电子智能锁设计

第一章绪论1.1选题背景日常的工作和生活中，个人的信息安全、居家小区的出入通行以及公司国家的机密文件，必不可少的安全防范就是上锁加密。随着科技的不断提升和安全意识的加强，对于锁的质量及安全需求也随之增加。传统的机械式钥匙开锁往往需要携带多种钥匙，使用相对比较繁琐，若钥匙遗失安全性也会大打折扣。因此，用密码代替钥匙的电子密码锁横空出世。它不仅能满足人们对传统锁的一切需求，而且还带来了成本更低、使用更方便、操作简化、灵活性更好等优势。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。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。从安全防范上来说，具有防盗报警功能的电子密码锁克服了传统机械锁易磨损、寿命短、安全性差等特点。在单片机问世后，携带微处理器的智能密码锁，从技术和性能更是让电子密码锁的安全性，实用性大大提升。1.2设计意义近年来由于科技的发展和人们的生活需求，许多电子智能锁已在国外相继面世。而我们国家也十分看重并也在积极研发投入这一块项目，因此涌现出许多制作智能家具的厂商。以小米智能门锁为例，除了平常的机械钥匙解锁外，它更是支持蓝牙、指纹、nfc、20位虚位密码、指纹五种全新解锁方式。除此之外，我们最常使用的手机为了个人隐私安全，也离不开设计密码。因此制作红外蓝牙解锁单片机也具有深远的现实意义，并且还具有很好的前景和经济意义1.3设计目标主要以STC89C52单片机为核心控制器件，搭载4*4矩阵键盘接口电路、显示电路、报警电路、红外模块、蓝牙模块以及一个电磁锁从而实现以下功能：接通电源，打开开关，通过矩阵键盘输入密码，输入完成后按下确认键。如果密码正确电磁锁打开，二极管灯亮，此时还可进行修改密码的操作。否则LCD显示器显示ERROR并且蜂蜜器响动，显示第一次输入错误，当连续输入错误三次密码，自动锁死，并且蜂蜜器持续响动一分钟。如果忘记密码，可输入管理员密码，此时会返回系统默认的初始密码。输入密码过程中如果输入错误可以使用删除键或者退出键进行重新输入。设置密码也可以进行删除或者退出。接通电源，打开开关，通过遥控器进行红外遥控，使其可以进行在矩阵键盘上所实现的所有功能。接通电源，打开开关，同时在手机上下载指定的app，打开手机蓝牙，通过蓝牙模块与单片机进行连接。连接成功后可以也可以实现上述的所有功能。第二章系统设计开发技术这次设计是基于单片机而进行的开发设计，主要是将硬件模块和单片机相结合，然后通过KeiluVision进行程序的编写，最后再将程序烧录到单片机中。2.1单片机的基本概述单片机是一种主要用于集成电路，由存储器、控制器等设备构成的一种芯片。它凭借自身的技术的飞速发展，已经进入到生活的各个领域，随处可见他们的踪影单片机就是微型计算机的代表，嵌入式系统必须将微处理器、存储器、I/O、逻辑控制器等集成在一个芯片上，从而嵌入式系统通过独立的发展才产生微型单片机。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从逻辑功能上来看，都具有微机系统的特性，各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品前冠以形容词—“智能型”，如智能洗衣机等。为了满足测控系统要求的外围电路，突出智能控制能力，单片机在各个领域深入发展。各种运算速度快，寻址能力强的单片机百花齐放，不同型号的单片机互相借鉴学习，取长补短。单片机朝着高性能、高可靠性、低功耗、小体积、大容量、低价格的方向发展。所以单片机适用于各个领域，小至民用的家用电器，大至复杂的工业控制，都会应用到单片机。2.2液晶显示简介它就是一个可以随时给我展示信息的高科技，我们随时都可以从它的屏幕上了解到此时的湿度值。液晶显示屏的种类很多，常用的主要有TN、STN和TFT型液晶显示屏，从技术层次和价格水平上TN、STN、TFT这3中显示器的排列顺序依次递增。从它的自带屏幕上我们可以分辨出一些数据，我们还可以调节它的分辨率，让我们在视觉上有一点的体验感。2.3C51语言概述对于软件开发人员来说，常常用到单片机编程语言，但是对于不同水平的开发者选择的编程语言都不一样，其中有四种编程语言是开发过程中最常用到的，有C语言、汇编语言、Java语言还有E语言等。c51语言是在标准C语言的基础上针对8051单片机的硬件特点进行了扩展，并向8051单片机上移植，经过多年努力，C51语言已成为公认的的高效、简洁的8051单片机的使用高级编程语言。与8051汇编语言相比C51语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显优势，且易学易用。2.4Proteus8Professional的运用Proteus是一款用于仿真单片机的软件，从代码的调试和原理图的布置等方面来说，非常适用于各类设计。2.5KeiluVision4简介Keil是一款使用入门汇编语言或C语言要使用编译器,它可以把写好的程序编译为机械码，以此让hex文件写入单片机中。第三章总体方案的确定本章对系统的硬件的选择做出了比较，并且最终确定了设计大体的流程以及每一个操作的步骤。3.1硬件方案的选择3.1.1单片机的选择方案一：STC89C52单片机，它与传统的51单片机完全兼容，使用起来相当方便，不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行，还能进行位的逻辑运算。烧录程序时，用USB转串口就可以完全转换。不仅是成本低，而且性能也是一流，能流畅的处理多种运算。对于初学者入门学习也十分方便无障碍。方案二：MSP30系列单片机，这个系列的单片机采用精简指令集结构，具有丰富的寻址方式，大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算，有高效的查表处理指令，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns，这些特点保证它可以编制出高效率的源程序。另一大亮点在于因为它降低芯片的电源电压以及灵活而可控的运行时钟方面都有独到之处所以它的功耗也极低。但他最大的缺点在于不易上手，不少资料要到官网少去找，因此不适合初学者学习设计。综合上述分析比较，这两种单片机虽然各有千秋，但STC89C52单片机的使用方式、成本以及了解程度上都远远多于MSP30系列。因此我更倾向于使用STC89C52来作为控制核心3.1.2显示器方案一：LCD1602液晶显示器，它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。它能够同时显示16x02即32个字符。显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。优势在于显示字母和数字比较方便、控制简单、成本较低等。但劣势是显示度的字体有大小限制、不能显示图形、同时也不显示曲线。方案二：LCD12864液晶显示器，LCD12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8×4个（16×16点阵）汉字或者显示16×4个（8×16点阵）ASCII码。功耗低、体积小不占面积、重量轻、超薄等。缺点是LCD12864液晶显示信息道量大，相对来说程序和电路都比较复杂并且价格较高。综合上述分析，在我的设计中液晶显示屏用于显示输入密码以及密码错误后显示输入错误等字符为主的显示，因此方案一更符合我的需求，所以选用LCD1602作为显示装置。3.1.3红外模块红外遥控进行系统设计，除了了解原理和标准，还应该有一个方案，如图3-1所示。单片机系统单片机系统报警模块STC89C52电磁锁红外接收红外发射模块图3-1红外遥控模块原理图红外遥控是单工的红外通信方式，本设计的红外遥控是以通信方式为基础的红外遥控，而且本设计也使用了红外通信技术，红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。系统主要由发射块和接收模块两部分组成。其中发射模块是由STC89C52单片机、载波发生器、调制放大电路以及红外发射电路组成；接收模块则由红外接收电路、STC89C52单片机、继电器和机械锁构成。具体结构如图3-2所示单片机单片机红外接收调制发射单片机单片机红外接收调制发射红外发射机械锁继电器红外发射机械锁继电器载波载波图3-2接收模块原理流程图3.1.4蓝牙模块 蓝牙模块是一种集成蓝牙功能的pcba板。通常此模块都属于“半成品”只要对它进行再利用，就可以开发。这种芯片常用的几大类型是：数据传输、蓝牙音频以及音频数据相结合等等。3.2设计的总体概略如图3-3所示，本设计以STC89C52单片机为核心，赋予其所需硬件电路，以此完成密码的设置、识别。驱动电磁执行器并检测驱动电流值。接收蜂鸣器送来的报警信号、发送数据等功能。单片机接收按键输入的代码，并将其与EEPROM中的六位密码进行比较。如果密码正确，驱动电磁执行器开锁，如果密码不正确，单片机通过通信线路发出报警信号。六位的密码可以排列出上百万种组合，因此这也会让密码锁极具保密性。密码锁主要由单片机、4*4矩阵键盘以及外部硬件组成。为了使密码锁的解锁方式具有多样性，还增加了红外模块以及蓝牙模块，以此通过多种渠道进行开锁。三种方式在解锁时都会和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给单片机芯片进行处理。同时将接受来自无限循环的密码识别程序的报警信息也发送给智能报警器，从而使整个密码锁正常运行。STC89C52STC89C52单片机电源输入电路电源输入电路开锁电路键盘接口电路复位电路开锁电路键盘接口电路复位电路晶振电路晶振电路报警电路报警电路图3-3密码锁系统程序框图第四章系统硬件设计4.1单片机STC89C52简介在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52是一种性能高、耗能低的八位微控制器。配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，运算速度快，功能强大，使用起来方便快捷。最高时钟频率为80Mhz，与工业80C51产品引脚和指令完全兼容。4.1.1主要特性(1)有8KB的Flash空间；(2)512B的内部存储器可供你使用；(5)定时器\计数器：3个16位；(6)1个自带的通用异步通信口；(7)有8个中断源可供使用；(8)有ISP在系统可编程在线技术；4.1.2引脚功能说明图4.1STC89C52引脚图表4-1P0口和P2口的特性P0提供8位的地址总线和数据总线，在不扩展外部的存储器或者I/O端口时，可以用来作为准双向的8位I/O口使用P2是一个8位准双向的I/O口。在进行Flash编程时，可以接受一些控制信号P1口：\t"C:/Users/Administrator/Desktop/常用软件/007/PaperPass-旗舰版-检测报告/htmls/detail_report/right"P1.0~P1.7总称为P1口，是一个带有内部上拉电阻的8位准双向的I/O端口[12](P22)，在编程时，对P1口输入高电平，上拉电阻就会输出高阻抗，把P1口作为输入口使用，输入电流。它的引脚功能如表4-2所示：表4-2P1口的引脚功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的重载/捕捉触发信号）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P3口：是一个可以实现内部上拉电阻的8位双向I/O口。它的每个引脚都有两个作用，作为特殊功能使用，如表4-3所示。表4-3P3口引脚及各个引脚的功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）RST复位信号的输入端口，输入为高电平有效4.2A/D转换器ADC0832是具有8位分辨率、双通道A/D的转换芯片，它的体积就像正常大拇指指甲盖一般，它的适应能力、兼容情况实力都很强，有了DI数据输入端我们就可以很轻易的实现选择通道功能，在有双数据的输入的情况下就可以减小数据与数据之间的误差，避免了在实验中由于数据误差带来的麻烦。本次采用的ADC0832原理图如图4-2所示：图4-2ADC0832原理图实物图（1）/CS：低电平会触发效果；（2）CH0和CH1：输入端输入模拟信号；（3）DI：数据输入口（输入命令用）；（4）DO：数据输出口（输出AD转换结果）；（5）CLK：时钟，低于600KHZ；（6）VCC：电源兼基准，5V。4.3LCD1602液晶显示器简介和原理图液晶显示有多种显示方式，主要有分段显示、字符显示和点阵显示等，本次设计使用的LCD1602的显示方式主要是字符显示,每一个点阵字符的显示最终构成一个完整的字符，这些一个个的点阵字符的间隔构成了要显示字符的间隔和行间隔。LCD1602接口比较标准，可以接到各类模块上，配置简单。RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。在使用过程中，显示器和单片机的引脚相互相连，各个引脚都有与之对应的单片机的引脚，他们实现各自的功能，这些引脚有寄存器引脚、读写信号线引脚、使能端引脚和双向传输数据线等。LCD1602的显示电路如图4-3所示：图4-3LCD1602液晶显示原理图4.4蜂鸣器电路蜂鸣器选用5V电磁式有源蜂鸣器。在实验的过程中如果测试到湿度低于20的值之后就会报警，或者是检测到的湿度值高于50之后也会报警，只有当处于中间值才会停止鸣叫。三极管在这里的作用就是起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。蜂鸣器电路如下图4-4所示：图4-4蜂鸣器电路原理图4.5复位电路设计本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。这样使用起来比较方便，就算是在程序“跑飞”时，也可以手动复位，从而不用去重启单片机电源，大大方便了我们的操作执行。复位电路上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位[14](P18)，本次实验原理图如下图4-5所示：图4.5复位电路原理图4.6晶振电路设计晶振电路是这个设计的秩序员，它统一并保证了我们这个系统的一致性，就像交通信号灯一样维持了整个交通秩序。主要的是它能够让整个电路一起有序的运行，电容C1和C2并联谐振电路接在反馈电路中，能够让电路在运行的过程中起到很大的保护作用。我们可以从如图4-6看到：图4.6晶振电路4.7继电器电路设计我们可以把一个设计看作是一个整体班级，其中继电器就相当于我们之中的某一个同学，一个同学做自己的事就是点工作，它也一样。比如在教室打扰卫生时我们就需要不同的学生去做不一样的事，这样效率也才会更高，具体到每个引脚也是一样的，当我们获取到了数据信号的时候，在电路中的电压发生变化时，三极管就会导通。电路导通，开始工作再次进行数据采集就会明白要让电磁锁打开。图4.7继电器驱动原理图4.8红外接收头它的作用是接收遥控器所收发的数据。如图4-8所示 图4-8红外接收电路4.9蓝牙模块设计制作完成后需要串口通讯软件与HC-05蓝牙模块连接控制信号的输出。通过发送相应控制代码，可以实现对手自动切换模式的切换，以及对土壤湿度的上限和下限的设置。也就是通过手机蓝牙连接了我们的蓝牙模块之后就可以对我们的整个设计系统进行操作。它的具体事项如图4-9所示：图4-9蓝牙模块电路原理图4.10系统原理图介绍这个设计系统模块部分是由液晶显示模块、复位电路、报警电路、蓝牙通讯、晶振电路，继电器模块，红外传感器电路。系统整体模块如图4-10所示图4-10系统原理图 报警电路：报警电路和三极管互相连通，报警的时候三极管在工作状态。液晶显示：液晶显示器，在焊接的时候把它的引脚分配焊接，保证数据可以准确的传输。复位电路：当我们需要重新启动或者是要再次设置的时候，按键就是我们的帮手。继电器模块：由PNP三极管控制继电器吸合。晶振电路：让电路处在同一个时钟信号下工作，保持各个电路的同步操作。A/D转换模块：在获取了模拟的数据之后我们需要将它转换为下个步骤能读出来或者能显示出来的数据。第五章系统软件设计及调试5.1主程序流程如图5-1所示，首先系统在开启后有一个默认的初始密码，在用户输入密码后，程序将会判断输入的密码是否正确，如果密码错误，会触发报警程序，并提示再次输入密码，当密码连续错误三次后密码锁会强制锁死并报警。在一分钟以后返回初始状态。如果密码正确，用户可以选择是否修改密码，如果选择修改密码会进入修改密码程序，在设置完成后最终返回初