Word版可编辑-基于单片机的电子密码锁的设计精心整理.doc

基于单片机的电子密码锁的设计通信工程 2014届学生：* 学号：* 指导教师： * 摘要：单片机已经在家电领域中得到了广泛的应用，而且在安全密保方面，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐取代了传统的机械密码锁，克服了机械密码锁密码过少的安全性问题。本密码锁的主控芯片采用价格实惠而且容易购买的 STC89C52芯片。密码输入采用矩阵键盘及独立键盘，密码显示采用共阴极的八段显示数码管。系统能完成密码输入、正确开锁、超次报警这些基本的密码锁的功能。系统的软件实现采用功能强大且易于开发的KeilC51环境，且支持ISP下载。因此没使用编程器，用C语言实现系统的软件部分。由于51单片机也有一些不足之处如断电后内部RAM储存的数据会完全丢失，为了克服这一缺点，系统的外围加了掉电存储电路并且由AT24C02芯片来实现。此设计具有安全性高、价格低廉便于实现、易于改进等优点。 关键词 电子密码锁 STC89C52 矩阵键盘 AT24C02目 录1 绪 论11.1 单片机及其特点11.2单片机的发展及应用11.2.1 单片机的发展趋势11.2.2单片机的应用21.3 MCS-51系列单片机32系统硬件设计52.1 设计思路52.2系统方案的选择52.2.1 电子密码锁功能简述62.2.2 系统的总体设计62.3单元电路的设计72.3.1主控芯片介绍72.3.2 键盘输入电路92.3.3 密码存储电路102.3.4开锁电路112.3.5报警电路122.3.6 显示电路122.3.7串口通信电路142.3.8 晶振电路153 系统软件设计173.1 软件工具介绍173.1.1. Keil C51概述173.1.2. Keil C51单片机软件开发系统的整体结构173.1.3下载工具STC-ISP183.2程序设计184 硬件电路调试204.1单元功能电路调试204.2联机调试205 改进方法235.1 电路方面的改进235.2 软件方面的改进23致 谢25附录一 程序26附录二 数码管显示电路32附录三 总设计图33参考文献361 绪 论2系统硬件设计2.1 设计思路硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方面很多，除了实现此设计的基本功能以外，主要还要考虑如下几个因素：系统稳定度；器件的通用性或易选购性； 软件编程的易实现性；系统其它功能及性能指标；因此硬件设计至关重要。现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。2.2系统方案的选择方案一：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：选用单片机STC89C52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I/O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AT24C02芯片用于密码的存储，外接八段数码管用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键09输入密码。密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后可以设置新密码。新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。综上分析：方案一虽然设计简单但它的实用性不是很强。而方案二设计复杂，但是安全性好，功耗低，成本低，而且容易操作保密性强。2.2.1 电子密码锁功能简述在本设计中用户通过键盘输入密码，确认后系统调用密码比较判断函数，如果密码在规定的时间内输入正确，单片机输出开门信号开锁。如果在规定的时间内没完成密码的输入，系统则自动清除所输入的密码，并提示重新输入。用户发现错误时，可以清除重输。密码输入后，通过验证和多位校验后了，如果密码错误则启动报警系统，当密码错误次数达到3次时，系统将锁定一定的时间，时间到后系统则启动键盘输入。初始密码由系统设定，用户可根据自己的要求设定密码，修改密码时首先需要与旧密码匹配，如果输入旧密码错误则系统报警并自动退出密码修改系统。旧密码正确则可以输入新密码，新密码的输入要求两次比对确认。系统设定密码为6位，当输入密码不为6位或两次输入的新密码不一致时密码修改失败，系统报警并自动退出密码修改状态。如果输入的新密码为6位并且两次输入的新密码一致则修改密码成功。2.2.2 系统的总体设计系统以STC89C52为中心控制元件，用AT24C02作为密码存储元件，通过八段数码管显示。设计的结构框图如图2.1所示。STC89C52键盘输入复位电路晶振电路显示电路报警电路开锁电路图 2.1 结构框图工作原理，从键盘输入一组密码，微控制器把改密码和预先设置的密码比较，对则将锁打开，并通过蜂鸣器的声音来演示密码锁的状态否则累计三次输入错误则启用报警。2.3单元电路的设计单元电路包括输入电路、复位电路、晶振电路、显示电路、报警电路和开锁电路，系统的实物图见附录四，总设计图见附录三。以下将逐一介绍这些单元电路的设计方法。2.3.1主控芯片介绍MCS-51 系列中的各种芯片引脚是互相兼容的，其中STC89C52单片机是高性能的单片机，它具有8位微处理器，128bit片内RAM，8K的片内ROM，4个八位的并行I/O接口P0-P3，两个定时/计数器及五个中断源的中断控制系统。再不接任何外围电路的情况下可以实现大部分较为复杂的逻辑控制功能，进行外部RAM扩展还可以用于数据采集，点阵显示屏控制等方面应用。对于存储量要求不高的实际应用，STC89C52是一种不可多得高性能的单片机，被广泛应用于各个领域。STC89C52单片机的每个端口都是8位准双向口，每一条I/O线都能独立的用作输入或输出。每个端口都包括一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。再无片外扩展存储器系统中，这四个端口都可以作为准双向I/O口使用。再具有片外扩展存储器的系统中，P2口送出高8位地址P0口位双向总线，送出低八位地址和数据的输入/输出；P3口是一个多功能端口各个引脚具有第二功能。（P3.0为串行口输入，P3.1位串行口输入，P3.2为外部中断0输入，P3.3为外部中断1输入，P3.4为定时器0的外部输入，P3.5为定时器1 的外部输入，P3.6位片外数据存储器“写选通控制”输出，P3.7为片外数据存储器“读选存储器”输出）。芯片引脚排列如图2.2所示。图 2.2 单片机及其外围电路2.3.2 键盘输入电路键盘输入电路采用的是44的矩阵键盘，因为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因此采用的是矩阵式按键键盘，它由行和列组成，也称行列式键盘，按键位于行线和列线的交叉点上，密码锁的密码输入由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。本设计中使用的这个4X4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，设置功能等。其按键结构及与单片机引脚接法如图2.3所示。图2.3 键盘电路接法2.3.3 密码存储电路由于51单片机掉电后会丢失数据存储器里的数据，因此必须外加掉电存储电路。并由AT24C02芯片来实现2.3.4开锁电路电磁锁由电路驱动和开锁两级组成。由D5、R1、T10组成驱动电路，其中T10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。 在本设计中为了节省成本和原材料，在市场中现成的电磁锁非常多因此也没必要用一个实物电磁锁，因此就用蜂鸣器来表示电磁锁的状态。2.3.5报警电路 报警电路由一个蜂鸣器驱动电路来实现的，包括以下几个部分：一个蜂鸣器、一个三极管、一个连续流二极管和一个电阻。2.3.6 显示电路为了节省成本以及考虑到操作的难易性，本设计的显示部分由共阴极的八段数码管取代液晶显示器LCD1602来完成。显示电路图附录一所示。通常LED有7段或8段和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样的，共阳极LED显示器的工作原理也一样。在本设计中数码管的显示采用动态扫面的方式。当多位LED显示时，通常将所有的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制,形成段选线的多路复用。而各位的共阴极或共阳极分别由相应的I/O口控制，实现位选时各位分时选通。其中位选线占用一个8位I/O口，在本设计中有8个数码管，也就是说点亮数码管要占用两个8位的I/O口，这样就有点浪费了，为了节省I/O口，外接了芯片74HC138。如图2.7所示。图2.7 74HC138译码器引脚及外围电路74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。因此当利用8位I/O口中的3位即可实现8个数码管的位选。2.3.7串口通信电路 串口通信采用MAX232，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。2.3.8 晶振电路 晶体振荡器简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。本设计也采用的是是应尽体振荡器。3 系统软件设计3.1 软件工具介绍 本设计采用了两款软件，分别是Keil C51和STC-ISP。3.1.1. Keil C51概述 Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。C51 V7版本是目前最高效、灵活的8051开发平台。它可以支持所有8051的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持其它第三 方开发工具。Keil C51软件提供丰富的库3.1.2. Keil C51单片机软件开发系统的整体结构 3.1.3下载工具STC-ISPSTC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。使用时只要将Keil C51生成的.HEX文件烧进单片机就可以了，操作非常简单。3.2程序设计本设计软件部分要实现的功能分别为：键盘扫描，数码管显示，延时部分，蜂鸣器报警，蜂鸣器唱歌以及掉电存储。程序流程图初始化键盘扫描输入密码确认程序开锁成功开始输入次数加1次数3?报警程序返回NYNY密码正确?4 硬件电路调试本系统采用了较8051系列功能更强大的STC89C52单片机作为本次设计的核心元件，其外接16个按钮组成44矩阵键盘；显示、控制、报警等电路模块均通过各端口与单片机相连，以实现密码锁的输入、报警等功能。该单片机采用高密度、非易失性存储技术生产，能兼容MCS-51指令系统，其应用更灵活。4.1单元功能电路调试 电路能否正常工作，首先元器件的好坏是个关键。本系统由电源电路、键盘电路、报警电路、显示电路、电子锁控制电路和单片机电路组成，所以，对单个模块的调试及功能测试是不可少的环节： 1）键盘电路2）报警电路3）显示电路4）单片机电路4.2联机调试 单片机芯片内输入所编写的程序之后，我们对系统进行了软硬件的结合工作，其碰到的主要问题就是接触问题。虽然系统的不稳定性是客观存在的，是不能完全避免的，但是经过长期的系统调试，可能是此单片机芯片已适应了整个电路的结构和运行模式，目前整个系统的运作已相当稳定。 在系统调试过程中，碰到的主要问题有： 1）显示问题，数码管的段选和位选问题2）键盘的输入问题3）程序的下载问题5 改进方法5.1 电路方面的改进 当今社会中电子锁的设计真可谓是五花八门，分别有数字密码锁、指纹密码锁、刷卡锁、酒店锁、只能密码锁、电控锁等。本设计是一个数字密码锁，相对于已有的电子密码锁，硬件设计中还有有很多不足之处，比如密码的显示部分，用数码管只能一位一位来显示数字和字母，而且显示起来很不方便；密码的设计部分也有改进的方法。 1）显示部分的改进 2）密码设计的改进3）控制功能的改进5.2 软件方面的改进 在本设计的软件编写中，由于时间原因，编写的程序只能实现开锁功能，至于退格，删除，确认这些功能键都没设置。密码修改也没能实现。 改进方法，在原来44矩阵键盘的基础上加上四个独立键S17,S18,S19,S20。原来的矩阵键盘用来输入密码，分别对应0-9，A-E,十六个字符，因为没有独立键盘的时候操作非常不方便。独立按键中加了管理员解密这一功能，管理员解密就是当输入密码三次出错后密码锁会被锁定，这时只有按下管理员解密这一按键，并且输入内置的密码才能开锁。总 结 对于这次的毕业设计，总的来说还是比较成功的，硬件部分基本完成。这次设计的难点是软件的实现，软件部分的密码输入和密码比较式最困难的，经过本人坚持不懈的努力和其他人的帮助最后终于完成了。在硬件部分由于MCS-51系列单片机具有良好的通用性，兼容性强等特点，本设计中所用的芯片还可以用同类的其他芯片代替，这样使得密码锁的设计更加灵活。单片机的指令简单易学，因此开发周期可以很短。由于时间有限和本人知识水平的有限发挥，本系统可以改进的地方还很多，在第5章已经