电子密码锁课程设计剖析

1、摘要：为了提高个人资料、部门文件档案的保密性和安全性，采用高速、低功耗且具备ISP、IAP、内部EA2PROIW能的STC89C52I片机，设计了保密性更高 的电子密码锁，并详细介绍 STC89C52I片机内部E。PROMT关的特殊功能寄存 器、读写子程序。该电子密码锁的上锁、开锁、修改密码都在片内进行，不涉及 外围芯片，减小了 PCE0积，降低故障率和成本，提高了可靠性、保密性，值得 推广。1 课程设计题目：密码锁利用单片机STC89C5殁计一个密码锁，能够使用数码管显示器来显示密码 输入的相关信息，通过10位数字按键（09）设置4位数字（09）密码，2位 功能按键A（输入校验密码并验证密码

2、）和B （设置新密码），利用继电器模拟电子 门锁作出是否开门以及报警等反应。具体设计内容：上电时内定初始密码为“ 0000”，红色发光二极管点亮，绿色发光二极管熄 灭，数码管显示器显示“初始状态”，“初始状态”由设计者自行设计，但不可 省略。功能按键A :实现设置新密码功能，存储新密码并显示，一旦设定新密码， 则初始密码失效。功能按键B:实现输入校验密码并验证密码功能， 显示校验密码并进行密码 比较。密码输入正确则继电器启动，并使红色发光二极管熄灭，绿色发光二极 管点亮，数码管显示器提示“密码正确”，“密码正确”状态的显示内容由设计者自行设计，但不可省略，持续 25s后继电器关闭，绿色发光二极

3、管熄灭，红 色发光二极管点亮；密码输入错误则持续红色发光二极管点亮，绿色发光二极管熄灭状态， 蜂鸣器报警，数码管显示器提示“密码错误”，“密码错误”状态的显示内容由设计者自行设计，但不可省略，持续 25s后蜂鸣器停止报警；校验密码连续输入错误3次，则持续红色发光二极管点亮，绿色发光二 极管熄灭状态，蜂鸣器报警，数码管显示器提示“密码连续错误3次”，“密码连续错误3次”状态的显示内容由设计者自行设计，但不可省略，持续25s后1蜂鸣器停止报警，新密码失效，恢复初始密码使用2 设计内容说明：设计必须实现“主要设计内容”的所有功能，但对于“具体设计内容”可做 适当调整，密码输入错误3次环节可自行设计。

4、止匕外，为了加强密码锁的严密性，可采取下述方案对“设置新密码功能”环 节进行加强，依据设计思路可作适当调整，此部分内容为 附加内容。功能按键A :实现输入校验密码并验证密码功能，显示校验密码并进行密码 比较。密码输入正确：则继电器启动，并使红色发光二极管熄灭，绿色发光二极管点亮，数码 管显示器提示“密码正确”，“密码正确”状态的显示内容由设计者自行设计， 但不可省略，若不设置新密码，则持续 58S后继电器关闭，绿色发光二极管熄 灭，红色发光二极管点亮；若功能按键B按下：实现设置新密码功能，存储新密码并显示，一旦设 定新密码，则初始密码失效。但此功能必须以旧密码输入正确为前提。密码输入错误：校验

5、密码连续输入错误小于3次，则持续红色发光二极管点亮，绿色发 光二极管熄灭状态，蜂鸣器报警，数码管显示器提示“密码错误”，“密码错误” 状态的显示内容由设计者自行设计，但不可省略，持续25S后蜂鸣器停止报警；校验密码连续输入错误3次，则持续红色发光二极管点亮，绿色发光二 极管熄灭状态，蜂鸣器报警，数码管显示器提示“密码连续错误3次”，“密码连续错误3次”状态的显示内容由设计者自行设计，但不可省略，持续 25S后 蜂鸣器停止报警，新密码失效，恢复初始密码使用。3系统方案设计及确定系统方案的提出本次课程设计的密码锁电路主要由四个模块组成：键盘输入模块、数据处理模块、显示控制模块，继电器驱动模块和蜂鸣

6、器报警模块。方案一：以单片机为电子密码锁系统核心，使用4*4矩阵键盘作为数据输入 方式，驱动4位数码管显示器提示程序运行过程和开锁的步骤， 利用继电器及蜂 鸣器模拟电子门锁作出是否开门以及报警等反应。图1为单片机控制密码锁的系 统原理框图。图1单片机控制密码锁的系统原理框图输入 锁存开锁密他机械 动作图2数字逻辑控制方案电子密码锁方案二：以74LS11烈JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案，如图 2。方案比较及确定由于利用单片机灵活的编程设计和强大的I/O端口，及其控制的准确性，不 但能实现基本的密码锁功能，还可以增添掉电存储、声光提示等功能，故选用方 案一。CPU勺选择STC89C5冻歹I单

7、片机,高速、低功耗、新增在系统/在应用可编程（ISP,IAP） 功能,使不具有E2PROM单片机具有了 E2PROM功能,可以在线对现场历史数据 的存储功能，适用于一些需经常改变数据的应用产品（如计费器、门禁系统等）及 需远距离改变设备参数的产品（遥控设备等）。采用STC89C5常片机设计的电子 密码锁，利用内部E2PROM?源，不需要外接程序存储器就能完成修改密码等多种 功能，并且保密性高、成本低、简单易行，符合住宅、部门办公安全要求。ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要 把芯片从工作环境中剥离，是一个强大易用的功能。具有双工UARW行通道。内部集成看门狗计时

8、器，不再需要像 AT89C51那样外接看门狗计时器单元电路 键盘电路采用矩阵式键盘，显示电路采用四位数码管动态显示方式， 动态显 示相对于静态显示有占用I/O 口资源少的特点，恰好适合于本系统。方案中没有 采用键盘、显示接口芯片8279实现键盘、显示接口。由于本次课程设计所使用 的键盘数量、显示的方式及单片机的I/O 口线使用情况等，采用前一种方式就足 以能完成课程设计的要求，不必要多用一个芯片。根据本次课程设计的实际情况， 兼顾经济性、使用性、简单易行、操作简单等多方面因素，本次课程设计采用方 案一来完成。4系统硬件设计本次课程设计的密码锁电路主要由四个模块组成：键盘输入模块、数据处理 模块

9、、显示控制模块，继电器驱动模块和蜂鸣器报警模块。 通过单片机送给开锁 执行机构，电路驱动继电器吸合，从而达到开锁的目的。如图 3所示，为密码锁 开锁电路原理图。当用户输入的密码正确时，单片机便输出开门信号，送到继电器驱动电路， 然后驱动继电器常开触点闭合，达到开门的目的。本次设计中，继电器选用固态 继电器，信息通过数码管显示，并利用蜂鸣器和发光二极管声光指示。其中，绿 发光二极管亮，表示开锁；否则，红发光二极管亮，表示密码输入错误并开启报 警电路。图3密码锁开锁电路原理图STC89C52最小系统设计单片机最小系统包括CPU时钟电路和复位电路等三部分。下面则分别介 绍这三部分的选取。时钟电路设计

10、时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟控制信号，常用的时钟电路 有内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式电路外接两个电容和一个晶振， 根据振荡频率要求的不同选用不同阻值的电容和晶振。时钟电路中的晶振震荡频率范围通常是1.2MHz12MHz AT89S51T选择6MH或12MH的石英晶体，为消除 误差，得到准确的波特率，本设计选择震荡频率为11.0592MHz勺石英晶，时钟电路如图4所示。图4时钟电路复位电路设计复位是单片机的初始化操作，只需在单片机的复位引脚加上大于 2个机器周 期的高电平就可使单片机复位，当程序运行出错或操作进入死循环状态可通过复 位重新启动程序。MCS-51的复位是由外

11、部的复位电路来实现的，STC89C5她不 例外，复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，为方便复位操作， 本文采用按键电平复位，电路如图 5所示。其中C取10uF, R2取10KQ,复位 电路如图5所示。图5复位电路键盘、显示电路硬件设计键盘电路硬件设计键盘是系统中的手动控制部分，所以键盘的设计就显得尤为的重要。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海行线和N条列线，即可组成具有MX Nt按键的键 盘。由于本设计中要求使用16个按键输入，为减少键盘与单片机接口时所占用的 I/O线的数目，故使用矩阵键盘。本设计中，矩阵键

12、盘列线和单片机P2.0-P2.3相连，行线与单片机P2.4-P2.7相连。键盘扫描采用行扫描法，即依次置行线中的每一行为低电平， 其余均为高电 平，扫描列线电平状态，为低电平即表示该键按下。键盘电路硬件连接图如图6所示。显示电路硬件设计显示是系统的输出部分，用于观察当前的输入状态。显示电路采用三极管对 位码进行驱动。LED数码管有共阳和共阴两种，把这些 LED发光二极管的正极接 到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相 反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接 VC3口 GND再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了 。图7共阳、共阴数码管显示方式有静态

13、显示和动态显示两种显示方式。静态显示时，数据是分开送 到每一位LED上的；而动态显示则是数据是送到每一个 LED上，再根据位选线来确定是哪一位LED被显示。静态显示亮度很高，但口线占用较多；动态显示占用 口线数目较少，适合用在显示位数较多的场合，但显示位数的增多，将占用大量 的CPU寸间。本次设计选用动态显示。显示电路硬件连接图如图8、图9所示。330图8数码管驱动电路图9四位数码管继电器驱动电路及报警电路设计固态继电器简介固态继电器（Solid State Relay, 缩写SSR ,是由微电子电路，分立电子 器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端 的隔离。固

14、态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。按输入电压 的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS容，正负逻辑控制和反相等功能。固 态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路， 交流输出电路和交直流输出电路等 形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅， 直流输出时可使用 双极性器件或功率场效应管。1、固态继电器的优点(1)高寿命，高可靠：固态继电器没有机械零部件，有固体器件完

15、成触点 功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成 固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。(2)灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好：固态继电器的输入电压范围较 宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。(3)快速转换：固态继电器因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至 几微妙。(4)电磁干扰小：固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因 而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。2、固态继电器的缺点(1)导通后

16、的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达12V,大功率晶体管的饱和压降也在12V之间，一般功率场效应管的导通电阻也较机械触点 的接触电阻大。(2)半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理 想的电隔离。(3)由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体 积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。(4)电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。(5)固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路 对其进行过载保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关， 温度升高，负载能 力将迅速下降。(6

17、)主要不足是存在通态压降(需相应散热措施)，有断态漏电流，交直流图10固态继电器驱动电路图11报警电路不能通用，触点组数少，另外过电流、过电压及电压上升率、电流上升率等指标 差。固态继电器驱动电路设计当用户输入的密码正确时，单片机便输出开门信号，送到继电器驱动电路， 然后驱动继电器常开触点闭合，绿发光二极管亮，表示开锁；否则，红发光二极 管亮，表示密码输入错误。硬件电品&如图10所示报警提示电路报警提示电路采用小蜂鸣器提示。蜂鸣器能够根据脉冲信号，以及信号率发 出各种不同的声音，这样可以根据系统要求在密码出入正确和密码输入错误时发 出不同的声音提示，已达到报警的要求。蜂鸣器电路，如图 11所示

18、。5系统软件设计在系统设计中，除了硬件设计之外，软件设计也是很重要的，它是系统工作 的指挥者，因此系统软件设计时要遵循结构合理、 操作性能好、具有一定的保护 措施、兼容性好的设计原则来开发设计。密码锁系统软件设计主要包括主程序模 块、密码比较判断模块、键盘扫描模块、修改密码模块、数码管显示模块等及按 键检测模块。系统程序流程如图12所示10开始*11图12系统程序流程图主程序模块主程序主要用于定义全局变量，给全局变量赋初值，启动定时器，为整个程 序提供数据；检测按键；调用显示等功能。密码比较判断模块该模块的功能是将键盘输入的密码利用if语句与设定的密码进行逐个比 较，若密码完全正确则开锁；若不正确，则开启报警电路，可重新输入密码。具 密码输入和比较判决流程图如图1