单片机电子密码锁.docx
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单片机电子密码锁
单片机电子密码锁
单片机电子密码锁
班级：
机自10-2班
组员：
刘晓乐、惠杰、陆进、马勇超、肖燕伟
摘要
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储存多以加锁的方法来解决。
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。
随着科学技术的不断进展，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、易操作等优点。
在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐步代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁不管在技术上依旧在性能上都大大提高一步。
随着大规模集成电路技术的进展，专门是单片机的咨询世，显现了带微处理器的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化治理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有专门高的安全性、可靠性，应用日益广泛。
随着人们对安全的重视和科技的进展，许多电子智能锁（指纹识不、IC卡辨认）已在国内外相继面世。
然而这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能适用于保密要求的箱、柜、门等。
而且指纹识识不器若在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等特点。
加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
鉴于目前的技术水平与市场的接收程度，电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。
关键词：
4×4矩阵键盘；AT89C51；密码锁
名目
1.1引言…………………………………………………………………1
1.2电子密码锁的进展…………………………………………………1
1.3电子锁设计的意义及本设计的特点………………………………2
第2章系统设计…………………………………………………………5
2.1系统总体方案选择…………………………………………………5
2.2主控芯片AT89C51单片机的简介…………………………………7
2.3晶体振荡器…………………………………………………………11
3.5后备电源模块……………………………………………………19
第1章绪论
1.1引言
随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一咨询题也变的专门的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了宽敞用户的喜爱。
锁是置于可启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范畴或某种器具的,必须以钥匙或暗码打开的扣件。
锁具进展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也研究得专门透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。
现代人类文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已的行为，“非礼不为”，虽无钥匙亦可不能乱闯。
然而，那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使宽敞居民防不胜防。
1.2电子密码锁的进展
电子密码锁是一种通过密码输入来操纵电路或是芯片工作，从而操纵机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。
它的种类专门多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。
其性能和安全性已大大超过了机械锁。
其特点如下：
1）保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。
随机开锁成功率几乎为零。
2）密码可变，用户能够随时更换密码，防止密码被盗，同时也能够幸免因人员的更替而使锁的密级下降。
3）误码输入爱护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。
4）无活动零件，可不能磨损，寿命长。
5）使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。
6）电子密码锁操作简单易行，一学即会
。
随着社会科技的进步，锁已进展到了密码锁、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）来操纵锁的开启。
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证。
当今安全信息系统应用越来越广泛，专门在爱护隐秘、爱护隐私和财产爱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。
1.3电子锁设计的意义及本设计的特点
单片机，亦称单片微电脑或单片微型运算机。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取储备器（RAM）、只读储备器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等要紧运算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型运算机。
运算机的产生加快了人类改造世界的步伐，然而它如何讲体积大。
微运算机（单片机）在这种情形下产生了，它为我们改变了什么？
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种外表的操纵，从运算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时操纵和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
往常没有单片机时，这些东西也能做，然而只能使用复杂的模拟电路，然而如此做出来的产品不仅体积大，而且成本高，同时由于长期使用，元器件不断老化，操纵的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将操纵这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
如此产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也可不能担忧精度达不到了，且容易升级改善。
电子锁能够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储存等多种场合使用。
大大提高了主人物资的安全性，安全能够代替老式机械锁。
目前使用的密码锁种类繁多，各具特色。
本文从经济有用的角度动身，采纳AT89C2051单机，研制了一款具有防盗自动报警功能的电子密码锁。
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。
本设计特点如下：
（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。
自动报警分现场报警和远程报警两种。
现场报警由扬声器发出报警声。
（4）两种情形下可报警：
一是密码输入错误3次，则报警；二是非正常开门，如破门而入的情形，可通过系统的红外监视装置监测，同时报警，保证了系统的安全性。
系统工作时，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，则有相应的指示灯闪动，并要求重新输入密码，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。
第2章系统设计
2.1系统总体方案选择
方案一：
采纳数字电路操纵。
其原理方框图如图1－1所示。
图2－1数字密码锁电路方案
采纳数字密码锁电路的好处确实是设计简单。
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操纵，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的差不多上干扰按键，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；假如用户输入密码的时刻超过40秒（一样情形下，用户可不能超过40秒，若用户觉得不便，还能够修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。
电路由两大部分组成：
密码锁电路和备用电源（UPS），其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭苦恼。
密码锁电路包含：
键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。
方案二：
采纳一种是用以AT89S51为核心的单片机操纵方案。
利用单片机警活的编程设计和丰富的IO端口，及其操纵的准确性，不但能实现差不多的密码锁功能，还能添加调电储备、声光提示甚至添加遥控操纵功能。
其原理如图1－2所示。
图2－2单片机操纵方案
通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在专门大的程度上扩展功能，而且还能够方便的对系统进行升级，因此我们采纳后一种方案。
本方案采纳一种是用以89S51为核心的单片机操纵方案。
利用单片机警活的编程设计和丰富的I/O端口，及其操纵的准确性，实现差不多的密码锁功能。
初步设计思路如下：
输入密码用矩形键盘，包括数字键和功能键。
LED数码管显示输入密码，用74JS247驱动数码管发光显示数码，用74LS138操纵各位显示器分时进行显示。
用发光二极管代替开锁的电路，发光表示开锁。
输入密码错误次数超过3次，系统报警。
打开电源后，显示器显示“------”，设原始密码为“201906”，只要输入此密码便了开门。
如此可预防停电后再来电时无密码可用。
按“C”键，清除显示器为“------”。
欲重新设定密码，先输入密码在案“*”。
输入密码，再按“D”键。
若密码与设定密码相同，则开门。
否则显示器清为“------”。
软件的设计要紧包括键盘键值的读取，LED显示程序，密码比较程序和报警程序。
2.2主控芯片AT89C51单片机的简介
AT89C51是一种带4K字节闪耀可编程可擦除只读储备器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读储备器能够反复擦除100次。
该器件采纳ATMEL高密度非易失储备器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪耀储备器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微操纵器。
要紧特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪耀储备器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时刻：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序储备器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚讲明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平常，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序储备器或16位地址外部数据储备器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据储备器进行读写时，P2口输出其专门功能寄存器的内容。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些专门功能口，如下表所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据储备器写选通）
P3.7/RD（外部数据储备器读选通）
P3口同时为闪耀编程和编程校验接收一些操纵信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平常刻。
ALE/PROG：
当访咨询外部储备器时，地址锁存承诺的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平常，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据储备器时，将跃过一个ALE脉冲。
另外，该引脚被略微拉高。
假如微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序储备器的选通信号。
在由外部程序储备器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访咨询外部数据储备器时，这两次有效的/PSEN信号将不显现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平常，则在此期间外部程序储备器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序储备器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序储备器。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图2-3AT89C51芯片图
2.3晶体振荡器
晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，那个频率通过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。
以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。
假如需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。
然而现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采纳SCR将输出的采样频率固定在48kHz，然而SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有专门好地解决那个咨询题。
现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳固度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳固频率和选择频率，是一种能够取代LC谐振回路的晶体谐振元件。
石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器外表等电子设备中。
为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
在单片机中为其提供时钟频率。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的差不多构成大致是：
从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它能够是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
其产品一样用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生气械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。
当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
第3章硬件电路设计
3.1键盘电路设计
使用矩阵键盘，因此本设计就采纳行列式键盘，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，通常采纳如此方法。
其原理如图3.1
。
图3.1矩阵键盘
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，键盘处理程序第一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，下一步就要识不哪一个按键按下。
对键的识不通常有两种方法：
一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。
对比图3.1所示的4×4键盘，讲明线反转个工作原理。
第一辨不键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判定。
方法是：
向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。
假如有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判定键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。
方法是：
依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，假如全为1，则所按下的键不在此列；假如不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。
行扫描法识不键号的工作原理如下：
●将第0行变为低电平，其余行为高电平常，输出编码为1110。
然后读取列的电平，判不第0行是否有键按下。
在第0行上若有某一键按下，则相应的列被拉到低电平，则表示第0行和此列相交的位置有按键按下。
若没有任一列线为低电平，则讲明0行上无键按下。
●将第1行变为低电平，其余行为高电平常，输出编码为1101。
然后通过输入口读取各列的电平。
检测其中是否有变为低电平的列线。
若有键按下，则进而判不哪一列有键按下，确定按键位置。
●将第2行变为低电平，其余行为高电平常，输出编码为1011。
判不是否有哪一列键按下的方法同上。
●将第3行变为低电平，其余行为高电平常，输出编码为0111。
判不是否有哪一列键按下的方法同上。
在扫描过程中，当发觉某行有键按下，也确实是输入的列线中有一位为0时，便可判不闭合按键所在列的位置，依照行线位置和列线位置就能判不按键在矩阵中的位置，明白是哪一个键按下。
在此指出，按键的位置码并不等于按键的实际定义键值，因此还需进行转换。
这能够借助查表或其他方法完成。
这一过程称为键值译码，得到的是按键的顺序编号，然后再依照按键的编号来执行相应的功能子程序，完成按键键帽上的实际按键功能。
具体的功能设计如表3.1：
表3.1按键功能
按键
键名
功能讲明
0－9键
数字键
输入密码
*键
重设密码键
设定新密码
D键
确定键
比较密码
C键
清除键
使显示器清零
B键
开启键
开启键盘
A键
关闭键
关闭键盘
#键
调整键
调整时刻
3.2LED显示电路
LED显示器结构原理如下：
单片机中通常采纳7段LED构成字形“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。
这种显示器有共阴极和共阳极两种。
发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字形“8”的各个笔划a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划及亮；不加电压则暗。
为了爱护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
显示字符
0
1
2
3
4
5
6
7
8
共阴极段选码
3F
（BF）
06
（36）
5B
（DB）
4F
（CF）
66
（F6）
6D
（FD）
7D
（FD）
07
（87）
7F
（FF）
共阳极段选码
C0
（40）
F9
（79）
A4
（24）
B0
（30）
99
（19）
92
（12）
82
（02）
F8
（78）
80
（00）
显示字符
9
A
B
C
D
E
F
-
熄灭
共阴极段选码
6F
（EF）
77
（f7）
7C
（FC）
39
（B9）
5E
（DE）
79
（F9）
71
（F1）
40
（C0）
00
（80）
共阳极段选码
90
（10）
88
（08）
83
（03）
C6
（46）
A1
（21）
86
（06）
8E
（0E）
8F
（3F）
FF
（7F）
本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。
本系统的显示采纳串行显示的方式，只使用单片机的一个串行口，利用74LS247驱动数码管发光显示数码和74LS138操纵位选信号，就能够完成单片机的显示功能，显示电路的电路原理图如图3.2所示。
用P0.0—P0.3接74LS247的A，B，C，D四端口，74LS247的输出口接LED的七段显示；而P0.4—P0.6接74LS138的A，B，C三个输入口，74LS138的输出口接LED的位显示。
通过软件实现数字和位操纵。
图3.2LED显示电路
用74LS247能够操纵输出什么字型。
74LS247的逻辑功能表如表3.2：
表3.274LS247的逻辑功能表
用74LS138操纵位循环显示，其逻辑功能表如表3.3：
表3.374LS138逻辑功能表
C
B
A
Y1
Y2
Y0
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
3.3开锁电路
开锁操纵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EEPROM中作为锁码指令。
只有用户操作键盘时，单片机的电源端才能得到3V电源，否则．单片机处于节电工作方式。
开锁步骤如下：
第一按下键盘上的开锁按键，然后利用键盘上的数字键0－9输入密码，最后按下确认键。
当用户输入一密码后，单片机自动识码，假如识码不符，则报警。
只有当识码正确，单片机才能操纵电子锁内的微型继电器吸台。
当继电器吸台以后带动锁杆伸缩，这时，锁勾在弹簧的作用下弹起，完成本次开锁。
开锁以后，单片机自动清除掉由用户输人的那个密码。
电路图如3.3所示。
图3.3开锁电路
3.4报警电路
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，每按一下，发声一次，密码正确时，不发声直截了当开锁，当密码输入错误时，单片机的P2.1引脚为低电平，三极管T3导通轰鸣器发出噪鸣声报警。
蜂鸣器电路如图3.4所示。
图3.4报警电路
3.5后备电源模块
为了防止停电情形的发生，本电路后备了UPS电源，它包括市电供电电路，停电检测电路，电子开关怀换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。
电源电路图如图5所示。
图3.5.1供电电路
220V市电通过变压器降压成12V的交流电,再通过整流桥整流,7805稳压到5V送往电子切换电路，由于本电路功耗较少，因此选用10W的小型变压器。
由R8，R9，R6，R7及IC14构成电压比较器，正常情形下，V+V-IC14输出高电平，由T3，T4构成的达林顿管使继电器J开启，将其常开触电将蓄电池和电路相连，实现市电和蓄电池供电的切换，保证电子密码锁的正常工作（视电池容量而定连续时刻）。
其电路图如下图6所示：
图3.5.2停电检测及电子开关怀换电路
T1，T2构成的蓄电池自动充电电路，它在电池充满后自动停止充电，其中D1亮为正在充电，D2为工作指示。
由R4，R5，T1构成电压检测电路，蓄电池电压低，则T1，T2导通，实现对其充电；充满后，T1，T2截止，停止充电，同时D1熄灭，
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