電子密碼鎖課程設(shè)計(jì)

1、摘要： 為了提高個(gè)人資料、部門文件檔案的保密性和安全性，采用高速、低功耗且具備ISP、IAP、內(nèi)部E2PROM功能的STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)了保密性更高的電子密碼鎖，并詳細(xì)介紹STC89C52單片機(jī)內(nèi)部E。PROM有關(guān)的特殊功能寄存器、讀寫子程序。該電子密碼鎖的上鎖、開鎖、修改密碼都在片內(nèi)進(jìn)行，不涉及外圍芯片，減小了PCB面積，降低故障率和成本，提高了可靠性、保密性，值得推廣。 1 課程設(shè)計(jì)題目：密碼鎖利用單片機(jī)STC89C52設(shè)計(jì)一個(gè)密碼鎖，能夠使用數(shù)碼管顯示器來顯示密碼輸入的相關(guān)信息，通過10位數(shù)字按鍵（09）設(shè)置4位數(shù)字（09）密碼，2位功能按鍵A(輸入校驗(yàn)密碼并驗(yàn)證密碼)和B (設(shè)

2、置新密碼)，利用繼電器模擬電子門鎖作出是否開門以及報(bào)警等反應(yīng)。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容：上電時(shí)內(nèi)定初始密碼為“0000”，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，綠色發(fā)光二極管熄滅，數(shù)碼管顯示器顯示“初始狀態(tài)”，“初始狀態(tài)”由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略。功能按鍵A：實(shí)現(xiàn)設(shè)置新密碼功能，存儲(chǔ)新密碼并顯示，一旦設(shè)定新密碼，則初始密碼失效。功能按鍵B：實(shí)現(xiàn)輸入校驗(yàn)密碼并驗(yàn)證密碼功能，顯示校驗(yàn)密碼并進(jìn)行密碼比較。l 密碼輸入正確則繼電器啟動(dòng)，并使紅色發(fā)光二極管熄滅，綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，數(shù)碼管顯示器提示“密碼正確”，“密碼正確”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，持續(xù)25S后繼電器關(guān)閉，綠色發(fā)光二極管熄滅，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；

3、l 密碼輸入錯(cuò)誤則持續(xù)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，綠色發(fā)光二極管熄滅狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警，數(shù)碼管顯示器提示“密碼錯(cuò)誤”，“密碼錯(cuò)誤”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，持續(xù)25S后蜂鳴器停止報(bào)警；l 校驗(yàn)密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤3次，則持續(xù)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，綠色發(fā)光二極管熄滅狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警，數(shù)碼管顯示器提示“密碼連續(xù)錯(cuò)誤3次”，“密碼連續(xù)錯(cuò)誤3次”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，持續(xù)25S后蜂鳴器停止報(bào)警，新密碼失效，恢復(fù)初始密碼使用。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容說明：設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)“主要設(shè)計(jì)內(nèi)容”的所有功能，但對(duì)于“具體設(shè)計(jì)內(nèi)容”可做適當(dāng)調(diào)整，密碼輸入錯(cuò)誤3次環(huán)節(jié)可自行設(shè)計(jì)。此外，為了加強(qiáng)密碼鎖的嚴(yán)密性，

4、可采取下述方案對(duì)“設(shè)置新密碼功能”環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，依據(jù)設(shè)計(jì)思路可作適當(dāng)調(diào)整，此部分內(nèi)容為附加內(nèi)容。功能按鍵A：實(shí)現(xiàn)輸入校驗(yàn)密碼并驗(yàn)證密碼功能，顯示校驗(yàn)密碼并進(jìn)行密碼比較。l 密碼輸入正確：n 則繼電器啟動(dòng)，并使紅色發(fā)光二極管熄滅，綠色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，數(shù)碼管顯示器提示“密碼正確”，“密碼正確”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，若不設(shè)置新密碼，則持續(xù)58S后繼電器關(guān)閉，綠色發(fā)光二極管熄滅，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；n 若功能按鍵B按下：實(shí)現(xiàn)設(shè)置新密碼功能，存儲(chǔ)新密碼并顯示，一旦設(shè)定新密碼，則初始密碼失效。但此功能必須以舊密碼輸入正確為前提。l 密碼輸入錯(cuò)誤：n 校驗(yàn)密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤小于3次，則持

5、續(xù)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，綠色發(fā)光二極管熄滅狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警，數(shù)碼管顯示器提示“密碼錯(cuò)誤”，“密碼錯(cuò)誤”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，持續(xù)25S后蜂鳴器停止報(bào)警；n 校驗(yàn)密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤3次，則持續(xù)紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，綠色發(fā)光二極管熄滅狀態(tài)，蜂鳴器報(bào)警，數(shù)碼管顯示器提示“密碼連續(xù)錯(cuò)誤3次”，“密碼連續(xù)錯(cuò)誤3次”狀態(tài)的顯示內(nèi)容由設(shè)計(jì)者自行設(shè)計(jì)，但不可省略，持續(xù)25S后蜂鳴器停止報(bào)警，新密碼失效，恢復(fù)初始密碼使用。3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及確定3.1 系統(tǒng)方案的提出本次課程設(shè)計(jì)的密碼鎖電路主要由四個(gè)模塊組成：鍵盤輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示控制模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。方案一：以單片

6、機(jī)為電子密碼鎖系統(tǒng)核心，使用4*4矩陣鍵盤作為數(shù)據(jù)輸入方式，驅(qū)動(dòng)4位數(shù)碼管顯示器提示程序運(yùn)行過程和開鎖的步驟，利用繼電器及蜂鳴器模擬電子門鎖作出是否開門以及報(bào)警等反應(yīng)。圖1為單片機(jī)控制密碼鎖的系統(tǒng)原理框圖。圖1 單片機(jī)控制密碼鎖的系統(tǒng)原理框圖輸入按扭開關(guān)組輸入鎖存電路密碼存儲(chǔ)電路開鎖控制電路機(jī)械動(dòng)作構(gòu)件5秒定時(shí)電路20秒定時(shí)電路聲光指示電路圖2 數(shù)字邏輯控制方案電子密碼鎖原理框圖方案二：以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案，如圖2。3.2 方案比較及確定 由于利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和強(qiáng)大的I/O端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還可以增添掉電存儲(chǔ)、聲光提示

7、等功能，故選用方案一。CPU的選擇STC89C52系列單片機(jī),高速、低功耗、新增在系統(tǒng)在應(yīng)用可編程(ISP,IAP)功能,使不具有E2PROM的單片機(jī)具有了E2PROM的功能,可以在線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能,適用于一些需經(jīng)常改變數(shù)據(jù)的應(yīng)用產(chǎn)品(如計(jì)費(fèi)器、門禁系統(tǒng)等)及需遠(yuǎn)距離改變?cè)O(shè)備參數(shù)的產(chǎn)品(遙控設(shè)備等)。采用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的電子密碼鎖,利用內(nèi)部E2PROM資源,不需要外接程序存儲(chǔ)器就能完成修改密碼等多種功能,并且保密性高、成本低、簡(jiǎn)單易行,符合住宅、部門辦公安全要求。ISP在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個(gè)強(qiáng)大易用的功

8、能。具有雙工UART串行通道。內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像AT89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路鍵盤電路采用矩陣式鍵盤，顯示電路采用四位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示相對(duì)于靜態(tài)顯示有占用I/O口資源少的特點(diǎn)，恰好適合于本系統(tǒng)。方案中沒有采用鍵盤、顯示接口芯片8279實(shí)現(xiàn)鍵盤、顯示接口。由于本次課程設(shè)計(jì)所使用的鍵盤數(shù)量、顯示的方式及單片機(jī)的I/O口線使用情況等，采用前一種方式就足以能完成課程設(shè)計(jì)的要求，不必要多用一個(gè)芯片。根據(jù)本次課程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，兼顧經(jīng)濟(jì)性、使用性、簡(jiǎn)單易行、操作簡(jiǎn)單等多方面因素，本次課程設(shè)計(jì)采用方案一來完成。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本次課程設(shè)計(jì)的密碼鎖電路主要由四個(gè)模塊組成：

9、鍵盤輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示控制模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。如圖3所示，為密碼鎖開鎖電路原理圖。當(dāng)用戶輸入的密碼正確時(shí)，單片機(jī)便輸出開門信號(hào)，送到繼電器驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)繼電器常開觸點(diǎn)閉合，達(dá)到開門的目的。本次設(shè)計(jì)中，繼電器選用固態(tài)繼電器，信息通過數(shù)碼管顯示，并利用蜂鳴器和發(fā)光二極管聲光指示。其中，綠發(fā)光二極管亮，表示開鎖；否則，紅發(fā)光二極管亮，表示密碼輸入錯(cuò)誤并開啟報(bào)警電路。開鎖驅(qū)動(dòng)電路STC89C52單片機(jī)密碼正確鎖定開鎖是否圖3 密碼鎖開鎖電路原理圖4.1 STC89C52最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括C

10、PU、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等三部分。下面則分別介紹這三部分的選取。4.1.1時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)，常用的時(shí)鐘電路有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式電路外接兩個(gè)電容和一個(gè)晶振，根據(jù)振蕩頻率要求的不同選用不同阻值的電容和晶振。時(shí)鐘電路中的晶振震蕩頻率范圍通常是1.2MHz12MHz，AT89S51常選擇6MHz或12MHz的石英晶體，為消除誤差，得到準(zhǔn)確的波特率，本設(shè)計(jì)選擇震蕩頻率為11.0592MHz的石英晶，時(shí)鐘電路如圖4所示。 圖4時(shí)鐘電路4.1.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需在單片機(jī)的復(fù)位引腳加上大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可使單片

11、機(jī)復(fù)位，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)可通過復(fù)位重新啟動(dòng)程序。MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的，STC89C52也不例外，復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，為方便復(fù)位操作，本文采用按鍵電平復(fù)位，電路如圖5所示。其中C取10uF，R2取10K，復(fù)位電路如圖5所示。 圖5復(fù)位電路4.2 鍵盤、顯示電路硬件設(shè)計(jì)4.2.1鍵盤電路硬件設(shè)計(jì)鍵盤是系統(tǒng)中的手動(dòng)控制部分，所以鍵盤的設(shè)計(jì)就顯得尤為的重要。每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要M條行線和N條列線，即可組成具有M×N個(gè)按鍵的鍵盤。由于本設(shè)計(jì)中要

12、求使用16個(gè)按鍵輸入，為減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O線的數(shù)目，故使用矩陣鍵盤。本設(shè)計(jì)中，矩陣鍵盤列線和單片機(jī)P2.0-P2.3相連，行線與單片機(jī)P2.4-P2.7相連。鍵盤掃描采用行掃描法，即依次置行線中的每一行為低電平，其余均為高電平，掃描列線電平狀態(tài)，為低電平即表示該鍵按下。鍵盤電路硬件連接圖如圖6所示。 圖6 矩陣按鍵4.2.2顯示電路硬件設(shè)計(jì)顯示是系統(tǒng)的輸出部分，用于觀察當(dāng)前的輸入狀態(tài)。顯示電路采用三極管對(duì)位碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。LED數(shù)碼管有共陽(yáng)和共陰兩種，把這些LED發(fā)光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個(gè)8字加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）而作為一個(gè)引腳，就叫共陽(yáng)的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)用時(shí)這

13、個(gè)腳就分別的接VCC和GND。再把多個(gè)這樣的8字裝在一起就成了多位的數(shù)碼管了 。 圖7 共陽(yáng)、共陰數(shù)碼管顯示方式有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。靜態(tài)顯示時(shí)，數(shù)據(jù)是分開送到每一位LED上的；而動(dòng)態(tài)顯示則是數(shù)據(jù)是送到每一個(gè)LED上，再根據(jù)位選線來確定是哪一位LED被顯示。靜態(tài)顯示亮度很高，但口線占用較多；動(dòng)態(tài)顯示占用口線數(shù)目較少，適合用在顯示位數(shù)較多的場(chǎng)合，但顯示位數(shù)的增多，將占用大量的CPU時(shí)間。本次設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)顯示。顯示電路硬件連接圖如圖8、圖9所示。 330555555 圖8 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路 圖9 四位數(shù)碼管4.3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路及報(bào)警電路設(shè)計(jì)4.3.1固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介固態(tài)繼電器（Solid

14、 State Relay,縮寫SSR），是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。固態(tài)繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)

15、雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。1、固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)（1）高壽命，高可靠：固態(tài)繼電器沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長(zhǎng)，可靠性高。 （2） 靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好:固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。（3） 快速轉(zhuǎn)換:固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。（4） 電磁干擾小:固態(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電

16、器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。 2、固態(tài)繼電器的缺點(diǎn)（1）導(dǎo)通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達(dá)12V，大功率晶體管的飽和壓降也在12V之間，一般功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻也較機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻大。 （2） 半導(dǎo)體器件關(guān)斷后仍可有數(shù)微安至數(shù)毫安的漏電流，因此不能實(shí)現(xiàn)理想的電隔離。（3） 由于管壓降大，導(dǎo)通后的功耗和發(fā)熱量也大，大功率固態(tài)繼電器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。（4） 電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。（5） 固態(tài)繼電器對(duì)過載有

17、較大的敏感性，必須用快速熔斷器或RC阻尼電路對(duì)其進(jìn)行過載保護(hù)。固態(tài)繼電器的負(fù)載與環(huán)境溫度明顯有關(guān)，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。（6） 主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應(yīng)散熱措施），有斷態(tài)漏電流，交直流 圖10 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路 圖11 報(bào)警電路不能通用，觸點(diǎn)組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標(biāo)差。4.3.2 固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)當(dāng)用戶輸入的密碼正確時(shí)，單片機(jī)便輸出開門信號(hào)，送到繼電器驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)繼電器常開觸點(diǎn)閉合，綠發(fā)光二極管亮，表示開鎖；否則，紅發(fā)光二極管亮，表示密碼輸入錯(cuò)誤。硬件電路如圖10所示4.3.3 報(bào)警提示電路報(bào)警提示電路采用小蜂鳴器提示。蜂鳴器能夠根據(jù)

18、脈沖信號(hào)，以及信號(hào)率發(fā)出各種不同的聲音，這樣可以根據(jù)系統(tǒng)要求在密碼出入正確和密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)發(fā)出不同的聲音提示，已達(dá)到報(bào)警的要求。蜂鳴器電路，如圖11所示。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了硬件設(shè)計(jì)之外，軟件設(shè)計(jì)也是很重要的，它是系統(tǒng)工作的指揮者，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)要遵循結(jié)構(gòu)合理、操作性能好、具有一定的保護(hù)措施、兼容性好的設(shè)計(jì)原則來開發(fā)設(shè)計(jì)。密碼鎖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序模塊、密碼比較判斷模塊、鍵盤掃描模塊、修改密碼模塊、數(shù)碼管顯示模塊等及按鍵檢測(cè)模塊。系統(tǒng)程序流程如圖12所示。開始系統(tǒng)初始化顯示主界面按鍵檢測(cè) 否讀入鍵值是A鍵是否按下 否 是判斷密碼對(duì)否 否是報(bào)警，紅燈亮開鎖，綠燈亮B鍵是否按下 否 是設(shè)置新密碼A鍵是否按下 否新密碼設(shè)置完成是圖12 系統(tǒng)程序流程圖5.1 主程序模塊主程序主要用于定義全局變量，給全局變量賦初值，啟動(dòng)定時(shí)器，為整個(gè)程序提供數(shù)據(jù)；檢測(cè)按鍵；調(diào)用顯示等功能。5.2 密碼比較判斷模塊該模塊的功能是將鍵盤輸入的密碼利用if語(yǔ)句與設(shè)定的密碼進(jìn)行逐個(gè)比較，若密碼完全正確則開鎖；若不正確，則開啟報(bào)警電路，可重新輸入密碼。其密碼輸入和比較判決流程圖如圖13所示。輸入密碼核對(duì)鍵盤鎖定