液晶显示密码锁

1、目 录摘要I目 录I基于单片机密码锁的设计I摘 要IAbstractII前 言II第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题设计目标1第2章 系统方案论证22.1 主控部分的选择22.2 密码输入方式的选择2第3章 系统总体设计和主要芯片介绍33.1 系统总体设计33.2 STM32单片机43.3 LCD1602液晶53.3.1 1602介绍53.3.2 1602各管脚功能9第4章 硬件设计114.1 键盘输入模块114.2 显示模块124.3 报警部分124.4 开锁部分13第5章 系统软件设计145.1 系统程序流程图145.1.1 主程序流程图145.1.2 键功能程序流程图155.

2、1.3 开锁程序流程图16结 论17致 谢18参考文献19附录A20II基于单片机密码锁的设计摘 要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得尤为突出，传统的机械锁，由于其构造的简单，安全性能低，无法满足人们的需要。在科学技术不断发展的今天，电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用显得日趋重要1。本次设计的题目是基于单片机的电子密码锁的设计，系统由STM32F103C8T6作为主控芯片，结合外围的键盘输入、LCD显示、报警、开锁等电路模块。它能完成以下功能：正确输入密码前提下，开锁；错误输入密码情况下，报警；密码可以根据用户需要更改。本密码锁具有设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用等特

3、点，具有一定的推广价值。关键词：电子密码锁，报警，液晶显示，嵌入式THE DESIGN ELECTRONIC CODE LOCK BASED ON THE MCUAbstractWith the improvement of people's living standard, the problem of how to realize the family anti-theft has become more and more prominent. Because of its simple structure and low safety performance, the tradi

4、tional mechanical lock can not meet the needs of people. With the development of science and technology, the function of electronic cipher lock as a guard against theft is becoming more and more important.The title of this design is the design of electronic code lock based on single chip microcomput

5、er. The system is controlled by STM32F103C8T6, combined with peripheral keyboard input, LCD display, alarm, unlock and other circuit modules. It can complete the following functions: correct input password premise, unlock; error input password, alarm; password can be changed according to user needs.

6、The cipher lock has the characteristics of reasonable design method, simple and easy operation, low cost, safety and practicality, and so on, and has certain popularizing value.Keywords: electronic code lock, alarm, LCD, embedded前 言随着科学技术的不断发展，人们对日常生活的安全保险器件的要求就越来越高，电子安全密码锁是基于这一要求的保险器件，其设计概念及应用与常见的保

7、安密码锁有所不同。从系统设计观点看，电子安全密码锁是一个实体域定义的概念，比较机械安全密码锁，具有设计/实现简便，密码装定灵活制造成本低廉等优点,每一位解锁意图码在安全密码锁内部引发的试图解锁动作，可称为安全密码的“解锁事件”一个解锁事件序列包含一系列有序的解锁事件。电子安全密码锁完全匹配时方可逐步开启密码锁。当今智能电子密码锁发展已经到了非常高的境界，由于电子元件特别是单片机应用在这几年得到空前发展，无论功能性，稳定性都比较全面，在保密方面已做到人眼识别，指纹识别，人声识别基本上电影上有的现实也有。在国外发展比较早，所以应用也比较广泛，主要在家庭装较贵重地方，银行，保险柜等应用较多，在国内这

8、方面发展也较快，不管自己开发或是引进都有，在重要地方应用也较多，由于价钱比普通弹子锁较贵，早几年应用较少，现在越来越普及到平常化，未来的发展也会越来越被大众采用，由于它的功能、安全是弹子锁无法相比的。发展前境是非常大的。第1章 绪 论1.1 课题背景随着人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题2。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过

9、键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁3。 20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。 目前，在西方发达国家，密

10、码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国密码锁整体水平尚处于国际上70年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。1.2 课题设计目标本设计采用STM32F103C8T6单片机为主控芯片，结合外围电路，通过软件程序组成电子密码锁系统，能够实现：1 正确输

11、入密码前提下，开锁并有正确提示；2 错误输入密码情况下，蜂鸣器报警并短暂锁定键盘；3 密码可以根据用户需要更改。4 为防止误操作，更改密码需有两次确认。5 输出密码错误三次锁死键盘。6 密码掉电保存功能。第2章 系统方案论证2.1 主控部分的选择方案一：采用数字电路控制用以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，将密码保存在JK触发器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合4。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：采用以单片机为核心的控制方案选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。单片机具有资源丰富、

12、速度快、编程容易等优点。利用单片机内部的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接液晶显示（LCD），键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，因此综合考虑，本系统采用方案二。2.2 密码输入方式的选择方案一：指纹输入识别 指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰，再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。通常手指上

13、平均具有70个节点，所以这种方法会产生大约490个数据。这些数据，通常称为模板。通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果，从而判断输入结果的正确与否5。考虑到本方案软硬件太过复杂，而且成本也高，故不采用。方案二：矩阵键盘输入识别 由各按键组成的矩阵键盘每条行线和列线都对应一条I/O口线，键位设在行线和列线的交叉点，当一个键按下就会有某一条行线与某一条列线接触，只要确定接触的是哪两条线，即哪两个I/O口线，就可以确定哪一个键被触动。 行线设计成上拉口线，初始时被置高电位，列线悬空，初始置低。通过不断读行线口线，或者中断方式触发键位扫描。

14、当发现有键按下，将列线逐一置低，其他列线置高，读行线口线。当某条列线置低时，某条行线也被拉低，则确定这两条线的交点处的按钮被按下。每个按键都可通过程序赋予功能，从而完成密码识别6。本方案简单易行，故采用。第3章 系统总体设计和主要芯片介绍3.1 系统总体设计本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁

15、的电磁铁吸合线圈即可。系统整体框图如图3-1所示。显示模块键盘输入模块单片机报警电路复位电路开锁电路 图3-1 系统结构框图各模块功能如下：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显示模块：用于完成对系统状态显示及操作提示功能。3报警电路：用于完成输错密码时候的警报功能。4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。3.2 STM32单片机STM32单片机是整个控制系统的核心部分。因为对控制器具有较高的要求，例如高执行速度，高控制精度，高稳定性以及高灵敏度等，所以选择一个具有较高性能而又经济的单片机就成为必然。本设计选用属于STM32系列的S

16、TM32F103C8T6单片机作为控制电路的核心部件,该单片机属于ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本、低功耗的增强型系列单片机，它的内核采用的是ARM公司最新研发的Cortex-M3架构，该内核是专门设计于满足用户对高性能、低功耗和经济实用的要求。ARM Cortex-M3处理器的架构在系统结构上的增强,使得STM32增强型系列单片机受益无穷，其采用的THUMB-2指令集使得其指令效率更高和而且性能更强4。 STM32F103C8T6采用薄型四方扁平式封装技术(LQFP) 具有48管脚，片内具有64KB的FLASH，20KB的RAM (片上集成12Bit A/D、PWM、CAN、US

17、B。STM32单片机采用2.03.6V的供电电压，可以工作在-40C85°C的温度范围内，其最高的工作频率是72MHz，其引脚分布如图3所示。图3.STM32F103引脚分布图STM32F103C8T6单片机有3个不同的时钟源可供选择用以驱动系统时钟，分别为HSI振荡器时钟、HSE振荡器时钟和PLL时钟。这些设备还具有2个二级时钟源, 分别是40KHz的低速内部RC和32.768KHz的低速外部时钟源，可以用来驱动看门狗时钟和RTC。任何一个时钟源在不被使用时，都可以被独立的关闭或者开启，以实现对系统功耗的优化。3.3 LCD1602液晶3.3.1 1602介绍显示部分则主要用于显示

18、温度与温度的上下限度。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机与人的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本设计中采用的是液晶显示器作为输出器件的。在单片机系统中应用液晶显示器作为输出有以下几个优点：显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的

19、接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多低功耗：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。本设计采用的液晶显示器为1602字符型液晶显示器。1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符；芯片工作电压:4.55.5V；工作电流:2.0mA(5.0V)；模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.9

20、5×4.35(W×H)mm。1602液晶显示器引脚接口说明：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电

21、平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3.11所示：图2.10 1602液晶显示器尺寸图LCD显示的基本原理：点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位

22、置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表3.2所示:表3.2 1602液晶模块控制指令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回0000

23、00001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设

24、置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8

25、：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。读操作时序如图3.12所示：图3.12 读操作时序写操作时序如图3.13所示：图3.13 写操作时序液晶显示器电路如图3.14所示：3.3.2 1602各管脚功能1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线 VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中： 引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源（+5V）3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源

26、时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、

27、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极寄存器选择控制表 RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0. busyflag（DB7）：在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。第4章 硬件设计本系统外围电路包括键盘输入部分、复位部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分

28、选择4×4矩阵键盘，显示部分选择字符型液晶显示LCD1602，。其原理图如图4-1所示。图4-1 电路原理图4.1 键盘输入模块由于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。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，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，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4×4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用。键盘的每个按键功能在程序设计中设置。它与单片机的连接如图4-2所示。图4-2 键盘输入模块4.2 显示模块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

29、盘上的开锁按键后，利用键盘上的数字键09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，按下确认键，如果输入的密码正确的话， LCD显示“DOOR OPEN”，单片机其中P2.0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“CODE WRONG”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能打开。通过LCD显示屏，可以清楚地判断出密码锁所处的状态。电路图如图4-6所示。图4-6 显示电路4.3 报警部分 报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成，加电后不发声，当有键按下时，“叮”声，

30、每按一下，发声一次，密码正确时，响两声并开锁，当密码输入错误时，单片机的PC13引脚为高电平，三极管T3导通蜂鸣器发出噪声报警。如图4-7所示。图4-7 报警电路4.4 开锁部分开锁控制电路的功能是当输入正确的密码后将锁打开。系统使用单片机其中一引脚线发出信号，经三极管放大后，由继电器驱动电磁阀动作将锁打开。用户通过键盘任意设置密码，并储存在FLASH中作为锁码指令。开锁步骤如下：利用键盘上的数字键09输入密码，最后按下确认键。当用户输入密码后，单片机自动识别密码，如果密码不符，则报警。只有当密码正确，单片机才能使继电器处于开锁状态。具体电路如图4-8所示。图4-8 开锁电路第5章 系统软件设

31、计5.1 系统程序流程图5.1.1 主程序流程图主程序设计流程图如图5-1所示。图5-1主程序流程图5.1.2 键功能程序流程图键功能程序流程图如图5-2所示。 键功能程序键值=09？键值=开锁？键值=确认？键值=设置？ 返回密码输入程序确认程序设置程序开锁程序YNYNYN YN 图5-2 键功能流程图5.1.3 开锁程序流程图开锁程序流程图如图5-3所示。LCD初始化按开锁键输入密码确认程序开锁N输入密码正确？报警程序开锁成功返回Y 图5-3 开锁流程图结 论 在着手本次毕业设计时，通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上指导老师指点，结合生活中对密码锁的功能特性要求，设计出了这一套电子密码

32、锁系统的主要硬件结构和软件结构，基本完成了课题的要求。不过由于了解的专业知识尚浅，对课题的研究经验的不足，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，特别是功能按键的设定。所幸该系统能基本上完成一个电子密码锁应有的功能特性：开锁提示，输错报警，密码修改,掉电存储。本系统用的是6位密码输入，有106种密码输入方案，相较于机械锁具，防盗能力已经相当不俗。这个系统软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便。本次设计的电子密码锁是以手动键盘输入密码的，通过这几个月对电子密码锁的研究学习，发觉这种密码输入方式可以进行改革。在越来越高科技化的今天，遥控控制显的愈发重要，今后的电子密码锁应该具有以红外技术或无线电技术为辅助的密码按键输入远程交互技术，这样就能远程输入密码完成操作。也可以放弃传统的按键输入密码模式，借助传感器技术运用声控来实现密码输入，又或者人脸识别技术，还有一种就是用户