基于单片机的电子密码锁的设计.doc

摘 要本设计从经济实用出发采用Atmel公司的单片机AT89S51作为主控芯片，采用低功耗CMOS型E2PROM AT24C02为数据储存单元，遥控器键盘输入密码，按键编码采用HCS301芯片、解码采用HCS500芯片、LCD1602液晶显示器、报警装置、开锁电路、遥控无线电波、编码、解码等电路组成一款多功能电子密码锁。此密码锁利用滚动加密技术，短距离射频遥控技术，能进一步增强电子密码锁的安全性，可靠性与实用性。经过市场调查，使用单片机制作的电子密码锁具有方便、安全、操作简单等优点，而且易于开发，成本较低，在住宅、办公室、保险箱、汽车等需要防盗的场所有一定的实用性。该设计还具有按键有效提示、控制开锁、控制报警、修改密码以及无线遥控发送非固定代码等功能。关键词：单片机；遥控；密码锁；报警AbstractThis design uses Atmel chip AT89S51as the main control chip, using low power CMOS E2PROM AT24C02 as the data storage unit, remote control keyboard input password, key code using HCS301 chip, the decoding using HCS500 chip.LCD1602 liquid crystal display, alarm device, an unlocking circuit, remote control radio wave, encoding, decoding circuit composed of a multifunctional electronic cipher lock. This password lock using rolling encryption technology, short distance radio frequency remote control technology, can further enhance the security of electronic locks, reliability and practicality.Through market research using microcontroller electronic cipher lock has the advantages of convenience, safety, simple operation and easy to develop, a little, cost is low, in the residential, office, safe, car, need security place has the certain usability. The design also has the keys to effective tips, control lock, alarm control, modify your password and wireless remote control transmitting a fixed code and other functions.Keywords：MCU; Remote control; Cipher lock; Alarm目 录1 绪论11.1 电子密码锁的研究背景11.2 电子密码锁的国内外现状及其发展趋势11.3 本设计所实现的目标21.4 本章小结22 设计方案和元器件选择32.1 方案论证32.2 元器件选择32.2.1主控芯片AT89S5132.2.2存储芯片AT24C0232.2.3液晶显示LCD160242.2.4编码芯片HCS30142.2.5解码芯片HCS50052.3 本章小结53 电路原理设计63.1 硬件设计原理63.2 硬件设计的外围电路63.2.1电源输入部分63.2.2键盘输入部分73.2.3密码存储部分73.2.4复位部分83.2.5显示部分83.2.6报警部分93.2.7开锁部分93.2.8遥控发射电路103.2.9射频接收电路MICRF007103.3 本章小结114 软件设计124.1 I2C通讯子程序124.2开锁程序流程图124.3 主控CPU的主程序流程134.4密码设置程序流程图144.5 本章小结155 设计总结16参考文献17致谢18附录 程序清单21III1 绪论电子密码锁一般是通过外部输入密码与片内存储密码对比进而控制芯片、电路作出相应动作，达到机械开关闭合的目的来完成开关门锁。目前市场上密码锁有多种，应用较为广泛的密码锁都是以单片机作为密码锁核心，然后加上辅助电路，编程来达到控制实现。电子密码锁的安全性已经大大超过了机械锁，并且使用更加方便，成本不高，具有普遍适用性。1.1 电子密码锁的研究背景在日常生活中储存重要东西，文件，特别是单位，部门的重要档案，资料的保存离不开密码锁。如果使用机械锁，使用者常常会丢失钥匙或者携带一大窜钥匙，这样显得既不方便，而且安全性也低。 随着需求的进步，电子密码锁进入人们生活已势不可挡，电子密码锁操作简单，添加报警功能，其在安全性上大大增强。大规模集成电路技术的发展使密码锁更具有小巧实用，成本低廉的优点，1976年单片机的问世，为密码锁的发展作出了巨大贡献，具有各种功能的智能密码锁相继问世，此类密码锁的出现表明密码锁在安全性，可靠性上又有了重大突破 1。1.2 电子密码锁的国内外现状及其发展趋势经过对目前国内外市场上各种密码锁的研究发现它们都有自己的优点及缺陷：一、机械式密码锁。最早期的密码锁，它抗干扰能力强，成本低，但是在安全性上，不能避免非法用户的多次尝试，输入密码极不方便，而且密码量也少。二、固定键盘式密码锁。此类密码锁为键盘输入密码，一般密码位数可设定，它的密码量相对机械密码锁大大增强，但是此类密码锁在输入密码时暴露在外的键盘很容易泄露密码。三、红外遥控电子密码锁。在日常生活中红外线遥控技术出现已经极其普遍，而红外遥控技术与密码技术相结合的电子密码锁也比较常见。然而红外线遥控需要在一定范围内，所以它的缺点在与距离和是否被干扰方面。四、其它密码锁。上述几种密码锁为典型的几种密码锁，除此之外还有如磁卡式密码锁，指纹式密码锁等。磁卡密码锁使用较为方便，但容易折损，它对环境的要求，使得使用者必须小心翼翼。指纹式密码锁安全性高，具有唯一性指纹鉴别，但是成本也高，不具有普片实用性2。1.3 本设计所实现的目标使用者开锁，需要输入正确的密码，输入完毕经电路发送，锁具端接收信号并进行分析。如果多次输入错误密码将有报警提示。为了提高安全性，通过无线电波发送与接收代码采用特定芯片实现编码解码。主要工作过程如下：一、开启键盘，用户通过遥控器键盘输入密码；二、输入完成，经过编码芯片，发射电路发送输入信号；三、锁具端通过接收电路，解码芯片接收信号并与单片机自己保存的密码进行对比，从而判断是否正确，以及执行相对应的开门或者报警动作。1.4 本章小结本章从电子密码锁的研究背景，国内外现状及其发展趋势，本设计所要实现的目标三个方面作出的阐述。只有了解了这几个方面才有利于对自己的设计作出更好的判断，基于单片机的电子密码锁是目前市场上的主流产品，它对于锁具的发展具有重大意义。2 设计方案和元器件选择2.1 方案论证目前根据我们了解的单片机，各种型号的单片机都有一定的应用环境，因此如何合理的选择才能保证既能适应系统要求，又能做到低功耗，低成本。根据调查以及所学知识在选取单片机时需注意以下几个方面：性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串口、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性等除了以上这些，还有一些方面如：中断源的向量和优先级、工作温度范围、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等3。基于以上因素本设计选用AT89S51单片机作为本设计的核心元件，利用其丰富的I/O接口，片内闪存等方面完全能满足此次设计要求。选用无线315Mhz射频RF(radio frequency)方式来完成无线通讯。315mhz的发射频率是国家规定的无线报警专用频率，符合国家规定4。信号的编码和解码采用HCS301与HCS500芯片，能对遥控器按键信息进行滚动加密，在安全上进一步提高，防止密码被捕获破译，非法复制。2.2 元器件选择2.2.1主控芯片AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k可反复擦写1000多次的Flash只读程序存储器，128B的片内RAM，32位I/O口线5。AT89S51具有40个引脚，4KB 片内Flash程序存储器，128B的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，6个中断源6。2.2.2存储芯片AT24C02AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗7。它是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和IO口，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便，工作电压宽(2.55.5 V)、擦写10000多次、写入速度小于10 ms、抗干扰力强、数据不易丢失、体积小等特点8。2.2.3液晶显示LCD16021602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点9。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，E三个控制端口9。液晶显示LCD1602型的接口信号说明如下表2-1所示：表2-1 液晶显示LCD1602型的接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3V0液晶显示对比度调整端11D4Data I/O4RS寄存器选择端12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能端14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极2.2.4编码芯片HCS301在芯片选择上，HCS301芯片为特制滚动码芯片发送滚动码在安全性上大大提高。HCS301保密性可编程64bit的加密密钥，28bit的序列号，16bit的同步码，用户可通过相应的适配器对芯片内部的EEPROM进行编程，为了保证数据的安全，一旦将数据写入EEPROM后不能再读出，但可以再次修改10。（1）HCS301产生加密密匙在HCS301投入使用时，先产生一个唯一对应的64位的加密钥匙，加密密匙的产生示意图如图图2-1 HCS301加密密匙的产生示意图由工厂代码和系列号一起经密钥产生算法形成唯一的加密密码，然后写入片内EEPROM，每一个制造商均不相同，它用于产生与每一个编码器相对应的唯一加密密钥11。（2）HCS301的编码过程HCS301的编码过程如图2-2图2-2 HCS301滚动编码过程示意图2.2.5解码芯片HCS500HCS500是可与HCS301配对的芯片10。硬件解密过程如图2-3：图2-3 硬件解密过程示意图2.3 本章小结通过上面对设计方案和元器件选择的介绍，我们可以看出，采用单片机为核心控制的方案，控制灵活、准确性好且保密性强还具有扩展功能，根据现实生活的需要，此次设计采用以单片机为核心控制的方案。在加上其他部分完成设计。3 电路原理设计3.1 硬件设计原理系统的硬件部分由主控芯片、电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、显示部分、报警部分、开锁部分、针对本设计具体应分为遥控器系统与锁具系统两大模块。系统原理框图如图3-1：图3-1 a 遥控器系统原理框图图3-1 b 锁具系统原理框图3.2 硬件设计的外围电路3.2.1电源输入部分系统需要直流电源供电，输入的电网电压不符合要求，所以用电源变压器可起到降压作用，而降压后的电压仍为交流电压，通过整流电路把交流转换成直流，最后在用低通电路滤波电路，使输出的电压平滑，得到系统所需要的电源。电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。而为了能在断电的情况下电路继续正常工作，采用的备用电源可用6V可充电蓄电池供电。电源输入部分原理图如图3-2：图3-2电源输入部分原理图3.2.2键盘输入部分系统密码需要遥控键盘输入，而且需要提示使得输入时不易出现错误，或者误操作。而系统采用的89S51单片机有32接口，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，比如清空显示功能等。所以按键输入原理图如下图3-3：图3-3 键盘接口电路3.2.3密码存储部分系统的密码存储，采用AT24C02芯片，为一款EEPROM芯片，内含存储空间大，写入速度快12。其接线如图3-4所示：图3-4 AT24C02电路接线图3.2.4复位部分系统复位部分，单片机在接上电源，或者发生故障、死机的时候都需要复位操作。复位电路如图3-5所示的复位电路：图3-5复位电路原理图接通电源瞬间，电容C1电压很小，复位下拉电阻R6电压接近电源电压，RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST断的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态。为避免死机时无法可靠复位增加手动复位按键。当复位键按下后电容C1通过R5放电，当电容C1放电结束由R5/R6分压比决定RST端的电位，由R53?报警程序NYNY返回确认程序再次输新密码两次新密码输入相同？NY设置成功图4-4 密码设置流程图4.5 本章小结本章主要介绍了软件设计的各流程图。我们只有充分理解了各个流程图以后，才能运用汇编语言完成本设计的软件系统编程。最终，完成此次设计。5 设计总结本设计选用了AT89S51作为系统核心芯片，在加上储存、报警、开锁、遥控等部分，组成了一款多功能的遥控电子密码锁。此款密码锁，由于解码编码芯片采用的是KEELOQ算法的HCS系列滚动码编码芯片，所以在安全性上明显比其他密码锁更具优越性。而无线电遥控技术与密码锁的结合也是一项比较主流的产品。通过四年对电子专业的学习，感觉自己收获不少，但是电子专业是一门前瞻技术型专业，其中的知识之深之厚，非是短短的几年时间就能学透的。知识的欠缺造成此次论文中许多不可避免的错误或者不妥之处，还请各位老师指点批评。以便我能够在今后的学习和设计中将得以继续改进。理工科的学生选择电子技术我想是比较常见的，电子技术的广泛性、新颖性、前瞻性，使得许多研究者孜孜不倦，而依附于电子技术的密码锁其更新换代的速度必定很快，