51单片机电子密码锁

中北大学信息商务学院课程设计说明书

学生：晓峰学号： 10050644X22

学生：梁一才学号： 10050644X30

学生：功学号： 10050644X32 学院：信息与通信工程

专业：电子信息工程

题目：专业综合实践之单片机部分：

基于单片机的电子密码锁的设计

职称: 教授

2014 年 1 月 10 日

中北大学信息商务学院课程设计任务书

2013/2014 学年第 1 学期

学院：信息与通信工程学院

专业：电子信息工程

学生姓名：晓峰学号： 10050644X22

学生姓名：梁一才学号： 10050644X30

学生姓名：功学号： 10050644X32

课程设计题目：专业综合实践之单片机部分：

基于单片机的电子密码锁的设计

起迄日期： 2013年12 月30 日～2014年1月 10 日

课程设计地点： 5院楼 201，510 实验室

指导教师：王浩全

下达任务书日期: 2013 年 12 月30日

课程设计任务书

1 绪论 (1)

1.1 引言 (1)

1.2 电子锁设计的意义的本设计特点 (1)

2.系统设计 (2)

2.1系统总设计结构图 (2)

2.2．开锁机构设计 (2)

2.2.1主控芯片AT89C51单片机的简介 (3)

3系统硬件设计 (6)

3.1键盘设计 (6)

3.2电路图的绘制 (7)

3.2.1 PROTEL 99 SE简介： (10)

4.软件设计 (10)

4.1 系统软件设计整体思路 (10)

4.2系统软件设计流程图 (11)

5 程序调试 (12)

5.1 程序调试用到的软件 (12)

5.2 KEIL C51简介 (12)

5.3 调试过程 (12)

6 设计总结与展望 (13)

参考文献 (14)

附录 (15)

1 绪论

1.1 引言

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，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，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。

1.2 电子锁设计的意义的本设计特点

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、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）本设计为了防止密码被窃取要求在输入密码时在LCD屏幕上显示*号。

（2）设计开锁密码位六位密码的电子密码锁。

（3）能够LCD显示在密码正确时显示PASSWORD OK，密码错误时显示PASSWORD ERROR，

输入密码时显示INPUT PASSWORD。

（4）实现输入密码错误超过限定的三次电子密码锁定。

（5）4×4的矩阵键盘其中包括0-9的数字键和A-F的功能键

（6）本产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮。

（7）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。

2.系统设计

2.1系统总设计结构图

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

用户通过LCD提示信息，用键盘输入正确密码，从而达到开锁的目的。当用户输入的密码正确并且是在按下确定键的话，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。电路驱动和开锁两级组成。由D5、R1、T10组成驱动电路，

其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018都可以满足要求。D5作为开锁的提示；由D6、C24、T11组成。其中D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。T11可选用中功率的三极管如8050，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。

在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。

图2.3.5 密码锁开锁机构电路图

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。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：

·与MCS-51 兼容

·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

·片振荡器和时钟电路

管脚说明：

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，这是由于部上拉的缘故。

P2口：P2口为一个部上拉电阻的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容。

P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向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：

P3.1 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），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及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

本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。

每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘。

在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。

4×4矩阵键盘的工作原理

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键

盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

扫描原理

把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，经过比对之后就可知道是哪个键被按下。

比如说扫描码送入01111111，前面的0111是代表此时扫描第一行P1.0列，而后面的1111是让读取的4行接脚先设为VDD，若此时第一行的第三列按键被按下，那读取的结果就会变成01111101（注意1111变成1101），其中LSB的第三个bit会由1变成0，这是因为这个按键被按下之后，会被垂直的扫描码电位short，而把读取的LSB的bit电位拉到0，此即为扫描原理。

由于这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，为了避免让8051误判为多次输入同一按键，

我们必须在侦测到有按键被按下，就Delay一小段时间，使键盘以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。图3.8为键盘整体模框图：

图3-1键盘整体模框图

3.2电路图的绘制

用PROTEL 99 SE绘制的完整电路图如下：

图3－2 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，p0.4（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。

PROTEL绘制的PCB板：

图3－3 系统PCB板

图3－4 仿真结果

3.2.1 PROTEL 99 SE简介：

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而

以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel(PCAD)等知名EDA公司设计文件，以便用户顺

利过渡到新的EDA平台。

Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。

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

图4－1 系统程序设计结构图

5 程序调试

把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

调试本程序需要用到KEIL C51

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。

5.3 调试过程

首先打开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51开发板相匹配的烧录软件把HEX文件写入单片机。

6 设计总结与展望

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] 朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版)［M］.:航空航天大学，1998

[2] 全利.单片机原理及接口技术［M］.高等教育，2003

[3] PROTEL99 SE电路设计与制板［M］.机械工业，2007

[4] 将新，华军，到骏等.单片机程序设计及应用（从基础到实践）［J］．电子工业，2006

[5] Steven F.Barrett.Daneil J.Pack.Embedded System[M].：电子工业，2006

[6] 周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术［J］.航空航天大学, 2004

[7] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程［M］.：电子工业, 2005

附录

本设计的程序：

en bit p3.5;

rs bit p3.3;

display equ p0;

speaker bit p2.6;

led bit p2.7;

open bit p2.0;

returnbit bit 20h.1;

ORG 0000h;

LJMP start;

ORG 000bh;

LJMP intermit_t0;

ORG 001bh;

LJMP intermit_t1;

ORG 0030h;

start:

MOV sp,#60h;

lcall sys_initialization;

main0: lcall strat_display;

main:

MOV 52h,#0;52h ；判断输入错误次数存储地址setb led;

setb tr0;

lcall key;

LJMP set_password;

next1: cjne a,#'B',next2;

LJMP input_password;

next2: ajmp main;

sys_initialization:

clr led;

clr open;

clr speaker;

MOV 34h,#'1';

MOV 35h,#'1';

MOV 36h,#'1';

MOV 37h,#'1';

MOV 38h,#'1';

MOV 39h,#'1'; ；存放初始密码

MOV r7,#12;

MOV r0,#40h;

loop: MOV r0,#10h;

inc r0;

djnz r7,loop; ；密码键值存放区清零完毕

lcall delay0_1s;

MOV p0,#03h;

call write_instruction; ；液晶软复位

MOV p0,#01h;

call write_instruction;

mov p0,#3fh;

call write_instruction;

mov p0,#0fh;

call write_instruction;

mov p0,#06h;

call write_instruction; ；液晶初始化完毕

mov r4,#10;

mov tmod,#11h;

mov th0,#0b0h;

setb ea;

setb et0; ;定时器t0，0.5s定时中断初始化完毕ret; ；系统初始化完毕

intermit_t0:

push acc;

push psw;

mov th0,#3ch;

mov tl0,#0b0h;

djnz r4,return;

cpl led;

mov r4,#10;

return: pop psw;