基于51单片机的电子密码锁的设计—-毕业论文设计.doc

西安文理学院课程设计报告
目录
目录 I
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 电子密码锁的背景 1
1.3 键盘式电子密码锁的特点 1
2 系统设计 2
2.1系统总设计结构图 2
2.2 开锁机构的设计 3
2.2.1 主控芯片（AT89C51单片机）的简介 3
3 系统硬件设计 5
3.1 键盘设计 5
3.2 系统电路设计 6
3.2.1键盘电路及连线图 6
3.2.2 数码管显示电路及连线图 7
3.2.3 开锁和报警电路及连线图（由LED灯和扬声器电路代替） 7
3.3 整体电路图的绘制 7
4 软件设计 9
4.1 系统软件设计思路 9
4.2 系统软件设计总流程图 10
5 程序调试 11
5.1 程序调试需要用到的软件和工具 11
5.2 调试过程 11
6 设计总结 11
致谢 12
参考文献 13
附录 14

I

1 绪论
1.1 引言
在这个信息和科技高速发展的时代，人们的生活水平越来越高，随之应运而生的人们的安全意识也越来越强，然而传统的机械锁由于设计和工艺简单，操作和携带不便，已经不能满足人们对于安全保证和生活便利的需求，于是电子密码锁本着它自身的保密性高、操作简单、灵活好用等特性逐渐进入人们的视野，并已被广大群众接纳和使用。
锁是用以关住某个确定的空间或范围或某种器物的,必须以钥匙或密码打开的器件。锁，从古至今，发展到现在已有近千年的历史了，人们对它的结构、原理也随着时间的增加研究的近乎透彻，因此，开锁的方法和工具早已不仅仅局限于配套的钥匙，种类也层出不穷。现代社会中，由于各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等参差不齐，人们的思想境界良莠不齐，善良、正直的人们能够自觉规范自已的行为，不是自己的东西不会眷恋，没有钥匙就不会乱闯乱动。但是，生活中同样还存在着一些道德观念较差的人，总有着不劳而获的“梦想”，他们在受到诱惑的时候，往往会想方设法利用各种手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。
之所以出现这种情况，除了人们的道德观外，还有一个很重要的原因，就是传统锁具都存在致命的弱点，例如，锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；再者，锁具制作工艺，技术落后，无法阻止先进技术手段的开启。
　　目前，市场上的锁具各种各样，形状千变万化，然而都是大同小异，技术原理简单，实际使用上却都不具备真正安全的防盗功能。面对这一残酷的现状，锁具也进入了必须革新的时代。

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[2]。

1.3 键盘式电子密码锁的特点
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。从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的电子密码锁是键盘是电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记），难以被窃（除非自己泄露）。 在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁仍然在自己的基础上发展，不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段[4]。

2 系统设计
2.1系统总设计结构图

密码输入设备

数码管显示

单片机AT89C51

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，键盘，LED显示屏和开锁电路组成。单片负责控制整个系统的执行过程。
2.2 开锁机构的设计
通过单片机送给开锁执行机构（本设计用LED灯和扬声器代替继电器打开电磁阀的开锁执行机构）实现开锁或警报的表示过程。
AT89C51单片机

开锁驱动电路

开锁/警报
图 2.2密码锁开锁结构示意图

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，单片机便输出开锁信号送到开锁驱动电路，达到开门的目的（此处用LED发光二极管亮一秒钟做为提示，同时发出“叮咚”声）。
2.2.1 主控芯片（AT89C51单片机）的简介
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[1]。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
主要特性[3]：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚说明[6]：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。

图 2.3 AT89C51芯片图

3 系统硬件设计
3.1 键盘设计
本实验采用4×4行列式矩阵键盘，用数字键输入密码，ENTER键确认；如果密码输入错误，用DEL键清除；密码输入完毕并且确认后，如果需要重新输入，先按Esc退出，然后重新输入；若用户想要自行更改密码，需要先正确输入密码并确认后，按ALT进行修改，再按ENTER进行确认，密码更改完毕。
4×4行列式键盘的按键功能分布如图3.1所示
9
8
7
ALT

Esc
6
5
4

DEL
3
1

2

ENTER
0

图 3.1 键盘按键功能分布图
3.2 系统电路设计
本系统电路主芯片AT89C51（内含晶振和复位电路），外接上拉电阻，数码管显示器，扬声器、LED灯和外接电阻组成开锁电路。
3.2.1键盘电路及连线图
每一条行线和列线交叉处通过一个按键来连接，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线就可组成N*M个按键。
在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机中，键盘处理程序先执行等待按键并有无键盘按下的程序段。确认有键盘按下后，下一步执行识别哪一个键按下。
对照4*4键盘，首先识别键盘中有无键盘按下，然后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，然后检查行输入状态来实现。如果全为1，则所按下键不在此列，如果不全为1则按下的键必在此列。而且是与零电平线相交的交点上的键。理想的按键信号是一个标准脉冲，但键的按下和释放都需要一个过程来实现，在这一过程中是处于高低电平之间一种不稳定状态，称为抖动。抖动时间的长短，频率的高低与按键机械特征有关，一般在5到10ms之间。这就有可能造成CPU对一次按键过程进行多次处理。为了避免这种情况应采取措施消除抖动。消抖常见有两种方法，硬件消抖：如用滤波器，双稳态电路等。另一种用软件来实现，即当发现有键按下时，间隔10ms以上时间，才能进行下一次查询，这样就让过了抖动过程，键的释放进行同样处理。本设计为减少电路复杂程度，减少成本。采用软件消抖的方法[5]。

图 3.2 键盘电路

如图左上角为AT89C51的P3口，与键盘电路相连，构成键盘输入电路。

3.2.2 数码管显示电路及连线图
本实验采用共阴极数码管，即将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

图3.3 数码管显示电路

为了增加单片机的驱动，数码管链接上拉电阻，然后再接AT89C51的P3口，输入任何密码时都以显示“8”表示输入的位数（如图表示输入3位密码）。
3.2.3 开锁和报警电路及连线图（由LED灯和扬声器电路代替）
AT89C51单片机的P1.0口连接LED灯和一个外接电阻，P1.7口连接提示和警报的扬声器（如图3.4所示，LED灯亮表示密码正确，并且同时扬声器发出“叮咚”提示音）。

图 3.4 开锁电路
3.3 整体电路图的绘制
用Prteus软件绘制完整的电路图。

密码正确并且确认之后的整体电路及显示情况，如图3.5。

图3.5 密码正确系统电路及显示图
密码错误后的整体电路及显示情况，如图3.6。

图 3.6 密码错误系统电路及显示图

4 软件设计
4.1 系统软件设计思路
任何应用系统的正常工作和使用，除去需要完整的硬件设备外，还需要一套与之相对应的、设计合理的软件相配合。随着电子信息的发展，微机应用早已普遍，许多原来的硬件工作都可以通过软件编程来代替，从而使一些复杂的硬件电路简单化。
电子密码锁工作的主要过程是通过键盘输入密码，同时LED显示密码输入情况，按下确认键后判断密码的正确性，做出开锁或报警处理。当输入密码输入错误时，系统报警。初始设定密码之后，如果按下密码的位数超过设置的密码位数时，若只超过一位，数码管以最后一位显示不全给出提示，若继续输入，系统扬声器报警。（本设计中初始密码为12345五位，当按下的密码为6位时，还,未按下Enter确认，数码管就会以不全七段码显示给出警报，若继续按下，系统就会发出“滴滴滴”的警报声）。按键按其功能分为两种，其中一种为功能键另一种为数字键。输入密码后，直到所有密码输入完毕按下确认功能键之后，才完成密码输入过程。进入密码的判断比较处理状态并给出相应的处理过程。
如图4.1为输入密码超出原始设定位数时的数码管的显示。

图 4.1 密码超出设定时数码显示图
4.2 系统软件设计总流程图
开始
输入密码
密码输入完毕
密码比较
密码正确
密码错误
密码修改
灯闪烁，发出“嘀嘀嘀”声，并锁键盘3s
灯亮并发出“叮咚”

图 4.1系统软件设计总流程图
5 程序调试
把写好的C语言程序载入软件调试工具，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Prteus工具把机器码导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 程序调试需要用到的软件和工具
调试改程序用到Keil软件和Prteus工具。
5.2 调试过程
打开KEIL C51主程序，新建工程，新建文本框写入程序，保存，检查是否有语法错误，经反复检查无误后汇编，生成51单片机可执行的HEX文件。然后用Prteus工具软件把HEX文件写入单片机。

6 设计总结

经过这次课程设计的整个过程，我们深刻的体会到了实践是检验和巩固我们学习成果最有力的标准。在一段理论学习之后，我们需要我们需要把自己的理论框架应用于实践，因为任何知识都来源于实践，又归于实践，只有通过实践我们才能更好地掌握所学到的知识。
在这次课程设计期间，我们每一个人通过这个过程的努力都有了不小的发展和收获。在学习中，我们不再只是盲目的用笔练习、用脑记忆，而是用实际操作来验证和体验所学到的东西。同样的，在精神上，我们学会了勇往直前，不因挫折而后退，面对问题学会了自己去寻找解决方法，而不是搁置不理或者一味求助于人。
通过实践，我们不仅巩固了课本知识，而且也获得了一些书本上无法教给我们的经验，对软硬件的设计和组合都有了前所未有的新的认识。

致谢

在本次设计中，陈老师和杨老师对于我们的选题讲解给予了悉心教导，为我们争取实验设备和场地，中途的评定和建议更是给了我们肯定和支持，让我们更有信心，使我们能顺利地完成此次设计，在此衷心的表示感谢。另外，在完成课程设计的过程中，还得到众多朋友和同学的关心支持和帮助，尤其是同组组员周敏同学，始终能够跟我密切合作，共同解决问题，给了我莫大的帮助，在此，谨向老师同学和朋友致以衷心的感谢和崇高的敬意！

参考文献
[1] 石文轩,宋薇.基于单片机MCS一51的智能密码锁设计[M].武汉工程职业技术学院学报,2004 ,(01)
[2]祖龙起,刘仁杰.一种新型可编程密码锁[J].大连轻工业学院学报,2002,(01)
[3]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，2006
[4] 叶启明.单片机制作的新型安全密码锁[J].家庭电子，2005，(10)
[5]张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩.新编MCS—51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社
[6]夏继强：《单片机实验与实践教程》，北京航空航天大学出版社,2001

附录

软件程序
#include <AT89X52.H>

unsigned char ps[]={1,2,3,4,5};

unsigned char code dispbit[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,
0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
unsigned char code dispcode[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,
0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,
0x00,0x40,0x73,0xff};
unsigned char dispbuf[8]={18,16,16,16,16,16,16,16};
unsigned char dispcount;
unsigned char flashcount;
unsigned char temp;
unsigned char key;
unsigned char keycount;
unsigned char pslen=5;
unsigned char getps[6];
bit keyoverflag;
bit errorflag;
bit rightflag;
unsigned int second3;
unsigned int aa,bb;
unsigned int cc,dd,ee;
bit okflag;
bit alarmflag;
bit hibitflag;
unsigned char oka,okb;

void main(void)
{
unsigned char i,j;

TMOD=0x01;
TH0=(65536-500)/256;
TL0=(65536-500)%256;
TR0=1;
ET0=1;
EA=1;

while(1)
{ if(ee&&(key==15))
{ee=0 ;
dispbuf[0]=18;
dispbuf[1]=16;
dispbuf[2]=16 ;
dispbuf[3]=16 ;
dispbuf[4]=16 ;
dispbuf[5]=16 ;
dispbuf[6]=16 ;
dispbuf[7]=16 ;
keycount=0;
}
if(dd) {P3_3=0;
P3_5=1 ;
P3_4=1 ;
while(1)
{if(!P3_5)
{ dispbuf[0]=18;
dispbuf[1]=16;
dispbuf[2]=16 ;
dispbuf[3]=16 ;
dispbuf[4]=16 ;
dispbuf[5]=16 ;
dispbuf[6]=16 ;
dispbuf[7]=16 ;
keycount=0;
dd=0;
break ;}
if(!P3_4)
{ ee=1;
dd=0;
dispbuf[0]=18;
dispbuf[1]=16;
dispbuf[2]=16 ;
dispbuf[3]=16 ;
dispbuf[4]=16 ;
dispbuf[5]=16 ;
dispbuf[6]=16 ;
dispbuf[7]=16 ;
keycount=0 ;
break ;

}
}
}

P3=0xff;
P3_4=0;
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
if (temp!=0x0f)
{
for(i=10;i>0;i--)
for(j=248;j>0;j--);
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
if (temp!=0x0f)
{
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
switch(temp)
{
case 0x0e:
key=7;
break;
case 0x0d:
key=8;
break;
case 0x0b:
key=9;
break;
case 0x07:
key=10;
break;
}
temp=P3;
P1_1=~P1_1;
if((key>=0) && (key<10))
{
if(keycount<6)
{
getps[keycount]=key;
if(ee)
{ps[keycount]=key;
}
dispbuf[keycount+2]=19;
}
keycount++;
if(keycount==6)
{
keycount=6;

}
else if(keycount>6)
{
keycount=6;
keyoverflag=1;//key overflow
}
}
else if(key==12)//delete key
{
if(keycount>0)
{
keycount--;
getps[keycount]=0;
dispbuf[keycount+2]=16;
}
else
{
keyoverflag=1;
}
}
else if((key==15)&&(!ee))//enter key
{
if(keycount!=pslen)
{
errorflag=1;
rightflag=0;
second3=0;
}
else
{
for(i=0;i<keycount;i++)
{
if(getps[i]!=ps[i])
{
i=keycount;
errorflag=1;
rightflag=0;
second3=0;
goto a;
}
}
errorflag=0;
rightflag=1;
a: i=keycount;
}
}
temp=temp & 0x0f;
while(temp!=0x0f)
{
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
}
keyoverflag=0;
}
}

P3=0xff;
P3_5=0;
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
if (temp!=0x0f)
{
for(i=10;i>0;i--)
for(j=248;j>0;j--);
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
if (temp!=0x0f)
{
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
switch(temp)
{
case 0x0e:
key=4;
break;
case 0x0d:
key=5;
break;
case 0x0b:
key=6;
break;
case 0x07:
key=11;
break;
}
temp=P3;
P1_1=~P1_1;
if((key>=0) && (key<10))
{
if(keycount<6)
{
getps[keycount]=key;
if(ee) {ps[keycount]=key;
}
dispbuf[keycount+2]=19;
}
keycount++;
if(keycount==6)
{
keycount=6;
}
else if(keycount>6)
{
keycount=6;
keyoverflag=1;//key overflow
}
}
else if(key==12)//delete key
{
if(keycount>0)
{
keycount--;
getps[keycount]=0;
dispbuf[keycount+2]=16;
}
else
{
keyoverflag=1;
}
}
else if((key==15)&&(!ee))//enter key
{

if(keycount!=pslen)
{
errorflag=1;
rightflag=0;
second3=0;
}
else
{
for(i=0;i<keycount;i++)
{
if(getps[i]!=ps[i])
{
i=keycount;
errorflag=1;
rightflag=0;