毕业设计(论文)-基于STC12C5A60S2单片机的智能门锁系统的设计与实现

中文题目:基于STC12C5A60S2单片机的智能门锁系统的设计与实现外文题目:DESIGN AND IMPLEMENTATION OF INTELLIGENTDOORLOCKSYSTEMBASEDONSTC12CA60S2 MCU

毕业设计（论文）共 64页（其中：外文文献及译文6页）图纸共0张完成日期2016年6月答辩日期2016年6月

摘要

在互联网与电子科技高速发展普及的今天，智能产品大量涌入人们生活中，但在居民生活应用方面仍有很大的发展空间。本系统基于51单片机，3.7V锂电池供电，设计了一款智能门锁，使用LCD1602显示屏作为交互界面，实现状态显示，4×4矩阵键盘作为密码输入端口，实现键盘解锁，HC-05蓝牙模块作为与Android连接的端口，使用Android 智能手机输入密码解锁，SIM800L短信模块作为短信发送与接收的端口，实现短信解锁，门锁状态通知等功能。系统使用简单、响应快捷、安全方便，为居民家庭财产提供安全保障，也解决了没有钥匙无法开锁的问题，具有一定应用价值。

关键词：单片机；电子锁；密码锁；

Abstract

Today in the popularity of Internet and the rapid development of electronic technology, intelligent products influx of people's life, but in the application of life of the residents there are still much room for development. The system based on 51 MCU design a smart door lock, as interactive interface, to achieve the state display with LCD1602 display, 4 * 4 matrix keyboard as a password input port and unlock the keyboard. HC-05 Bluetooth module as the port connected with the Android, Android smartphones to enter a password to unlock, SIM800L SMS module as text messages to send and receive port, a short letter to unlock door Lock status notification, 3.7V lithium battery p ower supply. The system is easy to use, fast response, convenient and safe, for the residents of the family property to provide security, also have not solved the key to unlocking, has certain application value.

Key words：MCU；Electronic lock;Password lock;

目录

引言 (1)

1 项目概述 (2)

1.1选题背景 (2)

1.2目的及意义 (2)

1.3国内外研究现状与发展趋势 (2)

2 相关技术 (3)

2.1 单片机技术 (3)

2.2 矩阵键盘行列扫描技术 (3)

2.3 按键去抖技术 (4)

2.4 串口通信技术 (4)

2.5 AT指令技术 (5)

2.6 蓝牙通信技术 (6)

3 总体设计 (7)

3.1 设计方案 (7)

3.2 系统硬件总体设计 (8)

3.2.1系统硬件结构 (8)

3.2.2 系统硬件方案设计 (9)

3.3 系统软件总体设计 (10)

3.3.1 上位机软件设计 (10)

3.3.2 下位机软件设计 (11)

4 系统硬件设计 (13)

4.1 系统硬件设计原则 (13)

4.2 核心部件选型 (13)

4.2.1 单片机 (13)

4.2.2 显示部件 (14)

4.2.3 蓝牙部件 (16)

4.2.4 无线通信模块 (17)

4.3 硬件电路设计 (18)

4.3.1 液晶显示控制电路 (18)

4.3.2 矩阵键盘输入控制电路 (19)

4.3.3 蓝牙模块控制电路 (20)

4.3.4 GSM无线通信模块控制电路 (21)

5 软件设计 (23)

5.1 软件设计原则 (23)

5.2 主程序设计 (23)

5.3 系统启动程序设计 (25)

5.4 状态显示程序设计 (25)

5.5 矩阵键盘输入程序设计 (26)

5.6 蓝牙模块程序设计 (28)

5.7 GSM无线模块程序设计 (29)

6 系统测试与运行 (30)

6.1测试方案 (30)

6.2 测试结果与分析 (33)

结论 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

附录A 中文译文 (37)

附录B 英文原文 (40)

附录C 系统连接原理图 (42)

附录D 源程序代码 (42)

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）

引言

随着社会物质财富的日益增长和人们生活水平的提高，安全成为现代居民最关心的问题之一。而锁自古以来就是把守门的铁将军，人们对它要求甚高，即要求可靠地防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。伴随着电子科技的出现以及智能家居概念的深入人心，门锁的智能化已经成为可能，现在已经存在多款智能化门锁，主要是使用电磁卡片解锁或指纹解锁，由于过高的价格使得这类智能门锁主要应用于公司与企业或酒店当中，很难得到居民的认可。在国内外主要的研究方向是指纹解锁与眼球解锁，如今指纹解锁的精度与安全性的开发与研究已经成熟，但是眼球解锁实用化仍然需要时间，本系统使用最为简单但安全性最高的密码解锁，基于廉价高效的STC12C5A602单片机，同时增加便捷的智能手机解锁与短信解锁功能，在确保安全性的同时提高便捷性，配合手机软件，实现简单便捷的智能开锁体验。

郭相卓：基于STC12C5A60S单片机的智能门锁系统的设计与实现

1 项目概述

1.1选题背景

在电子信息大爆炸的今天，智能、便捷、廉价、高效成为发展的主题，传统机械锁已经无法满足用户的需求，无法确定门锁的状态，需要配多把钥匙，需要随身携带钥匙，无法远程开锁等多种不便，这使得电子门锁的出现成为必然，相比于传统的机械锁，电子门锁具有使用记录和状态监测等功能，同时伴有防盗报警功能，安全可靠。

1.2目的及意义

根据当前的科技水平与需求环境，使设计并实现一款简单、智能、实用的智能门锁成为可能。如何才能让门锁的使用变得更加简单，可以使用密码来代替钥匙开锁，钥匙需要随身携带，同时也要配备多把以防丢失，而密码则没有这些问题，只需要记住密码就可以了。如何才能让门锁的使用更加便捷，传统门锁需要使用钥匙到门近前才能开锁，当人在屋内而客人敲门时，也需要到门口才能开门，可以增加远程开锁方式，以增加开锁的便捷性。如何才能让门锁的使用更加安全，传统门锁在之人离家时无法得知门锁的状态，无法知道门锁是否被打开，被谁打开，可以增加状态通知功能，可以让主人实时了解门锁当前的状态，大大加强门锁的安全性。

综上所述，智能门锁相比于传统门锁有更高的使用价值，拥有很广的发展前景。1.3国内外研究现状与发展趋势

国内外对于电子锁的主要研究方向为指纹解锁，红外解锁，IC磁卡解锁，眼球解锁，脑纹等更加安全、有效、便捷的解锁方式，如今指纹解锁，红外解锁，IC磁卡解锁变得十分成熟，但眼球解锁与脑纹解锁仍处于研究阶段，其他解锁方式主要应用于酒店，公司，企业当中，很少应用于居民生活。指纹解锁使用指纹的唯一性进行解锁，如今的指纹锁经过数年的发展已经具有很高的安全性，但成本较高。眼球解锁与脑纹解锁将是新一代电子锁的发展方向，指纹可以进行复制，但是脑纹与眼球却难以复制，可以将安全系数提高到更高的层次。

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2 相关技术

2.1 单片机技术

单片机[1]又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的基本结构[2]由运算器，控制器，寄存器构成。运算器由运算部件——算术逻辑单元（Arithmetic & Logical Unit，简称ALU）、累加器和寄存器等几部分组成。ALU 的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算，输入来源为两个8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，最后将结果存入累加器。例如，两个数6和7相加，在相加之前，操作数6放在累加器中，7放在数据寄存器中，当执行加法指令时，ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器，取代累加器原来的内容6。控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的“决策机构”，即协调和指挥整个微机系统的操作。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联，并通过外部总线与外部的存储器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线，分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路，实现与各种外围设备连接。寄存器由累加器，数据寄存器，指令寄存器，指令译码器等构成。

主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。系统结构简单，使用方便，实现模块化。单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障，处理功能强，速度快，低电压，低功耗，便于生产便携式产品，控制功能强，环境适应能力强。

2.2 矩阵键盘行列扫描技术

行列扫描技术[3]是一种寻找在矩阵键盘被按下按键位置的方法，是根据矩阵键盘的结构来实现的，以4×4矩阵键盘为例（如图2-1所示），有4条行线（PA0~PA3）与4条列线（PA4~PA7），4条行线置于低电平，4条列线置于高电平，当按键被按下时，被按下按键所在列的电平就会被拉低，从而找到按键的所在列，在依次将一条行线的电平置为0，其余行线置为1，如果所在列线的电平再次被拉为低电平，则找到按键所在行线，从而定位按键的位置。

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图2-1矩阵键盘电路图

Fig.2-1 Matrix keyboard circuit diagram

2.3 按键去抖技术

通常的按键所用开关为机械弹性开关[4]，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，为了不产生这种现象而作的措施就是按键去抖。此按键去抖技术是使用软件的方法减少按键抖动带来的影响[7,8]，主要是使用延时程序，使用5ms～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后，也要给5ms～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。延时的5ms～10ms恰好避开了按键的抖动期。2.4 串口通信技术

串口通信[5]的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，它很简单并且能够实现远距离通信。串口主要用于ASCII码字符的传输。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。串口通信最重要的参数是波特率[6]、数据位[7]、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配。波特率是一个衡量通信速度的参数,它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。本系统主要使用的9600波特率。数据位是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。

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如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0～127（7位）。扩展的ASCII 码是0～255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。停止是用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。

2.5 AT指令技术

AT指令集[8]是从终端设备（Terminal Equipment，TE)或数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment，DCE)发送的指令代码，以AT为开头，以回车作为结尾。每个指令执行的成功与否都会有相应的返回。90年代初，AT指令仅被用于Modem操作。没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫SMS BlockMode的协议，通过终端设备(TE)或电脑来完全控制SMS。几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP 共同为GSM研制了一整套AT指令，其中就包括对SMS的控制。AT指令在此基础上演化并被加入GSM07．05标准以及GSM07．07标准，完全标准化和比较健全的标准。如：对SMS 的控制共有3种实现途径：最初的BlockMode；基于AT指令的TextMode；基于AT指令的PDUMode。到PDUMode已经取代BlockMode，后者逐渐淡出。GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符结束的字符串，AT指令的响应数据包在中。每个指令执行成功与否都有相应的返回。其他的一些非预期的信息(如有人拨号进来、线路无信号等)，模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。

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2.6 蓝牙通信技术

蓝牙通信技术是采用低能耗无线电通信技术[9]来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。

蓝牙技术采用的是跳频技术[10]，能够抗信号衰落，采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性，采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰，采用2.4GHz的ISM (即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦，采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠。“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙。“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个话音通道支持64Kbps的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kbps、反向应答速率为57.6Kbps的非对称连接，或者432.6Kbps的对称连接。蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高办公和通信效率。因此，“蓝牙”将成为无线通信领域的新宠，将为广大用户提供极大的方便而受到青睐。

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3 总体设计

3.1 设计方案

本文所设计的智能门锁系统能够实现键盘密码解锁与系统设置，近距离蓝牙远程无线解锁与系统设置，远距离短信无线解锁与系统涉资，门锁状态信息反馈等功能，安全，简单，方便，快捷。

智能门锁系统结构图如图3-1所示，STC12CA60S2单片机作为系统控制核心，使用液晶显示模块作为系统交互界面，指导用户操作，键盘输入模块作为直接输入接口可以输入密码解锁和进行相关系统设置，如修改密码等。通过智能手机的蓝牙串口软件可以使用蓝牙通信模块实现近距离无线控制门锁，使用无线通信模块可以远距离无线控制门锁，同时单片机也可以通过此模块反馈门锁的状态，智能手机也会存储相关的信息，例如电子门锁打开次数以及时间等相关信息。

图3-1智能门锁系统总体结构图

Fig.3-1 General structure of intelligent door lock system

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3.2 系统硬件总体设计

3.2.1系统硬件结构

智能门锁系统的硬件结构搭建如图 3-2 所示，图中LED液晶显示屏放在最上面，有利于与用户的交互，给用户良好的视觉体验，4x4的矩阵键盘最为输入端口发在液晶显示屏的下面，有利于用户的输入。左侧的蓝牙模块可用于与上位智能机的链接，以达到近距离远程操控的功能，STC12CA60S2单片机作为控制核心，与蓝牙模块，无线通讯模块，键盘，显示屏相连接，以达到控制作用，同时使用3.7v锂电池进行供电，可以使智能门锁系统可以在外部电源切断的情况下继续工作。

图3-2智能门锁系统硬件搭建结构图

Fig.3-2Intelligent door lock system hardware structure diagram

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3.2.2 系统硬件方案设计

智能门锁的解锁方式有很多，本文主要是使用6位密码作为解锁方式，主要的输入方式有3种，一是使用键盘直接进行输入到单片机中，二是使用蓝牙模块通过串口输入到单片机中，三是使用无线传输模块通过串口输入到单片机中，最后在单片机中处理，在LCD 液晶显示屏中显示相关内容。系统硬件设计方案如图 3-3 所示。

图3-3智能门锁系统硬件设计方案

Fig.3-3Hardware design of intelligent door lock system

（1）单片机

相比于现在广为使用的ARM作为处理核心，单片机拥有能耗低，兼容性好，价格低廉的特点，而且单片机不需要依靠任何烧录器，可直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录，相比于使用JTAG烧录方式的ARM，操作简单容易。而且单片机作为本系统的处理核心性能足够，使用ARM会造成性能溢出的缺点。同时它的精确的控制每个引脚的输入输出状态，指令简单，运行效率高。

（2）矩阵键盘

采用矩阵键盘可以在按键较多的时候，减少I/O口的占用，虽然识别的方法比较复杂，但是可以有效的为其他模块节约空间，同时相比于薄膜键盘来说，按键反馈率高，使用方便，成本低，性能高。相比于单个按键，可以节约出更多的引脚用于其他模块的扩展，以减少开发成本。

（3）蓝牙

之所以采用蓝牙模块作为短距离无线传输模块，是因为它的成本低，性价比高，具有