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多功能电子密码锁设计与实现
一种基于LCD1602和AT24C02的单片机多功能电子密码锁设计与实现
摘要
在日常的生活和工作中,住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。
若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙,使用极不方便,且钥匙丢失后安全性即大打折扣。
具有防盗报警等功能的电子密码锁代替密码量少、安全性差的机械式密码锁已是必然趋势。
随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。
为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。
密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作、记住密码即可开锁等优点。
目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。
本系统由AT89C52单片机最小系统、4×4矩阵键盘、LCD1602显示、AT24C02存储以及报警系统等组成，具有设置、修改六位用户密码、超次报警、超次锁定、密码错误报警等功能（本设计由P0口控制LCD显示，密码正确显示OPEN,密码错误显示Error,超过三次输入错误自动锁定。
由P1口控制矩阵键盘含有0-9数字键和”确认”、“重设”、“清除”和“关锁”功能键）。
除上述基本的密码锁功能外，依据实际的情况还可以添加遥控功能。
本系统成本低廉，功能实用。
关键词：
AT89C52；LCD1602；AT24C02；电子密码锁；4×4矩阵键盘
1.绪论
1.1背景及意义
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，单片机性能不断完善，性能价格比显著提高，技术日趋完善。
由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。
本设计利用单片机及外围器件实现数据采集和控制算法，来完成某一实际功能，检验并提高同学对整体电路设计和把握能力，了解单片机系统设计流程，以及电路板的实际制作和调试能力。
同时也加强对数字电路、单片机和微机原理等课程知识的实际应用能力，也为同类产品的进一步发展奠定理论和实践基础。
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。
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。
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，电子密码锁技术相对先进，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。
在我国电子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发展趋势
电子密码锁应用于金融业，其根本的作用是“授权”，即被“授权”的人才可以存取钱、物。
广义上讲，金融业的“授权”主要包括以下三种层次的内容：
1、授予保管权，如使用保管箱、保险箱和保险柜；2、授予出入权，如出入金库、运钞车和保管室；3、授予流通权，如自动存取款。
目前，金融行业电子密码锁的应用主要集中在前两个层面上。
下面将介绍几种在金融行业中使用较多的电子密码锁以及它们的技术发展方向。
当然，以上所说的授权技术再高超，都必须由精良的“锁具”担当承载结构部件，实现开启、闭锁的功能，而且承担实体防护作用，抵抗住或尽量延迟破坏行为，让电子密码锁“软、硬不吃”。
一般情况下，锁具防盗的关键是锁身外壳、闭锁的部件的强度、锁止型式、配合间隙和布局。
提高电子密码锁之防护能力的必然途径是报警，在金融业的许多场所有人值守、有电视监控，具有报警功能，可以综合物理防范和人力防范两种作用。
报警的前提是具备探测功能，根据电子密码锁的使用场所和防护要求，可选择多种多样的探测手段。
在中国的城市金融业中，实现联网报警已经成为对各金融网点的基本要求。
根据国内外的实践经验，金融业实行安全防范风险等级很有必要，即依据使用的防盗报警器材的性能、安装布局和人员值守状况等，可以评估被防护物或区域的防护能力，得出风险等级，其中，电子密码锁的性能至关重要。
由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为钥匙的电子信息，组合使用这些信息能够使电子密码锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子密码锁，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。
组合使用信息也能够使电子密码锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。
2.总体设计方案论证
2.1设计要求
1.本设计为了防止密码被窃取要求在输入密码时在LCD屏幕上显示*号；
2.设计开锁密码位六位密码的电子密码锁；
3.能够LCD显示在密码正确时显示OPEN，密码错误时显示ERROR，输入密码时显示INPUTPASSWORD；
4.实现输入密码错误超过限定的三次电子密码锁定；
5.4×4的矩阵键盘其中包括0-9的数字键和确认、重设、清除以及关锁功能键；
6.本产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮；
7.密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作；
2.2方案选定
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，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：
采用一种是用以AT89C52为核心的单片机控制方案。
选用单片机AT89C52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IO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LCD1602显示器用于显示作用。
其原理如下图2.1所示。
图2.1密码锁系统设计原理图
可以看出方案二控制灵活准确性好且保密性强还具有扩展功能，根据现实生活的需要此次设计采用此方案。
3.硬件设计部分
3.1原理概述
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的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。
本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。
其中硬件部分由电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD1602显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、建功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。
其原理框图如图3.1所示。
图3.1系统原理框图
3.2单片机最小系统
3.2.1AT89C52概述
AT89C52是一款低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C52单片机的增强型，其与另一款单片机80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
其主要工作特性是：
1.片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；
2.片内数据存储器内含256字节的RAM；
3.具有32根可编程I/O口线；
4.具有3个可编程定时器；
5.中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；
6.串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
7.具有一个数据指针DPTR；
8.低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；
9.具有可编程的3级程序锁定位；
10.AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，其典型值为5V；
11.AT89C52最高工作频率为24MHz；
AT89C52各引脚分布如图3.2.1所示。
图3.2.1AT89C52单片机引脚分布图
其功能及管脚电压介绍如下所示：
•VCC:
电源电压
•GND:
接地线
•P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为共阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
•P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P1端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）.此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）,具体如下表4.1.1所示。
在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
表3.2.1P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时/计数2外部计数脉冲输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）
•P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P2端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）.在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时,P2口送出高八位地址.在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1.在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号.
•P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P3端口写"1"时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用.作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流（IIL）。
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时，计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
•RST:
复位输入.晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位.看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平.特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效.DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
•ALE/PROG:
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲.在flash编程时,此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲.在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用.然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过.如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置"1",ALE操作将无效.这一位置"1",ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效.否则,ALE将被微弱拉高.这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
•PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号.当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
•EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号.为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND.为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
在Flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。
•XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
•XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.2.2晶振电路
单片机的工作过程要对各种指令在时间上有明确的次序，这种时间次序也叫做时序，所以单片机需要产生一个时钟信号。
晶振电路如图3.2.2所示。
图3.2.2晶振电路
产生时钟信号的方式是：
在XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）引脚接入一个振荡电路。
用两个22pF电容的作用是开启振荡器和调节振荡频率。
接入12M晶振来确定时钟周期，此时产生的信号为单片机最基本的时间单位，即时钟周期，用振荡频率的的倒数代表它的大小（1/fosc）。
3.2.3复位电路
复位电路在单片机设计中是一个必不可少的部分。
单片机在刚开始运行的时候需要进行一次复位，以确保整个系统电路在要开始运行时保持一种最初状态，保证一开始的运行正常。
AT89C52单片机的第九引脚RESET，当这个引脚接收到两个机器周期（24个振荡脉冲周期）的高电平时，就会发生复位。
复位电路的实现方式有很多种方式。
常见的方式有上电、手动和自动复位三种。
电路连接图如图3.2.3所示：
图3.2.3复位电路
3.2.4排阻电路
AT89C52单片机P0口内部结构与其他三个I/O口（P1口、P2口和P3口）不同，由于P0口内部没有上拉电阻，当它用于通用I/O口使用时，其输出驱动级为漏极开路，不能正常的输出高低电平，因此必须外接上拉电阻。
一般我们选择接入阻值为10K的上拉电阻。
如图3.2.4所示。
图3.2.4排阻电路
3.3AT24C02存储芯片
AT24C02是一款低功耗CMOS型E2PROM，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。
而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I／O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。
AT24C02中带有的片内地址寄存器。
每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。
所有字节均以单一操作方式读取。
为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
他通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。
AT24C02正是运用了I2C规程，使用主／从机双向通信，主机（通常为单片机）和从机（AT24C02）均可工作于接收器和发送器状态。
主机产生串行时钟信号（通过SCL引脚）并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。
无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK。
AT24C02的控制字由8位二进制数构成，在开始信号发出以后，主机便会发出控制字，以选择从机并控制总线传送的方向。
SOICPDIP
图3.3.124C02的两种封装
图3.3.2AT24C02的电路接线图
24C02中带有片内地址寄存器。
每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。
所有字节均以单一操作方式读取。
为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。
3.4LCD1602电路
显示温、湿度需要较长的显示字码，在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶LCD显示器。
在本文中采用液晶显示LCD1602作为显示模块。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，当今液晶显示器已经成为市场上很多电子产品的显示器件，比如在电子表、计算器、万用表以及很多家用的电子产品中都可以看到，其显示主要是数字、符号和图形。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。
LCD1602液晶显示模块可以和单片机AT89C52直接接口，电路如图3.4所示。
图3.4LCD1602与AT89C52电路连接
LCD1602主要技术参数为显示容量为16*2个字符；工作电压范围4.5-5.0V；工作电流在5.0V供电电压下位2mA；字符尺寸为2.95*4.35mm。
LCD1602引脚功能如表3.4所示：
表3.4LCD1602引脚功能表
引脚号
符号
状态
功能
1
Vss
电源地
2
Vdd
+5V逻辑电源
3
V0
液晶驱动电源
4
RS
输入
寄存器选择1：
数据；0：
指令
5
R/W
输入
读、写操作选择1：
读；0：
写
6
E
输入
使能信号
7
DB0
三态
数据总线（LSB）
8
DB1
三态
数据总线
9
DB2
三态
数据总线
10
DB3
三态
数据总线
11
DB4
三态
数据总线
12
DB5
三态
数据总线
13
DB6
三态
数据总线
14
DB7
三态
数据总线（MSB）
15
LEDA
输入
背光+5V
16
LEDK
输入
背光地
LCD1602指令集说明如下：
它的读写操作、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：
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
3.54×4矩阵键盘
本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。
每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，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条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘。
在这种行列式矩阵键盘非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。
4×4矩阵键盘的工作原理：
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图5所示。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
扫描原理：
把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，经过比对之后就可知道是哪个键被按下。
如扫描码送入01111111，前面的0111是代表此时扫描第一行P1.0列，而后面的1111是让读取的4行接脚先设为VDD，若此时第一行的第三列按键被按下，那读取的结果就会变成01111101（注意1111变成1101），其中LSB的第三个bit会由1变成0，这是因为这个按键被按下之后，会被垂直的扫描码电位short，而把读取的LSB的bit电位拉到0，此即为扫描原理。
由于这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，为了避免让单片机误判为多次输入同一按键，我们必须在侦测到有按键被按下，就Delay一小段时间，使键盘以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定，图3.5为4×4矩阵键盘电路图。
图3.54×4矩阵键盘电路图
3.6声音提示模块
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5～15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成,接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电
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