毕业设计论文基于单片机语音智能密码锁设计.docx
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毕业设计论文基于单片机语音智能密码锁设计
一、设计任务及要求：
设计任务：
设计一个具有设置数字密码任设、存储、画面显示、语言播报以及具有报警功能的密码锁。
要求：
1．密码由六位数字组成，可以由用户自定义设置。
2．密码锁具有语言播报和状态显示功能。
3．一次性只允许三次密码输入操作，支持密码修改。
4．具有报警功能。
指导教师签名
2013年月日
二、指导教师评语：
指导教师签名：
2013年月日
三、成绩
验收盖章
2013年月日
语音智能密码锁的设计
1设计目的
本文所设计的智能密码锁系统是以89C52为中心控制器、4*4键盘采集输入信号、用24C04芯片对设定的密码进行保存，同时设有SX6288组成的语音模块，通过LCD、LED灯以及语音模块直观的显示密码锁所处状态。
用户可以自定义设置六位的数字密码，并有三次输入密码的机会，当密码输入错误时密码锁将会发出报警声，当三次输入密码错误时，密码锁将进行键盘锁定一段时间。
2设计的主要内容和要求
1）LCD能够及时显示密码锁的状态信息。
2）语音模块能够播报密码锁状态。
3）能够设定初始密码，支持密码修改。
4）能够快速、准确的采集键盘上的输入信息。
5）用24C04芯片进行设定密码和保存。
6）当密码输入错误时，系统自行报警，并在连续输入超过三次密码错误时，
将对键盘锁定一段时间。
7）设计一个5V的稳定电源，给系统供电。
8）系统自定义强，工作稳定、安全。
3整体设计方案
本文设计的语音智能密码锁系统框图如图3.1所示。
系统主要分为电源模块、控制模块、语音模块、密码保存模块、LCD显示模块、模拟锁以及蜂鸣器报警模块组成。
图3.1智能密码锁系统框图
本系统分为写初始密码和密码锁工作两部分。
1）写密码部分：
开始时LCD显示初始化状态，进键盘扫描，当按下C键后，可以自定义设定六位的密码，当按下D键时，LCD显示所设密码。
2）密码锁工作部部分：
开始时LCD显示初始状态，锁处于关的状态，红色LED亮，等待键盘扫描。
按下A键后，蜂鸣器响三声，LCD显示请输入密码提示进入开锁进程，此时有三次输入密码机会。
若输入密码正确，将有蜂鸣器将会响四声，LCD显示锁已打开，红色LED灭、绿色LED亮四种方式提示成功开锁，此时，锁处于已开锁状态。
之后若按下E键系统将会进入初始状态；如果此时按下B键，系统将会进入重设密码进程，可以自定义重设六位的数字密码，设定后按下E键，系统进入初始状态。
若输入密码错误，蜂鸣器将会发出报警声，连续三次输入错误密码，系统将会对键盘锁定一段时间，按下E键后，系统进入读密码初始状态。
4硬件电路设计
4.1系统总电路的设计
本系统原理图如图4.1所示：
图4.1系统电路原理图
在设计本系统硬件时，主要有以下电路模块：
1）+5V直流稳压电源模块；
2）系统硬件将采用AT89C52单片机为控制部分；
3）SX6288中文语音合成播报模块；
4）以4*4矩阵键盘为信号输入模块；
5）采用24C04芯片作为保存密码模块；
6）LCD显示电路模块；
7）继电器模拟锁模块及蜂鸣器报警模块。
4.2直流稳压电源模块
系统5V直流电源图4.2电路供电，它的工作过程如下：
220V市电经过变压器降压为9V，经电容滤波变为平滑的10.8V电压，最后经过7805三端稳压器电路降压，再滤波最终得到5V的直流电源。
从而保证芯片在正常电压范围内工作，保证了整个电路的正常工作。
图4.2直流稳压电源电路原理图
4.3控制电路的设计
本设计系统采用AT89C52单片机作为总控制电路，如图4.3所示。
本单片机具有40个引脚，6个中断源，20个I/O接口。
本设计以P0以及P2、P3端口作为信号输出口，P1端口作为信号采集输入口，通过C语言编程对其进行控制，本设计利用其集成度高，体积小，开发性能好，控制能力强，可靠性强的特点使智能密码锁工作稳定安全。
图4.3单片机电路图
4.4语音模块电路的设计
本语音模块包括：
控制模块、SX6288A语音合成芯片、数据库芯片spiflash、功放模块和喇叭。
主控制器和SX6288A之间通过UART接口连接，控制器通过通讯接口SX6288A发送控制命令和文本，SX6288A把接收到的文本转化为语音信号输出，输出的信号经过功率放大器进行放大后接到喇叭进行播放。
SX6288A具有音质好、自然度高、使用方法简单、合成速度快、价格低等特点，支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE内码格式的文本，支持多种通讯波特率。
实物图如图4.4所示：
图4.4语音模块实物图
从左至右引脚名称和说明如下：
SP+：
0.5W8欧姆的扬声器正级。
SP-：
0.5W8欧姆的扬声器正级。
BUSY：
语音处理忙信号，忙为高电平，不忙为低电平。
TX：
模块的串行数据发送端，连接单片机P3.0RXD引脚。
RX：
模块的串行数据接收端，连接单片机P3.1TXD引脚。
GND：
电源地GND。
VCC；电源直流电3.3-5V。
4.5信号输入电路的设计
本设计利用4*4矩阵键盘作为信号电路，其电路图如图4.5所示：
图4.54*4键盘信号输入电路的设计
单片机通过对4*4键盘扫描，采集输入指令，从而使单片机完成相应数据处理。
4*4矩阵键盘工作原理如下：
4*4矩阵键盘采用逐行扫描法，依次从第一至最末行线上发出低电平信号,如果该行线所连接的键没有按下的话,则列线所接的端口得到的是全“1”信号,如果有键按下的话,则得到非全“1”信号。
然后再通过从列线读入的信号来识别是哪一列的按键闭合。
为了防止双键多多键同时按下，再以同样的方法往下扫描，一直到最后一行，若发现仅有一个“1”，则为有效键，否则全部作废。
本设计以P1^0-P^3为行扫描信号，在通过P1^4-P^7作为列线读入。
对各个按键进行相应功能的设置，单片机对有效键时的信号采集，进而对采集的信号进行处理。
4.6密码储存电路的设计
本设计采用AT24C04芯片作为密码保存模块电路，其引脚图如4.6.1所示。
AT24C04是典型的I2C总线结构，具有512bit容量EEPROM存储器，其是一种采用I2C总线接口的串行总线存储器，这类存储器具有体积小、引脚少、功耗低、工作电压范围宽等特点。
其具有支持I2C总线协议、占用单片机I/O端口少，芯片扩展方便、读写简单等优点。
密码储存电路如图4.6.2所示：
图4.6.1AT24C04引脚图
图4.6.2密码储存电路
工作原理：
AT24C04传送数据过程中共有三种类型信号：
开始信号、停止信号和应答信号。
开始信号：
SCL保持高电平的状态下，SDA出现下降沿。
出现开始信号以后，总线被认为“忙”。
停止信号：
SCL保持高电平的状态下，SDA出现上升沿。
停止信号过后，总线被认为“空闲”。
应答信号：
接收数据的器件在接收到8位数据后，向发送数据的器件发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。
主器件产生开始信号以后，发送的第一个字节为控制字节。
前七位为从器件的地址片选信号。
最低位为数据传送方向位（高电平表示读从器件，低电平表示写从器件），然后发送一个选择从器件片内地址的字节，来决定开始读写数据的起始地址。
接着再发送数据字节，可以是单字节数据，也可以是一组数据，由主器件来决定。
从器件每接收到一个字节以后，都要返回一个应答信号（ASK=0）。
主器件在应答时钟周期高电平期间释放SDA线，转由从器件控制，从器件在这个时钟周期的高电平期间必须拉低SDA线，并使之为稳定的低电平，作为有效的应答信号。
在本设计中通过单片机P3.4和P3.5引脚分别对AT24C04芯片SCL和SDA引脚控制，实行密码数据的读和写，从而完成密码的设定保存。
4.7LCD显示电路的设计
本设计采用1602液晶作为显示电路，可以进行背光对比度调节，内含复位
电路，提供了各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
其电路图如图4.7所示。
在本系统中，单片机P0端口作为LCD数据接收口，P2.0-P2.2控制液晶的读写和使能端，完成对液晶的显示控制。
图4.7LCD显示电路
4.8继电器模拟锁模块及蜂鸣器报警模块
在本设计系统中用继电器断开与闭合模拟锁的开锁与锁定的状态，继电器一个端口接在单片机P3.6，当P3.6为高电平时，继电器绕线电流通过三极管Q2放大，绕线产生磁效应，吸合衔铁，视为开锁，其电路图如图4.8.1所示。
在报警模块中，通过一个三极管放大电流从而完成蜂鸣器的驱动，当P3.7端口为高电平时，蜂鸣器发出响声，低电平时不响。
本设计通过对电平频率的控制从而实现不同的响声。
其电路图如4.8.2所示。
图4.8.1模拟锁电路图
图4.8.2报警电路
5软件程序设计
5.1系统程序设计
本系统程序分为两部分，初始写密码程序和密码锁工作程序。
如图所示图5.1为写初始密码流程图，图5.2为密码工作流程图。
图5.1初始密码程序设定流程图
图5.2密码锁工作主程序流程图
1）写初始密码部分：
LCD显示初始化状态，系统进入键盘扫描，仅当C键按下后，系统进入密码设定阶段，其他键对系统不产生作用，进入设定阶段后，可以自定义设定六位的密码。
继续对键盘扫描，当按下D键时，LCD显示所设密码，按下C键可以重设密码，按下其他键是将不会对系统产生影响。
其设计流程图如图5.1所示。
2）密码锁工作部分产生：
LCD显示初始状态，系统进入键盘扫描。
仅当按下A键后，蜂鸣器响三声，LCD显示请输入密码提示进入开锁进程，此时有三次输入密码机会。
若密码输入正确，蜂鸣器响四声，LCD显示锁已打开，红色LED灭、绿色LED亮，若按下E键系统将会进入初始状态；如果此时按下B键，系统将会进入重设密码进程，可以自定义重设六位的数字密码，设定后按下E键，系统进入初始状态。
若输入密码错误，蜂鸣器将会发出报警声，连续三次输入错误密码，系统将会对键盘锁定一段时间，按下E键后，系统进入读密码初始状态。
其流程图如图5.2所示。
5.2主要程序设计
1）初始密码设定
在程序中包含蜂鸣器驱动子函数、延时子函数、4*4键盘扫描函数、开机液晶显示子函数、写密码子函数、读密码子函数、1602驱动子头文件函数、AT24C04驱动头文件函数（见附件）。
其主函数如下所示：
voidmain（）
{
uchari;
BEEP=0;
start:
Delay_ms（10）;
lcd_init（）;
I2C_init（）;
lcd_wcmd（0x00|0x80）;
i=0;
while（line1_data[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（line1_data[i]）;
i++;
}
lcd_wcmd（0x40|0x80）;
i=0;
while（line2_data[i]!
='\0'）
{
lcd_wdat（line2_data[i]）;
i++;
}
while
（1）
{
P1=0xf0;
if（P1!
=0xf0）
{
MatrixKey（）;
if（key==0x0c）WriteCode（）;
if（key==0x0d）ReadCode（）;
if（key==0x0e）gotostart;
}
}
}
2）密码锁工作函数
在程序中包含蜂鸣器驱动子函数、延时子函数、4*4键盘扫描函数、开机液晶显示子函数、写密码子函数、读密码子函数、密码输入错误显示子函数、密码输入正确显示子函数、重设密码子函数、报警鸣声子函数、定时中断子函数、1602驱动子头文件函数、AT24C04驱动头文件函数（见附件）。
其主函数如下所示：
voidmain（）
{
TMOD=0x21;//定时器0方式1定时器1工作在方式2
TH0=0xee;//5ms定时初值
TL0=0x00;
EA=1;//开总中断
ET0=1;//打开定时器0
SCON=0x50;//串口工作方式为1，串行允许接收
TR1=1;//允许定时器1工作
TH1=0xfd;//波特率9600bpsfosc="11".0592MHz
TL1=0xfd;
ES=1;//开串口中断
Delay_ms（10）;
lcd_init（）;//液晶初始化
I2C_init（）;//I2C初始化
START:
RELAY=1;//继电器关闭
lcd_clr（）;//调入清屏函数
StartDisp（）;//开机画面显示
read_nbyte（0xa0,0x00,code_buf,6）;//从24Cxx的0x00开始的单元中读出6个密码存入code_buf[]数组中
P1=0xf0;
while（P1==0xf0）;//等待按键按下
SCAN:
MatrixKey（）;//键盘扫描
if（key!
=0x0a）gotoSCAN;//若按下的不是A键,跳转到标号SCAN处继续扫描
//Uart_SendString（shuru）;//语音播报密码错误
TR0=1;//启动定时器
Delay_ms（500）;
beep（）;
if（flag_2s==1）flag_2s=0;//若2s到,则将2s标志位清0
elsegotoSCAN;//若2s到,则将2s标志位清0
PassIn（）;//调用密码输入函数
while
（1）
{
if（flag_comp==1）
{
MatrixKey（）;//键盘扫描
if（key==0x0b）//若有B按下进入密码重设
{
PassSet（）;//调入密码设置函数
MatrixKey（）;
if（key==0x0e）gotoSTART;//若按下了E键,则跳转到标志START处重新开始
}
if（key==0x0e）gotoSTART;//若按下了E键,则跳转到标志START处重新开始
}
if（flag_comp==0）
{
MatrixKey（）;
if（key==0x0e）gotoSTART;//若按下了E键,则跳转到标志START处重新开始
}
}
}
/**********定时中断****************/
voidtimer0（）interrupt1
{
TH0=0xee;TL0=0x00;
count_5ms++;
if（count_5ms==200）
{
count_5ms=0;
sec++;
}
if（sec==2）
{
flag_2s=1;
TR0=0;
}
}
6系统仿真
6.1系统仿真环境及参数设置
本设计在Protues的ISIS7.0SP2或者更高版本的软件环境下打开电路仿真图，接下来将设计好的程序在KeilC51μVision3开发集成环境上编译成机器语言，生成.hex文件。
打开Proteus软件，进入ProteusISIS，首先将设置初始密码程序的hex文件导入到80C52中,点击按钮
，按下C键选择密码设置，D键为读密码功能。
再把密码锁工作程序生成的hex导入单片机中，E键位功能复位键，按下A键系统进入密码输入状态，输入密码后，按下B键后系统进入密码重设状态。
6.2系统仿真结果及其分析
6.2.1系统仿真
系统整体仿真电路图如图6.1所示：
图6.1密码锁整体proteus仿真图
6.2.2设定初始密码仿真
导入初始密码hex文件后，系统进入初始化状态，仿真结果如图6.2所示。
图6.2设定密码初始状态仿真图
按下扫描按键C，系统进入密码设定输入状态，LCD上提示输入密码，仿真结果如图6.3所示。
图6.3设定初始密码输入仿真图
设定密码后按下D键，系统进入读密码状态，LCD上显示所设密码，仿真图如图6.4所示。
图6.4设定初始密码读密码仿真图
6.2.3密码锁工作仿真
导入密码锁工作hex文件后，系统进入初始状态，仿真图同图6.1所示。
按下A键，系统进入输入密码状态，LCD提示请输入密码，仿真图如图6.5所示。
图6.5密码锁工作输入密码仿真图
输入正确密码时，LCD提示密码输入成功，锁打开，绿色LED灯亮，仿真图如图6.6所示。
按下E键，系统初始状态，仿真图同图6.1所示。
图6.6密码输入正确仿真图
若连续三次输入密码错误，LCD提示密码输入，仿真图如图6.7所示。
图6.7连续三次密码输入错误仿真图
图6.8重设密码输入仿真图
图6.9重设密码成功仿真图
输入密码正确后，按下B键，系统进入重设密码状态，LCD提示请输入密码，仿真图如图6.8所示，密码重设成功如图6.9所示。
7使用说明
使用本设计宜按以下步骤进行：
首先加载设定初始密码hex文件，按下C键，进入密码设定输入状态，设定密码后按下D键读取自己所设密码；再加载密码锁工作hex文件，进入密码锁工作状态，按下A键，输入所设密码，输入密码正确后，按下B键可以自定义重设密码，按下E键进入初始状态。
8设计总结
本设计以89C52为中心控制器、用4*4键盘采集输入信号、采用典型的I2C总线结构AT24C04芯片储存密码、并且通过LCD显示屏和LED灯直观地显示各密码锁各种状态，用继电器模拟锁的状态，用户可以自定义设置6位的数字密码，系统还具有报警功能，该系统基本能够实现本文能够提出的功能和要求。
本设计也存在不足，缺陷一，单重的密码锁不能满足较高的安全需要。
缺陷二，该系统对电的依赖比较大，必须使24C04一直保持供电状态，当断电后不能正常工作。
缺点三，在按键按下时，按键声不够响亮清晰，在仿真时显得反映比较慢，假如能采用语音模块，能用语音播报按键时密码所处状态，密码锁将会更具人性化。
通过这次对智能密码锁的设计，感受更多的是自己的能力有限，知识不够丰富，知识点掌握的不够扎实，使得自己不能按自己初始设想完成自己的设计，使得所设的密码锁不够完整。
在这次设计中还让，让我了解了实时控制的原理，懂得怎样合理的使用芯片，发挥其功能。
体会到做设计时必须有条理的按一定步骤实行系统的设计、各个步骤的实施。
总之，这次课程设计使在电路设计方面受益匪浅。
参考文献
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电子工业出版社,2009：
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中国铁道出版社,2011：
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北京航空航天大学出版,2000：
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高等教育出版社,2006：
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湖南大学出版社,2004：
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[8]金唯香等编.电子测试技术[M].长沙：
湖南大学出版社,2004：
26-30.
附件
AT24C04头文件"I2C_drive.h"
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitSDA=P3^4;
sbitSCL=P3^3;
bitack;
voiddelayNOP（）;
voidI2C_start（）;
voidI2C_stop（）;
voidI2C_init（）;
voidI2C_Ack（）;
voidI2C_NAck（）;
ucharRecByte（）;
ucharSendByte（ucharwrite_data）;
ucharread_nbyte（ucharSLA,ucharSUBA,uchar*pdat,ucharn）;
ucharwrite_nbyte（ucharSLA,ucharSUBA,uchar*pdat,ucharn）;
voiddelayNOP（）
{
_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;
}
voidI2C_start（）
{
SDA=1;
SCL=1;
delayNOP（）;
SDA=0;
delayNOP（）;
SCL=0;
}
voidI2C_stop（）
{
SDA=0;
SCL=1;
delayNOP（）;
SDA=1;
delayNOP（）;
SCL=0;
}
voidI2C_init（）
{
SCL=0;
I2C_stop（）;
}
voidI2C_Ack（）
{
SDA=0;
SCL=1;
delayNOP（）;
SCL=0;
SDA=1;
}
voidI2C_NAck（）
{
SDA=1;
SCL=1;
delayNOP（）;
SCL=0;
SDA=0;
}
ucharRecByte（）
{
uchari,read_data;
read_data=0x00;
SDA=1;
for（i=0;i<8;i++）
{
SCL=1;
read_data<<=1;
read_data|=SDA;
delayNOP（）;
SCL=0;
delayNOP（）;
}
SCL=0;
delayNOP（）;
return（read_data）;
}
ucharSendByte（ucharwrite_data）
{
uchari;
for（i=0;i<8;i++）
{
SDA=（bit）（write_data&0x80）;
_nop_（）;
_nop_（）;
SCL=1;
delayNOP（）;
SCL=0;
write_data<<=1;
}
delayNOP（）;
SDA=1;
SCL=1;
delayNOP（）;
if（SDA==1）ack=0;
elseack=1;
SCL=0;
delayNOP（）;
returnack;
}
ucharwrite_nbyte（ucharSLA,ucharSUBA,uchar*pdat,ucharn）
{
uchars;
I2C_start（）;
SendByte（SLA）;
if（ack==0）return（0）;
SendByte（SUBA）;
if（ack==0）return（0）;
for（s=0;s{
SendByte（*pdat）;
if（ack==0）return（0）;
pdat++;
}
I2C_stop（）;
return
（1）;
}
ucharread_nbyte（ucharSLA,ucharSUBA,uchar*
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