智能密码锁的设计本科论文

题目智能密码锁的设计 ___________

学生姓名学号__________

所在学院物理与电信工程学院_____________________

专业班级电子信息工程__________________ 指导教师 _______________________

完成地点物理与电信工程实验_______________

2016 年 6 月 3 日

智能密码锁的设计

（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程专业电子1205班，陕西汉中723000）

指导教师：

[摘要]本文论述了基于AT89C52单片机的红外遥控电子密码锁系统设计。给出了具体的实现方案。该条件在分析了单片机的串行通信工作原理的基础上，同时也设计了红外发送接收器电路，以及电子密码锁的电路设计等。该设计可以实现密码设定、密码显示、密码修改、本机开锁、远程遥控开锁、密码输入错误报警等等。红外发送器和红外接收器的电路以及电子密码锁设计电路和应用方法.

[关键词]AT89C52 ; LCD1602 ; 电子密码锁.

Design of the intelligent electronic cipher lock

Li Qian Song Yu

(Grade12,Class5, Major electronics and information engineering,Electronics and information engineering Dept.,Shanxi University of Technology,Hanzhong 723000，Shaanxi)

Tutor: Liang Fang

Abstract This dissertation is about concrete design of the hardware and program steps of Infrared ray test instrument’s design and realization based on A T89C51. This design can achieve the password selection; password to modify the password of the machine lock, remote keyless entry, the password is incorrect alarm function. The paper gives the working principle of the single-chip serial communication, infrared transmitter and infrared receiver circuit, and the typical design of the circuit of the electronic lock application methods.

Key words AT89C52; LCD1602 ; Electronic password lock .

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景和意义 (1)

1.2 电子密码锁未来的发展走势 (1)

2 总体设计方案的确定 (2)

2.1 本次密码锁的具体功能实现要求 (2)

2. 2 总体设计方案选定 (2)

3 系统硬件设计 (3)

3.1 设计原理 (3)

3. 2 单片机AT89C52简介 (3)

3.3 AT24C02存储芯片 (6)

3.4 LCD显示模块 (7)

3.5 键盘设计 (10)

3. 6 声音提示模块 (11)

3. 7 继电器控制模块 (12)

3. 8 红外接收模块 (13)

4 系统软件设计 (15)

4.1主程序模块 (15)

4.2 键盘扫描子程序 (16)

4.4 开锁子程序 (18)

4. 5 软件调试 (18)

5 系统制作及调试 (22)

5.1焊接注意事项 (22)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录A 外文翻译原文 (26)

附录B 中文翻译 (31)

附录C 原理图 (36)

附录D 仿真图 (37)

附录E 元器件清单 (38)

附录F 电子密码锁程序源代码 (39)

1 绪论

1.1、课题背景和意义

由于电子技术和计算机技术的迅速发展,单片机性能有很多提高,不仅性价比有了进步,而且技术也得到了改进。与此同时单片机具有体积小,重量轻,价格便宜,功耗低,强大的控制功能和操作速度等,因此在国民经济建设、军事和家用电器等领域得到了广泛的应用。这个设计使用单片机和额外的电子组件实现数据采集和控制算法,提供了一个使用函数和提高学生对整个电路设计的能力和掌握、了解单片机系统设计的过程,以及对电路板的实际生产和调试功能的了解。还加强了对数字电路、单片机原理和课程知识的实际应用能力,也为类似产品的进一步发展奠定理论和实践基础[1]。

随着时代的飞速发展，人民物质极大丰富，生活水平不断提高，因此人们对安全的要求也越来越重视，锁是人们长期以来看家护院的必需品之一，因此人们对它的要求也更加严苛，不仅要能保护财产还要能存储信息，不仅要方便实用还要能有很高的辨识度。因此，电子类的密码锁应运而生。

从目前来看，在西方发达国家，电子密码锁技术发展较快，电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全、更加可靠的技术增强了大门的管理的安全系数。然而我国电子锁整体水平仍与国际上的整体水平有着很大差异，由于技术的局限性，因此电子密码锁的成本还很高，在市场上，一般以按键电子锁为主流。但国内自主研发的电子锁，应用还不广泛。但是值得高兴的是，国内的不少企业已经积极学习和了解了先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用[2]。

1.2、电子密码锁未来的发展走势

一般来说,防盗锁的关键就是锁坚固的外壳,开锁的方式，锁的布局等。提高电子锁的保护的一般方式是报警,在许多地方金融业值班,电视监控、警报可以集成物理安全预防和人类两个效果。警报是提供检测函数,根据电子锁和使用前提的保护需求,你可以选择各种各样的检测手段。在中国城市金融行业,联网报警逐渐所有金融机构的基本要求。根据国内外的实践经验,金融行业采取安全风险水平的划分是必要的,基于防盗报警设备的使用性能、安装布局,可以评估和员工值班状态保护盾或地区,从而获得风险水平,这对于研究和改善电子锁的性能是至关重要的一点。

钥匙的开锁信息可以是数字、字符、时间、人体器官识别等可以利用的信息，组合使用这些信息能够使电子密码锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子密码锁，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。组合使用信息也能够使电子密码锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。

2 总体设计方案的确定

2.1本次密码锁的具体功能实现要求

（1）本设计要求在输入密码时在LCD 屏幕上显示*号，从而可以防止密码被第三方窃取。 （2）设计开锁密码的位数为六位。

（3）能够使LCD 显示器在密码正确时显示open ，密码错误时显示error ，输入密码时显示input 。 （4）输入密码错误超过三次则自动锁定。

（5）4×4的矩阵键盘主要包含0-9的数字键、*、#和A-D 的功能键。

（6）本次设计的密码锁具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器发出提示音。

（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[3]

。 2.2总体设计方案选定

方案一：应用数字电路进行操作控制。

采取74LS112双JK 触发器组成的数字逻辑电路成为密码锁的基础操控部分，总体设置了9个用户输入键，里面仅仅4个是有用的密码按键，其它的按键为干扰按键，如果压下扰乱键，键盘键入电路自己置零，以前键入的密码就会消失，要求重新键入；假如用户输入密码的时间超过10秒，报警模块将报警20秒，若连续报警三次，密码锁将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。采用数字电路设计的方案好处就是设计简单但控制的准确性和灵活性差。故不采用。

方案二：采用一种是用以AT89C52为核心的单片机控制方案。 选用单片机AT89C52作为本设计的核心元件，通过键盘输入密码，同时通过键盘与单片机连接的I/O 口，将输入的密码与单片机已存储的密码进行比对，再通过与单片机连接的显示电路显示开锁成功与否，若开锁成功，则与密码锁相连的负载开始工作，锁被打开。其原理如下图2.1所示：

图2.1 单片机控制的开锁过程

可以看出方案二控制灵活准确性好且保密性强还具有扩展功能，贴近现实生活的需要，并且干扰项比较少，安全性比较高，因此本设计采用方案二。

输 入密 码

单片机微控制器

密码 正确

返回

开锁驱动电路

电磁锁

3 系统硬件设计

3.1 设计原理

本设计主要由单片机、键盘输入、显示部分和密码的放掉电存储等部分组成。其中键盘输入用于输入数字密码和修改密码等功能。开锁的过程是密码被用户通过连接单片机的矩阵键盘输入，输入的密码被与之前单片机内部保存的密码进行核对，由此确定密码正确与否，以后单片机操控引脚的高低电平给予开锁电路部分异或警示电路来开锁或者报警。

本系统共有两部分构成，即硬件部分和软件部分。里面硬件方面包括供电方面，键盘输入方面，密码存储方面，复位电路方面，时钟方面，显示方面，报警方面，开锁方面，软件方面相对的包括主程序、恢复初始程序，LCD 显示程序，键盘扫绘程序，开启程序，闭合程序，密码设计程序，EEPROM 读写程序

与延时程序等构成[4]

。其原理框图如图3.1所示。

3.1 电子密码锁的构成框架

3.2 单片机AT89C52简介

AT89C52之所以是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是因为它具有 8K 可反复擦写Flash 存储器。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或

硬件复位为止。最高运作频率35Mhz ，6T/12T 可选[6]

。A T89C52主要功能如表1所示，其DIP 封装如图3.2所示:

表3.1 AT89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统 8K 可反复擦写Flash ROM

32个双向I /O 口

256x8bit 内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART 串行通道

2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C52引脚介绍:

AT89C52

键盘输入

复位电路

密码存储电路

晶振电路

电源输入

显示电路

报警电路

开锁电路

提供电源的管脚：

VCC(Pin40)：电源输入，连接＋5V 电源 GND(Pin20)：接地的管脚 ②外接晶振引脚

XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端 ③控制引脚

RST/VPP(Pin9)：复位引脚，单片机复位时需要此引脚出现两个周期的高电平。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。 PSEN(Pin29)：外部存储器存进数据信号。

EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚

AT89C52单片机内含4组8位的可编程I/O 口，即P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O 口线，从P0.0～P0.7 P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O 口线，从P1.0～P1.7 P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O 口线，从P2.0～P2.7 P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O 口线，从P3.0～P3.7

EA/VP 31X119X218RESET 9P37/RD 17P36W R 16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P20

21

P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN 29ALE/P 30P31/TXD 11P30/RXD 10GND 20

VCC 40U1STC89C52

图3.2 AT89C52 DIP 封装图

电子密码锁的最小系统包括单片机及其所须的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。因为电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D 扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

最小系统的结构如图3.3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图3.3单片机最小系统原理框图

时钟电路

复位电路 AT89C52单片机

I/O 口

(1) 时钟电路

内部时钟和外部时钟，通常作为AT89C52的时钟信号的两种产生方式。内部时钟方式如图3.4所示。在AT89C52单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30pF ，在此选为30pF 。晶振CYS 的振荡频率范围在1.2~12MHz ，单片机的振荡频率越大，时钟周期就越快，在此时钟电路选择采用11.0592M 的唯一目的是为了获得精准的串口通信

频率，它能够精准的生成9600的波特率，在串口通信中较常用[7]

。

(2) 复位电路

当在AT89C52单片机的RST 引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。

Y1

11.0592MHz

C2

30pF

C3

30pF

18

19

图3.4 AT89C52内部时钟电路

比较简易的上电自动恢复电路里面上电自动恢复是经过外部恢复电路的电容充放电来达到的。一旦Vcc 的提高时间不大于1ms,就能够达到自动上电恢复。

除去上电恢复外，同时还要求按下手动恢复。本方案是采取的为电平式的按下手动恢复。里面电平恢复是经过RST(9)端和电源Vcc 连通而达到的。

R110k

C110uF

S4

VCC

9

图3.5 AT89C52复位电路

（3） A T89C52中断过程的介绍

中断技术通常用于同步的测量和操纵，控制单片机在第一时间来响应中断源发出的中断信号，同时及时的在片内进行分析和处理，这是由片内的中断系统来进行相应的控制和处理。当中断的信号和要求被中断源发出时，一旦中断的条件通过后，单片机将会先放下手头正在处理的程序，跳到中断请求处进行中断的请求。中断的请求被完成以后，再回到先前被暂停的程序之处（断点），接着进行先前的程序

操作。图3.6为整个中断响应和处理过程[8]

。

图3.6 中断响应和处理过程

3.3 AT24C02存储芯片

AT24C02为美国Atmel 公司的小消耗CMOS 型E2PROM ，包括256×8位储存空间，包含运行电压宽(2.5～5.5 V)，擦写数量大(大于10000次)，输入速率高(小于10 ms)，抗扰乱程度高，资料不易消失，空间小等特征。同时它是采取了I2C 总线式开始资料读写的串行元件，占有较小的数据与I ／O 线，同时支持在线编写程序，进行资料实时的存取特别简单。同时AT24C02中带有的片内地址存储器每存进或取出一个字节后，这个地址寄存器主动加1，从而可以自动对下一个存储单元进行读写，全部字节都以唯一的操控方式进行存取。为了使总的写入时间降低，8个字节的数据可以被一次写入。I2C 总线是一种二线制总线用于在IC 器件之间进行连接。它用SDA 及SCL 两根线与连到总线上的器件之间互相联络，同时通过地址来鉴别每个与之相连的器件。AT24C02遵从了I2C 这样的章程，通过主／从机互相之间的交流，主机(通常为单片机)和从机(AT24C02)都可以变为接收器和发送器。串行时钟信号由主机产生并发出控制字，并操纵总线的发送的方向，来做出开始和停止的控制要求。不管是主机还是从机，获得一个字节后一定会传送出一个确认信号ACK 。AT24C02的控制字由8位二进制数构成，在开始信号传送出去后，主机便会发

出控制字，来确定从机并操纵总线传送的方向[9]

。

SOIC PDIP 图3.7 常见的24C02的两种引脚图

主 程序

响应中断请求

中断服务程序

响应中断请求

返回主程序

A 01A 12A 23G

N D 4

S D A

5

S C L 6W P 7V C C

8A T 24C 02

R2

10K

R310K VCC

P 34

P 35

图3.8 AT24C02各管脚的连接图

图中AT24C02的1，2，3脚为三个地址线，作用是确定芯片的硬件地址。第8脚与第4脚为正、负电源。第5脚SDA 是串行资料输入/输出，资料经过这条双向I2C 总线串行发出，第6脚SCL 是串行时钟进入线， SDA 与SCL 都要求与正电源间分别联结一个10 K 的电阻上提。第7脚要求连地。倘若WP 管脚联结到Vcc ，整体的内容就会被保护仅仅读取。假如WP 管脚联结到Vss 或者悬空许可器件开始普通的读/写操控。 3.4 LCD 显示模块

LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x2 即32个字符。从我们平时的生活中来说，液晶显示器已经日渐的深入到我们日常的生活中去。众多的电子类器件都开始选择液晶显示器作为其输出信息的一种器件，比如在日常用到的计算机，电话，手表，检测仪器等产品中都可以看到液晶显示器的身影，从而将数字和图像、字符等显示在用户的面前。在用户和操作的核心器件之间的交流过程中，可以选择的用来输出的显示器件主要是，发光管和LED 数码管、液晶显示器等。但是总体来说LED 数码管

和液晶显示器比较常用，操作起来相对都比较简单[10]

。

在这次基于单片机的电子密码锁中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个原因：

液晶显示器各个点在接收到控制信息后就一直处于同一种水平色彩与亮度，一直发光，不像阴极射线管显示器（CRT ）需要随时刷新亮点。所以，液晶显示器画面质量高并且不会闪烁。

液晶显示器全是数字式的，在和单片机系统进行接口时更加简单易行，操控会更便捷。

液晶显示器经过显示屏里的电极来控制液晶分子来实现显示的目标，能够更加清晰的显示目标 比较来说，液晶显示器的消耗重要功耗在它里面的电极与驱动IC 里，同时耗电量比另外显示器要

小的很多[11]

。

G N D 1V C C

2V 03R S 4R /W

5E N

6D 07D 18D 29D 310

D 411D 512D 613D 7

14A 15K

16

1602

D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7

R S

W R E N V CC

V CC

K

A 1.5k

10k

图3.9 液晶显示模块电路图

（1）重要引脚说明：

第3脚：VL 为液晶显示器辉度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生无法正常显示的情况，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度。

第6脚：E 端为使能端，当E 端由高电平跳变成低电平时，液晶显示器开始工作。 第15脚和第16脚分别为背光源的正负极。 （2）1602LCD 的RAM 地址以及规定的字库表

LCD1602液晶模块里边的的存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，主要有：阿拉伯数字、大小写的英文字母、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个相对应的代码，例如大写的英文字母“A ”的代码是01000001B （41H ），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母。

它的读取控制、屏幕和光标控制是在指令编程条件下来实现的（说明：1为高电平，0为低电平）。 指令1：清零显示，指令码01H ，光标恢复到地址00H 位置。 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 。

指令3：光标和显示控制设置 I/D ：光标相应变换方向，高电平右移，低电平左移。S ：屏幕上所有文字是否向左移或者向右移。高电平表示有效，低电平则无效 。

指令4：显示开关控制。D ：控制整体显示的开与关，高电平表示开，低电平表示关。 C ：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。 B ：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 。

指令5：光标显示移位S/C ：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6：功能设置命令DL ：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线。 N ：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。 F ：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 （有些模块是 DL ：高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。

指令7：字符发生器RAM 地址设置 。 指令8：DDRAM 地址设置 。 指令9：读出忙信号和光标地址。BF 为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据。

指令10：写数据。 指令11：读数据。

液晶显示模块作为一个慢显示部分，因此在执行每条命令之前必须要确认模块的忙信号为低电平，表示不忙，否则该指令没有应答。需要显示字符时要先将字符地址输入进去，即说明模块在哪里显示字符。

比如，第二行第一个字符的地址是40H ，那么直接写入40H 是不是就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？答案是否定的，因为写入显示地址时要求最高位D7一直为高电平1，所以应该修改写入的数据地址是01000000B （40H ）+10000000B(80H)=11000000B(C0H) 。对液晶部分的初始化中要先确定其显示方式，在液晶部分显示字符的光标是自动向右移动的，不需要再为其设置。但是每次输

入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。

液晶显示的原理是通过使用液晶的物理特性，利用电压对它的显示部分进行操作，有电就可以显示，这样就可以表示出我们需要的图形。由于液晶显示器现在已经被广泛应用在笔记本电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等很多高科技产品中[12]。

（3）显示内容

开锁时：

当在键盘输入密码时，密码在LCD1602上显示出来的字符是“Input :******”，密码总共显示六位。密码输入正确后，则显示器上显示“Open”字符。如下图3.10所示。

当密码输入超过六位时，则不再显示“*”字符，同时再按下其他键时，也将不再显示，直到重新打开密码锁，出现“Input Password”,方可继续输入。如下图3.11所示。

当输入六位错误密码时，LCD1602显示器则会显示“error”字符，之后还可以继续输入密码，当连续输入三次密码都错误的情况下，LCD1602会显示“error”，并无法再输入新字符。

图3.10 密码输入正确

图3.11 密码输入错误

修改密码时：

当密码正确输入两次后，LCD1602将会显示“SetNewWordEnable”,之后输入新密码时，又出现“Input:******”,新密码输入一次后，LCD1602显示器又将显示“input again”，此时继续输入新密码“input：******”，新密码输入两次后，显示器显示“ResetPasswordOk”,直至此时，新密码设置成功。如下图3.12和3.13所示。

图3.12 设置新密码

图3.13 新密码设置正确

3.5 键盘设计

这次在密码的输入方面，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，一般可以采用这样方法。

各条水平（行线）和垂直线（列线）的交汇处并不导通，需要经过一个按键来导通，采取这种行列式矩阵构造只要求N条行线与M条列线，就可以构成包括N×M个按键的键盘。

由此次行列式矩阵键盘不是键盘编码的单片机设计中，键盘解决程序第一次执行处于按键等待同时确认是否按键压下的程序区间[13]。

4×4矩阵键盘的工作原理

在键盘中按键数值很多，为了方便降低I/O口的使用，一般将按键构成矩阵格式，如图5所示。在矩阵式键盘里面，各个水平线与垂直线在交汇处非直接联结，就是经过一个按键加以联结。所以，一个端口（如P1口）就能够组成4*4=16个按键。

扫描原理

把每个键都分成水平和垂直的两端接入，假设扫描码是从垂直进入，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，扫描时是先输入扫描码，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。

考虑到这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一段时间才能信号稳定，为了避免让单片机判断为多次输入同一按键，我们可以设计为检测到到有按键被按下，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。