基于单片机的密码锁设计.docx

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基于单片机的密码锁设计

第一章绪论

1.1、课题背景和意义

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。

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，通过多种密码结合使得密码锁更加安全。

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

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”。

第二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。

选用单片机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。

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LCD1602显示器用于显示作用。

其原理如下图2.1所示：

图2.1单片机控制密码锁原理图

可以看出方案二控制灵活准确性好且保密性强还具有扩展功能，根据现实生活的需要此次设计采用此方案

第三章系统硬件设计

3.1单片机AT89S51简介

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只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.1.1主要特性

􀁹与MCS-51兼容

􀁹4K字节可编程闪烁存储器

􀁹寿命：

1000写/擦循环

􀁹数据保留时间：

10年

􀁹全静态工作：

0Hz-24Hz

􀁹三级程序存储器锁定

􀁹128*8位内部RAM

􀁹32可编程I/O线

􀁹两个16位定时器/计数器

􀁹5个中断源

􀁹可编程串行通道

􀁹低功耗的闲置和掉电模式

􀁹片内振荡器和时钟电路

3.1.2引脚功能说明

图2.2单片机引脚图

Vcc：

电源电压

GND：

接地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL），Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL），在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

ALE／PROG：

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。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51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。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。

EA／VPP：

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中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

XTALl：

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。

89S51相对于89C51增加的新功能包括：

（1）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。

（2）最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率为24MHz，就是说S51具有更高的工作频率，从而具有了更快的计算速度。

（3）具有双工UART串行通道。

（4）内部集成看门狗计时器，不再需要像C51那样外接看门狗计时器单元电路。

（5）双数据指示器。

（6）电源关闭标识。

（7）全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效地保护知识产权不被侵犯。

（8）兼容性方面：

向下完全兼容51全部字系列产品。

（9）程序存储器写入方式：

二者的写入程序的方式不同，89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。

89S51则支持Isp在线编程写入技术。

串行写入、速度更快、稳定性更好，烧写电压也仅仅需要4～5V即可。

（10）电源范围：

89S51电源范围宽达4～5.5V，而89C51在低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。

（11）烧写寿命更长：

89S51标称的1000次，实际最少是1000～10000次，这样更有利于初学者反复烧写，降低学习成本。

综上所述本设计选定AT89S51。

液晶显示LCD1602的介绍

1、LM1602字符型模块的性能

重量轻：

<100g；

体积小：

<11mm厚；

功耗低：

10—15mW；

显示内容：

192种字符（5×7点字型）；

32种字符（5×10点字型）；

可自编8（5×7）或许（5×10）种字符；

指令功能强：

可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求；

接口简单方便：

可与8位微处理器或微控制器相联；

工作温度宽：

0—50oC

可靠性高：

寿命为50,000小时（25oC）

2、基本原理

液晶体

液晶板上排列着若干5×7或5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示

1个字符，从规格上分为每行8、16、20、24、32、40位，有一行、两行及四行

三类。

工作电路

它由KS0066、KS0065及几个电阻电容组成。

KS0065是扩展显示字符用的（例如：

16个字符×1行模块就可不用KS0065，16个字符×2行模块就要用1片KS0065）

接口方面，有8条数据，三条控线。

可与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令，就可使模块正常工作。

LCD驱动器和控制器

ALCD驱动器KS0065

KS0065是用低功耗CMOS技术制造的大规模LCD驱动IC。

它既可当行驱动用，也可以当列驱动用，由20×2Bin二进制移位寄存器、20×2Bin数据锁存器和20×2Bin驱动器组成

功能：

a40通道点阵LCD驱动；

b可选择当做行驱动或列驱动；

c输入/输出信号：

输出，能产生20×2个LCD驱动波型；输入，接受控制器送出的串行数据和控制信号，偏压（V1—V6）；

特性：

a显示驱动偏压低：

静态~1/5；

b电源电压：

+5V+10%；

c显示驱动电源：

-5V；

dCMOS处理；

e60引脚、塑封；

BLCD控制器KS0066

见图4，KS0066是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器（兼带驱动器），和4Bin/8Bin微处理器相连连，它能使点阵LCD显示大小英文字母、符号。

应用KS0066，用户能有少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统。

特性:

a容易和Bin/8BinMpu相连；

b可选择5×7或5×10点字符；

c显示数据RAM容量：

80×8Bin（80字符）；

d字符发生器ROM能提供户所需字符库或标准库；字符容量：

192个字符（5×7点字符）；32个字符（5×10点字符）；

eDDRAM和CGRAM都能从Mpu读取数据；

f输出信号：

16个行扫信号（commonsingnal），40个列扫信号（sengmentsingnal）

g电源复位电路；

h显示占空比：

1/8duty（1Line，5×7dots+Cursor）；1/11duty（1Line，5×10dote+Cuesor）；1/16duty（2Line，5×7dots+Cuesir）；

i振荡电路；

j指令：

11种；

k80引脚、塑封。

技术参数

a极限参数

b电参数

3.2硬件电路的设计

本设计单片机硬件资源的分配：

P0.0～P0.7用于LCD液晶显示作用。

P2.6、P2.7用于蜂鸣器和报警灯的控制。

P2.0用于开锁电路的控制。

P1.0～P1.7用于键盘电路的控制。

P3.3～P3.5用于LCD显示模块的控制端口的控制。

3.2.1最小系统的设计

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和开关复位。

图3.3即为手动（开关）复位电路。

图3.3手动复位电路

（2）复位后的状态

a、复位后PC值为0000H，表明复位后的程序从0000H开始执行。

b、SP值为07H，表明堆栈底部在07H，一般需要重新设置SP值。

c、P0～P3口值为FFH。

P0～P3口用作输入口时，必须先写入“1”。

单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。

（3）WDT溢出将使该引脚输出高电平，所以本设计采用图3.4的手动复位电路：

图3.4本设计手动复位电路

AT89S51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3.5。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。

如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。

用户也可以采用外部时钟。

采用外部时钟的电路如图1所示。

这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

图3.5单片机自激震荡电路

由于单片机有内部振荡器，所以本设计采用图3.6的晶振电路：

图3.6晶振电路

3.2.2芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.2.3开锁机构

用户通过LCD提示信息，用键盘输入正确密码，从而达到开锁的目的。

当用户输入的密码正确并且是在按下确定键的话，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。

电路驱动和开锁两级组成。

由D5、R1、T10组成驱动电路，其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018都可以满足要求。

D5作为开锁的提示；由D6、C24、T11组成。

其中D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。

T11可选用中功率的三极管如8050，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。

在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。

图3.7密码锁开锁机构电路图

3.2.4键盘设计

本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。

每一条水平（行线）与垂直线（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，即可组成具有N×M个按键的键盘。

在这种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。

4×4矩阵键盘的工作原理

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图5所示。

在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

扫描原理

把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，经过比对之后就可知道是哪个键被按下。

比如说扫描码送入01111111，前面的0111是代表此时扫描第一行P1.0列，而后面的1111是让读取的4行接脚先设为VDD，若此时第一行的第三列按键被按下，那读取的结果就会变成01111101（注意1111变成1101），其中LSB的第三个bit会由1变成0，这是因为这个按键被按下之后，会被垂直的扫描码电位short，而把读取的LSB的bit电位拉到0，此即为扫描原理。

由於这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，为了避免让8051误判为多次输入同一按键，

我们必须在侦测到有按键被按下，就Delay一小段时间，使键盘以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。

图3.8为键盘整体模框图：

图3.8键盘整体模框图

3.2.5显示电路设计

显示设计采用字符型液晶屏设计，由单片机的p0口控制显示，由p3.3～p3.5控制lcd的控制端口。

本设计采用以下液晶显示设计：

图3.9LCD液晶显示电路抓图

3.3电路设计总图

Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，它包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。

Proteus的软件仿真基于VSM技术，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、PIC系列等等，以及单片机外围电路，比如键盘、LED、LCD等等。

通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。

本密码锁采用proteus进行电路图设计，经过元件选型，用万能实验版进行硬件焊接，以实现硬件部分。

第四章系统软件设计

因设计主要是作用汇编语言来开发的51单片机项目程序，所以首先必须有一个可以在WindowsXP或Windowsvista操作系统下执行的汇编语言编译器，本设计采用Keil编译器进行编程，因为它可以支持一系列的51单片机。

图4.1主程序的流程图

4.1主程序模块

主程序主要是完成系统初始化、设置中断向量、检查有无键按下、以及调用显示等等。

主程序部分如下所示：

enbitp3.5;将lcd的en管脚连接到单片机的p3.5口

rwbitp3.4;将lcd的rw管脚连接到单片机的p3.4口

rsbitp3.3;将lcd的rs管脚连接到单片机的p3.3口

displayequp0;将lcd的显示端口连接到p0口上

speakerbitp2.6;蜂鸣器连接到p2.6口

ledbitp2.7;与蜂鸣器共同作用的led灯连到p2.7口

openbitp2.0;开锁电路的控制端连接到p2.0口

returnbitbit20h.1;

ORG0000h;程序开始地址

LJMPstart;

ORG000bh;

LJMPintermit_t0;

ORG001bh;

LJMPintermit_t1;

ORG0030h;

start:

MOVsp,#60h;

lcallsys_initialization;调用子程序sys_initialization

4.2键盘扫描及识别子程序

键盘采用查询的方式，放在主程序中，当没有按键按下的时候，单片机循环主