用24C04与1602LCD设计电子密码锁.doc

毕业设计 论文 学学 生生 姓姓 名 名 赵军成 学学 号 号 21 专专 业业 应用电子技术 系系 部部 电子工程学院 设计设计 论文论文 题目题目 用 24C04 与 1602LCD 设计电子密码 锁课程设计 指指 导导 教教 师师 陈爱文 年 月 日 1 31 目 录 0 1 引言 2 2 设计任务和要求 3 2 1 系统总结构设计图 3 2 2 单元电路设计与参数计算 4 2 3 各模块的功能 4 2 3 2 矩阵键盘键值读取 5 2 3 3 1602液晶显示模块 5 2 4 延时模块 6 2 4 2密码设置模块 6 2 4 3 密码比较模块 7 2 4 4改密处理 7 2 5 单片机及其外围电路 8 2 6 时钟电路 9 2 7 矩阵键盘电路的设计 10 2 8 操作面板 11 2 9 液晶显示电路 11 2 9 2 液晶显示子程序 13 2 10 系统软件设计 14 2 11 系统主程序 14 2 12 初始化及按键识别 15 2 13 源程序如下所示 16 3 实现与检测 28 3 1 原理图及元器件清单 28 3 2 综合逻辑功能检测 29 参考文献 30 2 31 摘要摘要 随着信息技术的不断发展 信息化时代也逐步进入普通家庭 人们对个人的信息 安全以及隐私等私密信息的安全要求不断提高 传统的机械锁已经不能满足要求 针对 此现状设计一款安全可靠廉价的电子密码锁有着十分重要的意义 本设计以 AT89C51 为 主控芯片 带有一个密码输入键盘 外围时钟复位电路 存储单元 24C04 显示单元 1602LCD 通过 LED 灯的亮与灭表示电子锁的锁闭与打开 利用单片机灵活的编程设计和 丰富的 IO 端口 能实现密码锁的基本功能 用户可以任意设置密码增加了密码锁的保密 性 同时如果增加指纹识别 光电识别能进一步增加密码锁的保密性 为了提高可读性 采用了 1602 作为显示单元 使用户对密码锁的运行情况一目了然 关键词 单片机 电子密码锁 24C04 1602LCD 汇编语言 程序设计 1 引言引言 随着人们生活水平的提高 如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出 锁是置于 可启闭的器物上 用以关住某个确定的空间范围或某种器具的 必须以钥匙或暗码打开扣 件 传统的机械锁由于其构造的简单 被撬的事件屡见不鲜 锁具发展到现在已有若干 年的历史了 人们对它的结构 机理也研究得很透彻 因此 不用钥匙就能打开的方法 和工具也层出不穷 盗贼还想方设法利用高科技手段撬门开锁 使广大居民防不胜防 传统锁具都存在致命的弱点 第一 锁芯采用常见的铜 铝 锌等材料 抵抗不了强力 破坏 第二 锁具制作工艺 技术落后 无法阻止技术手段的开启 目前 市场上很多 国内外的锁具 实际上都不具备真正的防盗功能 在惯偷面前 两根钢丝或几件简单的 工具就可以把这些锁打开 主要是锁具的技术原理太过简单 随着科技的进步 锁已发 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安全性 使不法之徒无从下手 人们也就能对自身财产安全有了更多的保障 当今安全信息系统应用越来越广泛 特别 在保护机密 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安全系统是 其中的组成部分 因此研究它具有重大的现实意义 电子锁可以在日常生活和现代办公中 住宅与办公室的安全防范 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安全性 目 前使用的密码锁种类繁多 各具特色 本文从经济实用的角度出发 采用 AT89S51 单机 研制了一款具有防盗自动报警功能的电子密码锁 同时通过 LCD1602 增强了可读性 该 密码锁设计方法合理 简单易行 成本低 符合住宅 办公室用锁要求 具有一定的推 广价值 1 系统设置 6 位密码 密码通过键盘输入 若密码正确 则将锁打开 2 密码 由用户自己设定 在开锁状态下 用户可自行修改密码 3 具有自动报警功能 一是密码输入错误 3 次 则报警 保证了系统的安全性 系 3 31 统工作时 用户通过按键输入 6 位密码 单片机将输入密码与设定密码进行比较 若密 码正确 则发出开锁信号 将门打开 系统不报警 若密码不正确 系统提示重新输入 密码 重新输入密码的次数不能超过 3 次 若 3 次输入的密码都不正确 则发出报警信 号 本文注重实践和理论相结合 按照单片机初学者的学习过程 由浅入深逐步讲解了设计 电子锁的整个设计过程及应用到的编程软件 整个设计报告工分为 4 个部分 各部分的安排 如下 第一部分 是设计电子锁的背景及目的 第二部分 介绍了这个方案的设计任务要求 第三部分 介绍了电子锁的原理图及元器件清单 第四部分 介绍了电子锁的性能测试与分析 2 2 设计任务和要求设计任务和要求 设计任务是利用开发板设计一个电子锁 设计要求 自己在自己电脑上写好要连接的电子锁的程序 再在实验室里将已经调试成 功的电子锁的程序下载到开发板上 观察并记录开发板上的等的运行情况 如果不是如预期 那样运行 要找出原因并进行调试 最后对自己的实验设计进行验收 2 1 系统总结构设计图 本设计由主控芯片 51 单片机 24C04 断电存储电路 单片机时钟电路 LCD1602 显示电路 键盘和开锁电路组成 单片机负责控制整个系统的执行过程 开锁控制电路 89S51 单片机 24C02 掉电存储 LCD1602 显示电路 矩阵 键盘 控制 指示电路 输入错误锁定键盘 延时报警控制电路 4 31 2 2 单元电路设计与参数计算 图 2 2 1 电子锁的仿真图 2 3 各模块的功能 1 键盘输入模块 分为密码输入按键与几个功能按键 用于完成密码锁输入功能 2 密码存储模块 用于完成掉电存储功能 使修改的密码断电后仍能保存 3 蜂鸣器报警电路 用于完成输错密码时候的警报功能 4 晶振电路 用于单片机的起振 5 复位电路 完成系统的复位 6 显示模块 用于完成对系统状态显示及操作提示功能 7 LED 显示模块 用于辅助报警与输入提示 8 开锁电路 应用继电器及发光二极管模拟开锁 完成开锁及开锁提示 5 31 2 3 2 矩阵键盘键值读取 矩阵键盘接 P1 口 行接低 4 位 列接高 4 为 先让行为高 列为低 若有键按下 则 所在行为低 得到按键的所在行数 之后令 P1 口 行为低 列为高 运用相似的方法得到 所按键的所在列数 及确定按键位置 返回键值 由于机械键盘会出现信号抖动的情况 固 在发现有按键后延时 5 毫秒再次确定 若让有按键 证明按键稳定 否则认为接收到的是抖 动信号 不予处理 2 3 3 1602 液晶显示模块 1602 具有三个工作状态控制端 调节他们的高低变化配合数据口的信息 可以显示 2 16 的字母或者数字 通过子函数可以实现检测初始化 LCD 写指令到 LCD LCD 状态 LCD 清屏 输入一个字节数据到 LCD LCD 光标定位到 x 处 LCD 光标归位 输入一个字符到 LCD 输入一个字符串到 LCD 等功能 液晶显示子程序在每次更新显示内容时都会被调用 其流程如图所示 开始 清显示 写指令入IR 字符地址入DPTR 字符 00H 写结束 字符代码送入P0口写数据入DR 地址 1 返回 液晶显示子程序流程图 每次更新显示内容前 需清显示清空 LCD 原先的显示内容 清屏指令的指令码为 01H 即将 P0 口赋值 01H 然后写入指令寄存器 IR LCD1602 要显示的内容是根据其控制器内置的字符码表 事先列出要显示的 ASCII 字符 串 每次送一个字符的 ASCII 码入 P0 口 然后写入数据寄存器 DR 最后将字符地址加一 6 31 LCD1602 会将写入的 ASCII 码对应的字符依次显示出来 由于显示字符串的长度不尽相同 约定每串字符以 00H 结尾 程序检测到字符码为 00H 时 即停止写入 返回 LCD 显示的内 容在下次更新前会一直保持 2 4 延时模块 一个程序会有许多地方需要进行延时操作 例如矩阵键盘的消抖延时 一般延时可以通 过空循环与中断响应两种方法进行 由于本程序对于时间精度要求不高 故使用相对简单的 空循环的方法进行延时 进过实验 单片机每空循环 110 次耗时 1ms 故用两次循环 里面 一次空循环 110 外面的一次由输入决定循环次数 这样就会进行输入数值时长的延时 2 4 4 密码读取模块 首先预读入密码的字符数组清零 显示位置清空 然后读取键值 先判断此时是否是在 第九个键值输入了数字键值 如果是不响应重新读入 这样可以防止读入字符串溢出 造成 密码读取错误 然后通过 switch 语句 5 处理键值 字母键值 并将读取位置 显示位置进 行相关调整 如果输入的是数字有效键值 存入当前指向的字符数组空间 其后将键值变量 清零准备读取下一个键值 进行循环读取 直到成功读取 8 位密码或者因为输入了确定键提 前完成读取工作 2 4 2 密码设置模块 在系统进行初始化时 要求设置密码 整体思路是要求读取一组密码 保存在临时空间 然后再次读取密码 如果相同 证明设置成功 将新密码覆盖进标准密码数组里 如果两次 的密码不同 显示错误信息 要求重新输入 第一次读入密码 第二次读入密码 保存密码 提示成功 判断两次密码 相同 不相同 图 2 3 5 密码设置模块 7 31 2 4 3 密码比较模块 该模块将输入密码字符串与设定密码字符串比较 如果相同 执行开锁动作并将输入错 误次数清零 如果不同 累计错误次数 如果是第三次输入错误 系统锁死并发出声光告警 如果小于三次 显示密码错误信息 返回密码输入环节 逻辑框图如图 2 3 6 图 2 3 6 密码比较模块 2 4 4 改密处理 如图 可以看出 改密键的处理流程跟开锁键类似 都需检查密码是否正确 错误的话 提示重新输入 只有输入密码正确才可以进行改密 然后再按更改键 密码更改程序被调用 进而更改密码 此过程 LCD 都会显示信息 模块启动 验证密码 判断错误 次数 显示错误信息并 返回 发出报警 系统锁死 发出报警 系统锁死 连续错误次 数小于三次 连续错误次数 小于三次 密码正确 密码错误 8 31 开始 密码正确 提示 输入新密码 密码错误重新输入 再次 输入新密码 对比两次 输入相同 更改成功 否 否 是 改密流程图 2 5 单片机及其外围电路 复位电路 9 31 2 6 时钟电路 时钟电路为单片机产生时序脉冲 单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动 下的进行的 如果单片机的时钟电路停止工作 晶振停振 那么单片机也就停止运行了 当采用内部时钟时 连接方法如下图所示 在晶振引脚XTAL1 19脚 和XTAL2 18脚 引脚 之间接入一个12MHZ晶振 两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号 电 容的容量一般在几十皮法 C1 C2 Y1 XTA L1 XTA L2 10 31 2 7 矩阵键盘电路的设计 为了加强密码的保密性 采用一个 4 4 的矩阵式键盘可以任意设置用户密码 1 16 位 长度 从而提高了密码的保密性 同时也能减少与单片机接口时所占用的 I O 口线的数目 节省了单片机的宝贵资源 在按键比较多的时候 通常采用这种方法 每一行与每一列的交叉处不相同 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 根行线与 M 根列线 即可组成具有 N M 个按键的矩阵键盘 在这种行列式矩阵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 当确认有按键按下后 下一步就是要识别哪一个按键被按下 对键的识别方法通常有两 种 一种是通用的组行扫描查询法 另一种是速度较快的线反转法 此系统中 我们采用线反转法 首先辨别键盘中有无按键被按下 在单片机 I O 口向键 盘送全扫描字 然后读入行线状态来判断 具体方法是 向行线输出全扫描字 00H 把全部 列线置成低电平 然后将列线的电平状态读入累加器 A 中 如果有按键被按下 总会有一根 行线电瓶被拉至低电平从而使行线不全为 1 判断键盘中哪一个按键被按下通常是通过将列线逐列至低电平后 检查行输入状态来实 现的 方法是 依次给列线送低电平 然后检查所有行线状态 如果全为 1 则所按下的按 键不在此列 如果不全为 1 则所按下的按键必在此列 而且是在与零电平行线相交的交点 上的那个按键 11 31 2 8 操作面板 10 个数字键用来输入密码 另外 6 个功能键分别是 更正 改密 锁定 其中更正键 的功能是当输入密码错误的时候 清除前面已经输入的数据 重新输入 在输入密码状态下 0 9 数字键为有效键 有时间和次数限制功能 只有三次输入密码机会 每次限制在 10 秒 内完成 输入密码有误或每次输入密码超时 则被认为是密码输入错误 当 3 次输入都错误 时 程序将返回起始状态 密码输入正确后 继电器吸合 表示锁被打开 在密码输入正确 的情况下 程序进入查看密码和修改密码状态 按 改密 键进入重新设置密码状态 在 输入密码时 如发现输入有误 可按 更正 键删除后 重新输入 按 锁定 确认后 程 序退出修改密码状态 2 9 液晶显示电路 本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的为了达到界面友好的目的 显示 部分由液晶显示器 LCD1602 取代普通的数码管完成 开锁时 按下键盘上的开锁按键后 利 用键盘上的数字键 0 9 输入密码 每按下一个数字键后在显示器上显示一个 输入多少位 就显示多少个 当密码输入完成时 如果输入的密码正确的话 LCD 显示 OK 绿灯亮 起 单片机其中 P3 0 引脚会输出低电平 使三极管 T2 导通 电磁铁吸合 继电器开关跳转 电子密码锁被打开 如果密码不正确 LCD 显示屏会显示 ERROR P3 0 输出的是高电平 电子密码锁不能打开 同时红灯亮起 通过 LCD 显示屏 可以清楚地判断出密码锁所处的状 态 12 31 图3 7 显示器电路 显示器主要用于显示以下几个字符 指示如图所示 图3 8 a 开机状态 等待输入状态 密码输入正确状态 密码输入错误及输入密码超时的提示 ASWORDPS D KO RORE R 13 31 2 9 2 液晶显示子程序 液晶显示子程序在每次更新显示内容时都会被调用 其流程如图所示 开始 清显示 写指令入IR 字符地址入DPTR 字符 00H 写结束 字符代码送入P0口写数据入DR 地址 1 返回 液晶显示子程序流程图 每次更新显示内容前 需清显示清空 LCD 原先的显示内容 清屏指令的指令码为 01H 即将 P0 口赋值 01H 然后写入指令寄存器 IR 14 31 LCD1602 要显示的内容是根据其控制器内置的字符码表 事先列出要显示的 ASCII 字符 串 每次送一个字符的 ASCII 码入 P0 口 然后写入数据寄存器 DR 最后将字符地址加一 LCD1602 会将写入的 ASCII 码对应的字符依次显示出来 由于显示字符串的长度不尽相同 约定每串字符以 00H 结尾 程序检测到字符码为 00H 时 即停止写入 返回 LCD 显示的内 容在下次更新前会一直保持 2 10 系统软件设计 系统的软件设计采用汇编语言编码 设计方法是先用文本编辑器编写源码 然后用软件 Keil C51 编译 如果没有错误 可连接生成 HEX 格式的文件 需事先在 Keil C51 中设置 如果有错误则无法连接 但可在生成的 OBJ 文件中找到代码错误的地方 便于修改 当然 也可以直接在 Keil 中编码 生成的 HEX 文件是记录文本行的 ASCII 文本文件 在 HEX 文件 中 每一行是一个 HEX 记录 由十六进制数组成的机器码或者数据常量 HEX 文件经常被用 于将程序或数据传输存储到 ROM EPROM 大多数编程器和模拟器使用 HEX 文件 2 11 系统主程序 系统的主程序如图 4 1 所示 由于用户在使用系统的过程中 可能在任何时刻按下任何 按键 而程序都必须对此作出正确响应 开始 系统初始化 密码输入 显示菜单二 键盘扫描 显示菜单一 启动密码输入 F键按下 锁定 密码比较 关锁 延时1s 开锁 提示正确 密码正确 密码正确标志 1 存新密码 提示错误 错误 次数加1 查看密码 修改密码 错误了3次 D键按下 N Y N Y N Y Y N Y N Y N 15 31 主程序流程图 2 12 初始化及按键识别 如图 4 2 系统的初始化包括堆栈起始地址的设定 两个定时 计数器的设定 液 晶显示模式的设定 密码缓冲区的初始化 一些自定义数据空间的初始化 蜂鸣器初始化发 声等操作 系统初始化并读取密码完成后 液晶显示 PASSWORD CONTROL 提示用户可以输入 密码 此时程序即不断测试按键 检查是否有按键被按下 如果有 则进行按键识别 如果 没有按键按下 或者按下的按键没有被识别 R3 赋值 0FFH 并跳转至按键测试 实际程序 运行时 绝大部分时间都在测试按键 等待用户输入 载入 初始密码 读取成功 读取密码 系统初始化 开始 提示输入密码 按键测试子程序 有按键按下 按键识别子程序 识别成功 按键重定位 延时0 5S 否 是 是 是 否 否 初始化及按键识别流程图 16 31 2 13 源程序如下所示 include delay h uS 延时函数 含有输入参数 unsigned char t 无返回值 unsigned char 是定义无符号字符变量 其值的范围是 0 255 这里使用晶振 12M 精确延时请使用汇编 大致延时 长度如下 T tx2 5 uS void DelayUs2x unsigned char t while t mS 延时函数 含有输入参数 unsigned char t 无返回值 unsigned char 是定义无符号字符变量 其值的范围是 0 255 这里使用晶振 12M 精确延时请使用汇编 void DelayMs unsigned char t while t 大致延时 1mS DelayUs2x 245 DelayUs2x 245 include eeprom h include delay h void Start void I2 开始 SDA 1 SCL 1 17 31 NOP4 SDA 0 NOP4 SCL 0 void Stop void I2C 停止 SDA 0 SCL 0 NOP4 SCL 1 NOP4 SDA 1 void RACK void 读取应答 SDA 1 NOP4 SCL 1 NOP4 SCL 0 void NO ACK void 发送非应答信号 SDA 1 SCL 1 NOP4 SCL 0 SDA 0 void Write A Byte uchar b 写一个字节数据 uchar i for i 0 i 8 i 18 31 b 1 SDA CY CY 进位程序状态字寄存器 nop SCL 1 NOP4 SCL 0 RACK void Write IIC uchar addr uchar dat 向指写地地址写数据 Start Write A Byte 0 xa0 Write A Byte addr Write A Byte dat Stop DelayMs 10 uchar Read A Byte void 读取一个字节 uchar i b for i 0 i 8 i SCL 1 b 4 0 x0f switch temp 横行 case 1 keyno 0 A break 第一行横行 case 2 keyno 4 B break 第一行横行 20 31 case 4 keyno 8 C break 第一行横行 case 8 keyno 12 D break 第一行横行 P1 0 x0f return keyno include LCD H void write com unsigned char com 写命令 RS CLR RW CLR P0 com DelayMs 5 EN SET DelayMs 5 EN CLR void write data unsigned char date 写一个字符 RS SET RW CLR P0 date DelayMs 5 EN SET DelayMs 5 EN CLR void init 初始化 write com 0 x38 write com 0 x0c write com 0 x06 21 31 write com 0 x01 写入字符串函数 void LCD Write String unsigned char x unsigned char y unsigned char s if y 0 write com 0 x80 x else write com 0 xC0 x while s write data s s 写入字符函数 void LCD Write Char unsigned char x unsigned char y unsigned char Data if y 0 write com 0 x80 x else write com 0 xC0 x write data Data 22 31 include include include lcd h include key h include delay h include eeprom h void int0 void unsigned char password 6 0 x01 0 x01 0 x01 0 x01 0 x01 0 x01 unsigned char password1 6 unsigned char code aa Password unsigned char code gg New unsigned char code bb ERROR unsigned char code cc OK unsigned char code dd unsigned char code ee Next unsigned char code ff success unsigned char keydata main unsigned char i j k l m n o a1 for i 0 i 6 i Write IIC i password i init LCD 初始化 int0 P3 6 0 P3 7 0 P1 0 x0f LCD Write String 0 0 aa LCD Write String 1 1 dd write com 0 xc0 1 23 31 while 1 start LCD Write String 0 0 aa LCD Write String 1 1 dd write com 0 xc0 1 while 1 if 0keydata 4keydata 8keyd ata keydata 14 在 0 9 之间的数字通过 password i keydata 键盘值进行保存 keydata 0 把键盘值置其它值 不被其它利用 以一样 i write data 在 LCD 上显示 这字符代表输入了一个密码 if i 6 这里限制了六位密码 i 0 goto panduan if keydata 33 确定进入密码比较 keydata 0 panduan i 0 for j 0 j 6 j l password j k Random Read j if l k 密码不同进行处理 l 0 k 0 LCD Write String 0 0 bb 24 31 DelayMs 1000 a1 1 if a1 2 while 1 P3 7 1 P3 6 0 两次错误发出报警 goto start 第二次输入密码 if l k 密码对了 进入运行状态 这里绿灯代表该状态 l 0 k 0 a1 0 P3 6 1 P3 7 0 LCD Write String 0 0 cc LCD Write String 1 1 dd if o 1 o 0 LCD Write String 0 0 gg LCD Write String 4 0 aa LCD Write String 1 1 dd write com 0 xc0 1 goto text2 goto yingxing 跳到下面函数中 yingxing 里 yingxing while 1 if keydata 4 锁定功能 P3 6 0 goto start if keydata 15 修改密码 o 25 31 if o 1 goto start text2 keydata 0 while 1 if 0keydata 4keydata 8keyd ata keydata 14 上面表达式 0 9 之间的数字通过 password m keydata 读取键盘值 keydata 0 m write data if m 6 到密码输入到六位的时候进行判断是否再输 入 或者判断前后两次密码是否一致 m 0 n if n 2 goto panduan1 输入第二次的时候进行前后两次 密码进判断 for i 0 i 6 i 储存前一次密码 password1 i password i LCD Write String 1 1 dd LCD Write String 0 0 ee DelayMs 1000 LCD Write String 0 0 aa write com 0 xc0 1 if keydata 13 重新输入改密 text m 0 n 0 LCD Write String 1 1 dd write com 0 xc0 1 26 31 if keydata 33 退出不改密码 out m 0 n 0 o 0 LCD Write String 0 0 cc LCD Write String 1 1 dd goto yingxing if keydata 33 keydata 0 panduan1 for j 0 j 6 j 第一次与第二次密码比较 l password j k password1 j if l k 第一次与第二次密码输入错误 l 0 k 0 LCD Write String 0 0 bb DelayMs 1000 LCD Write String 0 0 aa goto text else for i 0 i 6 i Write IIC i password i LCD Write String 0 0 ff DelayMs 1000 goto