基于51單片機(jī)的電子密碼鎖設(shè)計(jì)

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摘要:本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的電子密碼鎖,由單片機(jī)系統(tǒng)、矩陣鍵盤、LED顯示和報(bào)警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能完成開(kāi)鎖、超次鎖定、報(bào)警、修改用戶密碼基本的密碼鎖的功能。除上述基本的密碼鎖功能外，還具有掉電存儲(chǔ)、聲光提示等功能。本密碼鎖具有安全性高、成本低、功耗低、易操作、記住密碼即可開(kāi)鎖等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:STＣ８9C５2；電子密碼鎖;矩陣鍵盤

1緒論

１．1課題背景

隨著人們?nèi)兆铀降奶岣吆桶踩庾R(shí)的加強(qiáng),對(duì)安全的要求也就越來(lái)越高。鎖自古以來(lái)算是把守護(hù)門的鐵將軍,人們對(duì)它要求甚高，既要安全可靠的防盜，又要使用方便,這也是制鎖者長(zhǎng)期以來(lái)研制的主題。隨著電子技術(shù)的進(jìn)展,各類電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，電子密碼鎖算是其中之一。據(jù)有關(guān)資料介紹，電子密碼鎖的研究從20世紀(jì)30年代就開(kāi)始了，在一些特別場(chǎng)所早就有所應(yīng)用。這種鎖是經(jīng)過(guò)鍵盤輸入一組密碼完成開(kāi)鎖過(guò)程。研究這種鎖的初衷,算是為提高鎖的安全性。由于電子鎖的密鑰量（密碼量)極大，能夠與機(jī)械鎖配合使用,同時(shí)能夠幸免因鑰匙被仿制而留下安全隱患。電子鎖只需記住一組密碼,無(wú)需攜帶金屬鑰匙,免除了人們攜帶金屬鑰匙的麻煩,而被越來(lái)越多的人所觀賞。電子鎖的種類繁多，例如數(shù)碼鎖，指紋鎖，磁卡鎖，IＣ卡鎖，生物鎖等。但較有用的依然按鍵式電子密碼鎖。

1．2課題設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)采納STC89C５2單片機(jī)為主控芯片,經(jīng)過(guò)軟件程序組成電子密碼鎖系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn):

(1)密碼輸入錯(cuò)誤，蜂鳴器報(bào)警。

(2)密碼為6位，能夠隨意更改，

(３)采納矩陣按鍵輸入。

(4）經(jīng)過(guò)ＬCD160２液晶顯示。

(5)有開(kāi)鎖指示燈。

（6)查閱有關(guān)文獻(xiàn)與資料,深入學(xué)習(xí)單片機(jī)硬件原理圖及軟件編程相關(guān)知識(shí)。

2系統(tǒng)方案論證

系統(tǒng)將從主控部分和密碼輸入方式兩方面舉行論證。

2.1主控部分的挑選

方案一:采納數(shù)字電路操縱

用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心操縱,共設(shè)了9個(gè)用戶輸入鍵，其中惟獨(dú)4個(gè)是有效的密碼按鍵,其它的基本上干擾按鍵,若按下干擾鍵,鍵盤輸入電路自動(dòng)清零，原先輸入的密碼無(wú)效,需要重新輸入；假如用戶輸入密碼的時(shí)刻超過(guò)10秒（普通事情下，用戶不可能超過(guò)10秒，若用戶覺(jué)得別便，還能夠修改)電路將報(bào)警２０秒,若電路延續(xù)報(bào)警三次,電路將鎖定鍵盤2分鐘，防止他人的非法操作。采納數(shù)字電路設(shè)計(jì)的方案好處算是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但操縱的準(zhǔn)確性和靈便性差。故別采納。

方案二:采納以單片機(jī)為核心的操縱方案

選用單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心部件,實(shí)現(xiàn)操縱與處理的功能。單片機(jī)具有資源豐富、速度快、編程容易等優(yōu)點(diǎn)。利用單片機(jī)內(nèi)部的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM）和只讀存儲(chǔ)器(ROM)及其引足資源，外接液晶顯示（ＬCD）,鍵盤輸入等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理傳輸和顯示功能，都是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠看出方案二操縱靈便準(zhǔn)確性好且保密性強(qiáng)還具有擴(kuò)展功能,依照現(xiàn)實(shí)日子的需要綜合思考,此次設(shè)計(jì)采納此方案。

2.2密碼輸入方式的挑選

方案一：指紋輸入識(shí)不

指紋識(shí)不技術(shù)要緊涉及四個(gè)功能:讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。經(jīng)過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像,然后要對(duì)原始圖像舉行初步的處理，使之更清楚,再經(jīng)過(guò)指紋辨識(shí)軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為"節(jié)點(diǎn)"（miｎｕｔiaｅ）的數(shù)據(jù)點(diǎn),即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點(diǎn)并且具有七種以上的唯一性特征。通常手指上平均具有7０個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此這種辦法會(huì)產(chǎn)生大約49０個(gè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù),通常稱為模板。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)含糊比較的辦法，把兩個(gè)指紋的模板舉行比較，計(jì)算出它們的相似程度,最后得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果，從而推斷輸入結(jié)果的正確與否。思考到本方案軟硬件太過(guò)復(fù)雜，而且成本也高,故別采納。

方案二：矩陣鍵盤輸入識(shí)不

由各按鍵組成的矩陣鍵盤每條行線和列線都對(duì)應(yīng)一條I／O口線，鍵位設(shè)在行線和列線的交叉點(diǎn)，當(dāng)一具鍵按下就會(huì)有某一條行線與某一條列線接觸,只要確定接觸的是哪兩條線,即哪兩個(gè)I／O口線,就能夠確定哪一具鍵被觸動(dòng)。行線設(shè)計(jì)成上拉口線,初始時(shí)被置高電位,列線懸空,初始置低。經(jīng)過(guò)別斷讀行線口線,或者中斷方式觸發(fā)鍵位掃描。當(dāng)發(fā)覺(jué)有鍵按下，將列線逐一置低,其他列線置高，讀行線口線。當(dāng)某條列線置低時(shí)，某條行線也被拉低,則確定這兩條線的交點(diǎn)處的按鈕被按下。每個(gè)按鍵都可經(jīng)過(guò)程序給予功能,從而完成密碼識(shí)不。本方案簡(jiǎn)單易行,故采納。

3硬件電路設(shè)計(jì)

３.1硬件系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要緊由單片機(jī)、矩陣鍵盤、液晶顯示器和密碼存儲(chǔ)等部分組成。其中矩陣鍵盤用于輸入數(shù)字密碼和舉行各種功能的實(shí)現(xiàn)。由用戶經(jīng)過(guò)連接單片機(jī)的矩陣鍵盤輸入密碼,后通過(guò)單片機(jī)對(duì)用戶輸入的密碼與自個(gè)兒保存的密碼舉行對(duì)照，從而推斷密碼是否正確,然后操縱引足的高低電平傳到開(kāi)鎖電路或者報(bào)警電路操縱開(kāi)鎖依然報(bào)警，實(shí)際使用時(shí)只要將單片機(jī)的負(fù)載由繼電器換成電子密碼鎖的電磁鐵吸合線圈即可。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各模塊功能如下：

矩陣鍵盤輸入模塊:分為密碼輸入按鍵與功能按鍵，用于完成密碼鎖輸入功能。

顯示模塊：用于完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)顯示及操作提示功能。

報(bào)警電路：用于完成輸錯(cuò)密碼時(shí)候的警報(bào)功能。

密碼存儲(chǔ)模塊:用于完成掉電存儲(chǔ)功能,使修改的密碼斷電后仍能保存。

電源模塊：用于對(duì)系統(tǒng)電路提供＋5V的直流電壓。

3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)

由SＴC89C5２，復(fù)位電路,時(shí)鐘產(chǎn)生電路組成。ＳTC89C５2是美國(guó)Ａｔmel公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOＳ8位單片機(jī),片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM)和２５６ｂyｔｅs的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ＲAM)，ＳＴC8９Ｃ52有40個(gè)引足，32個(gè)外部雙向輸入／輸出（Ｉ／O）端口,并且內(nèi)含2個(gè)外中斷口,3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，２個(gè)讀寫口線。

要緊功能特性:

·8k可反復(fù)擦寫(＞1０００次)ＦlasｈRＯM,32個(gè)雙向I/O口,2５6x8bit內(nèi)部ＲAM，時(shí)鐘頻率0－２４MHｚ，可編程UART串行通道。

·3個(gè)1６位可編程定時(shí)／計(jì)數(shù)器中斷,2個(gè)串行中斷,2個(gè)外部中斷源，共6個(gè)中斷源，2個(gè)讀寫中斷口線。

引足功能如下:

·P０口:P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向Ｉ／O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能汲取電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口Ｐ０寫“1”時(shí),可作為高阻抗輸入端用。在拜訪外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí),這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在拜訪期間激活內(nèi)部上拉電阻。

·P1口：P１是一具帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／Ｏ口,P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(汲取或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,經(jīng)過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此刻可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引足被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一具電流（IIL）。

·P２口:P2是一具帶有內(nèi)部上拉電阻的８位雙向Ｉ／O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(汲取或輸出電流)4個(gè)ＴTL邏輯門電路。對(duì)端口Ｐ２寫“1”,經(jīng)過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此刻可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引足被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一具電流(ＩＩＬ)。在拜訪8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOＶX@RI指令）時(shí)，P２口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。

Flａｓｈ編程或校驗(yàn)時(shí),P2亦接收高位地址和一些操縱信號(hào)。

·P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(汲取或輸出電流)4個(gè)ＴTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“１”時(shí)，它們被內(nèi)部上位電阻拉高并可作為輸入端口。此刻，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(IIL）。P3口除了作為普通的I／Ｏ口線外，更重要的用途是它的第二功能。

·RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，ＲＳＴ引足浮現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片復(fù)位。

·ＡLE／PROG：當(dāng)拜訪外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，AＬＥ（地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。普通事情下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的１/6輸出固定的脈沖信號(hào)，所以它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)拜訪外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將躍過(guò)一具ALＥ脈沖。

·EA／VPP：外部拜訪允許。欲使ＣPU僅拜訪外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H－ＦFFFH)，EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：假如加密位LB1被編程,復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存ＥA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Ｖｃｃ端)，CPＵ則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)

器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí),該引足加上+12V的編程允許電源ＶＰＰ，固然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。

·XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

·XTＡL2:振蕩器反相放大器的輸出端。

引足XTAL１和XＴAL２分不是該放大器的輸入端和輸出端。那個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引足ＲＳT(全稱RESEＴ）浮現(xiàn)２個(gè)機(jī)器周期以上的高電平常，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。假如ＲＳT持續(xù)為高電平,單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。依照應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式:上電復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位。其原理圖如圖2所示。

圖2最小系統(tǒng)電路原理圖

3.3電源輸入模塊電路設(shè)計(jì)

密碼鎖主操縱部分電源需要用5V直流電源供電,把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其要緊原理是把單相電通過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，普通事情下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大,因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來(lái)起到落壓作用。落壓后依然交流電壓,因此需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流重量,會(huì)妨礙到負(fù)載電路的正常工作。需經(jīng)過(guò)低通濾波電路濾波,使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本別受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的妨礙,從而獲得穩(wěn)定性腳夠高的直流壓。本電路使用充電器解決電源穩(wěn)壓咨詢題。

3.4鍵盤輸入模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)就采納行列式鍵盤,并且也能減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O線的數(shù)目，在按鍵比較多的時(shí)候,通常采納如此辦法。每一條水平（行線)與垂直線（列線）的交叉處別相通,而是經(jīng)過(guò)一具按鍵來(lái)連通,利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要N條行線和Ｍ條列線，即可組成具有Ｎ×Ｍ個(gè)按鍵的鍵盤。在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中,鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無(wú)按鍵按下的程序段。

4×4矩陣鍵盤的工作原理:

在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I／O口的占用，通常將按鍵羅列成矩陣形式，如圖３所示。在矩陣式鍵盤中,每條水平線和垂直線在交叉處別直截了當(dāng)連通，而是經(jīng)過(guò)一具按鍵加以連接。如此，一具端口（如Ｐ１口）就能夠構(gòu)成４*4＝１6個(gè)按鍵，比之直截了當(dāng)將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多,區(qū)不越明顯，比如再多加一條線就能夠構(gòu)成20鍵的鍵盤,而直截了當(dāng)用端口線則只能多出一鍵(9鍵）。由此可見(jiàn),在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采納矩陣法來(lái)做鍵盤是合理的。

掃描原理:

把每個(gè)鍵都分成水平和垂直的兩端接入，比如講掃描碼是從垂直的入,那就代表那一行所接收到的掃描碼是同一具bit,而讀入掃描碼的則是水平，掃描的動(dòng)作是先輸入掃描碼，再去讀取輸入的值，通過(guò)比對(duì)之后就可懂是哪個(gè)鍵被按下。

比如講掃描碼送入，前面的0１11是代表此刻掃描第一行Ｐ1．0列,而后面的1１１１是讓讀取的4行接足先設(shè)為VＤD,若此刻第一行的第三列按鍵被按下,那讀取的結(jié)果就會(huì)變成(注意1111變成１10１)，其中LSB的第三個(gè)bit會(huì)由1變成0，這是因?yàn)槟莻€(gè)按鍵被按下之后，會(huì)被垂直的掃描碼電位ｓｈoｒt，而把讀取的LSＢ的ｂiｔ電位拉到０,此即為掃描原理。

由於這種按鍵是機(jī)械式的開(kāi)關(guān)，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，鍵會(huì)震動(dòng)一小段時(shí)刻才穩(wěn)定，為了幸免讓８051誤判為多次輸入同一按鍵，我們必須在偵測(cè)到有按鍵被按下,就Delaｙ一小段時(shí)刻，使鍵盤以達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),再去判讀所按下的鍵，就能夠讓鍵盤的輸入穩(wěn)定。鍵盤整體電路圖如圖３所示。

圖３鍵盤整體?？驁D

3.5密碼存儲(chǔ)模塊電路設(shè)計(jì)?用EPＲOＭ芯片ＡT2４C０2存儲(chǔ)密碼。AＴ24C０2是美國(guó)Atｍeｌ公司的低功耗CＭOS型EPRＯＭ，內(nèi)含2５6×8位存儲(chǔ)空間,具有工作電壓寬（2．5～5.5V)、擦寫次數(shù)多(大于100０0次)、寫入速度快（小于１0ms)、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)別易丟失、體積小等特點(diǎn)。而且他是采納了I2C總線式舉行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件，占用非常少的資源和I/O線,同時(shí)支持在線編程，舉行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存取十分方便。AＴ24Ｃ０2中帶有的片內(nèi)地址寄存器。每寫入或讀出一具數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動(dòng)加1,以實(shí)現(xiàn)對(duì)下一具存儲(chǔ)單元的讀寫。所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。為落低總的寫入時(shí)刻，一次操作可寫入多達(dá)８?jìng)€(gè)字節(jié)的