基于单片机和串行EEPROM的智能密码锁的设计与制作

1、金华职业技术学院毕业教学成果目 录摘要1英文摘要.2引言31 概述42 系统硬件设计42.1 硬件组成及工作原理42.2 单片机选型52.3 时钟电路52.4 复位电路62.5 密码存储电路72.6 矩阵式键盘电路设计72.7 报警电路82.8 显示电路83 系统软件方案93.1 设计与分析94 系统调试114.1 硬件调试114.2 软件调试11结论与谢辞12参考文献13附件1：元器件清单14附件2：系统软件15附件3：电路图22附件4：PCB图23基于单片机和串行EEPROM的智能密码锁的设计与制作信息工程学院应用电子专业摘要:传统的门锁既要备有大量的钥匙，又要担心钥匙丢失后的麻烦。随着单

2、片机的问世，出现了带微处理器的密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化、科技化等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，受到了广大用户的亲睐。本文介绍一种基于单片机和串行EEPROM的智能密码锁，对系统硬件设计和软件实现进行了详细的描述。该系统采用STC89C51单片机和AT24C02串行EEPROM，通过STC89C51模拟I2C总线和AT24C02通讯来读取存储的密码，用户通过键盘输入的密码，实现密码锁的功能。 关键词：智能密码锁 STC89C51 AT24C02 Single-chip EEPROM and serial-based Intelligent Design a

3、nd locks the production ofMajor of Applied Electronic Technology Information and Engineering College yingjunqingAbstract ：Both traditional locks have a lot of keys, but also worried about the trouble after the loss of keys. With the advent of single-chip, a microprocessor with the password lock, whi

4、ch in addition to the functions of electronic locks, but also the introduction of intelligent, technology and other functions, so that locks with high security, reliability, the majority of users have been pro-gaze. This paper presents a single chip and serial EEPROM-based smart locks on the system

5、hardware design and software implementation described in detail. The system uses STC89C51 and AT24C02 single-chip serial EEPROM, through the I2C bus and STC89C51 simulation AT24C02 communication to read stored passwords, user password through the keyboard input to achieve the function of locks.Key w

6、ords: smart locks STC89C51 AT24C02引言随着社会物质财富的日益增长和人们生活水平的提高，安全成为现代居民最关心的问题之一。此外电子技术的飞速发展，给传统的机械锁带来了巨大的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批智能锁：指纹锁、IC卡辨识、遥控锁、声控锁等先进的锁具。虽然这类产品安全性高，但是这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个人使用的箱、柜、房间等。而且卡片式IC卡还有易丢失等特点，加上其生产成本高，安装使用不方便，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。本文介绍的是一种基于ST89C51单片机和AT24C02串行EEPR

7、OM的智能密码锁的硬件设计和软件实现方法，这种电路设计具有防试探按键输入、智能控制上锁、开锁、报警、修改密码等多种功能。密码长度可变，保密性强，灵活性高，外接各种执行机构，可广泛用于车辆、大门、保险柜等各种需上锁的场合。1 概述本设计中，智能密码锁工作时分为两种工作状态，分别是正常状态和锁定状态。锁定状态时，输出锁定信号，供外部执行机构使用，实现上锁功能；正常状态时，锁定信号消失，供外部执行机构使用，实现开锁功能。初始密码存储在AT24C02中，开锁时，将从面板上的微键盘输入的数字序列与AT24C02中存储的密码相比较，如果位数及每一位上的数都相吻合，则进行开锁动作，转入正常状态，否则仍将锁定

8、。为安全起见，密码可以进行更改。在正常状态时，程序允许用户随时进行密码修改，密码长度和数字可随意进行组合。为防止程序“跑飞”等异常情况，本设计在软件中使用了简单的“程序陷阱”技术，根据实际需要，可酌情增加“看门狗”电路。无论是硬件复位还是软件复位后，自动进入锁定状态，保证异常情况下的安全。锁定状态时，自动开启报警功能。如遇非法用户进行恶意多次试探开锁，连续三次输错密码，将进行报警。直至开锁后，所有报警消失。2 系统硬件设计电子锁主要由控制电路和锁体两部分组成，锁体包括电磁线圈、锁拴、弹簧和锁框等。当电磁线圈中有一定的电流通过时，磁力吸动锁栓，锁便打开。否则锁栓进入锁框，即处在锁住状态。为了便于

9、试验，可用发光二极管代表电磁线圈，当绿色发光二极管为亮状态时，代表电子锁被打开，红色发光二极管为亮状态时代表锁着。2.1 硬件组成及工作原理电子密码锁的组成框图如图2-1所示，图2-1 控制电路功能图它也是以单片机作为核心控制器，主要是由显示电路、报警电路、时钟电路、复位电路和键盘等组成。完成密码的设置、存贮、识别和输出开锁电平等功能。当用户输入密码并按下输入键后，程序判断输入的密码是否正确。如果输入密码正确，则输出开锁信号，同时点亮绿灯；如果输入密码不正确，则输出密码错误信号，点亮红灯；如果连续三次输入的密码均是错的，则输出报警信号，同时蜂鸣器鸣叫响发出报警。一旦输出报警信号， 就必须等待解

10、除报警后方可重新开锁。2.2 单片机选型本设计用STC89C51代替了以往使用的AT89C51，功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。STC89C51可以完成ISP在线编程功能，而AT89C51则不能。将AT89C51中的程序直接烧录到STC89C51中后，STC89C51就可以代替AT89C51直接工作。STC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失，还增加了两级中断优先级等等。 STC89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。 图2-2 STC89C51引脚图STC89C51是

11、一块高性能单片机，它内含128×8位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。AT24C02具有PDIP、MSOP/TSSOP及SOIC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.3 时钟电路XTALl、XTAL2 为片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，如图2-3示。可采用石英晶体或陶瓷振荡器组成时钟振荡器，如需从外部输入时钟驱动 STC89C51，时钟信号从 XTAL1 输入，XTAL2 应悬空。由于输入到内部电路是经过一个 2分频触发器，所以输入的外部，所以输入的外部时钟信号无需特殊要求，但它必须符合电平的最大和

12、最小值及时序规范。电路里采用的是12MHz的晶振，则周期为：T=1/(12*106)Hz1/12=1us有关电路如下图：图2-3 振荡电路2.4 复位电路复位电路采用了微分型复位电路如图2-4所示：图2-4复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位，有效的防止系统有时会出现一些不可预料的现象，如无规律可循的“死机”、“程序走飞”等。2.5 密码存储电路密码锁的密码可修改，并且掉电后不消失，所以需要外接非易失性存储器，在本次设计中采用AT24C02。图2

13、-5 STC89C51与AT24C02连接图AT24C02与外部通讯采用I2C总线。I2C(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。AT24C02写操作分为字节写和页面写两种操作，读操作分为当前地址读、随机读和顺序读等三种操作，每种读写操作都有规定的时序。本系统采用字节写和随机读两种操作方式，具体时序由软件模拟。2.6 矩阵式键盘电路设计图2-6 矩阵式键盘矩阵式键盘适用与按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。一个4×4的行、

14、列结构可以构成一个有16个按键的键盘。如上图所示，这是本课题所设计的矩阵键盘电路。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。在键盘的设计时，我一开始选用的是大的按键，但是考虑到PCB板的大小，我后来选用的是小的按键，可以节省覆铜板，按键的八个接口分别接P1的八位，在按键前，我先给P1口置F7H，当第一行上有键按下的时候，相对列位输出低电平，反之无键按下为高电平。相同方法扫描各列，反复循环，直到有键按下。2.7 报警电路蜂鸣音报警电路如下图所示：图2-7 报警电路本电路是由两个电阻，一个NPN三极管和一个蜂鸣器组成。STC89C51的P1.1端接三极管Q1基

15、极的输入端。如果用户连续三次输入的密码均是错时，CPU发出信号将P1.1置高电平，就会使三极管的基极为高电平，三极管Q1放大导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P1.1输出低电平时，三极管Q1截止，则蜂鸣器停止发音。2.8 显示电路图2-8 显示电路如图2-8所示，是由一个四位数码管和一个二位数码管组成。显示电路我选用共阴极数码管，显示主要包含了两部分：段选和位选。在设计时用7448来译码，用74LS138提供位选，这样可以节省单片机端口。段码的信号和位选的信号都由P0口提供，P0口的前四位接7448的A、B、C、D四位，由他把单片机输出的十进制转换成数码管能显示的字型码。P0口的后

16、面三位接3-8译码器的A，B，C，通过译码器输出的数据可以作为数码管的位选，使数码管一个一个的点亮，从而达到动态显示的要求。3 系统软件方案STC89C51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。此设计如下要求：1）上电后，显示器显示“000000”。初次使用时，密码由程序存储器TABLE读取，“666666”为初始化密码，只要输入此密码便可开门。密码修改后则从AT24C02中读取。2）更改密码时，先键入新号码再按“*”，即可建立新密码，并存入EEPROM。3）键入号码，再按“D”开

17、门键，若号码与密码相符，则开门，计算输错次数，当达到三次则报警。4）输入的号码通过数码管显示。方案主要就是密码的输入、显示和比较，所以程序在键盘和显示上占了很大的比重，硬件电路上加了EEPROM AT24C02，断电后密码就是从这里读出来的。3.1 设计与分析首先进行系统初始化，设置计算输入密码次数的参数N=0，开始解码输入，接着判断输入的密码是否正确。当输入的密码正确时,查询是否输入set键，如果输入set键（修改密码键）则可以修改密码，接着输入新密码即可。如果不需要修改密码则可以正常开锁。当输入的密码错误时就会出现错误指示，每输入一次则N作加1运算，当N3时也就是连续输入密码出现三次错误，

18、蜂鸣器报警并封锁输入口。 然后定时10分钟，再解锁。初始化N=0解码输入错误输入报警输入新密码正常开锁N=N+1定时10分钟解锁正确？N>=3?输出报警信号封锁输入口修改密码是是是否否否图2-9程序设计流程图4 系统调试选择好硬件方案和编好软件程序后进行系统调试来检验系统硬件的配置和软件程序的设计是否合理，从而选择一个合理的软件设计方案与硬件的配置紧密联系起来，这是设计的一个非常重要的环节。在调试时用发光二极管代替电子号码锁，绿色发光二极管亮表示开锁，红色发光二极管亮表示闭锁。在调试的过程中将能看到你所编的程序是否正确。如果所编的程序有问题能够在通过此调试纠正过来。调试分为两部分：硬件调

19、试和软件调试。4.1 硬件调试硬件调试过程中的工具和测试仪器：1）5V稳压电源；2） MF500型万用表；3）单片机仿真软件PROTEUS；4）编译软件MEDWIN；在整个设计的完成到差不多的时候，硬件电路图已经设计完成。但是于最次的设计电路图相比有所改动。在进行设计后，发现输出的锁部分不怎么合理，所以改用了发光二极管，这样能比较形象的表达出锁的动作与不动作，这样一改以后就发现现在的电路图与原来的药简化很多了，但是考虑到PCB板布线问题，我把电路板分成了三块，而且这样也比较经济，符合设计的要求。4.2 软件调试首先打开电源，出现显示器没有显示“000000”现象，输入密码在显示器显示乱码现象。

20、进行密码比较时，不管你输入任何密码（包括正确密码），发光二极管始终没有反应，反倒是蜂鸣器发出响声。经过程序检查，发现有两处错误：错误之一是初始地址没给；错误之二是初始化和清零程序有问题。还有是在调试的过程中遇到不少问题，比如在调试键盘和显示程序的时候，由于把MOV A,Ri和MOVX A, Ri搞错了，所以一开始不管你按什么键，数码管上显示的都是乱码，后来改正后，显示和按键就统一。在整个程序设计是使用汇编语言，通过改正以上两处错误及对硬件电路做了些调整之后，再进行通电调试，最终在MCS-51单片机仿真软件下编写并调试完成的。在本设计中，程序设计与编程时通过看书上的资料，通过老师和同学的帮助，完

21、成的比较顺利。结论与谢辞通过这段时间的努力，终于完成了对基于单片机和串行EEPROM的智能密码锁的设计与制作。虽然在设计过程中遇到了很多困难，但最终还是在指导老师和同学的共同努力下顺利完成了。本次设计，涉及到单片机、模拟电路、数字电路、Protel99等等课程里面的知识；让我明白自身知识的贫乏，很多方面像单片机原理、硬件结构、扩展接口和编程语言等需要加强巩固。在培养动手能力的同时，更好的掌握了PROTEL99SE、MedWin、Keil uVision3软件的应用，为今后的工作打下了良好的基础。课题的设计从一开始的选题到最后写论文结稿和实物制作完成的整个过程很漫长，虽说完成了任务，但还存在着很

22、多问题，有本身技术上的问题，也有些是对原理的不太了解而造成的失误问题，最终还是经过仔细的分析和系统的研究解决了。在毕业设计的过程中，学院的老师们严谨的教学使我受益非浅，我非常感激廖任秀老师，她是我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解的来源，她不惜花费自己时间对本论文提出许多意见和建议，既激发了我的灵感，又给了我持久不断的鼓励。同时让我学会了如何去分析和解题。也感谢实验室的老师们，在制版和搭建电路过程中给予了大力支持和帮助，正是由于他们的热情支持，给我们提供了很多方便，本次设计和制作过程才得以顺利的完成。同时非常感谢在我设计过程中帮助过我的同学和朋友们，为我提供了些我没能买到的电子元件、焊接的电路

23、板子和测试用的一些实验仪器，并且帮助我解决了不少在实物制作过程中出现的技术问题。在我遇到难题的时候能够乐意、耐心地同我一起讨论、分析问题和查阅资料直至找出答案为止。最后，感谢所有的学校领导、老师和我的同学，在这三年，有你们陪我一起度过校园美好的日子，对我的学习和生活提供了许多的帮助，并祝你们身体健康，工作顺利！在此，谨对他们致以衷心的感谢。同时也对本文做出认真审阅的老师们给以深深的敬意！参考文献1 关健. 电子CAD技术M. 电子工业出版社. 20042 潘永雄、沙河、刘向阳. 电子线路CAD实用教程M. 西安电子科技大学出版社.2002年8月3 夏路易, 石宗义. 电路原理图与电路板设计教程

24、Protel 99SEM. 北京希望电子出版社. 20024 张义和. Protel PCB99电路板设计教程M. 青岛出版社. 20005 张义和. Protel Schematic99电路图设计教程M. 青岛出版社. 20006 李春法. 单片机原理及借口技术案例教程M. 机械工程出版社. 20067. 张迎新、杜小平、樊桂花、雷道振. 单片机初级教程M. 北京航空航天大学出版社. 20028 何立民. 单片机高级教程M. 北京航空航天出版社. 19999 张毅刚,彭喜源,谭晓昀,曲春波. MCS-51单片机应用设计M. 哈尔滨工业大学出版社. 199710 周立功单片机. ZLG7290

25、 I2C 接口键盘及LED 驱动器数据手册OL11 刘京南、王成华.电子电路基础北京：电子工业出版社，2003年版12 李全利.单片机原理及应用技术北京:高等教育出版社，2001年版13 王友仁.电子线路基础教程-重点分析、例题解析北京：科学出版社，2001年版14 中国电子网 ，15 中国电子设计网，16 百度全球最大中文搜索引擎， 17 无线电爱好者协会网站，附件1：元器件清单元器件名称数量元器件名称数量STC89C512数码管（0.5寸）4位一体（共阴）2AT24C021数码管（0.5寸）2位一体（共阴）274ls482三极管901310MAX2321三极管85503IC座DIP163高

26、亮发光二极管2IC座DIP403二极管40072RS232串口座2LED红光3晶振12M2LED绿光3IC座DIP82按钮6*6*61IC座DIP162按键16开关电源座5有源蜂鸣器2电源拨动开关5排针2条开关电源5V1排母2条覆铜单面板10*15cm3点阵式万能实验板1附件2：系统软件1.1 伪指令mima1equ40hmima2equ41hmima3equ42hmima4equ43hmima5equ44hmima6equ45htime_1equ46htime_2equ47hztbit00hcuobitp0.0baobit01hbaojingbitp0.1fanhuibit02hdui1bi

27、t03hduibitp0.2keybitbit04hcuociequ48hkey1equ49hcccequ4ahysequ51hys0equ52hdisplay1equ53hdisplay2equ54hdisplay3equ55hdisplay4equ56hdisplay5equ57hdisplay6equ58hweixuanequ59hdata1equ60hdata2equ61hdata3equ62hdata4equ63hdata5equ64hdata6equ65h1.2 Mian程序org0000hajmploop0org000bhljmptime1org001bhljmptime2loo

28、p0:movsp,#0030hmovcuoci,#3 movtmod,#11hmovth0,#88hmovtl0,#83hmovth1,#3chmovtl1,#0b0hsetbeasetbet0setbet1movtime_1,#20movtime_2,#100clrzt setbdui1movccc,#20loop1:movr2,#0movdisplay1,#15movdisplay2,#15movdisplay3,#15movdisplay4,#15movdisplay5,#15movdisplay6,#15clrzt loop2:ljmpscan1.3 显示程序delay:movdptr

29、,#tabmovweixuan,#0fehmovr0,#display1dlay:mov a,r0movca,a+dptrmovp2,amovp3,weixuanlcalld1msmovp3,#0ffhincr0mova,weixuanrlamovweixuan,acjnea,#0bfh,dlayljmploop2d20ms:movys,#200ajmpdd10ms:movys,#100ajmpdd1ms:movys,#10d:movys0,#50djnzys0,$djnzys,dret1.4 按键程序 scan:movp1,#0fhmova,p1anla,#0fhcjne a,#0fh,ne

30、xt1sjmpnext3next1:lcall d10msmova,#0efhnext2:movkey1,amovp1,amova,p1anla,#0fhcjne a,#0fh,kcodemova,key1setbcrlcajcnext2next3:clrkeybitljmpk1kcode:movb,#00hnext44:rrcajncnext4incbsjmpnext44next4:mova,key1swapanext5:rrcajncnext6incbincbincbincbsjmpnext5next6:mova,p1anla,#0fhcjne a,#0fh,next6setb keybi

31、tmova,bcjne a,#10,n1jbdui1,n2setbztmovdisplay1,#14movdisplay2,#14movdisplay3,#14movdisplay4,#14movdisplay5,#14movdisplay6,#14movr2,#0ajmpn2n1:incr2n2:ajmpk1 k1:cjne r2,#1,k2jnbzt,k11movmima1,bmovdisplay1,mima1ajmpk7k11:movdata1,bmovdisplay1,#13k2:cjne r2,#2,k3jnb zt,k21movmima2,bmovdisplay2,mima2ajmpk7k21:movdata2,bmovdisplay2,#13k3:cjne r2,#3,k4j