毕业论文---基于单片机电子密码锁的设计.doc

毕业设计 (论文) 课 题 名 称 基于单片机电子密码锁的设计 学 生 姓 名 刘海龙 学 号 0914400320 系、年级专业 机电一体化 指 导 教 师 胡 畔 年 月 日 ii 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 一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。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 不断发展，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渐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，使密码锁无论在技术上还是 在性能上都大大提高一步。随着大规模集成电路技术的发展，特别是单片机的问世， 出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，还引入了智能化管 理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。 随着人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁（指纹识别、ic 卡辨认） 已在国内外相继面世。但是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。而且指纹识识别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。 基于以上思路，本次设计使用 atmel 公司的 at89c51 实现一基于单片机的电子 密码锁的设计，其主要具有如下功能： (1) 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) 密码可以由用户自己修改设定（只支持 6 位密码） ，锁打开后才能修改密码。 修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。 (3) 报警、锁定键盘功能。密码输入错误数码显示器会出现错误提示，若密码输 入错误次数超过 3 次，蜂鸣器报警并且锁定键盘。 电子密码锁的设计主要由三部分组成：34 矩阵键盘接口电路、密码锁的控制电 路、输出八段显示电路。另外系统还有 led 提示灯，报警蜂鸣器等。 密码锁设计的关键问题是实现密码的输入、清楚、更改、开锁等功能： (1)密码输入功能：按下一个数字键，一个“”就显示在最右边的数码管上，同 时将先前输入的所有“”向左移动一位。 (2)密码清除功能：当按下清除键时，清除前面输入的所有值，并清除所有显示。 (3)密码更改功能：将输入的值作为新的密码。 iii (4)开锁功能：当按下开锁键，系统将输入与密码进行检查核对，如果正确锁打开， 否则不打开。 主要的设计实施过程：首先，选用 atmel 公司的单片机 at89c51，以及选购其 他电子元器件。第二步，使用 dxp 2004 设计硬件电路原理图，并设计 pcb 图完成人 工布线（后因 pcb 板损坏决定采用万能板焊接的方法） 。第三步，使用 keil uvision3 软件编写单片机的 c 语言程序、仿真、软件调试。第四部，使用 proteus 软件进行 模拟软、硬件调试。最后，联合软、硬件调试电路板，完成本次毕业设计。 关键词：34 矩阵键盘；at89c51；密码锁；密码二次确认 1 目录 摘 要 i 第 1 章 绪论 1 1.1 背景 .2 1.1.1 电子锁 .2 1.2 电子密码锁的特点 .2 1.3 电子密码锁的发展趋势 2 第 2 章 系统总体设计 3 2.1 系统结构 4 2.2 系统组成 .4 2.3 系统可行性分析 .4 第 3 章 硬件电路设计 5 3.1 单片机 at89c51 简介 5 3.1.1 主要特性 .5 3.1.2 管脚说明 .5 3.1.3 震荡特性 .7 3.1.4 芯片擦除 .7 3.2 34 矩阵键盘 7 3.3 复位电路 .8 3.4 振荡电路 .9 3.5 数码管 10 3.6 发光二极管 led 10 3.7 蜂鸣器 .11 3.8 完整电路图 12 3.9 使用到的元器件列表 .12 3.10 完整 pcb 板 14 第 4 章 protel99se 运用 15 4.1 建立 一个数据库文件 .15 4.2 使用 protel99se 原理图绘制 15 4.3 如果新建 pcb 文件以及载入封装图 .15 4.4 将 sch 转为 pcb 文件 15 2 4.5 protel99se 的自动布线 .16 4.6 创建原理图元件库 16 4.7 创建 pcb 元件封装 .16 4.8 protel99se 的 pcb 设计中的技巧 .17 第 5 章 软件程序设计 17 5.1 软件设计流程图 18 5.2 具体功能软件实施 .19 5.2.1 开始等待流程 .19 5.2.2 密码检查功能 .19 5.2.3 显示功能 .20 5.2.4 键盘扫描 .22 5.2.5 修改密码 .23 结束语及展望 24 致 谢 25 参考文献 26 附录 .27 附录 1：元件清单 .27 附录 2：完整电路图 .28 附录 3：完整 pcb 图 .29 附录 4：程序 .30 3 第 1 章 绪论 1.1 背景 随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把 守门户的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠地防盗，又要使用方便，这也是 制锁者长期以来研制的主题。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而， 眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个 技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国 消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。 为何弹子锁的“互开率”会如此之高？据有关专家人士剖析，弹子锁质量好坏主 要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。 此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将 锁打开。机械锁的这些弊端为一种新型的锁-电子密码锁，提供了发展的空间。 1.1.1 电子锁 电子锁是采取电子电路控制，以电磁铁或者卫星电机和锁体作为执行装置的机电 一体化锁具，相比传统的机械锁具，电子锁不使用金属钥匙，保密性、精度都有很大 提高。 电子锁的发明思路，源自古代发明的自动机械，例如古希腊数学家赫伦的液压自 动门，中国古代诸葛亮的木牛流马，它们以重力或蒸汽压力驱动，最广泛的用途乃是 用在古代墓道的地下机关。电子工业的诞生，使得以微小电量驱动机械成为可能，于 是有了电子锁一日千里的跃进。 1.2 电子密码锁的特点 电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的 闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，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，主要特点如下： 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。 用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员 的更替而使锁的密级下降。 4 3误码输入保护。当输入密码多次错误时，报警系统自动启动，防止试探密码。 1.3 电子密码锁的发展趋势 从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该 产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。键盘式 电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在 被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记） ，难以被窃（除 非自己泄露） 。但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者 可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能 自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。因此，为了发扬优点、 克服弱点，键盘式电子密码也在不断发展中，如“任意设定密码”技术使得被授权人可以 根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新；而“自动更改密码”技术使得本次输入的密 码将自动更改成下次应输入的密码，更改的规律不为他人所知，因而不怕旁观者窥测； 独出心裁的“键盘乱序显示”技术使得键盘上的固定键位每次显示出的字符不固定，并且 显示的窄小角度只能由操作者正面看得到，因而即使旁观者看见操作动作也难以窥测 出密码；“ 多重密码设定” 技术使得单组密码不一定有效，适合多人分权使用，需要输入 两组以上的密码才被认可，大大提高了保密性，如果限定输入这些密码的先后顺序或 时间区段，则保密性还可提高。在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通 常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。总 之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁不仅在市场上居于主流 地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段。 5 第 2 章 系统总体设计 2.1 系统结构 at89c51 数码管 蜂鸣器 led 34 键盘 复位电路 图 21（系统结构） 2.2 系统组成 如图 21 所示系统主要由 at89c51(51 系列)、数码管、蜂鸣器、led、34 矩 阵键盘、复位电路等组成。 2.3 系统可行性分析 系统工作原理分析：使用 at59c51 单片机、34 矩阵键盘、led、蜂鸣器等。矩 阵键盘分别为 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、ok、enter。系统开始输入密码；输 入密码时，数码管显示电路显示为“对应的数字” ，当密码输入完毕按下 ok 键时，对 输入密码与设定的密码进行比较，若密码正确则蜂鸣器发出提示音，并且 led 点亮； 电源 6 若密码不正确，则蜂鸣器不发出声音。 第 3 章 硬件电路设计 3.1 单片机 at89c51 简介 at89c51 是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos8 位单片机，片内含 4k bytes 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，at89c51 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。 3.1.1 主要特性 8031 cpu 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程 flash 存储器(寿命：1000 写/ 擦循环) 全静态工作：0hz-24khz 三级程序存储器保密锁定 128*8 位内部 ram 32 条可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 6 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 图 31（at89c51） 3.1.2 管脚说明 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可 以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 7 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 为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口 作为第八位地址接收。 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 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，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 外部八位地址数据存储 器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接 收高八位地址信号和控制信号。 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 的一些特殊功能口，如下表所示： 管脚 备选功能: p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 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时 间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许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。在平时，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：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外 部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周 期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 8 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器