毕业设计（论文）-基于8051单片机的密码锁设计.doc

烟台大学基于at89c51的密码锁控制password lock control based on at89c51院系：机电汽车工程学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：学号：指导老师： 2015年7月4日烟台大学目录概述.21.功能分析及总体设计.32.硬件设计.42.1 键盘扫描电路设计.42.2 lcd液晶显示电路设计.5lcd1602主要技术参数.5清屏指令 clear display.8功能设置指令 function set.9lcd1602电路.112.3发声电路设计.122.4开锁控制电路.122.5晶振电路.132.6 电路连接总图.133.软件设计.143.1系统相关子程序.15 3.1.1按键相关子程序.16 3.1.2显示相关子程序.173.2系统主程序.184.设计小结.255.参考文献.26概述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。眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。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。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，ic卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。随着单片机的问世，出现了带微处理器的智能电子密码锁，它除了具有一般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。当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，而基于电子密码锁的安全系统是其中的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，只适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。目前，在西方发达国家，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。在我国电子密码锁的成本还很高，应用还不广泛。目前市场上的按键密码锁主要有以下两类，但都存在不同程度的缺陷。固定键盘式电子密码锁：这类密码锁使用固定键盘输入门锁密码。用户密码可以在18位任意设定，密码量极大，尝试法输入密码时，系统会出现保护性自锁，同时具有自动报警功能。这种密码锁成本不高，操作非常简单，常与机械弹子锁配合使用。类密码锁有以下缺陷：需要安装固定键盘，数字按键的位置固定不变，用户在操作时没有隐蔽性，其他人可以通过记住密码输入人员的手势推测出输入的密码，或被他人偷拍输入过程而得到密码。随机键盘式密码锁：为了防止用户在利用固定键盘输入密码的过程被偷窥或偷拍，研制出了随机键盘系统。用这种键盘输入密码时，每输入一个数字，键盘上的数字键的摆放顺序会随机变化，用户利用变化后的键盘输入下一位数字，使得利用偷窥或偷拍的方式记住密码的企图无法奏效。但它的缺点也是显著的：由于随机键盘对硬件要求较高，要采用触摸屏幕，键盘与显示器就必须合二为一，因此成本较高，难于应用到保险柜上。本设计利用8051单片机的控制程序结合lcd，设计一个lcd密码锁，可以用在需要密码输入的应用场合。本设计可以学习8051按键扫描输入、lcd显示、密码比较处理的设计方法。1.功能分析及总体设计本设计的密码锁具备的功能有：（1）使用lcd显示器来显示密码输入的相关信息;（2）可以设置四位数字（09）密码；内定另一组四位数字密码为“1234”；（3）密码输入正确则继电器启动2s，密码输入错误则发出警报声。程序执行后工作指示灯led亮，表示程序开始执行，lcd显示“passward a or b key”，按下操作键a或b动作如下：操作键a：设置新的四位数字密码；操作键b：输入四位数字密码并作检查。2.硬件设计2.1 键盘扫描电路设计本实验使用是的是矩阵式键盘扫描设计。其方式包括三种，程序控制随机扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。采用的是矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多i/o口。本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如清除功能等。键盘的每个按键功能在程序设计中设置。如图所示，本系统采用44矩阵键盘，16个按键分为输入字符和数字键：*、0、#、1、2、3、4、5、6、7、8、9；功能键a、b、c、d。矩阵键盘内部原理图如图3-2所示，外观图如图1所示。图1键盘电路设计对照图1的44键盘，说明线反转个工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机i/o口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00h，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器a中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。图2为键盘作用表。k1清零k5#确认k90k13*k2无定义k69k108k147k3bk74k115k156k4ak83k122k161图2 键盘作用表2.2 lcd液晶显示电路设计图3 lcd1602引脚图lcd1602简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式lcd，市面上字符液晶绝大多数是基于hd44780液晶芯片，hd44780是带西文字库的液晶显示控制器，用户只需要向hd44780送ascii的字符码，hd44780就按照内置的rom点阵发生器自动在lcd液晶显示器上显示出来。所以，hd44780主要适用于显示西文ascii字符内容的液晶显示。1602字符型lcd能够同时显示16*2即32个字符(16列2行)。其内置192种字符(160个5*7点阵字符和32个5*10点阵字符)，具有64个字节的自定义字符ram，可自定义8个5*8点阵字符或4个5*11点阵字符。1602通常有14条引脚线或16条引脚线两种，多出来的2条线是背光电源线和地线，带背光的比不带背光的略厚，控制原理与14脚的lcd完全一样，是否带背光在应用中并无差别。本设计中采用带背光16引脚线的。lcd1602主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5v 工作电流:2.0ma(5.0v) 模块最佳工作电压:5.0v 字符尺寸:2.954.35(wh)mm 第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：r/w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r/w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r/w为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平r/w为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。 1602模块内部主要由lcd显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。控制器接受来自mpu的指令和数据，控制着整个模块的工作。主要由显示数据缓冲区ddram，字符发生器cgrom，字符发生器cgram，指令寄存器ir，地址寄存器dr，忙标志bf，地址计数器ac以及时序发生电路组成。模块通过数据总线db0db7和e、r/w、rs三个输入控制端与mpu接口。这三根控制线按照规定的时序相互协调作用，使控制器通过数据总线接受mpu发来的数据和指令，从cgrom中找到欲显示字符的字符码，送入ddram，在lcd显示屏上与ddram存储单元对应的规定位置显示出该字符。控制器还可以根据mpu的指令，实现字符的显示，闪烁和移位等显示效果。cgrom内提供的是内置字符码，cgram则是供用户存储自定义的点阵图形字符。模块字符在lcd显示屏上的显示位置与该字符的字符代码在显示缓冲区ddram内的存储地址一一对应。 lcd1602模块内部具有两个8位寄存器：指令寄存器ir和地址寄存器dr，用户可以通过rs和r/w输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。1602提供了较为丰富的指令设置，通过选择相应的指令设置，用户可以实现多种字符显示样式。下面仅简要介绍本次设计中需要用到的一些指令设置。l 清屏指令 clear display清显示指令将空位字符码20h送入全部ddram地址中，时ddram中的内容全部清除，显示消失，地址计数器ac=0，自动增一模式。显示归位，光标闪烁回到原点(显示屏左上角)，但不改变移位设置模式。清屏指令码见表1。表1 清屏指令码rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db00000000001l 进入模式设置指令 entry mode set见表2，进入模式设置指令用于设定光标移动方向和整体显示是否移动。表2 模式设置指令码rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db000000001i/dsi/d：字符码写入或者读出ddram后ddram地址指针ac变化方向标志。i/d=1，完成一个字符码传送后，ac自动加1。i/d=0，完成一个字符码传送后，ac自动减1。s：显示移位标志。s=1，完成一个字符码传送后显示屏整体向右(i/d=0)或向左(i/d=1)移位。s=0，完成一个字符码传送后显示屏不移动。l 显示开关控制指令 display on/off control指令码见表3，该指令功能为控制整体显示开关，光标显示开关和光标闪烁开关。表3显示开关控制指令码rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db00000001dcbd：显示开/关标志。d=1，开显示；d=0，关显示。关显示后，显示数据仍保持在ddram中，开显示即可再现。c：光标显示控制标志。c=1，光标显示；c=0，光标不显示。不显示光标并不影响模块其他显示功能。显示5*8点阵字体时，光标在第八行显示；显示5*10点阵字符时，光标在第11行显示。b：闪烁显示控制标志。b=1，光标所在位置会交替显示全黑点阵和显示字符，产生闪烁效果；b=0，光标不闪烁。l 功能设置指令 function set功能设置指令用于设置接口数据位数，显示行数以及字形。指令码见表4。表4功能设置指令码rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db000001dlnf*dl：数据接口宽度标志。dl=1，8位数据总线db7db0；dl=0，4位数据总线db7db4，db3db0不使用，此方式传送数据需分两次进行。n：显示行数标志。n=0，显示一行；n=1，显示两行。f：显示字符点阵字体标志。f=0，显示5*7点阵字符；f=1，显示5*10点阵字符。1602模块内部设有上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5v时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。初始化大约持续10ms左右。初始化进行的指令操作为：l 清显示l 功能显示dl=1：8位数据接口。n=0：显示一行。f=0：显示5*8点阵字符字体。l 显示开/关控制d=0：关显示。c=0：不显示光标。b=0：光标不闪烁。l 输入模式设置i/d=1：ac自动增一。s=0：显示不移位。但是需要特别注意的是，倘若供电电源达不到要求，模块内部复位电路无法正常工作，上电复位初始化就会失败。因此，最好在系统初始化时通过指令设置对模块进行手动初始化。lcd1602电路如图4，80c51的p0口接1602的8位数据线，通过输出数据控制1602显示不同的提示字符。1602本身内置各种字符，还可以自定义显示字符。本设计中根据不同场合1602会显示各种提示字符。图4 lcd1602电路p2.0p2.2接1602控制端，其中p2.2接使能端e，写操作时，使能端下降沿有效。p2.1接读写控制端r/w，r/w=0，读操作；r/w=1，写操作。p2.0接寄存器选择端rs，rs=0，写操作时指向指令寄存器，读操作时指向地址寄存器；rs=1，无论读操作还是写操作都指向数据寄存器。lcd1602的vss为电源地，需接地；vdd为电源电压；v0为lcd驱动电压，接电位器，通过调节电位器控制显示的亮度，使lcd显示清晰而无黑影。背光电源线lcd正负两端分别接电源和地即可。2.3发声电路设计用p3.7口控制一个有源蜂鸣器发声，作为提示音或报警音。程序设定为每当识别到有一位按键被按下时，蜂鸣器发声0.1s；密码错误时每次停顿0.5s发声1s。蜂鸣器有两个引脚，其中长脚为正极，短脚为负极。其发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。由于单片机i/o引脚输出的电流较小，基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，一般使用三极管来放大电流就可以了。本设计中使用三极管9012，p3.7口高电平时三极管截至，蜂鸣器不发声；p3.7口低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。2.4.开锁控制电路开锁控制电路的功能就是在输入正确的密码后开锁。系统使用单片机p3.6引脚发出信号，经三极管放大之后，由继电器驱动电磁阀将锁打开。在现代自动控制设备中，都存在电子电路(弱电)与电气电路(强电)的相互连接问题，一方面要使电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件(如电动机、电磁铁、电灯等)，另一方面又要为电子线路的电气电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和工作人员的人身的安全。继电器便能完成这一桥梁作用。继电器实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在大多数情况下，继电器就是一个电磁铁，这个电磁铁的衔铁可以闭合或断开一个、数个触点。当电磁铁的绕组中有电流通过时，衔铁被电磁铁吸引，因而就改变了触点的状态。2.5晶振电路单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，必须提供时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成，其中振荡电路由反向器以及其并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号。晶振是晶体振荡器的简称，它用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十，高级的精度更高。电路中的晶振即石英晶体振荡器，它与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器。如图5：图5 晶振电路图2.6 电路连接总图图6 设计总图图5主程序流程图3.软件设计系统的软件设计采用汇编语言编码。设计方法是先用文本编辑器编写源码，然后用软件keiluvision2编译，如果没有错误，可连接生成.hex格式的文件(需事先在keiluvision2中设置)。生成的hex文件是记录文本行的ascii文本文件，在hex文件中，每一行是一个hex记录，由十六进制数组成的机器码或者数据常量。hex文件经常被用于将程序或数据传输存储到rom、eprom，大多数编程器和模拟器使用hex文件。该过程可由软件protues模拟仿真。3.1系统相关子程序3.1.1 按键识别子程序图6 按键识别流程图本设计中采用的4*4矩阵键盘共有16个键位，4根行线连p1口低四位，3根列线连p1口高四位。在按键未被按下时，每一条行线与线列线的交叉处互不相通，当某个按键被按下后，该按键所在的行线和列线连通。这样在p1口的高4位和低4位中各有一位互相连通。通过行列扫描检测出这两位，即可识别出被按下的键。具体识别方式和按键功能完全由软件自定义。流程图如图6。系统具体使用的键盘是一体式薄膜键盘，更轻薄更便捷，有印刷字符，无需连接上拉电阻。但键盘内部无电流通过，行扫描之前需给4根行线赋高电平，如果某行和某列相通，则高电平变低，可知该行有按键被按下。然后进行列扫描，同理可识别出按键所在列。确认行和列按键即被识别出来。3.1.2 lcd显示子程序点阵字符型lcd显示模块在正常使用之前，一般需要进行初始化，否则模块无法正常显示。初始化方法有复位电路初始化和软件初始化两种。图7为软件初始化过程流程图。开电源并等待电源写入功能设置指令写入30h指令等待5ms以上检查忙标志位或延时写入控制显示开关指令写入30h指令检查忙标志位或延时等待4ms以上写入清屏指令写入30h指令检查忙标志位或延时等待4ms以上写入输入方式设置指令图7软件初始化的实现过程流程图初始化结束3.2系统主程序/*头文件*/#include #include #define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define scan_key_port p1 sbitlcd_rs_port = p20; sbitlcd_rw_port = p21; sbitlcd_en_port = p22; #define lcd_data_port p0 sbit ssr = p36;sbitspeaker_port = p37;uchar password = 1234;ucharinputword4;void delay_1ms(uchar x)uchar j;while(x-) for(j=0;j125;j+); voidspeaker_output()uchari;for(i=0;i100;i+)speaker_port = 0;delay_1ms(3);speaker_port = 1;delay_1ms(1);ucharkey_scan()ucharsccode,recode;scan_key_port=0xf0; if(scan_key_port&0xf0)!=0xf0) delay_1ms(2); if(scan_key_port&0xf0)!=0xf0) sccode=0xfe; while(sccode&0x10)!=0) scan_key_port=sccode; if(scan_key_port&0xf0)!=0xf0) recode=(scan_key_port&0xf0)|0x0f;scan_key_port=0xf0;scan_key_port = 0xff; return(sccode)+(recode); elsesccode=(sccode1)|0x01; scan_key_port = 0xff; return(0); voidlcd_command_write(uchar command) lcd_data_port = command;lcd_rs_port = 0;lcd_rw_port = 0;lcd_en_port = 0;delay_1ms(1);lcd_en_port = 1;lcd_en_port = 0; voidlcd_system_reset() lcd_command_write(0x01);lcd_command_write(0x38);lcd_command_write(0x0c);voidlcd_char_write(ucharx_pos,y_pos,lcd_dat) x_pos&= 0x0f; /* x位置范围 015 */y_pos&= 0x01; /* y位置范围 0 1 */if(y_pos=1) x_pos += 0x40;x_pos += 0x80;lcd_command_write(x_pos);lcd_rs_port = 1;lcd_rw_port = 0;lcd_en_port = 0;lcd_data_port = lcd_dat;delay_1ms(1);lcd_en_port = 1;lcd_en_port = 0; uchar key_table_1 = password ;uchar key_table_2 = a or b key ;uchar key_table_3 = new password ;ucharkey_pass_table = password ok ;ucharkey_error_table = password error ;ucharkey_modify_table = passwordmodified;void main()ucharkey_value_buff;uchari,n=0, k=6, d=0, j=0, s=1;lcd_system_reset();for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,0,key_table_1i); for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,1,key_table_2i); while(1)key_value_buff = key_scan();if(key_value_buff != 0)switch(key_value_buff) case 0x18:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,1); inputwordn=1; k+; n+;break;case 0x28:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,2); inputwordn=2; k+;n+;break;case 0x48:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,3); inputwordn=3; k+;n+;break;case 0x44:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,4); inputwordn=4; k+;n+;break;case 0x24:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,5); inputwordn=5; k+;n+;break;case 0x14:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,6); inputwordn=6; k+;n+;break;case 0x12:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,7); inputwordn=7; k+;n+;break;case 0x22:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,8); inputwordn=8; k+;n+;break;case 0x42:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,9); inputwordn=9; k+;n+;break;case 0x21:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,0); inputwordn=0; k+;n+;break;case 0x11:if(n4&s=0) lcd_char_write(k,1,*); inputwordn=*; k+;n+;break;case 0x81:for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,0,key_table_1i); for(i=0;i6&n0) lcd_char_write(k-1,1, ); k-; n-; inputwordn= ;break;case 0x41:s=0;if(d!=2) for(j=0,n=0;n4;n+) if(passwordn=inputwordn) j+;if (j!=4) for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,1,key_error_tablei);speaker_output(); n=0;k=6;s=1; /*d=0if (j=4&d=0) for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,1,key_pass_tablei); for(i=0;i4;i+) inputwordi= ; ssr=0;for(i=0;i20;i+) delay_1ms(100); ssr=1; n=0;k=6;s=1; if (j=4&d=1)d=2; n=0; k=6;for(i=0;i16;i+) lcd_char_write(i,0,key_table_3i); for(i=6;i1