多功能密码锁的设计.docx
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多功能密码锁的设计
一、前言
随着人民生活水平的提高，家庭防盗问题变得尤为突出。
在科学技术不断发展的今天，电子多功能密码锁的作用显得日趋重要。
本次设计从当前所学出发，系统由AT89C51单片机与低功耗CMOSAT24C04作为主控芯片与数据存储器单元，结合外围的键盘输入、LCD显示、LED灯提醒、开锁等电路模块。
它能完成以下功能：
正确输入密码后，开锁；错误输入密码情况下，显示错误；开锁之后可手动上锁；密码可以根据用户需要更改。
用C语言编写了主控芯片控制程序，并用Keil软件进行编译，设计了一款可以多次更改密码，具有多功能的电子密码控制系统。
本密码锁具有设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用，保密性强，灵活性高等特点，具有一定的推广价值。
二、绪论
1.背景
本次设计课题为多功能密码锁的设计。
密码和锁，代表着秘密和隐私。
隐私是个人的自然权利。
从人类抓起树叶遮羞之时起，隐私就产生了。
隐私感是自然人进入人类社会后的第一个表现，它应当产生于人类劳动之前，即在原始人能够进行抽象思维之前，就已产生了类似的意识和感觉。
其中，羞耻感及其派生的隐私感是最先表征出来的本能。
隐私感是人类羞耻感的表现，它使人从主观意志和客观行为两方面都告别了动物界。
无论是相对个人性的隐私，还是明显社会性的隐私，均是仅凭个人的主观意志即可作为，无须公众或不特定多数人、少数人的协助或配合。
因此，隐私的存在，隐私之于社会公众而言是不可剥夺的，这正是自然权利的特点。
秘密和隐私相应的就需要各种锁来保护，在历史发展中，锁具千变万化，从新石器时代的“骨错”、“石错”，到之后的木质锁，金属质锁，现代的密码锁、感应锁、生物锁等等。
图2-1
2.
发展
最早的锁，是主人为防他人开启而设的简单的机关，应用于门上最简单的锁就是门闩了。
我国古代有石锁，并无钥匙，是以绳索或铁链束缚。
商周时期出现了用钥匙才能开启的铜锁，铁锁。
随着科学技术的迅猛发展,机械锁也有了长足的发展。
以后，又发展到了密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、声控锁等等。
在传统钥匙的基础上，加了一组或多组密码，不同声音，不同磁场，不同声波，不同图像。
如指纹、眼底视网膜等）来控制锁的开启。
图2-2图2-3
从日常生活中也可以找到例子，最常见的比如智能手机的锁屏，也是一种很好的密码锁方式，据说现在安卓上的锁屏已有数千种之多。
而苹果公司最新推出的TouchID指纹解锁则是将安全性体现到了极致，通过一个小小的HOME键扫描指纹来验证信息，将易用性和安全性完美结合。
3.结论
本次所要设计的电子密码锁，当今已发展到了非常高的境界，由于电子元件特别是单片机应用在这些年得到空前发展，无论功能性，稳定性都比较全面，在保密方面已做到人眼识别，指纹识别，人声识别基本上电影上有的现实也有。
在国外发展比较早，所以应用也比较广泛，主要在家庭装较贵重地方，银行，保险柜等应用较多，在国内这方面发展也较快，不管自己开发或是引进都有，在重要地方应用也较多，由于价钱比普通弹子锁较贵，早几年应用较少，现在越来越普及到平常化，未来的发展也会越来越被大众采用，由于它的功能、安全是弹子锁无法相比的。
发展前境也是非常大的。
从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和取款机。
在科学技术不断发展的今天，电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用也日趋重要。
电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点。
键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失，难以被窃。
但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。
当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。
因此，为了发扬优点、克服弱点，键盘式电子密码也在不断发展中，如“任意设定密码”技术使得被授权人可以根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新；独出心裁的“键盘乱序显示”技术使得键盘上的固定键位每次显示出的字符不固定，并且显示的窄小角度只能由操作者正面看得到，因而即使旁观者看见操作动作也难以窥测出密码；“多重密码设定”技术使得单组密码不一定有效，适合多人分权使用，需要输入两组以上的密码才被认可，大大提高了保密性，如果限定输入这些密码的先后顺序或时间区段，则保密性还可提高。
在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。
三、整体设计方案
1.设计目标
本设计采用AT89C51单片机为主控芯片，结合外围电路矩阵键盘、液晶显示器LCD1602和密码存储AT24C04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，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控制开锁，组成的电子密码锁系统，能够实现：
1．完全正确输入密码的前提下，有开锁提示；
2．错误输入密码情况下，提示错误；
3．用户可以自行设定和修改密码；
4．只有内部上电复位时才能设置或修改密码。
系统整体设计框图如图3-1所示：
图3-1
2.主控部分选择
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，外接液晶显示（LCD），键盘输入、LED灯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。
3.密码输入方式选择
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。
四、硬件系统设计
1.单片机AT89C51介绍
图4-1
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
电子密码锁系统主模块AT89C51单片机在软件中如图所示：
图4-2
主要特性：
•与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器
•寿命：
1000写/擦循环
•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
•片内振荡器和时钟电路
2.晶振电路介绍
AT89C51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图4-3所示方式连接。
晶振、电容C2／C1及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在5～30pF之间。
图4-3
电子密码锁系统的晶振复位电路在软件中如图所示：
图4-4
3.存储芯片AT24C04介绍
AT24C04是Ateml公司的4KB得电可擦除存储芯片，存储器配置:
512x8bit，存储器容量:
4Kbit，频率:
1MHz，采用两线串行的总线和单片机通讯，表面安装器件:
通孔安装。
电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA（5.5V），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，使用方便。
简而言之，AT24C04是一个在突然掉电的情况下存储数据的芯片，即掉电存储芯片。
电子密码锁系统掉电存储及提醒电路在软件中如图所示：
图4-5
引脚说明：
A0~A2:
芯片的地址
SCK：
时钟信号线用于产生器件所有数据发送或接收的时钟
SDA：
数据信号线用于传送地址和所有数据的发送和接受
WP：
写保护接+5V时只能读;接GND时即能写也能读。
4.键盘输入电路介绍
由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。
采用的是矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘。
按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O接口。
本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如修改密码功能等。
键盘的每个按键功能在程序设计中设置。
其原理图如图4-6所示：
图4-6
电子密码锁系统的键盘模块在软件中如图所示:
图4-7
5.LCD1602显示器介绍
液晶显示模块已作为很多电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数产品的通过器件，如在计算器、电子表及很多家用电子据总线D0-D7和RS,R/W,EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
显示电路原理图如图4-8所示：
图4-8
电子密码锁系统的显示模块在软件中如图所示：
图4-9
五、系统仿真、调试
1.Proteus软件简介
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
1实现了单片机仿真和数字电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
2支持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
3提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
4具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和电路分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
2.软件工作界面
ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图5-1所示。
包括：
标题栏、主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口等。
图5-1
3.本次设计Proteus仿真如图
图5-2
六、C语言程序编写汇编
1.Keil软件简介
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
2.KEIL软件工作环境：
图6-1
3.本次设计参考程序
#include
#defineucharunsignedchar
sbite=P2^2;
sbitrw=P2^1;
sbitrs=P2^0;
voidCheck_key（）
voidkai（）
voidmima（intw,intk）
voidzf（intw）
voidinit（）
voidwait（）
voidrelay（）
voidwcode（ucharc）
voidwdata（ucharw）
ucharidatashu[15]={0x45,0x6e,0x74,0x65,0x72,0x20,0x50,0x61,0x73,0x73,0x77,0x6f,0x64,0x3a,0x00};
ucharidatature[6]={0x72,0x69,0x67,0x68,0x74,0x00};
ucharidataerror[6]={0x65,0x72,0x72,0x6f,0x72,0x00};
ucharidatab[6]={1,2,3,4,5,6};
ucharidatanew[13]={0x6e,0x65,0x77,0x20,0x50,0x61,0x73,0x73,0x77,0x6f,0x64,0x3a,0x00};
ucharidatanew1[6]={0x61,0x67,0x61,0x69,0x6e,0x00};
uchara[6];
ucharidatazs[5]={0x57,0x41,0x49,0x54,0x00};
ucharidataopen[7]={0x4f,0x50,0x45,0x4e,0x45,0x44,0x00};
ucharidataclose[6]={0x43,0x4c,0x4f,0x53,0x45,0x00};
main（）
{
while
（1）
{
intz=0;
intk=0;
intc=0;
intw=0;
ints=0;
inti=0;
intf=0;
while（z==0）
{
a[5]=20;
s=0;
init（）;
while（k!
=15）
k=kbscan（）;
wcode（0x0f）;
zfc（0,shu）;
while（c<3&&f==0）
{
while（k!
=12）
{
k=kbscan（）;
if（k>=0&&k<=9|k==10）
{
if（k>=0&&k<=9）
{
if（w<6）
{
mima（w,k）;
w++;
}
}
if（k==10）
{
if（w>0）
w--;
wcode（0xc0|w）;
wdata（0x20）;
relay（）;
}
}
if（k==11）{w=0;f=1;k=12;}
}
for（i=0;i<6;i++）
{
if（a[i]==b[i]）;
elses=1;
}
k=20;
if（s==0）{kai（）;c=0;z=1;break;}
if（s==1&&f==0）{c++;cuo（）;w=0;s=0;}
}
f=0;
if（c==3）{zisuo（）;c=0;}
}
while（k!
=13）
{
k=kbscan（）;
if（k==14）
if（z==1）
she（）;
}
zfc（0,close）;
relay（）;
z=0;
}
}
voidCheck_key（void）
{unsignedintrow,col,tmp1,tmp2;
tmp1=0x10;
for（row=0;row<4;row++）
{P1=0x0f;
P1=~tmp1;
tmp1*=2;
if（（P1&0x0f）<0x0f）
{DelayMs（30）;
if（（P1&0x0f）<0x0f）
{tmp2=0x01;
for（col=0;col<4;col++）
{
if（（P1&tmp2）==0x00）
{
key_val=row*4+col;
while（（P1&tmp2）==0x00）;
return;}
tmp2*=2；}
while（（P1&tmp2）==0x00）}}}}
if（sk[15]==1）
{GotoXY（0,0）；
count=0;
print（"YourPassword…"）;
count1=1;count2=1;
count6=1;
sk[15]=0;sk[14]=0;
m=0;cp[0]=1;}
if（（count!
=0）&&（count1==1））
{if（count==1）{GotoXY（0,0）;print（"YourPassword…*"）;}
count1=0;}}
if（（sk[14]==1）&&（count6==1））
{
if（（password[0]==cq[0]）&（password[1]==cq[1]）&（password[2]==cq[2]）&（password[3]==cq[3]）&（password[4]==cq[4]）&（password[5]==cq[5]）&（count==6））
{GotoXY（0,0）;print（"UnlockOK!
"）;
sk[14]=0;
count=0;count2=0;m=0;
count4=1;count6=1;
DelayMs（1000）;P2_0=0;
DelayMs（500）;P2_0=1;
LCD_Initial（）;cp[0]=0;}
else
{GotoXY（0,0）;print（"ERROR!
"）;
DelayMs（1000）;sk[14]=0;
count=0;count2=0;count6=0;m=0;p3_6=0;
count4=1;count6=1;
DelayMs（1000）;DelayMs（100）;
DelayMs（3000）;p3_6=1;LCD_Initial（）;cp[0]=0;
}
}
if（（sk[11]==1）&（cp[0]==0））
{GotoXY（0,0）;print（"NewPassword:
"）;
pass=1;count1=0;count=0;
count7=1;count2=1;count6=0;sk[11]==0;}
if（（count!
=0）&（pass==1）&（cp[0]==0））
{pass0=0;
if（count==1）{GotoXY（0,0）;print（"NewPassword:
*"）;}
if（（count!
=0）&（pass0==1）&（cp[0]==0））
{pass=0;
if（count==1）{GotoXY（0,0）;print（"NewPassword:
*"）;}
if（（sk[14]==1）&（count7==1））
if（pa!
=10）&（pass0==1）
{co[n]=pa;n++;pa=10;}}
if（sk[14]==1）
{if（（n>7）&（count==6））
{GotoXY（0,0）;print（"PasswordSaved!
"）;
}}
voidkai（）
{
inti=0;
init（）;
wcode（0x0f）;
zfc（0,ture）;
for（i=0;i<5;i++）
relay（）;
zfc（0,open）;
}
voidmima（intw,intk）
{
a[w]=k;
zf（w）;
}
voidzf（intw）
{
wcode（w|0xc0）;
wdata（0x2a）;
relay（）;
}
voidinit（）
{
wcode（0x38）;
wcode（0x06）;
wcode（0x01）;
}
voidwait（）
{
inti=200;
while（i）i--;
}
voidrelay（）
{
inti=50000;
while（i）i--;
}
voidwcode（ucharc）
{
e=0;rw=0;rs=0;
P3=c;e=1;
wait（）;
e=0;
}
voidwdata（ucharw）
{
e=0;rw=0;rs=1;
P3=w;e=1;
wait（）;
e=0;
}
七、参考文献
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清华大学出版社，2004
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