单片机创新性实验项目设计说明书电子密码锁.docx

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单片机创新性实验项目设计说明书电子密码锁

设计题目：

电子锁

学院：

计算机与信息学院

专业：

电子信息工程

负责人:

学号:

指导老师、职称：

2008年10月5日

Thetitle:

Electronlock

College：

Computerandinformationacademy

SpecialtyandGrade：

ElectronicInformationEngineering

Name：

Number：

Advisor：

Submittedtime:

-I-

本系统由单片机系统、矩阵键盘、LCD显示和报警系统组成。

系统能完成开锁、超次锁定、修改用户密码基本的密码锁的功能。

除上述基本的密码锁功能外，还具有调电存储、声光提示等功能，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

-II-

Abstract

Keywords:

Thissystemiscomposedofmonolithicmachinesystem,matrixkeyboard,LCDdisplayandwarningsystem.Systemcanaccomplishunblanking,surpassthefunctiontime,locking,revisingthefundamentalconsumerpasswordtricklock.Exceptassaidornarratedabovefundamentaltricklockfunction,havetunefunctionssuchaselectricitymemory,acousto-optichint,accordingtoactualconditioncanaddtheremotecontrolfunction.Systemcostischeaporiginally,thefunctionispragmatic

-III-

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1

1.1

锁是一个古老的话题、也是一个永恒的话题,从早期的机械锁、到现代的电子锁和智能锁、再到近些年来发展势头强劲的以指纹识别为代表的新生智能锁即指纹锁,科学技术的发展及其产业化渗透也触发了锁业的革命,从安全、方便、与管理等方面给用户带来了高品质的生活、工作、以及娱乐等等的美妙的体验和享受。

代替金属锁，使生活更加便捷，不再为钥匙的问题，家庭的安全而烦忧。

1.2

据统计，目前中国的锁具产品达到20类、100多个系列、8,000多个花色规格及品种。

登记注册的制销企业1,400多家，2001年销售收入超过5，000万元的制锁企业有七家，年出口交货值超过4,000万元的制锁企业近十家。

从区域分布看，制锁企业主要集中在广东、山东、上海、浙江一带，以南方生产执手锁、球形门锁为主。

北方生产挂锁、各种车辆用锁为主。

在产品分类方面，中国制锁行业以钢铁挂锁、门锁、车锁为主，智慧门锁及其他销具为辅。

整体而言，中国制锁业相对国外先进的技术落后不少，且锁具生产商以中小企业为主，低水平的重复建设严重，而具规模及拥有知名品牌的企业比例较小。

据业内人士介绍，高档锁具的核心技术掌握在国外厂家手中，这与中国的其他行业，如表面处理、材料工程、微电子技术的整体水平不高有关。

近年生产的高档电子锁具，如IC卡、TM卡、指纹锁等产品的核心电子元器件均从国外进口，使中国的高档锁具在价格、性能扩展方面受到限制。

1.3

电子锁密码的能在用户的要求下进行修改，考虑到能进行掉电存储，并能够进行多次擦除，价位等因素，本人采用AT24C02存储芯片进行密码存储。

1.4

采用一种是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。

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，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示功能。

-1-

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1.5

本电子锁能完成开锁、超时报警、超次锁定、管理员解密、修改用户密码基本的密码锁的功能。

除上述基本的密码锁功能外，还具有调电存储、声光提示等功能

2.1

2.1.1

方案一：

采用数字电路控制。

其原理方框图如图1－1所示。

图2－1数字密码锁电路方案

采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。

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40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）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，使用户免遭麻烦。

-2-

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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：

采用一种是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。

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，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。

其原理如图1－2所示。

图2－2单片机控制方案

2.1.2

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很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。

2.2[3]

2.2.1MCU

2.2.1.1AT89S52

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP的可系统编程的Flash只读程序存储器，兼容标准8051指令系统及引脚。

主要性能参数有：

与MCS-51产品指令系统完全兼容，4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器，1000次擦写周期，4.0-5.5V的工作电压范围，全静态工作模式：

0HZ-33MHZ，三级程序加密锁，128×8字节内部RAM，32个可编程外部I/O口线，

2个16位定时/计数器，6个中断源，全双工串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式，看门狗（WDT）及双数据指针，功能强大的AT89S52可应用于多种控制领域。

-3-

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2.2.1.2

AT89S52单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了33MHz，它内部已经具备了振荡电路，只要在AT89S51的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡晶体的2个管脚即可，同时晶体的2个管脚也要用20pF~30pF的电容耦合到地。

本设计中，采用内部时钟方式，AT89S52的时钟引脚XTAL1、XTAL2间接一个24MHz石英振荡器，两端各接一个22pF电容接地，构成一个稳定的自激震荡器。

如图2-2所示。

图2-2AT89S51时钟电路

2.2.1.3

单片机复位的条件是：

必须使RST引脚加上持续两个机器周期的高电平。

本系统时钟频率为24MHZ，每个时钟脉冲为0.5μS，两个机器周期为1µS，因此，在第9脚上连接一个1μS的高电平脉冲，即可产生复位动作。

最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可可靠复位的电路，电阻一般选择10K，电容一般选择10µF，如图2-3所示，若要使程序重新执行，只要按下SW复位键，使RST引脚上有+5V的高电平，系统重新执行程序。

-4-

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图2-3AT89S52的振荡电路和复位电路

2.2.2

通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。

其原理如图2所示。

图2密码锁开锁机构示意图

当用户输入的密码正确的话，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。

其实际电路如图2－2所示。

电路驱动和开锁两级组成。

由D5、R1、T10组成驱动电路，其中T10可以选择普通的小功率三极管如9012、9014、9018都可以满足要求。

D作为开锁的提示；由D1、T组成。

其中D1、是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。

T可选用中功率的三极管如9012，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。

在本次设计中，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。

-5-

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图3密码锁开锁机构电路图

2.2.3

使用矩阵键盘，所以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。

其原理如图4

-6-

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图4行列式键盘原理电路图

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。

当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。

对键的识别通常有两种方法：

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。

逐行扫描又分为低电平扫描和高电平扫描两种。

对照图4所示的4*4键盘，说明逐行扫描工作原理。

1、判断键盘中有无键按下将全部行线p0.4-p0.7置低电平，然后检测列线的状态。

只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。

若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

2、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。

其方法是：

依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。

在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。

若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

按键的操作面板如图图2－3所示。

图5按键操作面板示意图

10个数字键用来输入密码，另外6个功能键分别是：

F1、F2、F3、F4。

其中F2键的功能是当输入密码错误的时候，清除前面已经输入的数据，重新输入。

F4键的功能是确认输入的密码。

F1键的功能是新输入密码确认键。

F3键的功能是修改密码前输入原始密码确认键。

2.2.4

本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。

本设计采用型号为1602b的LCD，该液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。

液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。

点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形;而一般的字符型液晶只有两行，面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。

目前市面上的字符型液晶绝大多

-7-

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数是基于HD44780液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。

字符型LCD通常有14条引脚线（市面上也有很多16条引脚线的LCD，多出来的2条线是电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样），该设计采用的是16脚的1602液晶显示器。

（1）LCD1602b液晶显示屏简介

现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。

1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。

1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7及RS，R/W，E三个控制端口和V0,VDD,VSS,LED-,LED+端口。

工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。

LCD1602b实物图如图2-6-1所示。

图2-6-1LCD1602b实物图

（2）LCD1602b液晶显示屏外形尺寸

LCD1602b液晶显示屏外形尺寸如图2-6-3所示。

-8-

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图2-6-3LCD1602b液晶显示屏外形尺寸

（3）LCD1602b液晶显示屏接口信号LCD1602b采用标准的16脚接口，其中：

1）引脚1：

VSS，电源地；

2）引脚2：

VDD，5V正电源；

3）引脚3：

V0，液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，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；

4）引脚4：

RS，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。

5）引脚5：

RW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RW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RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；

6）引脚6：

E，使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命

令；

7）引脚7：

D0，双向DATAI/O；

8）引脚8：

D1，双向DATAI/O；

9）引脚9：

D2，双向DATAI/O；

10）引脚10：

D3，双向DATAI/O；

11）引脚11：

D4，双向DATAI/O；

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12）引脚12：

D5，双向DATAI/O；

13）引脚13：

D6，双向DATAI/O；

14）引脚14：

D7，双向DATAI/O；

15）引脚15：

BLA，背光源正极；

16）引脚16：

BLK，背光源负极。

（4）LCD1602b主要技术参数LCD1602b主要技术参数有：

1）显示容量：

16*2个字符；

2）工作电压：

4.5~5.5V；

3）工作电流：

20mA（5.0V）；

4）最佳工作电压：

5.0V；

5）字符尺寸：

2.95X4.35（WXH）mm。

（5）LCD1602b基本操作时序

1）读状态：

输入，RS=L、RW=H、E=H；输出，D0~D7=状态字；

2）写指令：

输入，RS=L、RW=L、D0~D7=指令码，E=高脉冲；输出，无；

3）读数据：

输入，RS=H、RW=H、E=H；输出，D0~D7=数据；

4）写数据：

输入，RS=H、RW=L、D0~D7=数据，E=高脉冲；输出，无；

（6）LCD1602bRAM地址映射图

LCD1602b控制器内部带有80字节的RAM缓冲区，对应关系如图2-6-4所示，由于写入显示时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该加上80H，即最高位置1。

-10-

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图2-6-4LCD1602b地址映射图

（7）LCD1602b状态字说明

LCD1602b状态字如表2-6-1所示。

每次对控制器进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保STA7为0。

表2-6-1LCD1602b状态字

STA0-6

当前数据地址指针的数值

STA7

读写操作使能

1：

禁止

0：

允许

（8）LCD1602b指令说明

1）初始化显示模式设置，如表2-6-2所示。

表2-6-2LCD1602b初始化显示模式设置

指令码功能

00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口

2）初始化显示开/关及光标设置，如表2-6-3所示。

表2-6-3LCD1602b初始化显示开/关及光标设置

指令码功能

D=1,开显示；D=0,关显示；

00001DCB

000001NS

C=1,显示光标；C=0,不显示光标；B=1,光标闪烁；B=0，光标不显示。

N=1,当读或写一个字符后地址指针加1，且光标加1；N=0；当读或写一个字符后的地址指针减1，且光标减1；S=1，当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果；

S=0当写一个字符，整屏显示不移动。

3）LCD1602b数据指针设置，控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们访问内部的全部80字的RAM，如表2-6-3所示。

表2-6-3LCD1602b数据指针设置

指令码功能

80H+地址码（0~27H,40~67H）设置数据地址指针

4）LCD1602b其他设置，如表2-6-4所示。

表2-6-4LCD1602b其他设置

指令码功能

01H显示清屏：

1，数据指针清0；

2，所有显示清0。

02H显示回车：

数据指针清0。

（9）LCD1602b应用电路

-11-

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LCD1602应用电路如图2-6-5所示。

图2-6-5LCD1602应用电路

2.2.5

掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设定的单价信息。

AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10Ua（5.5V），芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

其电路如图所示。

图7掉电存储电路原理图

图中R5、R6是上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗，由于AT24C02的数据

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线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL（移位脉冲）和SDA

（数据/地址）与单片机传送数据。

每次开启电源，系统就自动调用存储程序，将密码信息保存在芯片内；当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的单价等信息，读到缓存单元中，供主程序使用。

3

3.1[8]

对于52系列单片机常用的语言有汇编语言和C语言。

汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强，复杂一点的程序就更

是难读懂。

本设计编程采用的是汇编语言，应用汇编语言编程就有以下优点：

○1助记符指令和机器指令一一对应。

用汇编语言编制的程序，效率高，占用存储空间小，运行速度快。

因此汇编语言能编写出最优化的程序，而且能反映出计算机的实际运行情况。

○2用汇编语言编程比用高级语言困难。

因为汇编语言是面向计算的，程序设计人员必须对计算机有相当深入的了解，才能使用汇编语言编制程序。

○3汇编语言能直接和存储器及接口电路打交道，也能申请中断。

因此汇编语言程序能直接管理和控制硬件设备。

○4汇编语言缺乏通用性，程序不易移植。

各种计算机都有自己的汇编语言，不同计算机的汇编语言之间不能通用。

但是掌握了一种计算机的汇编语言，就有助于学习其他计算机的汇编语言。

综合以上汇编语言的特点，该设计中我们采用汇编语言来编写程序。

3.2

本系统的软件主要由以下几部分组成：

主程序、键盘扫描子程序、开锁子程序、密码存取读写子程序和液晶显示读子程序。

系统上电复位后，首先将单片机初始化，

系统工作后，首先滚动显示“password000000”的信息。

键盘扫描程序启动，开始扫描低电平扫描键盘，当有功能键按下，程序自动跳到该功能键，执行相应的功能。

-13-

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3.3

存入ＡＴ２４Ｃ

０２存储芯片

修改密码流程图

3.6

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Ａ

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Ａ

开始

主程序流程图

4

4.1Protel[8]

电路原理图设计不仅是整个电路设计的第一步，也是电路设计的根基。

由于以后的设计工作都是以此为基础，因此电路原理图的设计好坏直接影响到以后的设计工作。

电路原理图的设计过程一般可以按下列步骤进行。

具体来说可以分为以下步骤：

1）设置图纸。

根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过

程实际是一个建立工作平面的过程。

2）放置元件。

这个阶段，就是用户根据实际电路的需要，从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。

用户可以根据元件之间的走线等联系对元件在工

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作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定等，为下一步工作打好基础。

3）原理图的布线。

该过程实际就是一个画图的过程。

用户利用Protel99SE提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路图。

4）编辑与调整。

在这一阶段，用户利用Protel99SE所提供的个政强大功能对所绘制的原理图进行进一步的调整和修改，以保证原理图的正确和美观。

这就需要对元件位置的重新调整，导线位置的删除、移动，更改图形尺寸、属性及排列等。

5）原理图的输出。

该部分是对设计完的原理图进行存盘、输出打印，以供存档。

这个过程实际是对设计的图形文件输出的管理过程，是一个设置打印参数和打印输出的过程。

4.2

印制电路板设计的一般步骤如下：

1）绘制电路图。

这是电路板设计的先期工作，主要是完成电路原理图的绘

制，包括生成网络表。

有时候也可以不进行原理图的绘制，直接进入PCB设计系统。

2）规划电路板。

在绘制印制电路板之前，用户要对电路板有一个初步的规划，比如说电路板采用多大尺寸，采用几层电路板。

各元件的封装形式以及安装位置等等。

经过规划以后，我们可以初步确定电路板设计的框架。

3）设置参数。

参数的设置是电路板设计的非常重要的步骤。

设置参数主要是设置元件的布置参数、层参数、布线参数等等。

一般来说，有些参数用其默认值即可，有些参数我们可以设置成我们需要的。

4）装入网络表以及元件封装。

网络表是电路板自动布线的灵魂，也是电路原理图设计系统与印制电路板设计系统的接口。

因此这一步是非常重要的环节。

只有将网络表装入之后，才可能完成对电路板的自动布线。

元件的封装就是元件的外形，对于每个装入的元件必须有相应的外形封装，才能保证电路板布线的顺利进行。

5）元件的布局。

元件布局可以让Protel99SE自动布局。

规划好电路板并装入网络表之后，用户可以让程序自动装入元件，并自动将元件布置在电路板边

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框内。

Protel99SE也可以让用户手动布局，元件的布局合理，才能进行下一步

的布线工作。

6）自动布线。

Protel99SE具有自动布线的功能，我们规划好元件的布局后，可以利用其自动布线的功能，来帮助我们布线。

7）手工调整。

自动布线结束后，往往存在令人不满意的地方，这时候我们就需要手工调整。

8）文件保存及输出。

完成电路板的布线后，保存完成的电路线路图文件。

然后利用各种图形输出设备，输出电路板的布线图。

本设计的电路分为六部分，分别是主控电路，LCD显示电路，报警部分，掉电存储部分，按键部分。

主控电路用的是单面板，电路图如下所示：

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