基于单片机的电子密码锁设计毕业论文设计说明书40论文41.docx
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基于单片机的电子密码锁设计毕业论文设计说明书40论文41
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南京理工大学
毕业设计说明书（论文）
作者:
***
学号：
1004220***
系：
电子工程与光电技术学院
专业:
通信工程
题目:
基于单片机的保险柜电子密码锁的
设计与实现
指导者：
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2014年5月
设计说明书摘要
摘要
在日常生活和工作中，锁是每个人都离不开的，它是保护个人财产安全、保护资料档案的关键元素。
随着电子技术的飞速发展，传统弹子锁的缺点渐渐被放大，社会对新式电子密码锁的需求越来越大，前景广阔。
本次设计基于单片机，其主控芯片选择了单片机AT89S51，显示模块选择了LCD1602，结合了自行设计的矩阵键盘、报警模块等外围电路，主控芯片的控制程序则使用C语言写成，完成了一套具有按键输入、显示、解锁、报警及密码修改等多种功能的电子密码控制系统。
本论文详细叙述了各个模块的功能和设计方案，给出了系统各个功能的仿真结果截图。
关键词单片机电子密码锁矩阵键盘LCD显示报警
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheDesignofElectronicPasswordLock
BasedonSCM
Abstract
Indailylifeandwork,everyoneisinseparablefromthelock,whichistheprotectionofpersonalandpropertysafety,theprotectionofdatafiles.Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,theshortcomingsoftraditionaltumblerlockgraduallybeenenlarged,thedemandfornewelectroniclocksincreasinglybroadprospects.
Thisdesignisbasedonthemicrocontroller,itsmainchipmicrocontrollerchosenAT89S51,displaymodulechosenLCD1602,acombinationofself-designedmatrixkeyboard,alarmmoduleandotherperipheralcircuits,themasterchipcontrolprogramiswritteninClanguage.Fromthedesign,wegotanelectronicpasswordcontrolsystemwhichofeachmodule,thesimulationresultsofthevariousfunctionsofthesystemscreenshot.
KeywordsElectronicpasswordlockSCMMatrixkeyboard
LCDDisplayAlarm
1引言1
1.1课题背景和意义1
1.2电子密码锁的发展趋势1
1.3本设计要实现的目标2
1.4设计方案的选择2
2主要原件介绍5
2.1主控芯片AT89C51简介5
2.2LCD1602显示器介绍7
2.3晶体振荡器9
3系统设计10
3.1整体思路10
3.2系统硬件部分设计11
3.2.1键盘输入电路11
3.2.2复位电路12
3.2.3晶振电路12
3.2.4显示电路13
3.2.5报警、解锁提示电路14
3.3系统软件部分设计15
3.3.1主要程序流图15
3.3.2按键检测子程序设计15
3.3.3LCD显示子程序设计17
3.3.4密码修改子程序设计18
3.3.5报警声音子程序设计19
4仿真调试22
4.1ProteusISIS简介22
4.2软件调试22
4.3PROTEUS仿真24
5结论29
致谢30
参考文献31
附录A电子密码锁程序源代码32
1引言
1.1课题背景和意义
自从人类脱离原始社会、开始有私有财产的概念以来，锁就是人们生活中的重要组成部分。
它的存在，维护了人们的财产安全、人身安全，增加了人们的安全感，促进了社会和谐。
因此，人们对锁的研究从未停止，但几千年来都未有较大的变化，直到20世纪30年代后，电子密码锁的概念出现，这一领域终于出现了日新月异的进步。
得益于电子技术的飞速发展，电子密码锁的功能愈来愈完善，取密码量相对较少、安全性不好的常规锁具已然是大势所趋。
电子密码锁拥有太多机械锁完全无法相比的优点。
它不但能完成“锁”自身的功用，还可以具有记忆、辨识、警报等特别的作用。
因为电子密码锁更安全性、更便宜、易操作，越来越多人开始关注这一领域。
当前在第一世界国家中，密码锁技术已经比较成熟，拥有不同的种类，在各类智能门禁系统中，电子密码锁的使用十分普遍，使得门禁的实现有了数种安全、可靠的技术来支持。
总的来说，中国目前的密码锁技术还只有世界上70年代左右的水平，生产仍显昂贵。
当前，按键式电子锁仍占据了中国市场的大头，国内有若干厂家引进了海外较为先进的按键式和卡片钥匙型锁。
另一方面，中国自主研发的电子锁还没有形成成型的产业链，尚未普及。
现在国内有不少企业引进了当前世界上先进的技术，发展前景非常可观[1]。
相信国内的厂商也会不断进步，使得电子密码锁普及在中国的土地上。
1.2电子密码锁的发展趋势
在大家的日常生活中，住所和单位的安全保障，档案、财务报表和大多数私人资料、文件的保护基本用上锁的办式来实现。
现在门锁大都使用弹子锁，这种锁钥匙易丢失、仿制也并不困难；保险箱最常见的就是使用机械密码锁，它的构造很麻烦，制作精度要有相当高的保障，这种情况下，成本就很难降下来，不仅如此，机械密码锁的缺点依然明显：
故障率居高不下，使用者往往要携带数把钥匙，易用性很成问题。
前述锁具有着这样多的不便，而人们对锁的需求又是巨大的，一种使用密码来代替钥匙的锁具就成为了必然出现的产品。
电子密码锁的出现，大大提高了人们的生活水平，提供了诸多便利，这也同时意味着巨大的市场，前景一片光明。
由于电子器件的限制，上世纪制造的电子密码锁，不仅类型少、易破解，锁具最关键的开锁环节也仅仅是依赖基础的模拟电子开关，工艺简单却存在相当大的安全隐患；之后，数字电路的飞速发展，使得电子密码锁的电路结构复杂性逐渐增加、元件数量逐渐增多，早先单片机刚普及时也曾使用2051系列单片机来实现，但密码简单，易破解[2]。
随着电子技术的进一步发展和大众对保密要求的增强，电子密码锁的种类日益繁多、功能渐趋全面，操作更加便捷，安全保密性更强：
由以往单纯的键入口令发展到今天新增了感应元件（想要开锁，必须同时有密码和电子钥匙），做到了更加稳妥的电子保密。
社会对电子密码锁安全性、易用性的需求，使得多种产品相继问世。
但它们中的大多数仅仅是针对特定的声纹、指纹，并且无法做到远程控制，只能用在保密要求较高的私人用途上。
事实上，数字、字母、图象、生物体征以及地点等因素都能够作为密钥的信息来源，上述信息的排列组合完全可以把电子密码锁的保密性推向更高的高度。
与此同时，信息要素的组合也使得电子密码锁得到了无限拓展的可能性，产品将越来越多变，对用户而言就有了很大的挑选余地。
由此可以看出组合使用电子信息是电子密码锁今后发展的趋势[3]。
1.3本设计所要实现的目标
本设计基于单片机。
使用AT89C51作为主控芯片，结合外围电路组成一个电子密码控制系统。
用户若想开锁，必须输入正确的密码，错误则有文字及声音提示并要求重新输入。
密码锁同时具有修改密码的功能，修改密码时，必须键入正确的原密码进行验证，然后输入新密码。
1.4设计方案的选择
1.4.1主控部分选择
方案一：
采用数字电路控制。
把74LS112双JK触发器当作系统的中心，搭配其他原件组成数字逻辑电路。
在功能上，可以设置9个按键，选择其中4个作为有效的密码按键，并将其它按键均设定为干扰按键，当按下干扰按键时，就将键盘输入电路复位，使得前面输入的密码无效化，要求重输；如果用户输入密码的时间超过10秒，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[4]。
采用数字电路设计方案时设计虽然简单，但控制的准确性和灵活性差。
故不采用。
方案二：
采用单片机控制方案
单片机当前的类型很多，各种型号的应用环境都各有不同，在选用时就有了更多的选择，使我们可以多加比较、以便选择最为合适的型号，获得更好的性能价格比。
下列关键词往往应该成为考虑时最需关注的方面：
性能、串行接口、工作电压、存储器、模拟电路功能、抗干扰性、运行速度、封装形式、IO口、功耗、定时计数器、保密性。
除此以外，在单片机开发过程中还会产生影响有开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等因素[5]。
考虑到方方面面，本设计采用了AT89C51作为核心芯片，单片机提供的IO端口虽有限，但端口复用或扩展、结合有效的控制程序，实现基本的密码控制功能是十分简单的。
单片机的外围电路主要包括：
一块外接矩阵键盘（用来密码输入、控制程序流向），一块LCD显示屏（用来作为系统的输出，对用户的操作进行反馈）。
当用户进行开锁时，首先利用键盘上的0－9完成密码的输入，而后确认，若正确则解锁，否则保持锁定状态并要求重新输入，在适当的时机可发出报警声。
在用户进行密码修改操作时，首先要输入原密码，只有当输入和原密码匹配时才会允许设置新密码，新密码设置完成后按确认键则保存。
显然，方案二的功能丰富，控制方便，有较好的准确性，在保证保密的同时还能进行功能的拓展。
基于以上原因，我在此采用方案二，即使用单片机AT89C51结合外围接口电路来完成本此设计。
1.4.2密码输入方式选择
方案一：
声纹输入识别
所谓声纹（Voiceprint），是用电声学仪器显示的携带言语信息的声波频谱,人类语言的产生是人体语言中枢与发音器官之间一个复杂的生理物理过程[6]。
人的发声器官大致有以下几种：
舌、齿、头、肺、鼻，虽然人们都是用这些器官来发声，但不同人的这些器官会存在尺寸或外形的较大差别，因此任意两人的声纹图谱都会存在差别。
另一方面，在一定的年龄段内，每个人的声音特征都不会发生太大变换，相对稳定，所以人们一般可以区分出不同人的声音或判断是否是某一个特定人的声音。
在作为电子锁的输入时，系统会分析所输入声音的声学特征（如反射系数、共振峰、频谱、倒频谱、基音等），并与先前保存的样本进行对比，通过计算机计算出两者的相似度，并以此判定输入的正确性。
考虑到本方案过于复杂，且有不低的成本，因此我们不采用。
方案二：
矩阵键盘输入识别
矩阵键盘的每一行、每一列均相连，引出连接到一个IO口上，按键设在每一个行线和列线的交叉处，每当有一个键按下就使得某一条行线与某一条列线相接通，只要确定接触的是哪两条线，即哪两个IO口线，就可以确定哪一个键被触动[7]。
此方案相对简单、易于实现，因此采用之。
2主要元件介绍
2.1主控芯片AT89C51简介
AT89C51是一款工作电压低、高性能的8位微处理器（即通常所说的单片机）。
这款单片机拥有自己的可编程可擦除只读存储器，容量为4K字节，可以反复擦写100次。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器[8]。
2.1.1主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程IO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
2.1.2管脚功能说明：
AT89C51芯片的引脚图如下：
图2.1AT89C51芯片引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0-P3口均为8位双向IO端口，但又有所不同。
P0口：
第一次将P1口的管脚写为“1”的时候，这8位的端口都会变为高阻状态。
P0可以用于连接外部程序数据存储器，同时，P0口也能被定义成数据地址的低八位。
P1口：
内部提供上拉电阻，其缓冲器可以吸收的门电流量为4TTL。
将P1口的管脚写为“1”时，整个P1端口会被内部的上拉电阻上拉为高电平。
P2口：
内部同样带有上拉电阻。
P2口缓冲器既允许接收电流，又允许输出电流。
当P2口被写“1”时，其作用与P1口完全相同。
P2口的特殊用途在于连接外部的程序存储器和16位地址的外部数据存储器。
若作为16位地址的一部分时，P2口输出所需地址高八位，和P0口相配合。
除此以外，它还可以利用内部拥有上拉电阻的便利，当对外部的数据存储器实行读写操作（仅限8位地址）时，输出它特殊功能寄存器中的内容。
P3口：
P3口的基本用途和性质与其他端口并无不同，只是它可以作为单片机的特殊功能口，列于下表中：
表2.1P3口功能
（P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号）
2.1.3振荡器特性
单片机AT89C51允许用户自行外接合适频率的晶体振荡器，最常使用的不外乎石晶振荡和陶瓷振荡。
当配置为片内振荡器时，反向放大器输入端口应接XTAL1、输出端口应当接XTAL2。
当使用外部时钟源时，不接XTAL2。
此处外部时钟信号的脉冲宽度可以是任意的。
2.1.4芯片擦除
想在任何已存有信息的存储字节上重复编程，首先必须对芯片进行擦出操作。
AT89C51芯片的擦出方法为：
ALE管脚接低电平10ms，同时搭配以适当的控制信号组合，此种操作会将代码阵列全部写为“1”。
此外，AT89C51设有两种掉电模式。
用户可以自主选择：
一是“闲置模式”，此模式下CPU将会挂起，但RAM，定时器，计数器，串口以及中断系统仍会处于工作状态；二是“掉电模式”，此时保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止[9]。
2.2LCD1602显示器介绍
液晶显示模块主要用于为系统提供输出，可显示图形、数字或专用符号等信息，这一元件在电子产品中相当常见。
在本次设计中我们选用LCD1602显示模块，这一型号有诸多优点，如显示自由度高、体积小、耗能少等。
LCD1602可显示2*16个字符，有RS,RW,EN三个控制端口和8位数据总线D0-D7，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能[10]。
它的主要特性如下：
内含复位电路，对比度可调
通过控制命令可以实现实现多种功能。
内部有一显示数据存储器DDRAM，其容量为80字节。
拥有200个5*7的字符发生器CGROM，其中8个可由用户自定义。
1602型LCD的接口引脚说明如表2.2所示。
表2.2LCD1602引脚说明
编号
符号
功能
编号
符号
功能
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据命令选择
12
D5
数据
5
RW
读写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
1602型LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35mm（宽×高）
常用指令见下表：
表2.3LCD1602常见指令
2.3 晶体振荡器
晶体振荡器（简称晶振）可以产生一定频率的时钟信号，这一信号经过调频后可成为处理器中各处的总线频率。
现在使用最多当属石英晶体振荡器，也称石英晶体谐振器。
石英晶体振荡器具有精度高和稳定度高的优点，它同时可以作为一种晶体谐振元件实现LC谐振回路的功能：
稳定频率和选择频率。
石英晶体振荡器在生活中的电子设备里随处可见，为它们产生时钟信号，应用在在单片机中时也是如此。
石英晶体具有压电效应，石英晶体振荡器就是利用这一特点制作成的，简称为石英晶体或晶体、晶振。
大多数晶振是这样构成的：
从特定角度切下矩形或圆形的石英晶体薄片，并在其对应面上敷银制成电极，并在上面各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳[11]。
3系统设计
3.1整体思路
本系统主要包括单片机、矩阵键盘、复位电路、晶振电路和液晶显示器等部分。
作为整个系统的输入，矩阵键盘担当着与用户交互的核心任务，用户可以再此输入密码或控制程序的运行方向。
功能上，首先由用户由矩阵键盘输入密码，而后与事先存储的密码进行比较，判断出密码的正确与否，然后单片机会控制特定引脚的电平以触发开锁电路或者报警电路。
实用产品只须将单片机的负载由发光二极管替换为实际锁具的开锁电路即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈[12]。
具体的讲，本设计可以分为硬件部分与软件部分俩大部分。
其中硬件部分又分为键盘输入电路、复位电路、晶振电路、显示电路、报警或解锁提示电路等几大模块；相应的，软件部分由主程序、按键检测子程序、LCD显示子程序、密码修改子程序、报警声音子程序等组成。
图3.1系统框图
3.2系统硬件部分设计
本系统外围电路包括键盘输入电路、复位电路、晶振电路、显示电路、报警或解锁提示电路等。
结合本设计的原定目标，键盘输入电路选择4×3矩阵键盘，显示电路选择显示屏LCD1602来完成。
其原理图如图4.1所示。
图3.2系统原理图
3.2.1键盘输入电路
单片机系统中，常用的键盘设计方式有独立式键盘和矩阵式键盘两种。
独立式键盘是指每个IO输入端口对应一个物理按键的键盘。
其优点是键盘结构简单，按键识别容易；缺点是占用IO口较多。
矩阵式键盘适合用在按键数量较多的系统中，它将IO口分别引出线，并分为行线和列线，在每一个行线和列线相交的地方放置一个按键，这种方案下，一个占用7个IO端口的4×3的行列结构可以构成一个12键的键盘。
显然这种方式与独立式键盘相比节省了很多IO端口，但算法相对复杂[13]。
常用的矩阵式键盘扫描原理有反转和行列扫描法。
本设计中采用行扫描法，具体原理将在软件部分介绍。
键盘功能及其引脚接法如图4.2所示：
图3.3键盘输入原理图
3.2.2复位电路
单片机复位可以让整个系统（单片机芯片本身）从一个确定的初始状态开始工作。
在单片机刚刚上电时、断电后和执行出错，复位都是必须的操作。
RST为高电平并保持一定时间后，单片机进入复位状态，在此期间，P0口呈现高阻态，P1－P3口均呈现高电平，同时PSEN信号无效、ALE为高电平。
本设计在最基础的复位电路基础上，添加了一个按键以实现手动复位功能。
在刚接通电源时电容C1两端电势差很小，电阻R1上的电压接近电源电压，这会使得RST为高电平，接着，电容进入充电过程，RST端电势步降低，当RST端的电压表现为低电平时，CPU脱离复位状态，只要电容C3大小适当，就能够保证RST的高电平有效持续时间多于24个振荡周期，此时单片机就能够实现可靠的复位。
手动复位按键的加入，使得死机时有了可靠的复位方法。
在按下复位键后，电容C3将会经由R6进行放电，此过程结束后，RST端的电位就会由两个电阻的分压情况决定[14]。
复位电路的原理如下图所示：
图3.4复位电路原理图
3.2.3晶振电路
将晶体振荡器按下图所示方式连接到XTAL1引脚和XTAL2引脚上，就构成了晶振电路。
图示是一种电容三点式振荡器，振荡信号的频率取决于晶振频率和两个电容的容量，其中，晶振频率又是主要因素。
一般而言，晶振频率的取值范围在0～33MHz之间，两个电容的取值范围在5～30pF之间。
根据实际情况，本设计中采用24MHZ做系统的外部晶振。
电容取值为22pF[15]。
晶振电路原理图如图4.4所示：
图3.5晶振电路原理图
3.2.4 显示电路
为了使密码锁的显示效果使人满意、电路简洁，此处使用了LCD1602作为显示模块的核心，而不是普通的数码管。
接通电源后显示器处于等待开锁状态，提示用户输入密码，当用户需要开锁时，可以使用数字键0－9输入密码，每次按键都会把处理结果反馈到屏幕上。
当密码输入结束后，按下确认键，系统将会把输入的密码和事先保存的对比，若正确，LCD将显示“Unlocksucceed!
”，电子密码锁被打开；否则，LCD显示屏会显示“WrongPassword，UnlockFailed!
”，电子密码锁保持原状态。
在密码修改的过程中，LCD显示屏会显示更为多样的信息：
“ChangePassword?
（YN）”、“OldPassword:
”、“WrongPassword，MatchFailed!
”、“EnterNewPW:
”、“ThePasswordmustbe6bits!
”、“ThePassword[]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7};行扫描码
ucharcodekey12[]={0xEE,0xDE,0xBE,0xED,0xDD,0xBD,0xEB,0xDB,0xBB,0xE7,0xD7,0xB7}123456789*0#
ucharcodekeyValue[]="123456789*0#";
#defineKEYP1
=====键盘扫描函数==========
ucharkeyScan（void）返回值：
有键按下时获得的键盘值（1234567890*#），无键按下时返回字符‘$’
{
uchark=0,flag=0;
for（k=0;k<4;k++）
{
KEY=rowScan[k];逐行扫描
delay（10）;按键扫描
if（KEY!
=rowScan[k]）
{
uchari=0;
for（i=0;i<12;i++）
{
if（KEY==key12[i]）
{比较键码
flag=1;
break;
}
}
while（KEY!
=rowScan[k]）;等待按键释放
if（flag）
returnkeyValue[i];
}
}
return'$';
}
3.3.3LCD显示子程序设计
LCD显示是本设计的核心模块之一，为了能在屏幕上总能显示恰当的信息，本设计中LCD显示子程序的功能，应为保障单个字符、字符串的显示，为主程序或其他子程序留出接口，以便需要时可以很容易调用。
本着上述目的，LCD显示子程序的结构如下图所示，它的目的是提供字符与字符串的显示函数。
不同层次的函数之间是被调用的关系。
图3.9显
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