单片机课程设计-电子密码锁设计.doc

中北大学单片机课程设计说明书目 录1 绪论 1.1电子密码锁简介11.3本设计所要实现的目标11.4设计方案简介12 硬件系统构成2.1设计原理22.2电路总体构成32.3电源输入电路42.4键盘输入电路42.5密码存储电路52.6复位电路62.7晶振电路62.8显示电路72.9报警电路82.10开锁电路 83 软件系统设计3.1主程序流程图103.2按键软件设计113.3密码设置软件设计123.4开锁软件设计134 调试与实现4.1硬件调试 144.2软件调试 144.3 Pruteus仿真 15结论与展望附录参考文献1 引言1.1 电子密码锁简介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。其特点如下：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，用户可以随时更改密码，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。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。4) 无活动零件，不会磨损，寿命长。5) 使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。6) 电子密码锁操作简单易行，一学即会。1.2 本设计所要实现的目标本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成电子密码锁，用户想要打开锁，必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开，密码输入错误有提示，为了提高安全性，当密码输入错误三次将报警。密码可以有用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入就的密码，在输入新密码的时候要二次确认，以防止误操作。1.3 设计方案简介由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。一般来说在选取单片机时从下面几个方面考虑：性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性，除了以上的一些的还有一些最基本的比如：中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等。在开发过程中单片机还受到：开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素。基于以上因素本设计选用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密码的存储，外接LCD1602显示器用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键09输入密码。密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后输入原来的密码，只有当输入的原密码正确后才能设置新密码。新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。2 硬件系统设计2.1 设计原理 本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。 本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。其中硬件部分由电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、建功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。51系列单片机4*4键盘8位LED显示ROM存储器扬声器复位电路晶振电路发光二极管等系统原理框图2.2 电路总体构成在确定了选用什么型号的单片机后，就要确定在外围电路，其外围电路包括电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分选择4*4矩阵键盘，显示部分选择字符型液晶显示LCD1602，密码存储部分选用AT24C01芯片来完成。其原理图如图3-2所示： 图3-2 电路总体结构图2.3 电源输入电路密码锁主要控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图3-3所示，而5V电源输入时往往伴有杂波，所以加一个2.2uF的电容滤波。这样输出的电压一般能满足要求。图3-3 电源输入电路原理图2.4 键盘输入电路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，比如清空显示功能等。键盘的每个按键功能在程序设计中设置 。其大体功能（看键盘按键上的标记）及与单片机引脚接法如图3-4所示：图3-4 键盘输入原理图2.5 密码存储电路AT24C01是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10Ua(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。其电路如图3-5所示。图中1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在AT89S51上它们都能接地，第5脚和第8脚分别为正、负电源。AT24C01中带有片内地址寄存器，每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个储存单元的读写，所有字节均以单一操作方式读取。2.6 复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图2-8所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R11与R15分压比决定。由于R113？报警程序修改程序YNNY图4-1主程序流程图3.2 按键软件设计如图4-2按键功能流程图，在按键当中，有与输入、开锁、清除、设置、确认的程序相对应的按键，并按顺序与输入的数相比较，当输入正确时，进入密码程序，错误时进行清除，输入两次新密码正确时，可进行重新设置密码，最后确认程序。开始键值输入？键值开锁？键值清除？键值设置？键值确认？密码输入程序设置程序清除程序开锁程序确认程序YYYYYNNNN返回N 图4-2 按键功能流程图3.3 密码设置软件设计如图4-3为密码设置流程图，开始按下设置键，输入旧密码，如果错误累计三次，进行报警程序。如果输入正确，可以修改密码，确认后再次输入新密码，如果两次输入一样，则输入成功。如果两次输入的新密码不一样，则修改密码失败，重新返回设置新密码。输入旧密码N按下设置键开始所输入旧密码正确？输入次数加1报警程序N返回次数3?输新密码Y再次输新密码Y设置成功NY两次新密码输入相同？ 图4-3 密码设置流程图3.4 开锁软件设计如图4-4开锁流程图，开始时按开锁键，输入密码，如果输入正确，则开锁成功。如果输入错误累计达到三次，则执行报警程序。初始化按开锁键输入密码按确认键所输入密码正确？Y开锁开始输入次数加1次数3?报警程序返回NYN 图4-4 开锁流程图4 调试与实现4.1 硬件调试单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的许多硬件故障只有通过软、硬件联调才能发现,但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。常见的硬件故障： (1)逻辑错误 硬件的逻辑错误是由于设计错误和焊接过程中的工艺错误而造成的,包括错线、开路、短路等,其中最常见的是短路故障。 (2)元器件错误 元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求,电解电容、二极管的极性接反或集成块装反等。 (3)可靠性差 应用系统可靠性差的原因很多,如内部和外部的干扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。另外,走线和布置的不合理也会造成系统可靠性差。 (4)电源故障 电源故障包括：电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。 硬件调试办法 脱机调试是在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对线路是否正确,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,特别焊接时有无走线之间相互短路等。 4.2 软件调试程序在KEIL C51上调试，采用模块程序设计技术,则逐个模块调好后再进行系统程序总调。 对于模块结构程序要一个个子程序分别调试。调试时,一定要符合入口条件和出口条件,调试可用单步运行和断点运行方式,通过检查用者系统的CPU现场情况、RAM的内容和IO口的状态,检测程序执行结果是否符合设计要求,有无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误,同时,还可以发现系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误。 各程序模块通过后,则可以把相关功能块连在一起进行总调。这个阶段若有故障,可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场,缓冲单元、工作寄存器是否发生冲突,标志位的建立和清除是否有误,堆栈区是否有溢出,输入设备的状态是否正常等等,若用者系统是在开发机的监控程序下运行时,还要考虑用者缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。 单步和断点调试后,还应进行连续调试,用以确定定时精度、CPU的实时响应等问题。 当全部调试和修改完成后,将程序固化到AT89S51中。进行整机调试。各功能实现则调试完成。4.3 Proteus仿真在硬件和软件都能实现的条件下，利用Proteus进行仿真，通过不停的调试与改正，最后终于实现了密码锁的功能，Proteus仿真结果如图4-1所示当连好各个模块电路的导线后，导入芯片程序，运行该密码锁仿真电路，通过按键可以进行密码锁的开锁，修改密码，错误密码3次以上报警的操作，LCD显示屏显示相应的操作现象，密码正确可以开锁，进而可以修改密码，密码错误三次以上由喇叭发出报警声，如果系统出现错误还可以通过复位电路进行复位。总之，在原有的理论基础上，通过Proteus能够成功的进行密码锁基本操作的仿真，实现了相关的功能。结论与展望一周的单片机课程设计结束了，我接到课题后，开始几天主要看书，跑图书馆，上网查资料，在图书馆找到了类似的资料，我就开始看程序，然后自己试着去改，但是很不幸在Proteus中编译时有一处错误，可是我花了一天多的时间查资料和问同学也没找出哪里出错了。于是我就另外找其他有关的程序，终于在星期天找到了，接着我边看书边看程序，目的是把程序看懂，然后自己再尝试着去改，经过一天左右的时间，程序差不多看懂了，电路图也画出来了，程序编译也没问题，于是我就把程序下到硬件里面，可是就是不显示，主要是按键不起作用。我又重新看程序，反复的改，到晚上的时候还是没搞好，就再看书，请教同学，大概又花了两天时间，在同学的提醒下，我终于发现了问题。主要是按键接的总线没有设定相对应的引脚。当天晚上，我就改了，终于问题解决了，仿真也成功了！当时真的很高兴，毕竟我花了这么多的时间，终于有用了。通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上指导老师指点，结合生活中对密码锁的功能性要求，设计出了这套电子密码锁系统的主要硬件结构和软件结构，基本上完成了课题的要求。不过，由于了解的专业知识尚浅，对课题的研究经验不足，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，特别是功能按键的设定。该设计系统能基本上完成一个电子密码锁应有的功能特性：输错报警，显示提示等功能。本系统相较于机械锁，防盗能力已经相当不俗。这个系统软硬件设计简单，易于开发，成本低，安全可靠，操作方便。通过这次毕业设计，无论从选题到定稿，从理论到实践都使我学到了很多东西，它不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。同时也明白了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 附 录附录表一：使用汇编编程如下;*; NLW 电子密码锁程序;*;以下8个字节显示存储区LED_BIT_1 EQU 30HLED_BIT_2 EQU 31HLED_BIT_3 EQU 32HLED_BIT_4 EQU 33H;以下8个字节存放初始密码WORD_1 EQU 34HWORD_2 EQU 35HWORD_3 EQU 36HWORD_4 EQU 37H;以下8个字节存放键盘输入的8位密码KEY_1 EQU 38HKEY_2 EQU 39HKEY_3 EQU 3AHKEY_4 EQU 3BHVAL EQU 3EH ;键值COUNT_1 EQU 3FH ;密码输入次数;*;以下为初始化程序,包括数据存储空间初始化,设置初始密码 ORG 0000H AJMP START ORG 0100HSTART: MOV VAL,#00H MOV R0,#00H MOV R1,#00H MOV R2,#00H MOV R3,#00H MOV R4,#00H MOV R5,#00H MOV R7,#00H MOV R6,#00H MOV A,#00H MOV B,#00H MOV KEY_1,#00H ;输入密码存储区清0 MOV KEY_2,#00H MOV KEY_3,#00H MOV KEY_4,#00H MOV WORD_1,#00H ;设置初始密码为1234 MOV WORD_2,#01H MOV WORD_3,#02H MOV WORD_4,#03H MOV P3,#00H;*; 主程序开始A0: MOV LED_BIT_1,#0F9H ;显示存储区 开始显示1234 MOV LED_BIT_2,#0A4H MOV LED_BIT_3,#0B0H MOV LED_BIT_4,#99H MOV COUNT_1,#03H ;密码错误次数置三 LCALL DISP ;调用数码显示子程序1234 等待按键 LCALL LSCAN ;调用按键程序 CJNE R3,#0AH,A4 ;是否为ENT键（#号）不相等则跳转*号重设密码键 LCALL LE0 ;检测到“ENT”不显示 等待密码输入 LCALL DISPA00: LCALL INPUT1 ;转入密码输入程序 INPUT1A1: LCALL LSCAN ;密码输入完毕 检测“ENT” LCALL DISP CJNE R3,#0AH,A1 ;检测到“ENT” 则比较 LCALL DISP ;显示 - LCALL LE0 ;显示区清空 LCALL COMPA ;转入密码比较程序COMPA CJNE R6,#01H,A2 ;返回值R6为1正确开锁否则调至A2检查密码错误次数 LCALL OPE ;密码正确 调用开锁程序 LJMP A0 ;开锁后返回A0A2: DJNZ COUNT_1,A3 ;三次错误则报警 LJMP ALARM A3: LCALL LE_NO ;错误未达三次则显示NO 返回密码输入程序 LCALL DISP LCALL LE0 ;密码输入错误显示NO后可继续输入密码 LJMP A00 ;未满三次继续调用密码输入程序A4: CJNE R3,#0BH,A0 ;是否为“CHAN”修改密码键 *键 LCALL LE0 LCALL DISP A5: LCALL INPUT1A6: LCALL LSCAN CJNE R3,#0AH,A6 ;旧密码输入完毕按确认再进行比较 LCALL COMPA CJNE R6,#01H,A8 ;返回值R6 为1则正确 错误则跳至A8检测错误次数A7: LCALL LE8 LCALL DISP ;旧密码正确显示8 LCALL LE6 ;显示6后要按确认键再输入新密码 LCALL DISP LCALL LSCAN CJNE R3,#0AH,A7 ;检测确认键 LCALL LE0 LCALL DISP LCALL CHAN ;新密码输入OK1: LCALL LSCAN ;新密码输入完毕按确认键 CJNE R3,#0AH,OK1 LCALL LE_OK ;显示“OK”20次 SETB P3.1 MOV 40H,#20OK1_1: LCALL DISP DJNZ 40H,OK1_1 CLR P3.1 ;绿灯亮3秒 AJMP A0 ;密码修改成功 返回A0A8: LCALL LE_NO ;密码校验错误 显示“NO” LCALL DISP A9: DJNZ COUNT_1,A10 ;校验三次错误报警 LJMP ALARM ;密码三次错误调用报警程序A10: LCALL LE0 LCALL DISP LCALL LSCAN AJMP A5;*; 读键值子程序LSCAN: ACALL KS1 ;调用判别有无按键闭合子程序 CJNE A,#0FH,LK1 ;有键闭合,则转LK1 SJMP LSCANLK1: ACALL DLY_S ;调用程序延时,消除抖动 ACALL KS1 ;消抖后再次判断是否有键闭合 CJNE A,#0FH,LK2 ;有键闭合,转LK2 AJMP LSCANLK2: MOV R2,#0EFH ;键盘列扫描模式,先扫描第一列 MOV R5,#00H ;初始扫描第一列,列号为0LK3: MOV A,R2 ;使第一列为1,检测有无按键 MOV P1,A MOV A,P1 MOV B,A JB ACC.0,NEXT1 ;P3第0位为1,说明无键按下,转至NEXT1,即下一行 MOV A,#0 ;P3第0位为0,有键按下,行起始行键号为0 AJMP LKP ;跳转至LKP,计算键号NEXT1: JB ACC.1,NEXT2 ;P3第1位为1,说明无键按下,转至NEXT2,即下一行 MOV A,#4 ;P3第1位为0,有键按下,行起始行键号为4 AJMP LKP ;跳转至LKP,计算键号NEXT2: JB ACC.2,NEXT3 ;P3第2位为1,说明无键按下,转至NEXT3,即下一行 MOV A,#8 ;P3第2位为0,有键按下,行起始行键号为8 AJMP LKP ;跳转至LKP,计算键号NEXT3: JB ACC.3,NEXT ;P3第3位为1,说明无键按下,转至NEXT,即下一列 MOV A,#12 ;P3第3位为0,有键按下,行起始行键号为12 AJMP LKP ;跳转至LKP,计算键号LKP: ADD A,R5 ;行起始键号与列号之和为键号LK4: MOV VAL,A MOV R3,A SETB P3.0 LCALL DLY CLR P3.0 RETNEXT: INC R5 ;指向下一列,列号加1 MOV A,R2 JNB B.7,DONE ;是否4列全扫描完毕 RL A ;没有,准备扫描下一列 MOV R2,A AJMP LK3DONE: AJMP LSCAN ;回到键扫程序开始处KS1: MOV P1,#0FH ;将所有的列都置1,并将低四位作为输入口 MOV A,P1 ;读取行状态 RET ;*; 新密码输入程序CHAN: MOV R0,#WORD_1 ;原始密码第一位地址赋给R0 MOV R4,#04H ;密码位数给R4CHAN1: LCALL LSCAN LCALL SHIFTL LCALL DISP MOV R0,VAL DJNZ R4,CHAN2 RETCHAN2: INC R0 ;4位密码未输入完则转回继续输入 AJMP CHAN1;*; 密码输入程序INPUT1: MOV R4,#04H MOV R0,#KEY_1INPUT: LCALL LSCAN ;没键按下时处理 JNB P1.0,INPUT_3 ;无按键则转INPUTJNB P1.1,INPUT_3JNB P1.2,INPUT_3JB P1.3,INPUTINPUT_3:MOV R0,VAL ;用来保存密码 INC R0 LCALL SHIFTL ;显示左移程序 LCALL DISP ;调用显示程序 DJNZ R4,INPUT ;8位密码是否输入完毕 INPUT_2:RET;*; 密码比较程序COMPA: MOV A,KEY_1 ;输入密码暂存第一位地址给A CJNE A,WORD_1,COMPA_1 ;不相等则跳出赋R6为0 MOV A,KEY_2 CJNE A,WORD_2,COMPA_1 MOV A,KEY_3 CJNE A,WORD_3,COMPA_1 MOV A,KEY_4 CJNE A,WORD_4,COMPA_1 MOV R6,#01H ;密码正确则赋R6为1，返回 AJMP COMPA_2COMPA_1:MOV R6,#00H COMPA_2:RET ;*; 开锁程序OPE: SETB P3.0 ;开锁 红灯亮 同时显示888888888 LCALL LE8 LCALL DISP LCALL DLY_L ;调用延时程序 CLR P3.0 MOV COUNT_1,#03H RET;*; 密码3次错误报警程序ALARM:SETB P3.2 LCALL LE_NO2 LCALL DISP LCALL DLY_L CLR P3.2 LJMP A0;*; 以下为各种显示赋值程序LE8: MOV LED_BIT_1,#80H ;显示存储区 显示8888 MOV LED_BIT_2,#80H MOV LED_BIT_3,#80H MOV LED_BIT_4,#80H RETLE6: MOV LED_BIT_1,#82H ;显示存储区 显示6666 MOV LED_BIT_2,#82H MOV LED_BIT_3,#82H MOV LED_BIT_4,#82H RETLE_NO: MOV LED_BIT_1,#0FFH ;显示存储区 显示NO MOV LED_BIT_2,#0FFH MOV LED_BIT_3,#0C0H MOV LED_BIT_4,#0C8H RETLE_NO2:MOV LED_BIT_1,#0C0H ;显示存储区 显示NONO MOV LED_BIT_2,#0C8H MOV LED_BIT_3,#0C0H MOV LED_BIT_4,#0C8H RETLE0: MOV LED_BIT_1,#0FFH ;显示存储区 显示空 MOV LED_BIT_2,#0FFH MOV LED_BIT_3,#0FFH MOV LED_BIT_4,#0FFH RETLE_OK: MOV LED_BIT_1,#0FFH ;显示存储区 显示OCOC MOV L