单片机电子密码锁课程设计.docx

基于单片机的电子密码锁设计

一、设计要求和条件
1.1 设计要求
根据单片机开发板所提供的元件特性和硬件电路，编写相关的程序，通过实验开发板实现电子密码锁在LCD1602上显示的功能。
1.搭建proteus仿真电路图平台，模拟单片机要实现的功能；
2.焊接单片机系统开发板；
3.编写程序，实现密码锁相关功能；
4.下载并调试程序，实现密码锁的具体功能。
1.2 设计目的
1.熟练掌握KEIL软件的使用方法；
2.熟练掌握PROTEUS软件的使用方法；
3.掌握单片机I/O接口的工作原理；
4.掌握中断系统的工作原理；
5.掌握液晶LCD1602的工作原理及编程方法；
6.掌握蜂鸣器的编程使用；
7.掌握行列式键盘的工作原理及编程使用方法；
8.掌握单片机的ISP下载使用方法。
1.3 功能概述
本设计是基于单片机的密码锁设计方案，根据要求，给出了该单片机密码锁的硬件电路和软件程序，同时给出了硬件设计方案、软件流程图、C语言源程序及详细注释等内容，由于单片机实验板上的矩阵键盘为3*3的，则规定0-5号键为数字键，6-8号键为功能键，其中该密码锁的具体功能介绍如下：
(1) 按“8”号键则输入密码，初始密码为012345，在LCD1602上显示密码值为“******”（密码是保密的），输完6位后键盘就锁定，在LCD1602上显示密码是否正确，若输入的密码长度小于6位，则1602等待密码输入。
(2) 若密码输入正确后，则绿色的发光二极管亮表示开锁，并且1602上显示“you are right!”，等待是否修改密码。
(3)密码输入错误时显示“code is wrong”，接着会给你第二、第三次机会输入密码，如果三次密码都错误时，发出“叮咚”的报警声，且红色报警指示灯不停闪烁，按复位键清除报警。
(4)按“7”号键表示若密码不小心输入时，可以删除输入错误的密码。
(5)按“6”修改密码，要求输入原密码是正确的，然后按该键后，蓝色密码修改指示灯会亮，并且1602上会显示“Input new code”，输入正确要求再次输入，两次输入一致提示“Modify right!!!”并返回主菜单。两次不一致时提示“Modify error!!!”，然后返回主菜单。
二、 硬件设计方案的论证
本系统整体主要划分为五大模块，分别是由单片机最小系统、矩阵键盘、LCD显示、报警系统、指示灯电路等组成。单片机系统主要功能是对外部输入的数据进行处理，显示电路将所要操作的步骤显示出来，指导用户使用，报警电路是对输入错误密码时的警告报警。系统能完成开锁、密码输入错误报警、密码删除、修改用户密码基本的密码锁的功能。若依据实际的实验板情况还可以添加遥控和掉电保护功能。
2.1 总体方案设计
本设计的具体总模块设计方案如下图（1）所示

图（1） 硬件总方案模块框图
2.2 具体模块方案的设计
1. 主控芯片的方案选择
方案一：采用硬件电路进行电子密码锁设计，比如使用 74LS112 双 JK 触发器构成的数字逻辑电路控制方案，该种方案可以实现基本功能，而且优点是不需要软件编程，但电路连接比较复杂，关键在于不易实现自行设置密码的要求。
方案二：单片机中的STC89C51是具有高性能和低功耗优点的8位可编程控制器，内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，可以通过软件编程来实现电子密码锁设计中的各项要求和功能，而且单片机的 I/O 口也足够使用，硬件电路连接比较简单。
综上所述方案论证，本次电子密码锁系统设计的主控芯片选择 STC单片机的 STC89C51来完成，采集输入数据对其处理并发出相应的指令。
2.键盘模块方案选择
方案一：可以选择独立连接式键盘。对于独立连接式键盘，其每个键都独立的接入一根数据线，平时所有的数据线都被连接成高电平，当任何一个键按下时，与之相连的数据线将被拉成低电平。这种方案在处理多个数据时编程和硬件连接电路会较复杂。
方案二：选择矩阵行列式键盘作为输入模块。矩阵式行列式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行、列分别连接到按键开关的两端，列线通过上拉电阻接到高电平。无按键动作时，列线处于高电平状态；有按键按下时，交点的行线列线接通，列线电平状态将由与此行线相连的行线电平决定。本次通过键盘输入的值有很多种，而矩阵式键盘节省了好多的 I/O 口，适用于按键数量较多的场合。
综上且根据本次设计中的单片机实验板选择使用3*3矩阵键盘来完成输入密码值，此种键盘功能简单实用，如下图（2）所示

图（2）矩阵键盘
3. 显示模块方案选择
方案一：采用 LCD1602 作为主液晶显示器。此液晶屏能输入两行的字母或数字，功能比较简单，比较通用。本次设计中要显示输入密码的数据值和各功能的提示，使用 LCD1602 液晶来作为显示模块较直观形象。如图（3）所示，显示比较直观形象

图(3) LCD1602显示
方案二：采用数码管来实时显示输入密码的数值，由于密码的个数为6硬件电路连接线路较复杂，连接管脚较多，而且观看起来不清晰、直观。
基于以上两种方案比较，本次设计中采用方案一。
4. 报警模块方案的选择
方案一：采用1602显示特殊数字或字母来表示输入密码正确或者错误，这种方案也可以直观表示。
方案二：采用声和光两种方式的双重效果进行报警，如果密码输入错误报警灯闪烁而且蜂鸣器会报警，这样就能多角度进行密码错误报警。
经过上述分析比较，使用方案二的声光报警来表示解锁失败,如图(4)所示

图(4) 报警电路设计
5. 报警解除模块
该模块用单片机最小系统中的复位功能，既可以节省了I/O管脚，还可以重新开始输入密码，此模块中的蜂鸣器的功能是当用户输入密码错误的次数超过了3次，蜂鸣器鸣笛报警，键盘处于锁定状态其电路图如图(5)所示

图(5)复位电路
三、软件设计
软件的设计主要有主程序模块，键盘扫描模块，LCD1602显示模块，密码比较模块，开锁程序模块、报警模块等。
3.1 主程序模块
主程序主要完成LCD初始化、检查有无按键按下、以及调用显示、密码修改程序等等。主程序的流程图如图(6)所示

图（6）主程序方框图

3.2 开锁程序模块
开锁程序流程图如图（8）所示。

图（7） 开锁子程序模块
3.3 LCD1602显示模块
本系统使用LCD1602实现显示，参照LCD1602的使用手册进行初始化和程序编写就可以显示，即在程序编写中添加LCD1602的驱动程序。这里的驱动程序主要包括：初始化函数、设置显示坐标、写字符函数及写字符串函数。在时钟界面时显示时间的运行，在密码锁界面时主要显示提示信息和输入的密码，当然，当输入密码数字时，输出不是显示数字，而是用“*”显示代替。LCD1602的部分读写控制时序程序如下图（8）所示：

图（8）LCD1602初始化
3.4 键盘扫描与处理模块
该模块具备功能有：逐列扫描键盘确实被按键的具体位置、判断键盘上有无键按下、消除抖动、判断闭合的键是否释放等功能，该模块利用case语句来判断按键的按下与否，方法是：依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，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。先给P2口赋值为fe，再对P2口扫描，再与f8相与，看是否相等，若等，则无键按下，不等，则有键按下，再判断在哪列。然后进行按键处理函数，其处理函数的流程图如图（9）所示

、
图（9）按键功能程序
四、 系统调试
4.1 调试部分
采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。
（1）键盘测试 在带有单片机的电路板上编程调试3*3矩阵键盘，使其在液晶上显示出键盘锁对应的数字及功能。利用仿真机调试成功后通过编程器将程序写入芯片中调试。
（2）报警及开锁控制电路测试 通过矩阵键盘控制输入正确的开锁密码，锁灯亮；当连续输入三次的密码错误时，报警指示灯闪烁，蜂鸣器报警并锁死键盘。
（3）显示电路测试 通过电位器对1602液晶的对比度和背光灯进行调整，使其在最适合的状态下工作。
各功能模块均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各功能模块连接在一起，用函数信号发生器模拟电压信号，先用仿真机代替STC89C51 单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。
4.2 软件调试部分
(1)KEI的编程,仿真,编译集成环境KEILUV3：将汇编语言源程序编译成*.hex文件。
(2) STC-ISP-V4.83下载器：将C语言源程序编译成的*.hex文件在线下载到STC单片机中。
(3) STC-ISP-V4.83使用说明：
(I) 双击图标并出现下图画面

(II)选择你需要的单片机型号；
(III)打开“001.HEX”文件；
(IV)选择你的串行口,这里选择COM1；
(V)点击download/下载，即可实现自动下载编程。
4.3 调试结果分析
本系统以STC89C51 为核心部件，利用软件模块化编程，通过键盘控制和液晶显示实现了密码锁的功能、报警功能，并能防止多次试探密码，能实现本设计题目的基本要求。在设计时根据实验板的硬件连接尽量做到硬件电路简单稳定、减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差。本设计成功仿真实现了1602液晶显示、密码“*”的设置、密码设置，防止多次试探，报警等功能。并且采用C语言编写程序，具有很强的移植性，为系统增减和修改带了方便。
在设计中也遇到了许多困难，例如对LCD1602的具体功能不熟悉，于是就在图书馆，网上收索相关资料来进行编程，对其功能模式有了进一步的理解。还有对3*3键盘扫描程序的编程，利用学过的4*4键盘编程的原理方法用了case语句来对其编程。
由于时间有限和自身知识水平的限制，本系统还存在一些不够完善的地方，要作为实际应用还有许多具体细节问题需要解决。例如：扩展AT2402模块储存密码，红外报警探测技术，密码指纹识别技术，语音识别技术，图像识别技术等等。只有这样更能满足社会的发展和人民的需求。
五、 模拟仿真结果
各模块的仿真结果如下图所示

图（10） Welcome界面

图（11）输入密码界面
图（12）开锁界面

图（13）修改密码界面

图（14）密码修改成功界面

图（15）报警界面
六、 设计心得
这次实训的时间为两周，分三个阶段：第一，做电路仿真，原理图；第二，对单片机实验板进行焊接；第三，电路硬件调试。每一步都很认真做了，仿真还是第一次用到实际中，感觉有很大的收获。一般一次成功的板子是很少的，都要进过调试查错才可以得到一块完整的电路板。
这一次做的电子密码锁及LCD显示。原理看似简单，但过程让我深深感受到再简单的电路图，理论与实际有一定的差入。在参考书的原理图经过了个人的改进，让功能更完善，特别是程序的调试，花的时间做多，也是最难的一个地方。我们最终的目的是应用而不是理论结果。我们学的理论知识都是比较先进的，但是由于平常少于把知识付诸于实践。
通过本次设计，培养了创新意识和综合素质，更好地掌握了电子产品设计与制作的工艺和流程，提高个人基本能力、实验及设计能力和独立工作能力，基本知识更加牢固，会看图、会焊接安装、会测量、会查资。
七、 参考文献
[1] 杭和平. 单片机原理与应用. 北京：机械工业出版社，2008
[2] 李朝青. 单片机原理与接口技术.北京：航空航天出版社，2009
[3]宋彩利.单片机原理与C51编程 [M]. 西安交通大学出版社,2007
附录I proteus仿真图

附录II 实物显示

附录III 源程序
#include <reg52.h>
#define ulong unsigned long
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar temp,num,flag,r;
uchar code table1[]=" welcome!(^_^)";//主界面
uchar code table2[]="liu hai yan DIY";//主界面
uchar code table3[]="******";//密码显示“******”
uchar code table4[]="code is wrong!";//密码错误显示
uchar code table5[]="you are right!";//开锁显示
uchar code table6[]="the second time!";//第二次开锁显示
uchar code table7[]="the last time!";//第三次开锁显示
uchar code table8[]="Input new code:";//修改密码显示
uchar code table9[]=" calling....";//报警显示
uchar code table12[]="Modify right!!!";//修改密码正确
uchar code table10[]="password:";//输入密码
uchar code table11[]=" ";//删除密码显示
uchar code table13[]="Input again:";//再次输入密码
uchar code table14[]="Modify error!!!";//修改密码错误
uchar init_pswd[6]={0,1,2,3,4,5};//初始化密码
uchar pswd[6]={0}; //放新修改的输入的密码
sbit lcdrs=P1^0; // LCD 数据/指令（H/L）选择端
sbit lcdrw=P1^1;
sbit lcden=P1^2; //LCD使能
sbit P1_3=P1^3;//开锁指示灯
sbit P1_4=P1^4;//修改密码指示灯
sbit P1_5=P1^5; //报警指示灯
sbit P2_7=P2^7; //蜂鸣器
/*****************************************子函数声明*/
void delay(uint z);
void init();//初始化子函数
void write_com(uchar com);//写指令子函数
void write_data(uchar dat1);//写数据子函数
uint keyscan();
void mima();//密码处理子函数
void mima1(); //修改密码函数
void Alarm(uchar t);//报警函数
/************************************************液晶驱动*/
void init()
{ lcden=0;
write_com(0x38); //设置1602显示，5x7点阵显示，8位数据接口 write_com(0x0e); //00001DCB，D(开关显示)，C(是否显示光标)，B(光标闪烁，光标不显示)
write_com(0x06); //000001N0，N(地址指针+-1)
write_com(0x01); //清屏指令 每次显示下一屏内容时，必须清屏
write_com(0x80); //第一行显示
}
void write_com(uchar com) //写命令子函数
{ lcdrs=0; //低电平选择为 写指令
lcdrw=0;
P0=com; //把指令写入P0口
delay(5);
lcden=1; //开使能
delay(5); //读取指令
lcden=0; //关闭使能
}
void write_data(uchar dat1) //写数据子函数
{ lcdrs=1; //高电平选择为写数据
lcdrw=0;
P0=dat1; //把数据写入P0口
delay(5);
lcden=1; //开使能
delay(5); //读取数据
lcden=0; //关闭使能
}
void delay(uint z) //延时子函数 z*1ms
{ uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
uint keyscan() //键盘扫描程序
{P2=0xfe; //先选定第一行
temp=P2;
temp=temp&0xf8; //列线全为1，行线为0
while(temp!=0xf8)
{delay(15); // 延时去抖
temp=P2;
temp=temp&0xf8;
while(temp!=0xf8)
{ temp=P2;
switch(temp) //判断哪列按下
{case 0xf6:num=0;flag=1;break;//第一列按下
case 0xee:num=1;flag=1 ;break;//第二列按下
case 0xde:num=2;flag=1;break;//第三列按下
}
while(temp!=0xf8)
{temp=P2;
temp=temp&0xf8;
}
}
}
P2=0xfd; //选定第二行，列线为1
temp=P2;
temp=temp&0xf8;
while(temp!=0xf8)
{ delay(15);
temp=P2;
temp=temp&0xf8;
while(temp!=0xf8)
{temp=P2;
switch(temp) //判断哪列按下
{case 0xf5:num=3;flag=1;//第一列按下
break;
case 0xed:num=4;flag=1;//第二列按下
break;
case 0xdd:num=5;flag=1;//第三列按下
break;
}
while(temp!=0xf8)
{temp=P2;
temp=temp&0xf8;
}
}
}
P2=0xfb;//选定第三行
temp=P2;
temp=temp&0xf8;
while(temp!=0xf8)
{
delay(15);
temp=P2;
temp=temp&0xf8;
while(temp!=0xf8)
{temp=P2;
switch(temp)
{ case 0xf3:num=6;flag=1;break;
case 0xeb:num=7;flag=1;break;
case 0xdb:num=8;flag=1;break;
}
while(temp!=0xf8)
{ temp=P2;
temp=temp&0xf8;
}
}
}return(num);
}
void main()
{ uchar m=0,w=0;
init(); //LCD初始化
write_com(0x80); //第一行显示
for(r=0;r<15;r++)
{write_data(table1[r]);
delay(5);
}
write_com(0x80+0x40);//第二行显示
for(r=0;r<15;r++)
{write_data(table2[r]);
delay(5);
}
write_com(0x0c);
do
{keyscan();}
while(num!=8); //等待开锁键按下
mima(); //密码输入处理函数
while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//密码比较
{ m++;}
if(m>=6)//密码正确
{ P1_3=0; //开锁指示灯亮
keyscan();
while(flag==1&&num==6);//是否修改密码
mima1(); //修改密码函数
}
else//密码有误
{ m=0;
write_com(0x80+0x40);//显示第二行
for(r=0;r<14;r++)
{delay(20);
write_data(table4[r]);
}
delay(2000);
init();
for(r=0;r<16;r++)
{delay(20);
write_data(table6[r]);
}
delay(2000);
mima();//密码输入处理函数
while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//再次比较
{m++;}
if(m>=6)
{ P1_3=0;
mima1();//修改密码函数
}
else
{ m=0;
write_com(0x80+0x40);
for(r=0;r<14;r++)
{delay(20);
write_data(table4[r]);
}delay(2000);
init();
for(r=0;r<14;r++)
{delay(20);
write_data(table7[r]);
}delay(2000);
mima();
while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//第三次比较
{m++; }
if(m>=6)
{P1_3=0;//密码正确，则开锁指示灯亮
mima1();//密码修改函数
}
else
{ init();
write_com(0x80+0x40);
for(r=0;r<13;r++)
{delay(20);
write_data(table9[r]);
}
write_com(0x0c);
while(1)
{ P1_5=~P1_5;//报警指示灯闪烁
delay(30);
Alarm(90);
Alarm(120); //产生“滴滴”声
}
}
}
}
}
void mima() //密码输入程序
{ uchar w=0;
init();
for(r=0;r<9;r++)
{delay(20);
write_data(table10[r]);
}
do
{flag=0;
keyscan();
write_com(0x80+9+w);
if(flag==1&&num<=5)
{ pswd[w]=num;
write_data(table3[w]);
w++; //输入密码
if(w==6)
write_com(0x0c);
}
if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步.
{ w--; //删除密码
if(w==255) //删除完密码
w=w+1;
write_com(0x80+9+w);
write_data(table11[w+1]);
if(flag==1&&num<=5)
{pswd[w]=num;
write_data(table3[w]);
}
}
} while(w<=5);
}
/***************************************************
输入初始密码正确后，密码修改
***************************************************/
void mima1()
{ uchar f=0,n=0,d=0;
write_com(0x80+0x40);
for(r=0;r<14;r++)
{ delay(20);
write_data(table5[r]);
}
delay(2000);
do
{ num=9;//按键不显示，锁住按键
keyscan();
}while(num!=6);
if(flag==1&&num==6)
{ init(); P1_3=1; P1_4=0;
for(r=0;r<15;r++)
{ delay(20);
write_data(table8[r]);
}
write_com(0x0c);
write_com(0x80+0x40+n);
write_com(0x0e);
}
//////////////////////////第一次输入修改密码////////////////////////////////
do{ num=9;//按键不显示，锁住按键
keyscan();
write_com(0x80+0x40+n); if(flag==1&&num<=5)
{ init_pswd[n]=num;
write_data(table3[n]);
n++;
if(n==6)
write_com(0x0c);}
if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步.
{ n--;
if(n==255)
n=n+1;
write_com(0x80+0x40+n);
write_data(table11[n]); if(flag==1&&num<=5)//显示0-5键值
{ pswd[n]=num; write_data(table3[n]);
}
}
}while(n<=5);
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
第二次输入修改密码，并判断是否正确
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
init();
for(r=0;r<12;r++)
{delay(20);
write_data(table13[r]); }
do
{ flag=0;//锁住按键
keyscan();
write_com(0x80+0x40+d);
if(flag==1&&num<=5)
{ pswd[d]=num;
write_data(table3[d]);
d++;
if(d==6)
write_com(0x0c);
}
if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步.
{ d--;
if(d==255)
d=d+1;
write_com(0x80+0x40+d);
write_data(table11[d+1]);
if(flag==1&&num<=5)
{ pswd[d]=num; write_data(table3[d]);
} }
} while(d<=5);
while((pswd[f]==init_pswd[f])&f<6)//比较密码是否正确
{f++;}
if(f>=6)//密码正确
{ init();
for(r=0;r<15;r++)
{ delay(20);
write_data(table12[r]);
}delay(5000);
P1_4=1;//修改密码指示灯灭
main();
}else
{ init();
for(r=0;r<15;r++)
{ delay(20);
write_data(table14[r]);
}delay(1000);
main(); //返回主界面
}
void Alarm(uchar t) //报警函数，产生“滴滴”声
{ uchar k,j;
for(k=0;k<250;k++)
{ P2_7=~P2_7;
for(j=0;j<t;j++);}
}