAM（共80Byte）或CGRAM（共64Byte）的资料缓冲区。
当单片机写到DR暂存器之后。
LCD内部的控制电路会将资料自动写到DDRAM或CGRAM中，而位址是由LCD内部的位址计数器（AddressCounterAC）所指定。
而单片机要读取资料时，需先将欲读取的位址放入IR暂存器中，LCD就会将其内容放入DR中，然后单片机就可以去读取DR的资料。
图表、LCD模组写入时序
图表、LCD模组读出时序图
3、掉电存储单元设计
掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设计的单价信息。
AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电源可檫除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可为2.5V，额定电流为1mA，静态电流10UA，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装。
如图3-5示
图3-5掉电存储单元电路原理图
图中R8、R10是上拉电阻，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SCL（移位脉冲）和SDA（数据、地址）与单片机传送。
每当设定一次掉电，系统自动调用存储程序，将信息存储在芯片内；当系统重新上电时自动调用读存储器程序，将存储器中的信息读到缓存单元中，供主程序使用。
4、密码锁电源电路设计
为防止停电情况的发生，本电路备有UPS电源，它包含市电供电电路，停电检测电路，电子开关切换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。
电源电路图如图示
图3-6市供电电路
220V市电通过变压器降压成12V的交流电，再经整流桥式整流，7805稳压到5V送往电子切换电路，由于本电路功耗少，所以选10W的小型变压器。
由R6、R7、R8、R9及IC14构成比较电压器，正常情况下，V+IC14输出高电平，继电器的常闭触点和市电相连；当市电断开，V+>V-IC14输出高电平，由T3、T4构成的达林顿管使继电器J开启，将其常开触点把蓄电池和电路相连，实现市电与蓄电池的切换，保证电子密码锁的正常工作。
电路图如3-7所示
图3-7停电检测及电子开关切换电路
T1、T2构成的蓄电池自动充电电路，其在充电池充满后自动停止充电，其中D1亮为正在充电，D2为工作指示。
其电路图如图3-8所示
5、总框图设计
6、整体程序设计和程序流程图
1>、程序分为主程序和中断服务程序两个主要部分，主程序完成变量和单片机特殊功能寄存器的初始化后，进入一个循环结构。
在循环中，首先判断有无按键按下，若有则判断是数字键还是功能键，根据按键的情况执行相应的功能。
然后根据密码是否正确的判断情况，执行相应的操作。
循环中最后需要显示的内容通过动态扫描子在液晶显示器上显示。
中断服务程序需要实现待机计时5秒。
单片机采用MCS51系列的单片机8051作为主要主控制器，外围电路器件包括液晶显示驱动、蜂鸣器的驱动输出、独立式键盘和发光二极管的输出等。
2>、程序主要包括以下几个模块
1）、主程序模块——主要完成初始化、设置中断向量、检查有无按键按下、以及调用显示等等。
2）、键盘扫描及识别子程序——键盘采用查询方式，放于主程序中，当没有按键按下时，单片机循环主程序，当按键按下时便转向相应的子程序处理，处理结束后返回。
3）、掉电存储服务程序——当比较密码的时候，需要读取AT24C02程序，将存储于芯片内的数据读到RAM中，然后和输入密码相比较，当修改密码时需要把密码保存于AT24C02中。
4）、显示子程序——包括关闭状态显示子程序（dis-A）、开锁状态显示子程序（DIS-B）、密码输入及修改状态显示子程序（DIS-C）、密码输入错误报警状态子程序（DIS-D）.
3、程序流程图
第四章、程序设计
1#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
voidkey_scan（）;
ucharcount0,count1,count3,num,n=0,temp,a,j,count4;
ucharmima[4];//初始密码存储区
uchartab_key[50];//输入密码存储区
ucharcodetable[]={
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71};
bitenterflag;//确认键按下与否的标志
bitmimaflag;//密码正确与否的标志
bitxiugaiflag;//修改密码标志
bitenter1flag;//修改密码确认键标志
sbitred=P3^7;
sbitbell=P3^6;
sbitrs=P2^0;
sbitrw=P2^1;
sbitlcden=P2^2;
sbitalarm_out=P3^2;
sbitscl=P3^4;
sbitsda=P3^5;
ucharcodetable1[]="inputthepassco";
ucharcodetable2[]="de:
--------";
ucharcodetable3[]="*";
ucharcodetable4[]="right（^_^）";
ucharcodetable5[]="error!
!
!
!
";
ucharcodetable6[]="definethepassc";
ucharcodetable7[]="ode:
--------";
ucharcodetable8[]="codeisnew";
//******************************键盘消抖函数*******************************
voiddelay1（）
{;;}
voiddelay2（ucharx）
{
uchara,b;
for（a=x;a>0;a--）
for（b=100;b>0;b--）;
}
voiddelay（uintz）
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
//****************************e^2room的初始化*******************************
voidstart（）//开始信号
{
sda=1;
delay1（）;
scl=1;
delay1（）;
sda=0;
delay1（）;
}
voidstop（）//停止
{
sda=0;
delay1（）;
scl=1;
delay1（）;
sda=1;
delay1（）;
}
//****************************应答信号*************************************
voidrespond（）
{
uchari;
scl=1;
delay1（）;
while（（sda==1）&&（i<250））i++;
scl=0;
delay1（）;
}
//*****************************写字节操作函数**********************
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