【基于STC89C52单片机的电子控制密码锁设计7600字】

第一章绪论1.1课题背景在日常生活和工作中，大多数人会使用锁来解决房屋和部门的安全问题、单位档案和一些个人数据的保存。锁已经逐渐发展成为了我们家居生活中必不可少的一部分。但是以前的锁主要用的是机械材质的金属锁，都是以机械金属为主的材质，这种材质的金属锁的安全弊端主要是因为金属钥匙很重，而且钥匙需要长时间挂在人的身上或口袋里，平时出门使用也不方便，丢失后还要去装配，存在很多安全隐患。在这种情况下，人们往往需要一种安全便捷的智能锁。所以创建了一种用密码代替密钥的密码锁。密码锁的优点有:安全性高、成本低、功耗低、操作简单。该系统设计的基本要求是：通过输入密码信号来控制电路或芯片的工作方式，以次来控制一个机械开关的自动关闭，完成解锁、锁定任务。市场上电子密码锁种类各式各样，有简单密码电路，也有基于芯片的高性能产品。目前广泛使用的电子密码锁是以加密芯片的设计技术为核心且可以通过多种编程语言实现。它的使用安全性远远超过了传统机械锁。其主要优点如下:良好的数据保密性和大量的数字编码。随机解锁的成功率几乎基本为零。错误代码执行输入错误保护。当密码符号输入错误时，系统会发出密码警报。密码设置是完全可变的。用户可以经常更改密码，防止密码被他人窃取，也可以防止因人员更换而降低锁的安全性。操作简单易行，一学就能学会。1.2课题的目的及依据随着我国工业现代化和通用消费电子技术的快速发展，单片机的实际应用率和性能不断提高，技术越来越完善。由于微型单片机系统体积小、重量轻、成本低、功耗低、控制能力强和计算运行处理速度快，它已广泛应用于能源、通信、航运和军队等许多领域。1980年以后，随着新型电子锁ASIC的出现，电子锁的可靠性提高了，成本上升，体积越来越小，它更加适合在高度安全的环境下使用，并且同时需要各种电源设备来为它提供电力，使用限于一定的区域范围，很难广泛推广，因此在技术研究方面没有能够取得明显的技术进展。1.3电子密码锁发展趋势经过几千年的不断进化，“锁”已经在20时间70年代，随着微电子智能技术的广泛应用，第一把电子锁确实已经诞生了。然后，经过40到50年的经济发展和工业革命，才终于走到了今天。在当今国际上，电子锁的技术发展主要经历了四个阶段:70年代是科学电子锁用钥匙鉴别锁的时代；80年代是家用电子卡锁时代；90年代是用生物技术鉴别电子锁时代。而到了近几年，随着对物联网这一概念的接受和与电子锁技术相结合的发展，电子锁已经进入了现代物联网的新发展时代。尽管近年来国内电子锁产品市场混乱不堪，但令人鼓舞的事实是，越来越多的国内电子锁产品制造商通过独立研究和自主研发，逐渐减少了对外国制造商的依赖，并逐步形成了自己独特的电子锁产品，其中优守卫是最杰出的公司之一，该公司发明研制的优守卫无源电子锁采用逆向设计，锁体具有不带电源的植入式芯片，将移动电源、识别控制模块及通信控制模块直接集成到一个智能识别密钥中。当智能钥匙插入锁芯时，无源电子锁由智能钥匙自动供电。智能挂锁钥匙和无源电子锁分别执行用户信息识别验证和用户密码识别验证，然后任意转动智能钥匙即可打开挂锁。还可以通过挂锁软件进行授权智能挂锁钥匙，将智能挂锁钥匙直接插入挂锁中以将其安全打开。该挂锁在传统挂锁基础上，植入加密芯片，由于机械挂锁体积小、造价低、无需安装、无需维护的优势是工业锁智能化改造的最佳选择，完美解决了传统机械挂锁的缺点，如钥匙容易被复制、技术开锁简单、没有开锁记录等，充分满足了人们对现代工业锁智能化管理的需求。经过五年的独立研究和开发，优守卫电子锁今年终于推出了，现已用于能源、通信、石油、海运、后勤、军队、公共交通、博物馆、百货公司、银行、监狱和危险化学品领域，它的许多电子挂锁技术在国际上处于领先地位。现在，不仅有很多企业，而且国家还有很多优秀的社会个体也都发明了不同功能类型的密码锁，像来自广东中山的李善德一样，发明了二次自动锁定密码防盗锁，它就是利用一个双边精密刀片和两个立柱组合设计的锁芯，来有效防止任何一种技术上的防盗开口，只有一种解决方法是锁可以二次打开，即原来的钥匙。此外，它还配备了防爆保护外壳，以多种安全方式防止任何暴力物件打开。这个锁头设计主要涉及一种防盗锁头，这种属于防盗式的锁头，其结构包括锁体外壳、拨动式锁头、内芯、组件、钥匙等，其主要特征之处在于：所述的外壳整体设置于锁体内，外壳在锁体可自由设置与内芯之处的中间部分设置并安置在内芯的内孔，设置安置内芯的部位中间设置拨动头转动槽，分为两头，所述的拨动头设置与内芯匹配的内孔，所述的内芯可通过外壳内孔及通过拨动头内孔，内芯可通过外壳内孔及过拨动头内孔之后，内芯与拨动头实施紧固，内芯由外壳的两头套管住，当钥匙插入内芯与内芯的组件形成开启内芯转动时，拨动头跟随内芯转动，从而传动到锁体机构执开锁。本技术发明的优点在于体积小，成本比同类产品底，整体设置于锁体内，使用安装方便，而且藏于门心内，防盗效果更好。我们仍有理由相信，用电子机械锁具取代传统机械锁具将是一种不可避免的发展趋势。作为现代工业安全锁领域的新型电子锁的重要组成应用，电子安全锁产品具有独特的电子技术应用优势，将充分刺激中国电子锁具应用市场的快速发展，使其不仅能够在更多领域得到广泛应用，并且会使我们的未来更加安全！第二章总体方案设计2.1电子密码锁的设计要求（1）本设计将解锁密码的电子锁设定为6为密码；（2）实现输入密码错误超过3次后，蜂鸣器报警并锁定键盘；（3）24C02具有复位、掉电保存密码功能；（4）4*4的矩阵键盘其中包括0-9的功能键，ABC无定义，*号为取消当前输入操作，#号为确认键，D为修改输入密码；（5）密码可以由用户自己修改设定，修改密码前必须确保锁是处于打开状态，之后用户才能更改密码，为防止用户误操作，修改密码要输入两次。图2.1系统框图如上图2.1所示，采用STC89C52单片机为核心控制器件，其与电源复位电路、晶振控制电路共同构成一个单片机最小操作系统电路。复位控制电路的工作原理是将整个控制系统的状态恢复到最初状态，并在该状态下工作。晶振电路产生振荡电流，发送高频时钟控制信号。矩阵键盘输入开锁密码，当用户密码输入正确时，开锁驱动控制电路通过触发电磁阀开锁从而实现开锁的目的。当密码输入错误时，蜂鸣器就会发出警报。2.2总体设计方案最早电子密码锁是用模拟电子开关实现，也就是用拨码开关控制继电器开锁，但这种锁太容易被解锁。后来又出现了74LS112双JK触发器构成的数字电路为核心，但这种密码锁不易修改功能，而且准确度不高，所以，我使用STC89C52单片机作为主控芯片。基本密码锁定功能采用单片机灵活的可编程设计，丰富的IO端口，控制精度高。在单片机外围集成电路中，外部输入键盘用于设置、存储、识别和控制密码的某些功能，外部液晶屏1602用于显示。其示意图如下图2.2所示:图2.2原理图第三章系统硬件设计3.1硬件支持3.1.1STC89C52单片机简介STC89C52单片机是深圳宏晶科技（STC）研发的一款低功耗、高性能的CMOS8位微控理器，使用经典的MCS-51内核，在使用上可以兼容51单片机，而且性能比51单片机更加优越，更快的运行速度，更丰富的硬件接口集成电路以及更低的功耗。这款单片机内部具有8K的Flash和512字节的RAM，4个外部常规P0-P3端口以及32个外部双向I/O端口，其中P3端口具有两个功能：一个是常规I/O端口功能，另一个是外部复用端口（包括定时器、串口和外部电源中断）的控制功能。运行时，单片机的最大功率晶振输出频率可达到35MHZ。同时它还内含3个16位定时器/8位计数器。STC89C52可以在操作系统或其他应用程序中进行编程，不需要专门的编程器。可以通过UASRT串口直接下载该程序。STC89C52主要功能特性如下表1所示：表1:STC89C52主要功能特性STC89C52单片机在外形上有三种封装，分别为PDIP、PLCC、PQFP/TQFP，可以根据不同产品的需求选择其中之一。其实物图分别如下图3.1、3.2、3.3所示:图3.1PDIP型封装实物图图3.2PLCC型封装实物图图3.3PQFP型封装实物图STC89C52的主要引脚信号定义如下:XTAL1(Pin19)和XTAL2(Pin18)分别指的是与12MHZ晶体振荡器直接相连的片上振荡电路的输入、输出端。VCC(Pin40)是电源输入，连接到+5V电源，VSS(Pin20)为使用接地端。单片机通常具有4组8位双向可编程I/O口，即P0、P1、P2和P3；P0口可以使它是一个接在漏极上的开路有源电阻作为输出，它不需要额外添加上拉电阻；当一个主机时把它用作一个双向总线网络接口进行扩展，需要额外添加上拉电阻。P1、P2、P3每个输出缓冲器可以控制四个TTL输入，其都是带内部上拉电阻的8位双向可编程I/O口，其功能用途由软件定义。如下图3.4为单片机引脚图:图3.4STC89C52单片机引脚图3.1.2LCD1602液晶显示器LCD1602液晶显示器是一个字符型液晶显示模块，其工作原理是利用液晶的物理特性，当屏幕正常通电时，其排列将变得有序，并且光线相对较容易通过，但是当屏幕未正常通电时，该排列将变得混乱，并且光线无法通过。LCD1602集成了近160种不同的字符图形，从而增强了开发的多样性并满足了系统的开发需求。实物图如下图3.5所示:图3.5LCD1602实物图1602液晶主要用于显示字母、数字以及特定符号的点阵式显示器，液晶显示器的每个反射点在接收到特定的光信号后将会保持恒定状态，它不会发生改变，并会保持恒定的反射光线，它不同于那些需要不断进行刷新和点亮的其它发光射线管显示器，所以液晶显示器画质高且不易闪烁。各引脚功能如下表2所示:表2LCD各引脚功能表引脚功能图如下图3.6所示。图3.6LCD1602引脚图2、技术参数LCD1602主要技术参数如下表3所示:表3LCD1602主要技术参数3.1.3AT24C02存储芯片AT24C02是由美国Atmel公司生产的一个2K位串行CMOSE2PROM，内部有256个8位字节，可同时进行多次复位擦写，写入速度快，数据保存效果好，不易丢失，体积小等特点，它使用I2C总线读取和写入数据，支持较少的资源和I/O端口，并支持在线编程，存储数据既及时又方便。在单片机上应用广泛，可以实现掉电后数据不丢失功能。实物图如下图3.7所示:图3.7AT24C02实物图1.引脚功能如表4所示:表4AT24C02各引脚功能表引脚功能封装图如图3.8所示:图3.8AT24C02引脚功能封装图 2.技术参数5 AT24C02主要技术参数如下表5所示:表5AT24C02主要技术参数 3.功能描述AT24C02支持I2C总线数据传送协议，总线协议规定:任何将数据传输到总线上的器件作为发送器,任何通过接收器向总线发送数据的通信设备都必须是总线接收器。并且每个接到I2C总线上的器件的地址是唯一不变的。若数据是由主机发送到其他器件，这时主机为发送器，接受数据的器件为接收器。AT24C02的从机控制器文字由8位二进制数构成，在从机开始控制信号发出后，主机便会发出从机控制的数字，以便于选择从机并控制数据总线指向传送器的方向。3.2功能单元模块化设计3.2.1开锁电路该控制电路通过单片机解锁运行，引导锁与电磁锁相互接触，从而达到实现开锁的目的。密码锁开锁电路原理图如下图3.9所示:图3.9密码锁开锁原理图当用户输入的开锁密码正确时，单片机向开锁驱动电路接口发送开门控制信号，以驱动开关电磁阀开锁，从而实现开门的目的。在此次设计中，使用发光二极管而不是电磁锁来节约设计成本，信息显示在液晶屏上，蜂鸣器和二极管用于声控光学。其中发光二极管亮红灯表示开锁；否则，密码输入错误，蜂鸣器发声警报。3.2.2矩阵键盘设计矩阵键盘也可以称为行列式键盘，每个扫描键和码分为水平和垂直两行访问，例如，如果扫描码是垂直的，那意味着该行中接收和读取到的是同一位扫描码，扫描操作是先输入扫描码，再读取输入值，经过比较，就可以知道按下了哪个键。在此设计中，线性扫描用于键盘扫描，即该行中的每个操作都设置为低电平，而其他的操作设置为高电平，即扫描线的状态为低电平，这意味着键是按下的。在该系统设计中，矩阵键盘的行线可以连接集成到单片机P1.0-P1.3，列线可以连接集成到单片机P1.4-P1.7。矩阵键盘系统设计电路图如下图3.10所示:图3.10键盘整体框图3.2.3声音模块蜂鸣器谐振器声音元件的原理是一种电子集成电路，其结构专门用于控制将直流声音信号用作音频电源的电压互感器，是一种新型的电子音频谐振器。作为发声元件被广泛应用于各种电子类的计算机、报警器、家用电子设备等各种电子产品中。蜂鸣器按其不同工作驱动原理可将其分为两类，一类是压电式蜂鸣器，另一类是电磁式蜂鸣器。在电路中蜂鸣器通常可用英文字母“H”或“HA”等符号来表示。蜂鸣器驱动电路通常由以下部分元件组成：晶体管、蜂鸣器和限流电阻。在本设计中，当用户密码输入正确或错误时，可以根据系统功能要求发出不同的声音报警信号，从而达到报警的目的。本设计主要采用有源蜂鸣器。蜂鸣器电路，如下图3.11所示:图3.11声音报警电路三极管Q1用作开关，其基极的低电平确保三极管饱和导通，蜂鸣器发出声音；而基极高电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。第四章系统软件设计4.1主程序模块本系统的软件设计主要包括主程序模块、键盘扫描模块、密码比较判断模块、密码修改模块、液晶显示模块。图4.1为操作系统应用程序管理模块流程图:图4.1主程序模块流程图4.2键盘扫描模块在本设计中，该模块具备的主要功能是对键盘逐列进行扫描，处理器监视所有键盘，从而确定键的具体位置。确定键盘上是否有按键被按下，消除去抖动、判断是否松开闭合键等。图4.2为键盘扫描模块流程示意图:图4.2键盘扫描模块流程图4.3开锁模块该模块的功能是将输入的密码与设定的初始密码逐个比较，如密码一致则开锁；如密码不正确，则按返回键，重新输入密码，当密码输入超过3次且都有错，那么蜂鸣器报警。图4.3为开锁模块流程图:图4.3开锁模块流程图4.4密码修改模块在开锁状态下，再次输入正确密码并按下#键，输入新密码并按下D键，每次重新设置密码时，它都会被存储在AT24C02中，一旦再次设置了6位密码，系统就会自动跳转到程序开始，之后再次输入6位新密码，并按下D键，这样密码就设置成功了，然后，在下次开锁时就可以调用新密码。图4.4为密码修改模块流程图:图4.4密码修改模块流程图第五章仿真测试5.1实物图如下图5.1实物图正面，5.2实物图反面图5.1实物图正面图5.2实物图反面5.2仿真本设计所使用的仿真软件是ISIS7Professional。Proteus是由英国LabCenterElectronics公司开发的一款EDA仿真软件，它本身拥有丰富的元件库，该软件也是世界上唯一能够模拟电路、快速处理多种常见模型、模拟单片机功能的软件。更好地诠释软件的功能，并且支持多个编译器进行编译。Proteus既可以仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，可以直接看程序运行和电路工作的过程和结果。5.2.1仿真原理图根据硬件原理图，得到了如下图5.3所示的仿真原理图。本软件中没有STC89C52和LCD1602液晶显示器，所以我用AT89S52代替STC89C52，用LM016L代替LCD1602。图5.3仿真原理图5.2.2开锁仿真测试将编译好的程序烧录到单片机中，用USB供电线连接电源，首先按下自锁开关，液晶显示器通电，开锁电路如下图所示：图5.4密码输入中仿真图图5.5开锁成功仿真图图5.6开锁错误仿真图5.2.3密码修改仿真测试首先对密码进行初始化，然后输入正确的密码，在开锁状态下，再次输入正确的密码并按下#键，输入新密码再按D键，再重复输入并按D键，由此密码更改完成，密码更改电路如下所示:图5.7初始化程序仿真图图5.8更改密码仿真图图5.9更改密码再次输入仿真图图5.10更改密码成功仿真图第六章设计总结在本文中，我从软件和硬件两方面来分析电子密码锁，它有很多优点：实现简便、安全性高、密码灵活、制造成本低廉、防盗性能好。用户出门无需带钥匙，只需记得开锁密码就可开锁，方便快捷，可避免因钥匙丢失而造成的安全问题和财产损失。如果密码泄露，用户可以重新设置开锁密码，不会因此造成任何损失。由于其的诸多优点，电子密码锁能广泛应用于住宅、办公室保险箱等许多场所。从基本方案的制定，到硬件电路的选