基于单片机的电子密码锁的设计

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1、创新设计实验报告题 目： 基于单片机的电子密码锁的设计 专业班级： 自动1002 姓 名： 学 号： 指导教师： 指导教师意见：成绩: 签名： 年 月 日 创新设计与实训任务书学院（系）电气工程学院自动控制系选题教师姓 名李智强专 业自动化专业技术职务副教授实训题目基于单片机的电子密码锁的设计课题简介要求用单片机设计一个电子密码锁，通过键盘实现密码的设置、确定、修改、输入等功能，并在液晶屏上显示相应操作。通过本次创新设计使得学生巩固所学的理论与技能，初步掌握实际的工程设计方法，设计步骤，为将来的学习与毕业设计打下坚实的基础。报告要求（包括应具备的条件、图表等）设计要求：1. 熟悉单片机工作原理

2、，选择控制方案，要求经济可靠。2. 熟悉protel软件，完成硬件电路设计。3. 选择元器件。4. 完成软件与硬件设计并加以调试。5. 按照要求撰写创新设计与实践报告书。课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难一般易参考资料1 胡汉才单片机电路及其接口技术M北京:清华大学出版社，20022 陈杰. 传感器与检测技术M北京:高教出版社，2004.3 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989注：本课题由 同学选定，学号： 目录1 引言41.1 前言41.2 电子密码锁的背景41.3 电子锁设计的意义的本设计特点52 系统设计62.1 系统总设计结构图62.2 开锁机构

3、设计62.3 AT89C51单片机72.3.1 AT89C51的内部结构图72.3.2 AT89C51内部各部件的介绍83 系统硬件设计123.1 系统设计123.2 系统电路设计133.2.1 晶振时钟电路133.2.2 复位电路设计133.3 电路图的绘制144 软件设计154.1 系统软件设计整体思路154.2 系统软件设计流程图155 程序调试175.1 程序调试用到的软件及工具175.2 KEIL C51简介17总结18参考文献19附录：总原理图20摘要：随着科技和人们的生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统机械锁由于构造简单，被撬事件屡见不鲜；电子锁由于其保

4、密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的青睐。 本设计以单片机AT89C51作为密码锁监控装置的检测和控制核心，分为主机控制和从机执行机构（本设重点介绍主机设计），实现钥匙信息在主机上的初步认证注册、密码信息的加密、钥匙丢失报废等功能。根据51单片机之间的串行通信原理，这便于对密码信息的随机加密和保护。而且采用键盘输入的电子密码锁具有较高的优势。采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，提高信号传输的抗干扰性，减少错误动作，而且功率消耗低；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。软件设计采用自上而下的模块化设计思想，以使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统的可扩

5、展性和运行的稳定性。测试结果表明，本系统各项功能已达到本设计的所有要求。关键词: 单片机 密码锁 单片机设计 电子锁1 引言1.1 前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，受到了广大用户的喜爱。锁是置于可启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范围或某种器具的,必须以钥匙或暗码打开的扣件。锁具发展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也研究得很透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。现代人类文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念

6、，价值观念，文化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已的行为，“非礼不为”，虽无钥匙亦不会乱闯。然而，那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。为什么会出现这种情况呢？因为传统锁具都存在致命的弱点：第一、 锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；第二、 锁具制作工艺，技术落后，无法阻止技术手段的开启。目前，市场上很多国内外的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能。在惯偷面前，两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开，有的惯偷甚至公开扬言：“没有我打不开的锁。”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理太过简单。面对这一残酷的现状，新

7、时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。1.2 电子密码锁的背景随着社会科技的进步，锁已发展到了密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、声控锁等等。在传统钥匙的基础上，加了一组或多组密码，不同声音，不同磁场，不同声波，不同光束光波，不同图像。（如指纹、眼底视网膜等）来控制锁的开启。从而大大提高了锁的安全性，使不法之徒无从下手，人们也就能对自身财产安全有了更多的保障。当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，而基于电子密码锁的安全系统是其中的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。1.3 电子锁设计的意义的本设计特点 单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中

8、央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口 （I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期

9、使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了，且容易升级改善。 电子锁可以在日常生活和现代办公中，住宅与办公室的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存等多种场合使用。大大提高了主人物资的安全性，安全可以代替老式机械锁。目前使用的密码锁种类繁多，各具特色。本文从经济实用的角度出发，采用AT89C2051单机，研制了一款具有防盗自动报警功能的电子密码锁。该密码锁设计方法合理，简单

10、易行，成本低，符合住宅、办公室用锁要求，具有一定的推广价值。1、系统设置4位密码，密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。2、密码由用户自己设定，在开锁状态下，用户可自行修改密码。3、具有自动报警功能。自动报警分现场报警和远程报警两种。现场报警由扬声器发出报警声。4、两种情况下可报警：一是密码输入错误3次，则报警；二是非正常开门，如破门而入的情况，可通过系统的红外监视装置监测，同时报警，保证了系统的安全性。系统工作时，用户通过按键输入4位密码，单片机将输入密码与设定密码进行比较，若密码正确，则发出开锁信号，将门打开，系统不报警；若密码不正确，则有相应的指示灯闪动，并要求重新输入密码，重新输入

11、密码的次数不能超过3次，若3次输入的密码都不正确，则发出报警信号。2 系统设计2.1 系统总设计结构图数码管及LED灯显示单片机时钟电路单片机AT89C51密码输入设备开锁机构图2-1系统总设计结构图 本设计由主控芯片51单片机，单片机时钟电路，键盘，和开锁电路组成。单片负责控制整个系统的执行过程。2.2 开锁机构设计 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。本设计通过P3.0接一个3极管驱动继电器打开电磁阀线圈实现开关门。AT89C51电磁阀开锁驱动电路图22 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及次数输入之内，单片机便输出开门信号，送到开

12、锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。2.3 AT89C51单片机AT89C51是一个低电压，高性能CMOS，8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Falsh只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C51单片机在电子行业中有着广泛应用。2.3.1 AT89C51的内部结构图VssVCCPSENALERSTEAT0T1INT0INT1 图2-3-1 AT89C51单片机的内部结构框图TXDRXDP3P2P0P1控制2.3.2

13、 AT89C51内部各部件的介绍决定了单片机的主要功能特性，完成对指令的解释和运算，为执行指令提供所必须的运算、逻辑和控制线路。它由运算器、控制器和专用寄存器等构成；是指中央处理器CPU在正常执行程序的过程中，由于内部或外部发生了另一事件(如定时时间到，超压报警等)，请求CPU迅速去处理，CPU暂时停止当前程序的运行，而转去处理所发生的事件，待发生的事件处理完以后，CPU在返回原来暂停地方，继续执行原来程序。AT89C51 共有5中断源：分别是两个外部中断源：外部中断0和外部中断1；三个内部中断源：定时/计数器T0、T1的溢出中断和串行中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0

14、 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。 中断响应条件：有中断源发出中断请求。CPU中断允许位EA为1，即CPU开中断申请中断源，器相应的中断允许位为“1”，即允许相应的中断源中断。用于产生单片机工作所需要的时钟信号。在时钟信号控制下，单片机各部件之间一致地工作。如图2-2所示引脚XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，可以和芯片内部的振荡器构成一个稳定的自激振荡器这就是单片机的时钟电路，这种方式称之为内部时钟源方式。电容C1和C2的主要作用帮助振荡器起振，且电容大小对振荡器频率有微调作用，典型值为C1=C2=30pF。振荡频率主要

15、有石英晶振的频率确定，51系列单片机的晶振频率f范围为1.260MHZ，其典型值为6MHZ、12MHZ、11.0592MHZ等。图2-3-2 时钟电路主要用于存放程序、常数和表格等。常见程序存储器的类型：掩膜ROM：一旦做好，不能更改，适用于存储成熟的固定数据，大批量生产时，成本很低。可编程ROM(PROM)：只能写一次，写入后信息是固定的，不能更改，适用于小批量使用。可擦除PROM(EPROM)：可用紫外线灯制作的擦抹器进行擦除。电擦除PROM(EEPROM)：能以字节为单位擦除和改写，而且不需要把芯片拔下来。8051单片机内部有4KBROM，片外可以扩展，实行片内外统一编址，组成64KB的

16、程序存储器区，采用16位程序计数器PC作为地址指针，其地址的范围为0000HFFFFH，用EA来控制片内ROM和片外ROM寻址。当EA为高电平时，片内、片外ROM统一编址；当EA为低电平时，只能片外寻址。主要用来存放数据或程序运行时的中间结果。8051单片机的数据存储器RAM有片内和片外之分。片内有低128B的RAM区(00H7FH)和高128B的特殊功能寄存器RAM区(80HFFH)，后者又称为特殊功能寄存器区SFR。在SFR区，离散地存放着21个特殊功能寄存器。8051单片机片外RAM最大可寻址64KB(0000FFFFH),但其地址范围和片内是重叠的，区别片内、外数据存储器等方法是靠指令

17、来实现的。可用于定时控制、延时、对外部事件计数。8051单片机内部设有16为可编程的定时/计数器：定时/计数器0和定时/计数器1，分别用T/C0和T/C1表示。它们的工作方式、定时时间、量程等均可以通过程序来设置。T0(P3.4)T1(P3.5)INT1(P3.3)INT0(P3.2)工作方式工作方式中断启动溢出内部总线启动溢出(8AH)(8CH)(8BH)(8DH)定时器T0定时器T1图2-3-4 AT89C51定时器逻辑结构框架 由图2-3-4可以看出，定时/计数器内容有特殊功能寄存器TCON、TMOD以及TH0、TH1、TL0、TL1组成。其中TMOD为模式控制寄存器，主要用来设置定时/

18、计数器的操作模式；TCON为控制寄存器，主要用来控制定时/计数器的启动与停止；TH0、TL0、TH1、TL1用于存放定时/计数器，为加1计数器。两个定时/计数器均具有两种工作方式，即定时和计数功能，对工作方式的选择可通过特殊功能寄存器TMOD来设置。不管是定时工作方式还是计数工作方式，定时/计数器在对内部时钟或外部事件计数时，都不占用CPU的时间，除非计数器计数溢出，需要执行中断服务程序时，才可能中断CPU当前的操作，所以定时/计数器是单片机中效率高且工作灵活的部件。图2-4AT89C51为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于

19、会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，

20、10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 代表单片机处于的工作状态，单片机工作方式的多少，是衡量单片机性能的一项重要指标。AT89C51有：复位方式、程序执行方式、节电方式、低功耗方式以及EPROM编程和校验方式。复位模式 复位是单片机进入工作状态的初始化操作，是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个状态开始工作。另外，当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入锁死状态，也可以通过复位

21、进行重新启动。复位后，单片机内部寄存器的值被初始化。RST引脚是复位信号的引入端，复位信号为高电平有效，其需要时间在2个机器周期以上。单片机复位的方式有：上电自动复位和按键手动复位。按键手动复位又可以分为按键电平复位和按键脉冲复位两种。 上电复位电路是通过电容的充电来实现的在上电的同时，完成单片机的复位。如图2-5所示:图2-5 上电复位电路空闲节电模式 在空闲工作模式状态， CPU 自身处于睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，同时将片内RAM 和所有特殊功能寄存器的内容冻结。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。 由硬件复位终止空闲状态只需两个机器周期有

22、效复位信号，在此状态下，片内硬件禁止访问内部RAM，但可以访问端口引脚，当用复位终止空闲方式时，为避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 掉电模式 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器，但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。 3 系统硬件设计3.1 系统设计为了使本电路更加简洁，本电子锁的密码锁采用简

23、单易学但不为多数人知道的摩期码作为电路的密码输入。键盘硬件设备只需要一个按即可实现密码的输入与更改。本电路设计只取09数字作密码有效数字，如果输入其它字符则无效。数字0123456789摩斯码111110111100111000110000100000100001100011100111102进制11111011110011100011000010000010000110001110011110表31 本设计用到的数字的摩斯码和二进制对照3.2 系统电路设计本系统电路主芯片AT89C51，晶振和两个电容组成的时钟脉冲，一个电阻和一个电解电容和一个按键组成的复位电路，一个8段数码管构成的密码显示

24、器，一个蜂鸣器，5个LED，一个NPN三极管加上一个继电器组成的驱动电路构成了系统电路。3.2.1 晶振时钟电路单片的P1口外接1位8段数码管，作为密码输入显示器；INT0外接蜂鸣器，当INT0被置0时，蜂鸣器发出声音；P0口外接发光二极管用作系统工作状态提示。单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。图32-1 晶振电路3.2.2 复位电路设计ALE引脚悬空，复位引脚接到复位电路、VCC接电源、VSS接地、EA接电源图3-2-2 复位电路3.3 电路图的绘制图33 系统电路图八段数码管显示你的摩斯按键是否正确对应你要输入的数字密码。由

25、于采取上电设置密码的编程方法复位键即密码修改键设置在门后，要打开门才能修改密码。设置密码后若输入密码不对的前两次5秒报警，最后一次10分钟报警,摩斯按发错误除外(但有两秒报警，并且须全部密码重新输入)。本电路设置四位密码，由于每位数字键均由五位摩斯码构成则要输入20次摩斯码键！p0.0（绿色）“滴”显示，p0.2（黄色）“嗒”音显示，p0.4（红色）摩斯码按法错误或密码错误，p0.6（蓝色）表示该电路已设置了密码，等待输入密码进行比较。4 软件设计4.1 系统软件设计整体思路一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展

26、的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与C51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系

27、统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。4.2 系统软件设计流程图糸统返回否是密码错误主人是否要修改密码开门输入正确密码保存后糸统返回输入新密码报警输入错误满3次输入错误未满3次密码比较开始系统唤醒上电密码输入完毕系统等待密码输入 图42 系统程序设计结构图5 程序调试把也写好的汇编语言程序的载入软件调试工具，检查软件是否有设法错误，再根据软件提示对

28、本程序进行修改，直到没有错误再生成单片机能运行的机器码，再用51开发板或其它单怎机写入工具把机器码写入单片机进行实际的程序调试，根据实际情况再对程序的不足加以修改，直到满足设计要求。5.1 程序调试用到的软件及工具调试本程序需要用到KEIL C51，及51开发板一块及其配套的下载烧录软件5.2 KEIL C51简介Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工

29、具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构： uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.

30、ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。总结实践是检验真理的唯一标准，当然也是检验学习成果的标准。在经过一段时间的学习之后，我们需要了解自己的所学应该如何应用在实践中，因为任何知识都源于实践，归于实践，所以要将所学的知识在实践中来检验。在做课程设计期间，在老师的指导下，通过自身的不断努力，无论是思想上，学习上，都取得了长足的发展和巨大的收获，现将工作总结如下：思想上，学会了用科学的精神去解决问题。很多事情看起来是很简单的问题，但实际做起来

31、去会发现有许多奥妙！这是因为其中蕴含着许多科学的问题。运用科学的方法去解决问题，这是我这次实训给我带来的思想上的改变。学习上，使自已在大学所以的知识在这次得到实践，学到一些书本上无法学到的经验，对电子元件有了进一步的认识。电子锁是信息化时代发展的产物，应时而生，我相信随着科技的不断发展，将来的电子锁一定更加完美，更加人性化，更加便宜，更加安全。参考文献1 胡汉才单片机电路及其接口技术M北京:清华大学出版社，20022 陈杰. 传感器与检测技术M北京:高教出版社，2004.3 阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，19894 李全利.单片机原理及接口技术M.高等教育出版社，20035 PROTEL99 SE电路设计与制板M.机械工业出版社，20076 杨将新，李华军，刘到骏等.单片机程序设计及应用（从基础到实践）J电子工业出版社，20067 Steven F.Barrett.Daneil J.Pack.Embedded SystemM.北京：电子工业出版社，20068 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.北京：电子工业出版社, 2005附录：总原理图