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基于51单片机电子密码锁的设计
文理学院机械电子工程系
专业课程设计报告
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基于51单片机电子密码锁的设计
摘要
在这个信息和科技高速开展的时代，人们的生活水平越来越高，随之应运而生的人们的平安意识也越来越强，然而传统的机械锁由于设计和工艺简单，操作和携带不便，已经不能满足人们对于平安保证和生活便利的需求，于是电子密码锁本着它自身的性高、操作简单、灵活好用等特性逐渐进入人们的视野，并已被广阔群众接纳和使用。
此次设计是以AT89C51单片机实现密码锁监控装置的检测和控制核心，实现密码信息的设定、加密、更改和错误输入发出警报等功能。
分为键盘输入〔此处采用4×4矩阵键盘〕，显示输出〔此处用LED显示屏〕，密码比对，实现开锁或警报的过程。
该设计根据51单片机之间的串行通信原理，便于对密码信息的随机加密和保护。
软件设计那么是采用自上而下的模块化设计思想，以使系统朝着分布式、小型化方向开展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。
测试结果说明，该系统已到达本设计的各项功能的所有要求。
关键词：
单片机；密码锁；4*4矩阵键盘；显示屏。
第一章绪论
1.1引言
在这个信息和科技高速开展的时代，人们的生活水平越来越高，随之应运而生的人们的平安意识也越来越强，然而传统的机械锁由于设计和工艺简单，操作和携带不便，已经不能满足人们对于平安保证和生活便利的需求，于是电子密码锁本着它自身的性高、操作简单、灵活好用等特性逐渐进入人们的视野，并已被广阔群众接纳和使用。
锁是用以关住某个确定的空间或围或某种器物的,必须以钥匙或密码翻开的器件。
锁，从古至今，开展到现在已有近千年的历史了，人们对它的构造、原理也随着时间的增加研究的近乎透彻，因此，开锁的方法和工具早已不仅仅局限于配套的钥匙，种类也层出不穷。
现代社会中，由于各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等参差不齐，人们的思想境界良莠不齐，善良、正直的人们能够自觉规自已的行为，不是自己的东西不会眷恋，没有钥匙就不会乱闯乱动。
但是，生活中同样还存在着一些道德观念较差的人，总有着不劳而获的“梦想〞，他们在受到诱惑的时候，往往会想方设法利用各种手段撬门开锁，使广阔居民防不胜防。
之所以出现这种情况，除了人们的道德观外，还有一个很重要的原因，就是传统锁具都存在致命的弱点，例如，锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；再者，锁具制作工艺，技术落后，无法阻止先进技术手段的开启。
目前，市场上的锁具各种各样，形状千变万化，然而都是小异，技术原理简单，实际使用上却都不具备真正平安的防盗功能。
面对这一残酷的现状，锁具也进入了必须革新的时代。
1.2电子密码锁的背景
随着社会科技的进步，锁已开展到了密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、声控锁等等。
在传统钥匙的根底上，加了一组或多组密码，不同声音，不同磁场，不同声波，不同光束光波，不同图像。
〔如指纹、眼底视网膜等〕来控制锁的开启。
从而大大提高了锁的平安性，使不法之徒无从下手，人们也就能对自身财产平安有了更多的保障。
当今平安信息系统应用越来越广泛，特别在保护、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平安系统是其中的组成局部，因此研究它具有重大的现实意义。
1.3键盘式电子密码锁的特点
电子锁可以在日常生活和现代办公中，住宅与办公室的平安防、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存等多种场合使用。
大大提高了主人物资的平安性，平安可以代替老式机械锁。
目前使用的密码锁种类繁多，各具特色。
从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的电子密码锁是键盘是电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一局部应用于保管箱和运钞车。
键盘式电子密码在键盘上输入，与打差不多，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，不会丧失〔除了忘记〕，难以被窃〔除非自己泄露〕。
在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码假设干次或假设干时间输入不正确，即“封锁〞键盘，不再承受输入操作。
总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁仍然在自己的根底上开展，不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段。
第二章系统设计
2.1系统总设计构造图
图2.1系统总设计构造图
本设计由主控芯片51单片机，键盘，LED显示屏和开锁电路组成。
单片负责控制整个系统的执行过程。
2.2开锁机构的设计
通过单片机送给开锁执行机构〔本设计用LED灯和扬声器代替继电器翻开电磁阀的开锁执行机构〕实现开锁或警报的表示过程。
图2.2密码锁开锁构造示意图
当用户输入的密码正确而且是在规定的时间及次数输入之，单片机便输出开锁信号送到开锁驱动电路，到达开门的目的〔此处用LED发光二极管亮一秒钟做为提示，同时发出“叮咚〞声〕。
2.2.1主控芯片〔AT89C51单片机〕的简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器〔FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
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
·数据保存时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位部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
·片振荡器和时钟电路
管脚说明：
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，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口：
P1口是一个部提供上拉电阻的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，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
P2口：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1〞时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1〞时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。
P3口：
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1〞后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0RXD〔串行输入口〕
P3.1TXD〔串行输出口〕
P3.2/INT0〔外部中断0〕
P3.3/INT1〔外部中断1〕
P3.4T0〔记时器0外部输入〕
P3.5T1〔记时器1外部输入〕
P3.6/WR〔外部数据存储器写选通〕
P3.7/RD〔外部数据存储器读选通〕
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE制止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图2.3AT89C51芯片图
第三章系统硬件设计
3.1键盘设计
本实验采用4×4行列式矩阵键盘，用数字键输入密码，ENTER键确认；如果密码输入错误，用DEL键去除；密码输入完毕并且确认后，如果需要重新输入，先按Esc退出，然后重新输入；假设用户想要自行更改密码，需要先正确输入密码并确认后，按ALT进展修改，再按ENTER进展确认，密码更改完毕。
4×4行列式键盘的按键功能分布如图3.1所示。
图3.1键盘按键功能分布图
3.2系统电路设计
本系统电路主芯片AT89C51〔含晶振和复位电路〕，外接上拉电阻，数码管显示器，扬声器、LED灯和外接电阻组成开锁电路。
3.2.1键盘电路及连线图
每一条行线和列线穿插处通过一个按键来连接，利用这种行列式矩阵构造只需要N条行线和M条列线就可组成N*M个按键。
在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机中，键盘处理程序先执行等待按键并有无键盘按下的程序段。
确认有键盘按下后，下一步执行识别哪一个键按下。
对照4*4键盘，首先识别键盘中有无键盘按下，然后判断键盘中哪一个键被按下，使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。
方法是：
依次给列线送低电平，然后检查行输入状态来实现。
如果全为1，那么所按下键不在此列，如果不全为1那么按下的键必在此列。
而且是与零电平线相交的交点上的键。
理想的按键信号是一个标准脉冲，但键的按下和释放都需要一个过程来实现，在这一过程中是处于上下电平之间一种不稳定状态，称为抖动。
抖动时间的长短，频率的上下与按键机械特征有关，一般在5到10ms之间。
这就有可能造成CPU对一次按键过程进展屡次处理。
为了防止这种情况应采取措施消除抖动。
消抖常见有两种方法，硬件消抖：
如用滤波器，双稳态电路等。
另一种用软件来实现，即当发现有键按下时，间隔10ms以上时间，才能进展下一次查询，这样就让过了抖动过程，键的释放进展同样处理。
本设计为减少电路复杂程度，减少本钱。
采用软件消抖的方法。
图3.2键盘电路
如图左上角为AT89C51的P3口，与键盘电路相连，构成键盘输入电路。
3.2.2数码管显示电路及连线图
本实验采用共阴极数码管，即将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
图3.3数码管显示电路
为了增加单片机的驱动，数码管上拉电阻，然后再接AT89C51的P3口，输入任何密码时都以显示“8〞表示输入的位数〔如图表示输入3位密码〕。
3.2.3开锁和报警电路及连线图〔由LED灯和扬声器电路代替〕
AT89C51单片机的P1.0口连接LED灯和一个外接电阻，P1.7口连接提示和警报的扬声器〔如下图，LED灯亮表示密码正确，并且同时扬声器发出“叮咚〞提示音〕。
图3.4开锁电路
3.3整体电路图的绘制
用Prteus软件绘制完整的电路图。
〔1〕密码正确并且确认之后的整体电路及显示情况，如图3.5。
图3.5密码正确系统电路及显示图
〔2〕密码错误后的整体电路及显示情况，如图3.6。
图3.6密码错误系统电路及显示图
第四章软件设计
4.1系统软件设计思路
任何应用系统的正常工作和使用，除去需要完整的硬件设备外，还需要一套与之相对应的、设计合理的软件相配合。
随着电子信息的开展，微机应用早已普遍，许多原来的硬件工作都可以通过软件编程来代替，从而使一些复杂的硬件电路简单化。
电子密码锁工作的主要过程是通过键盘输入密码，同时LED显示密码输入情况，按下确认键后判断密码的正确性，做出开锁或报警处理。
当输入密码输入错误时，系统报警。
初始设定密码之后，如果按下密码的位数超过设置的密码位数时，假设只超过一位，数码管以最后一位显示不全给出提示，假设继续输入，系统扬声器报警。
〔本设计中初始密码为12345五位，当按下的密码为6位时，还,未按下Enter确认，数码管就会以不全七段码显示给出警报，假设继续按下，系统就会发出“滴滴滴〞的警报声〕。
按键按其功能分为两种，其中一种为功能键另一种为数字键。
输入密码后，直到所有密码输入完毕按下确认功能键之后，才完成密码输入过程。
进入密码的判断比拟处理状态并给出相应的处理过程。
如图4.1为输入密码超出原始设定位数时的数码管的显示。
图4.1密码超出设定时数码显示图
4.2系统软件设计总流程图
图4.1系统软件设计总流程图
第五章程序调试
把写好的C语言程序载入软件调试工具，检查软件是否有设法错误，再根据软件提示对本程序进展修改，直到没有错误再生成单片机能运行的机器码，再用Prteus工具把机器码导入单片机进展实际的程序调试，根据实际情况再对程序的缺乏加以修改，直到满足设计要求。
5.1程序调试需要用到的软件和工具
调试改程序用到Keil软件和Prteus工具。
5.2调试过程
翻开KEILC51主程序，新建工程，新建文本框写入程序，保存，检查是否有语法错误，经反复检查无误后汇编，生成51单片机可执行的HEX文件。
然后用Prteus工具软件把HEX文件写入单片机。
第六章设计总结
经过这次课程设计的整个过程，我们深刻的体会到了实践是检验和稳固我们学习成果最有力的标准。
在一段理论学习之后，我们需要我们需要把自己的理论框架应用于实践，因为任何知识都来源于实践，又归于实践，只有通过实践我们才能更好地掌握所学到的知识。
在这次课程设计期间，我们每一个人通过这个过程的努力都有了不小的开展和收获。
在学习中，我们不再只是盲目的用笔练习、用脑记忆，而是用实际操作来验证和体验所学到的东西。
同样的，在精神上，我们学会了勇往直前，不因挫折而后退，面对问题学会了自己去寻找解决方法，而不是搁置不理或者一味求助于人。
通过实践，我们不仅稳固了课本知识，而且也获得了一些书本上无法教给我们的经历，对软硬件的设计和组合都有了前所未有的新的认识。
致
在本次设计中，教师和教师对于我们的选题讲解给予了悉心教诲，为我们争取实验设备和场地，中途的评定和建议更是给了我们肯定和支持，让我们更有信心，使我们能顺利地完成此次设计，在此衷心的表示感。
另外，在完成课程设计的过程中，还得到众多朋友和同学的关心支持和帮助，尤其是同组组员周敏同学，始终能够跟我密切合作，共同解决问题，给了我莫大的帮助，在此，谨向教师同学和朋友致以衷心的感和崇高的敬意！
参考文献
[1]徐惠民、安德宁：
?
单片微型计算机原理接口与应用?
第1版，邮电大学，1996
[2]夏继强：
?
单片机实验与实践教程?
，航空航天大学,2001
[3]王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育，2005年12月
[4]将新，华军，到骏等.单片机程序设计及应用〔从根底到实践〕［J］．电子工业，2006
[5]周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术［J］.航空航天大学,2004
附录
软件程序
#include
unsignedcharps[]={1,2,3,4,5};
unsignedcharcodedispbit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,
0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsignedcharcodedispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
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unsignedcharflashcount;
unsignedchartemp;
unsignedcharkey;
unsignedcharkeycount;
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bitkeyoverflag;
biterrorflag;
bitrightflag;
unsignedintsecond3;
unsignedintaa,bb;
unsignedintcc,dd,ee;
bitokflag;
bitalarmflag;
bithibitflag;
unsignedcharoka,okb;
voidmain（void）
{
unsignedchari,j;
TMOD=0x01;
TH0=（65536-500）/256;
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while
（1）
{if（ee&&（key==15））
{ee=0;
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dispbuf[1]=16;
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keycount=0;
}
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P3_5=1;
P3_4=1;
while
（1）
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P3_5）
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break;}
if（!
P3_4）
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dd=0;
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keycount=0;
break;
}
}
}
P3=0xff;
P3_4=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
for（i=10;i>0;i--）
for（j=248;j>0;j--）;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=7;
break;
case0x0d:
key=8;
break;
case0x0b:
key=9;
break;
case0x07:
key=10;
break;
}
temp=P3;
P1_1=~P1_1;
if（（key>=0）&&（key<10））
{
if（keycount<6）
{
getps[keycount]=key;
if（ee）
{ps[keycount]=key;
}
dispbuf[keycount+2]=19;
}
keycount++;
if（keycount==6）
{
keycount=6;
}
elseif（keycount>6）
{
keycount=6;
keyoverflag=1;//keyoverflow
}
}
elseif（key==12）//deletekey
{
if（keycount>0）
{
keycount--;
getps[keycount]=0;
dispbuf[keycount+2]=16;
}
else
{
keyoverflag=1;
}
}
elseif（（key==15）&&（!
ee））//enterkey
{
if（keycount!
=pslen）
{
errorflag=1;
rightflag=0;
second3=0;
}
else
{
for（i=0;i{
if（getps[i]!
=ps[i]）
{
i=keycount;
errorflag=1;
rightflag=0;
second3=0;
gotoa;
}
}
errorflag=0;
rightflag=1;
a:
i=keycount;
}
}
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
}
keyoverflag=0;
}
}
P3=0xff;
P3_5=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
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for（i=10;i>0;i--）
for（j=248;j>0;j--）;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=4;
break;
case0x0d:
key=5;
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case0x07:
key=11;
break;
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