基于单片机控制的电子密码锁

长 治 学 院 2012 届学士学位毕业论文 基于单片机控制的电子密码锁 学 号 xxxxxxxxxx 姓 名 xxxxxxx 指导教师 xxxxxxx 专 业 xxxxxxxxxxxxx 系 别 xxxxxxxxxxxx 完成时间 2012 年 5 月 1 基于单片机控制的电子密码锁 专业 电子信息科学与技术 指导教师 XXXX 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 具有防盗报警等功能的电子密码锁代替密码量少 安全性差的机械式密码锁已是必然趋势 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 记住密码即可开锁等优点 本系统由AT89S51单片机系统 主要是AT89S51单片机最小系统 矩阵键盘 LCD12864显 示和报警系统等组成 具有设置 修改六位用户密码 超次报警 超次锁定 密码错误报警等功能 本系统成本低廉 功能实用 关键词 AT89S51 AT24C02 电子密码锁 矩阵键盘 目 录 1 引言 1 2 方案论证与比较 1 3 电路的功能单元设计 硬件设计 3 3 1 单片机最小系统 3 3 2 预警系统 3 3 3 显示电路设计 4 3 4 开锁机构 5 3 5 按键电路设计 5 3 6 AT24C02 掉电存储单元的设计 6 3 7 密码锁的电源电路设计 8 3 8 设计总框图 9 3 9 设计总体电路图 9 4 程序设计 11 4 1 模块介绍 11 4 1 1 主程序模块 11 4 1 2 键盘扫描及识别子程序 11 4 1 3 调电存储服务程序 11 4 1 4 显示子程序 11 4 2 程序流程图 11 5 总结 12 6 调试结果 15 参考文献 14 AbstractAbstract 14 附录 16 1 1 引言 随着人们生活水平的提高 如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出 传统 的机械锁由于其构造的简单 被撬的事件屡见不鲜 电子锁由于其保密性高 使用灵 活性好 安全系数高 受到了广大用户的亲呢 设计本课题时构思了两种方案 一种是用以 AT89s51 为核心的单片机控制方案 另一种是用以 74LS112 双 JK 触发器构成的数字逻辑电路控制方案 考虑到数字电路方 案原理过于简单 而且不能满足现在的安全需求 所以本文采用前一种方案 2 方案论证与比较 方案一 采用数字电路控制 其原理方框图如图 2 1 所示 密码修改电路 键盘输入开锁电 路 报警次数检测 限 时 报 警 密码校验电 路 锁定 5 分钟 执行电路 市电供电电 路 蓄电池 开始计时 消除 报警 信号 正确 开门 锁定 脉冲 220v 3 密码锁 断电检 测 6v Y N 图 2 1 数字密码锁电路方案 采用数字密码锁电路的好处就是设计简单 用以 74LS112 双 JK 触发器构成的数字 逻辑电路作为密码锁的核心控制 共设了 9 个用户输入键 其中只有 4 个是有效的密 码按键 其它的都是干扰按键 若按下干扰键 键盘输入电路自动清零 原先输入的 密码无效 需要重新输入 如果用户输入密码的时间超过 40 秒 一般情况下 用户不 会超过 40 秒 若用户觉得不便 还可以修改 电路将报警 80 秒 若电路连续报警三 2 次 电 3 路将锁定键盘 5 分钟 防止他人的非法操作 电路由两大部分组成 密码锁电路和备用电源 UPS 其中设置 UPS 电源是为了 防止因为停电造成的密码锁电路失效 使用户免遭麻烦 密码锁电路包含 键盘输入 密码修改 密码检测 开锁电路 执行电路 报警 电路 键盘输入次数锁定电路 方案二 采用一种是用以 AT89S51 为核心的单片机控制方案 利用单片机灵活的编程 设计和丰富的 IO 端口 及其控制的准确性 不但能实现基本的密码锁功能 还能添加 掉电存储 声光提示甚至添加遥控控制功能 其原理如图 2 2 所示 图 2 2 单片机控制方案 通过比较以上两种方案 单片机方案有较大的活动空间 不但能实现所要求的功 能而且能在很大的程度上扩展功能 而且还可以方便的对系统进行升级 所以我们采 用后一种方案 开锁控制电路 89S51 单片机 AT24C02 掉电存储 串口显示电路 矩阵 键盘 控制 指示电路 输入错误锁定键盘 延时报警控制电路 4 3 电路的功能单元设计 硬件设计 3 1 单片机最小系统 通常情况下单片机最小系统由单片机 时钟电路和复位电路三部分组成 如图 3 1 所示 K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0 P8 P9 P10 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C52 C1 33nF C2 33nF R5 10k C3 10u 图 3 1 单片机最小系统 本设计采用的是 AT89S51 单片机 主要用于实现控制功能 单片机各功能部件的 运行都是以时钟控制信号为基准 有条不紊地一拍一拍地工作 因此 时钟频率直接 影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性 本设计所采用的晶 振电路能够很好的实现控制频率的功能 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程 序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态 为摆脱死锁状态 需按复位键重新启动 3 2 预警系统 本方案采用发光二极管显示开锁状态 如果密码输入正确则开锁灯亮 如果密码 错误则警报灯亮 如图 3 2 所示 5 AC 开锁 R1 333 AC 警报 R4 333 GRE RED 图 3 2 预警电路 3 3 显示电路设计 LCD12864 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 内部含有 国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示分辨率为 128 64 内 置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利用该模块灵活的接口方式 和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交互图形界面 可以显示 8 4 行 16 16 阵的汉字 也可完成图形显示 低电压低功耗是其又一显著特点 由该模块构成的液晶 显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显示程序都要 简洁得多 且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块 本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的 考虑到为了节约单片机 的口资源 本系统的显示采用串行显示的方式 只使用单片机的两个串行口 就可以 完成单片机的显示功能 显示电路的电路原理图如图 3 3 所示 电路设定 当程序检测在 5 分钟内没有按键操作的时候 就关闭显示 这个功能 使用程序来实现的 一旦没有按键动作就启动一个定时器 检测在 5 分钟内没有按键 动作的时候 启动一个程序 关闭显示 这样可以达到节省电能的目的 从单片机串口输出的信号先送到左边的移位寄存器 74HC164 由于移位脉冲的 作用 使数据向右移 达到显示的目的 移位寄存器 74HC164 还兼作数码管的驱动 插头 1 header1 接电源 插头 2 header2 接数据和脉冲输出端 电路中的三个整 流管 D1 D3 的作用是降低数码管的工作电压 增加其使用寿命 6 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC1 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC2 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC3 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC4 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC5 A 1 B 2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK 8 MR 9 IC6 1 2 HEADER2 1 2 HEADER1 vcc a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED0 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED1 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED2 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED3 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED4 a bf c g d e DPY1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8dp dp 9 LED5 C d1d2d3 图 3 3 显示器原理图 3 4 开锁机构 通过单片机送给开锁执行机构 电路驱动电磁锁吸合 从而达到开锁的目的 其 原理如图 3 4 所示 单片机微控 制器 开锁驱动电路 电磁锁 密码正 确 Y 返回 N 图 3 4 密码锁开锁机构示意图 当用户输入的密码正确而且是在规定的时间 普通用户要求在 12s 内输入正确的 密码 管理员要求在 5s 输入正确的密码 输入的话 单片机便输出开门信号 送到开 锁驱动电路 然后驱动电磁锁 达到开门的目的 其实际电路如图 3 5 所示 电路驱动和开锁两级组成 由 D5 R1 T10 组成驱动电路 其中 T10 可以选择普 通的小功率三极管如 9014 9018 都可以满足要求 D5 作为开锁的提示 由 D6 C24 T11 组成 其中 D6 C24 是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可 能产生的电磁干扰 T11 可选用中功率的三极管如 8050 电磁锁的选用要视情况而定 但是吸合力要足够且由一定的余量 在本次设计中 基于节省材料的原则 暂时用发光二极管代替电磁锁 发光管亮 7 表示开锁 灭 表示没有开锁 图 3 5 密码锁开锁机构电路图 3 5 按键电路设计 由于设计要求使用矩阵键盘 所以本设计就采用行列式键盘 同时也能减少键盘 与单片机接口时所占用的 I O 线的数目 在按键比较多的时候 通常采用这样方法 其原理如图 3 6 所示 89S51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 5 1K X 4 5 1K X 4 VCC 图 3 6 行列式键盘原理电路图 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 N 条行线和 M 条列线 即可组成具有 N M 个按键 的键盘 在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中 键盘处理程序首先执行等待 按键并确认有无按键按下的程序段 当确认有按键按下后 下一步就要识别哪一个按键按下 对键的识别通常有两种 方法 一种是常用的逐行扫描查询法 另一种是速度较快的线反转法 T1 0 T1 1 D5 GN D R1 3 3 K 电磁锁 C2 4 VC C 信信信信信信信信 D6 8 对照图 3 6 所示的 4 4 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 K4 K5 K6 K7 K0 K1 K2 K3 121212 121212 121212 121212 123 456 789 0 12 12 12 12 更更正正改改密密 锁锁定定 图 3 7 矩阵键盘仿真图 10 个数字键用来输入密码 另外 3 个功能键分别是 锁定 改密 更正键 的功 能是确认输入的密码 当用户不小心三次输入密码都没有正确 键盘被锁定 这个时 候就可以启动管理模式 使用管理员的密码来开门 改密键是用来进入修改密码的状 态 面板上还有一个蜂鸣器 其中一个功能是用来指示操作的按键是否在成功的按下 3 6 AT24C02 掉电存储单元的设计 掉电存储单元的作用是在电源断开的时候 存储当前设定的单价信息 AT24C02 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 9 3 8 所示 SCK 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A1 2 A2 3 U3 24C02C SCK SDA R2R3 图 3 8 掉电存储电路原理图 图中 R2 R3 是上拉电阻 其作用是减少 AT24C02 的静态功耗 由于 AT24C02 的数 据线和地址线是复用的 采用串口的方式传送数据 所以只用两根线 SCL 移位脉冲 和 SDA 数据 地址 与单片机传送数据 每当设定一次信息 系统就自动调用存储程序 将信息保存在芯片内 当系统重 新上电的时候 自动调用读存储器程序 将存储器内的信息 读到缓存单元中 供主 程序使用 3 7 密码锁的电源电路设计 为了防止停电情况的发生 本电路后备了 UPS 电源 它包括市电供电电路 停电 检测电路 电子开关切换电路 蓄电池充电电路和蓄电池组成 电源电路图如图 3 9 所示 1 2 JP1 1 2 JP2 D1 D2D3 D4D5 R1 1K C1 33 00 C2 0 1 C3 33 00 1 2 3 78 05 图 3 9 市电供电电路 220V 市电通过变压器降压成 12V 的交流电 再经过整流桥整流 7805 稳压到 5V 送 往电子切换电路 由于本电路功耗较少 所以选用 10W 的小型变压器 由 R8 R9 R6 R7 及 IC14 构成电压比较器 正常情况下 V V IC14 输出高电平 由 T3 T4 构成的达林顿管使继电器 J 开启 将其常开触电将蓄电池和电路相连 实现市电和蓄 10 电池供电的切换 保证电子密码锁的正常工作 视电池容量而定持续时间 其电路图 如下图 3 10 所示 R8 50K R9 40K R7 30K R6 20K T3 9018 R10 5 1K T4 9014 1 2 3 IC14 741 5V A1 A2 5V A1 A2 VCC 图 3 10 停电检测及电子开关切换电路 T1 T2 构成的蓄电池自动充电电路 它在电池充满后自动停止充电 其中 D1 亮为 正在充电 D2 为工作指示 由 R4 R5 T1 构成电压检测电路 蓄电池电压低 则 T1 T2 导通 实现对其充电 充满后 T1 T2 截止 停止充电 同时 D1 熄灭 电路 中 C4 的作用是滤除干扰信号 其电路图如图 3 11 所示 R5 470 R2 3K R1 3K T1 9014D2D1 C4 0 1U 3CG21 R4 3K 6V A26V 图 3 11 蓄电池自动充电电路 3 8 设计总框图 开锁控制电路 89S51 单片机 AT24C02 掉电存储 串口显示电路 矩阵键盘控制 输入错误锁定键盘 延时报警控制电路 电源电路及 UPS 电路 指示电路 11 图 3 12 总体设计框图 3 9 设计总体电路图 K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K4 K5 K6 K7 K0 K1 K2 K3 K1 K3 K2 K0 P8 P9 P10 P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0 P7 P6 P5 P4 P3 P2 P1 P0 P8 P9 P10 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C52 INT0 INT0 AC 开锁 R1 333 SCK 6 SDA 5 WP 7 A0 1 A1 2 A2 3 U3 24C02C SCK SDA R2R3 SCK SDA 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 121212 121212 121212 121212 AC 警报 R4 333 GRE RED GRE RED 123 456 789 0 12 12 12 12 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD2 LM016L 更更正正改改密密 锁锁定定 C1 33nF C2 33nF R5 10k 1 2 U2 AND 4 作者 周静 长治学院 电子信息与物理系 完成于2012年5月22日 初始密码 111111 基基于于单单片片机机的的电电子子密密码码锁锁 C3 10u 1 2 3 4 J1 RL1 Q1 2N5550 R6 1K GRE GND VCC VCC GND D3 GND VCC 图 3 13 总体电路图 12 4 程序设计 4 1 模块介绍 该计程计价系统的软件设计分为以下几个模块 4 1 1 主程序模块 主程序主要完成初始化 设置中断向量 检查有无按键按下 以及调用显示等等 4 1 2 键盘扫描及识别子程序 键盘采用查询的方式 放在主程序中 当没有按键按下的时候 单片机循环主 程序 一旦有按键按下 便转向相应的子程序处理 处理结束再返回 其程序流程如 图 所示 4 1 3 调电存储服务程序 当比较密码的时候 需要读 AT24C02 程序 将存储在芯片内的数据读到 RAM 中 然后和输入的密码相比较 当修改密码的时候 需要把输入的密码保存到 AT24C02 中 其程序流程如图 所示 4 1 4 显示子程序 由于是分屏显示数据 所以就要用到 5 个显示子程序 分别是 关闭状态显示子程 序 DIS A 开锁状态显示子程序 DIS B 密码输入及修改状态显示子程序 DIS C 密码输入错误后的提示子程序 DIS D 密码在规定的时间内输入错误次数超过 3 次后 的锁定状态显示子程序 DIS E 4 2 程序流程图 13 开始 初始化 有键按下 调用显示 启动定时 识别按键 全部按完 超时 比较密码 开门 开始 自动清除 3 次 锁定 N N Y Y Y Y N N 按下 F2 启动定时 输入密码 存入缓冲 再输入一次 比较密码 调用 24C02 调用显示 按 F2 退出 Y 重新输入 N 图 4 1 主程序流程图图 4 2 修改密码流程图 5 总结 由于使用的是单片机作为核心的控制元件 以及灵敏的霍尔开关型器件 使本电 子密码锁具有功能强 性能可靠 电路简单 成本低的特点 加上经过优化的程序 使其有很高的智能化水平 密码锁的设计还不够人性化 比如加上语音的提示功能 可能会更有生命力 14 6 调试结果 调试结果如图 6 1 6 4 图图 6 16 1 图图 6 26 2 图图 6 36 3 图图 6 46 4 15 参考文献 01 何宏主编 单片机原理与接口技术 北京 国防工业出版社 2006 7 02 杨西明 朱骐主编 单片机编程与应用入门 北京 机械工业出版社 2004 6 03 先锋工作室编著 单片机程序设计实例 北京 清华大学出版社 2003 1 04 谢宜仁主编 单片机实用技术问答 北京 人民邮电出版社 2003 2 05 梁丽 电子密码锁的计算机仿真设计 计算机仿真 2005 06 房小翠 王金凤编著 单片机实用系统设计技术 北京 国防工业出版社 1999 6 07 各种网络教程及其他 08 王宽仁 可靠安全的智能密码锁 电子技术应用 2001 09 李捷 陈典涛 陈建华等 一种基于单片机的电子密码锁的设计 农机化研究 2004 5 10 董继成 能防止多次试探密码的单片机密码锁 国外电子元器件 2004 3 11 赵益丹 徐晓林 周振峰编著 电子密码锁的系统原理 设计程序及流程图 嘉兴学院学报 2003 15 12 张培仁 基于 C 语言编程 MCS 51 单片机原理与应用 北京 清华大学出版社 2002 12 13 李朝清 PC 机及单片机数据通信技术 北京 北京航空航天大学出版社 1999 14 路而红 专用集成电路设计与电子设计自动化 北京 清华大学出版社 2004 15 刘文涛 MCS 51单片机培训教程 C51 版 电子工业出版社 2005 8 16 王为青 程国钢 单片机Keil Cx51 应用开发技术 人民邮电出版社 2007 2 17 范风强 兰婵丽 单片机语言C51应用实战集锦 电子工业出版社 2003 3 18 龚运新 单片机 C 语言开发技术 清华大学出版社 2006 10 19 邵贝贝 单片机嵌入式应用的在线开发方法 清华大学出版社 2006 3 20 王宜怀 单片机原理及其嵌入式应用教程 北京希望电子出版社 2002 16 Based on single chip electronic password lock Author Zhou Jing Instructor Zhang Yi Abstract In the day to day living and working in the residential sector and the safety precautions units of paper files financial statements and some personal information to the preservation of more than locking the solution to the problem If the use of traditional mechanical key to unlock people often need to carry more keys a very inconvenient to use and after the loss of key security that is greatly reduced With anti theft alarm function instead of the password is less electronic lock security poor mechanical lock is an inevitable trend With the continuous development of science and technology in the daily lives of people on insurance safety devices increasingly demanding To meet the requirements of the use of locks to increase their security with a password instead of the password key lock came into being Password lock is safe low cost low power consumption easy to operate Remember the password to unlock it and other advantages MCU system from the system Mainly AT89S51 microcontroller minimum system Matrix keyboard LED display and alarm system With the settings modify the six user password Ultra alarm Ultra Lock Password error alarm and ot