电子密码锁.docx
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电子密码锁
《单片机技术》课程设计说明书
密码锁
学院：
电气与信息工程学院
学生姓名：
张磊
指导教师：
贾雅琼职称/学位副教授
专业：
通信工程
班级：
通信1302班
学号：
1330440253
完成时间：
2016-1-8
湖南工学院《单片机技术》课程设计课题任务书
学院：
电气与信息工程学院专业：
通信工程
指导教师
贾雅琼
学生姓名
张磊
课题名称
密码锁
内容及任务
一、设计任务
设计一个具有特定功能的密码锁。
二、设计内容
1、密码锁的硬件系统
（1）、单片机最小系统模块
（2）、供电模块
（3）、显示模块
（4）、键盘模块
（5）、掉电存储保护模块
（6）、报警模块
2、密码锁的软件系统
（1）、系统监控程序模块
（2）、显示程序模块
（3）、键盘程序模块
（4）、掉电存储程序模块
（5）、报警程序模块
三、设计要求
该密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
该密码锁具有系统原始密码888888，用户可以设定并存储用户密码，密码输入时应处于保密显示状态，密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息，否则，显示密码输入错误提示信息并报警提示。
主要参考资料
[1]李广弟.单片机基础[M].第3版.北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6.
[2]李全利.单片机原理及应用（C51编程）[M].北京：
高等教育出版社，2012.12.
[3]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].第4版.北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6.
[4]李光飞.单片机C程序设计指导[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2003.01.
[5]李光飞.单片机课程设计实例指导[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2004.9.
教研室
意见
教研室主任：
（签字）
年月日
摘要
在我们的日常生活中，门锁扮演着一个重要的角色。
无论是在住宅还是办公室中，门锁保卫着我们的人身和相关隐私的安全。
随着社会的发展，人们对锁的要求也越来越高，除了安全性之外，更要求钥匙的便携性和使用方便。
传统的机械锁却有着明显的缺点，门锁易遭专业工具破坏，钥匙易丢失和被复制等等。
在这样的背景下，电子密码锁应运而生，弥补了机械锁的缺陷，也满足了人们的高要求。
对于电子密码锁，其具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点，带防盗报警的电子密码锁更是有逐渐取代机械防盗锁的趋势。
基于以上思路，并从经济实用的角度出发，设计使用AT89S52实现一基于单片机的电子密码锁的设计，结合外围的键盘输入、LCD显示、报警、开锁等。
具有以下功能特点：
具有友好的显示界面，可以提供丰富的提示信息；具有时间显示功能，掉电后密码不丢失的特性；在输错3次密码的情况下，会锁定键盘和发出声音报警，将其输入进密码锁中，若经过确认是正确答案，便可设定新密码和问题的答案。
本设计具有较高性价比的密码锁，价格低廉而实用。
关键词：
密码锁；AT89S52；LCD显示
目录
1绪论1
1.1密码锁的设计意义1
1.2电子密码锁设计功能说明1
1.3工作原理说明1
1.4设计方案2
2硬件系统方案设计3
2.1AT89S52单片机简介3
2.2电源电路3
2.3晶振电路4
2.4复位电路4
2.5下载电路5
2.6LCD12864显示模块6
2.7键盘电路6
2.8掉电存储保护模块7
2.9报警电路8
2.10电路原理图8
2.11实物图8
2.12元器件清单8
3密码锁软件程序设计9
3.1单片机资源使用情况9
3.2监控模块9
3.3液晶模块10
3.4键盘模块10
3.6键盘输入显示模块12
3.7系统程序清单12
4结果调试与设计结论13
4.1密码锁使用说明13
4.2密码锁调试过程13
4.2.1硬件系统的调试13
4.2.2软件系统程序的调试13
4.3系统测试结果14
4.4设计结论14
5设计体会15
结束语16
参考文献17
致谢18
附录19
附录A电路原理图19
附录B实物图20
附录C元器件清单21
附录D软件设计程序清单22
1绪论
1.1密码锁的设计意义
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的扣件。
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。
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，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，使广大居民防不胜防。
因为传统锁具都存在致命的弱点：
第一是锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；第二是锁具制作工艺，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，有的惯偷甚至公开扬言：
“没有我打不开的锁。
”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理太过简单。
面对这一残酷的现状，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。
因而对于电子密码锁的研究在生活中有着重要的意义，同时也是门锁发展历史上必须经历的一个替代过程。
1.2电子密码锁设计功能说明
密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”，进入准备工作状态。
密码锁具有系统原始密码88888888，用户可以设定并存储用户密码，密码输入时应处于保密显示状态，密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息，否则，显示密码输入错误提示信息并报警提示。
1.3工作原理说明
电源部分主要为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他的部分提供电源。
复位部分是使单片机在出现故障时进行成功的复位。
晶振部分功能是给单片机提供时钟。
单片机AT89S52写入和读取各种控制命令及数据处理，同时还要对各执行单元进行控制。
单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。
掉电存储保护模块完成存储原始密码和用户更改密码数据的功能。
由用户通过矩阵键盘输入各种信息送入到单片机进行处理，将用户输入的密码与保存在AT24C02中的密码进行比较，LCD12864则是对单片机处理后的数据和信息的显示以及系统提示信息的显示，如果输入密码正确，则LCD显示屏上显示密码正确，如果密码输入错误，则LCD显示屏上显示密码正确。
如果输入错误密码超过三次，则LCD锁屏9秒，并且LED灯灭，实现报警功能。
1.4设计方案
设计中采用了以AT89S52单片机为微处理器的方案，单片机是常见的器件，而价格较为便宜，且足以胜任处理密码比对以及修改的处理工作。
电源采用的是5V直流电源，为防止断电后密码随之丢失的问题，本次设计则采用了AT24C02的EEPROM的存储器件，其具有快速的反复读写功能，容量也达到1K，因此满足了本设计对于密码的读写和掉电防丢失的要求。
显示模块采用了LCD12864模块，能够显示中文字符，对于本系统中的操作信息提示，可以充分的显示出来，以达到简单易用，上手即会，界面友好的功能。
密码锁是由硬件系统和软件系统两个部分组成，其中硬件系统的组成框图如图1所示。
由图1可知，硬件系统是以单片机AT89S52为核心，结合下载电路、复位电路、开锁电路、报警电路、密码储存、键盘模块、电源模块、液晶模块、掉电存储保护模块这九个模块组成。
软件系统主要有主程序、初始化程序、键扫程序、液晶显示程序、掉电保护程序、读写程序、延时程序等组成。
硬件系统中，电源模块负责给单片机供电。
在单片机的外部接入行列式键盘用于输入密码及各种功能的实现，当键盘输入密码时，在液晶显示器以“*”显示出来，经过单片机对输入密码与初始密码进行比较判断，正确则可进入开锁电
图1硬件系统组成框图
路，错误则报警。
若电路突然断电，单片机中的密码则被保存至掉电存储保护模块中的AT24C02中。
2硬件系统方案设计
2.1AT89S52单片机简介
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据序存器（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，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，AT89C52单片机为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活行高且价廉的方案。
AT89C52提供以下标准功能：
128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
以下AT89C52具体的管脚功能介绍，管脚如图2所示。
图2AT89C52管脚图
2.2电源电路
电源电路是给密码锁及其他模块提供+5V的工作电源，电源电路如图5所示。
电路包括一个输入220V输出为15V的变压器、一个六脚开关、一个由整流桥、一个LM7805以及三个电容。
其中根据经验值可取C1=2200µF，C2=0.1µF，C3=470µF，其中C1与C2组成滤波结构，具有滤波作用。
C3为旁路电容，当输出电压升高时，可进一步抑制纹波，防止纹波的放大，一般选择值为470µF的电解电容。
电源变压器将市电电压220V转换为15V的交流电压,整流电路将交流电压转换为脉动的直流电压,滤波电路将脉动的直流电压转换为平滑的直流电压;稳压电路用来清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压的稳定。
图3电源电路
2.3晶振电路
AT89S52引脚XTAL1和XTAL2与晶振及电容按照图4所示连接。
振荡器用于产生单片机正常工作时所需的时钟信号。
单片机采用CMOS工艺，内部包含一个振荡器，当然也允许采用外部振荡器，由外部振荡器产生时钟信号来供内部CPU运行使用。
单片机内部包含一个高增益的单机反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内反相放大器的输入端口和输出端口，工作频率为0-33MHz。
图4晶振电路
2.4复位电路
单片机复位的原理是，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡电路（即两个机器周期）以上的电平，单片机便可以实现复位。
一般采用外部复位电路来进行单片机复位，RST引脚保持10ms以上的高电平。
在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。
当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。
在实际应用的电路中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统。
上电复位部分的原理也是RC电路的充放电效应。
复位电路如图7，该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。
图5复位电路
2.5下载电路
由于AT89S52支持flash在线写入、擦除，所以下载电路是必不可少的部分。
由下载口进行单片机与电脑的连接。
并有下载电路产生电源提供给单片机工作。
主要是USB下载口（ISP）构成，1脚接P1.5；3脚接RET；4脚接P1.7；5脚接P1.6；6脚接VCC，7、8、9、10脚接GND；。
通过下载口实现计算机与单片机的通信。
如图6所示。
图6下载电路
2.6LCD12864显示模块
带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
图7LCD显示模块
2.7键盘电路
由于电子密码锁设计中需要输入和更改密码，因此不是和采用独立按键，因为独立按键会占用单片机过多的I/O端口，所以使用了矩阵键盘的电路，提高I/O口利用率。
本次使用了4*4的矩阵键盘，也就是使用了4条行线和4条列线，共占用8个单片机引脚，即使用了P2口。
16个按键分配为10个数字键和4个功能键加*号和#号键。
如图8所示的矩阵键盘。
图84*4矩阵键盘
2.8掉电存储保护模块
掉电存储保护模块主要用到了AT24C02，AT24C02是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，内含1K×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。
它通过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。
图9掉电保护电路
2.9报警电路
由于电子密码锁设计的重点在于本机的设计，所以出于节约成本考虑及演示效果，选择了使用外接一个LED灯来表示报警。
LED灯亮则表示输入密码正确，当密码输入错误超过三次时，LED等灭，处于报警状态。
电路连接如图10所示。
图10报警电路
2.10电路原理图
电路原理图见附录A。
2.11实物图
实物图见附录B。
2.12元器件清单
元器件清单见附录C。
3密码锁软件程序设计
3.1单片机资源使用情况
P1口接矩阵键盘，P2.0,P2.1,P2.2，P2.3引脚分别接LCD液晶的RS,RW,E,
CS2引脚，P3.2,P3.3引脚分别接AT24C02的SCL和SDA引脚，P3.4接LED的正极，并且使用了定时器0。
3.2监控模块
监控程序用于设置初始化界面，调用各个主要模块，实现密码锁的密码输入、显示、比较、开锁、报警以及修改密码的功能。
相关程序的流程图如图11所示，具体程序见附录D。
图11监控程序流程图
3.3液晶模块
由硬件系统的设计可知，LCD12864液晶显示器接在单片机上的P2口及P3口的部分管脚，液晶显示模块的程序，就是将液晶的系统设置和初始化过程写成多个函数，在监控程序中调用相关的功能函数对液晶进行操作，将各类指令写入液晶模块，从而在液晶显示器上显示出所需要的内容。
相关程序流程图如图12所示，具体程序见附录D。
图12液晶显示流程图
3.4键盘模块
键盘模块的程序中，当有键按下时，先通过延时去抖再全行扫描来判定是否真有键按下，若真有键按下，则给按下的按键赋予相应的键值，监控程序中调用键扫程序来判定按下的按键键值，从而执行相应的功能程序，并在液晶显示器上
给出相应的指示。
相关程序流程图如图13所示，具体程序见附录D。
图13键扫描程序流程图
3.5掉电存储保护模块
掉电存储保护模块的程序中，是将从键盘上输入的密码在写入单片机数据存储器的同时也写入AT24C02中，避免电路因断电或复位而丢失掉修改之后的密码，在监控程序中，通过调用相应的子程序来实现单片机对AT24C02的信息读写。
相关程序流程图如图14所示，具体程序见附录D。
图14掉电存储保护程序流程图
3.6键盘输入显示模块
设计要求输入密码时处于保密状态，在监控程序中调用键盘输入显示程序，在键盘输入显示程序中调用键扫函数和液晶显示函数，设计每当输入一个密码，便会在LCD12864液晶显示器上显示一个“*”，此外程序还可实现删除输入密码的功能，相关程序流程图如图15和图16所示，具体程序见附录D。
图15键盘输入显示程序流程图图16键盘扫描函数流程图
3.7系统程序清单
软件系统程序清单见附录D。
4结果调试与设计结论
4.1密码锁使用说明
在给密码锁上电后，按复位键后显示欢迎界面，进入准备工作状态，按下启动键进入系统并开始输入密码，若输入过程中发现输入密码有误，可按返回键返回到主界面再重新输入密码，密码输入完成后按确认键。
如果密码正确，则显示“密码正确”,如果第一次输入密码错误，则显示“密码错误”，且输入密码错误三次后屏幕会锁定9秒，之后返回主界面。
修改密码时，需要输入两次新密码，经确认之后即可形成新密码。
4.2密码锁调试过程
4.2.1硬件系统的调试
（1）将芯片通过三合一板导入密码锁的.hex文件，将电源通电，发现屏幕亮，但是没有背光，经检查后发现是LCD的第一个引脚GND没有接地，接地后，背光打开。
（2）通电后发现屏幕上也没有字显示，经检查后发现LCD的PSB引脚虚焊，导致PSB引脚未接地，接地后屏幕上有字显示。
（3）通电后，检测到每个按键都有效，至此，硬件电路调试完毕。
4.2.2软件系统程序的调试
（1）通电后，按下启动键，LCD屏显示请输入密码，输入密码延时50ms会以*号覆盖，输入初始密码时88888888,按下确认键会显示密码正确。
（2）按下重置密码键，修改密码成功后断电，发现已修改密码并没有保存，检查程序后发现是通过程序附初始密码那段程序没有打注释，将那段程序打注释后，生成.hex文件再导入芯片中，会发现修改的密码已保存。
4.3系统测试结果
经过检验和测试，系统的测试结果如图16所示。
（a）密码正确显示图（b）密码错误显示图
（c）密码错误提示图（d）请输入密码提示图
（e）修改密码成功提示图（f）锁屏提示图
图16系统测试结果
4.4设计结论
通过实物的操作可知，设计中的单片机最小系统模块、供电模块、显示模块和键盘模块均工作正常，体验较好，通过前文测试结果可见，设计的密码锁已完成设计课题要求，设计成功。
5设计体会
文中描述了以单片机AT89S52作为主控方案的电子密码锁设计，并对方案进行了详细地说明，包含对系统硬件的每一部分的组成及其一些主要工作原理；在软件部分，也给出了相关主程序的流程图和主要功能函数的流程图。
在主要功能上，本次设计基本达到了要求，例如密码正确开锁，密码三次输入错误锁定键盘和报警等功能，但在某些地方依然有不足，比如操作上不够人性化，程序有时候不够稳定等等，有待进一步的改进。
但也有明显的考虑不足的地方，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，此电路中也存在着依稀的问题，譬如说当供电断掉的时候，此时密码锁没有后备电源进行供电，那么此时的门锁处于关闭的状态，用户将无法自由进出，必须等待供电的恢复，若能加入一个电源检测和自动切换电路就可很好解决此问题，但由于过于复杂，本设计并未加入。
关于设计中的心得体会，感触颇深，特别是在调试上体会到一个设计由设想到变为成品确实需要经历很多困难，除了要自己独立思考解决外，也少不了指导老师和同学们的支持与帮助。
例如在制作电路板中的过程中，遇到了开关按下不通电，LCD上电后不显示文字等等问题，后面虽然一度感觉很想放弃，但还是慢慢解决了，开关问题原来是我使用了不同类型的六脚开关。
而LCD显示问题则是我使用了P0口，但是我的排阻不小心插反了，导致数据端无法传输数据置LCD上。
类似上述的问题在制作与调试过程中遇到许多，这里就不再赘述了，但是这给了我在动手能力上的锻炼。
通过本次设计的锻炼，我学到了很多有关电子密码锁的设计方法与工作原理,巩固了单片机知识。
无论从选题到定稿，从理论到实践都使我学到了很多东西，它不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
同时也明白了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
结束语
首先，在贾老师的耐心引导下，并经过锲而不舍的学习精神和坚持不懈的努力，进一步熟悉了单片机相关知识，更为重要的是重新学习了两门课程：
C语言编程和AltiumDesigner。
更深入了解、掌握了单片机。
电子密码锁设计是采用以AT89S52为核心，辅以独立式键盘、12864液晶、复位电路等使得电子密码锁具有清零、返回、复位等功能。
整体系统结构简明、使用芯片较少、控制、实现精度高。
电子密码锁最大的优点是采用了12864液晶显示和通过增加一些掉电储存保护电路增强了系统的安全性。
当然设计肯定也会存在一些缺点：
譬如说当供电断掉的时候，此时密码锁没有后备电源进行供电，那么此时的门锁处于关闭的状态，用户将无法自由进出，必须等待供电的恢复，若能加入一个电源检测和自动切换电路就可很好解决此问题，但从总体上来看，系统设计还是能够完成基本的设计任务，大体上实现了设计要求并论证比较了一些方案。
但是由于所学知识有限，能力不足，设计中难免会产生一定误差甚至缺陷，因此请各位专家、老师批评指正。
随着现代智能化高科技飞速发展，人们的日常需求日益多元化，电子密码锁毕竟被用于更多领域。
参考文献
[1]李广弟.单片机基础[M].第3版.北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6.
[2]李全利.单片机原理及应用（C51编程）[M].北京：
高等教育出版社，2012.12.
[3]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].第4版.北京：
北京航空航天大学出版社，2003.6.
[4]李光飞.单片机C程序设计指导[M].北京:
北京航空航天大学出版社，2003.01.
[5]岳学军，陈姗，陆建强，等.基于单片机与串行通信的电子密码锁设计[Ｊ］.云南农业大学学报，2009，01
致谢
我非常感谢我的指导老师贾雅琼老师对我的悉心指导和帮助，这次的课程设计是在贾雅琼老师的悉心指导下完成的，从课题的选择到论文的最终完成
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