PAGE PAGE 1 电子密码锁设计 摘 要 随着社会的发展与进步，科技在不断发展，如今社会是信息化的信息时代。然而，信息时代给人们带来极大方便的同时，也随之带来了安全隐患。为了使用户在日常生活中能够更加便捷地开锁及使用密码锁的安全性更高，本课题围绕电子密码锁的设计，探究密码锁的安全性能，设计了一种基于AT89C51单片机的电子密码锁，系统地介绍了密码锁的各种功能、硬件设计、软件设计和实物的仿真与调试等方面的内容。通过本次对电子密码锁的精心设计，希望能够帮助人们提升日常生活质量和提高生活安全保障。 该设计通过单片机AT89C51芯片为主控电路，由电源及时钟电路、复位电路、外接存储、LCD液晶显示电路、4*4矩阵键盘输入电路、开锁系统、报警系统组成。 此设计比较经济实用，并且AT89C51单片机具有低功耗、高性能、访问速度快等优点。 关键词：安全；电子密码锁；AT89C51单片机 Design of Electronic Code Lock Abstract With the development and progress of society, science and technology are constantly developing, today’s society is an information age. However, the information age not only brings great convenience to people, but also brings security hidden dangers. In order to make it more convenient for users to open the lock in daily life and it is more secure to use password locks, this topic revolves around the design of electronic code lock, explores the safety performance of the code lock, designed a kind of electronic code lock based on AT89C51 single chip microcomputer, systematically introduces the various functions, hardware design, software design and physical simulation and debugging of the password lock. Through the elaborate design of the electronic password lock, hoping to help people improve the quality of people’s daily life and improve life security. The design through the single chip AT89C51 chip for the main control circuit, it is composed of power supply and clock circuit, reset circuit, external storage, LCD display circuit, 4*4 matrix keyboard input circuit, unlocking system and alarm system. This design is more economical and practical, and AT89C51 single chip microcomputer has the advantages of low power consumption,high performance, fast access speed and so on. Keyword: security; electronic code lock; 51MCU 目录 TOC \o 1-3 \h \u 105 1 绪论 1 8809 1.1 课题的研究背景 1 9648 1.2 课题的简介 1 9979 1.3 课题的基本内容 2 15404 2 系统总设计 4 12272 2.1 系统设计方案分析与确定 4 8667 2.2 电子密码锁系统总设计 5 20139 2.3 各模块方案选择与论证 6 20139 2.4 主要元器件介绍 7 20139 2.4.1 单片机介绍 7 20139 2.4.2 继电器介绍 8 20139 2.4.3 LED数码管介绍 9 16884 3 系统硬件设计 10 13978 3.1最小系统构成 10 31261 3.2 电源模块 10 25702 3.2.1 直流稳压电源电路 10 31619 3.2.2 密码锁电源电路 11 5874 3.3 矩阵键盘模块 11 26525 3.4 时钟电路模块 13 28948 3.5 复位电路模块 14 23000 3.6 LCD显示模块 15 8965 3.7 继电器模块 16 17477 3.8 存储模块 17 5279 3.9 蜂鸣器模块 17 18423 3.10 串口通讯接口模块 17 28303 4 系统软件设计 19 4184 4.1 系统软件总体设计 19 3648 4.2 键盘扫描程序设计 19 17332 4.3 信息显示程序 20 19205 4.4 密码输入子程序 20 24184 4.5 掉电存储子程序 20 1687 5 Proteus与Keil的联合仿线 项目管理与经费规划 23 23804 8 总结与展望 25 2919 参考文献 26 27315 附录1 电子密码锁设计原理图与仿线 34 16840 致谢 38 PAGE PAGE I 1 绪论 电子密码锁是一种常见的安全工具，在人们的日常生活中普遍出现，电子锁的设计可以使用单片机作为核心部件。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，单片机性能不断完善，性能价格比显著提高，技术日趋完善。单片机具有很多优势，它能够实现软硬件分析、设计和调试，利用单片机能够实现对电子密码锁的智能控制。 课题的研究背景 在现代文明社会，虽然人们的道德修养在良好的教育环境下一步步提高，但是我们还是不难在新闻中看到一系列关于居民因为被行窃而损失惨重的事件。锁具的起源可以追溯到人类社会财产私有化的出现，锁具从其出现到现在，已经有许多年的历史。 20世纪50年代意大利人设计的机械锁虽然有结构简单、使用方便和价格便宜的优势，但在使用过程中却出现了一些缺点，比如由于机械锁是靠金属制成的钥匙齿形与锁芯的相互配合工作的，那么我们可以想象到总会有两把锁的钥匙齿牙相同或者类似，所以用户的安全性会降低，此外，户主的钥匙如果不小心丢失，那么不管任何人捡到都可以去开锁，最后一点则是我们都知道配钥匙的地方在生活中随处可见，这就反映了机械钥匙非常容易复制。随着社会科技的进步，很多电子智能锁已经在国内外相继问世，包括指纹识别和IC卡辨认，这些产品都有利于人们节省开锁时间和开锁步骤，但是指纹识别器用在公共场所时存在容易损坏的缺点，而IC卡存在容易丢失和损坏的缺点。另外，当用户的手在日常中出现特殊情况时，比如手受伤和手脱皮等等，都对指纹识别器产生一定的影响，还有智能门锁的指纹识别功能的适用人群是有规定的，同时对一些指纹不清晰的人群来说也存在一定的不便，为了解决这一难题，如今有品牌推出了新产品去克服这些不足之处，为用户提供了更加人性化的体验，比如鹿客品牌最新推出的Classic 2S采用了全新的一代一体化指纹模组，使指纹识别算法得到优化，老人与小孩的指纹识别率都得到了很大的提升。从经济方面考虑，这些产品的成本比较高，所以在一定程度上限制了这些产品的普及和推广。 现在市面上的智能锁还出现了蓝牙功能，蓝牙门锁主要分为两种类型：一种是蓝牙单品锁，另一种是蓝牙物联锁。相对于蓝牙物联锁而言，蓝牙单品锁无法实现远程获取门锁信息和远程开锁功能，它只能够实现近场连接手机，获取门锁日志和本地设置门锁以及开锁等功能，而蓝牙物联网是基于物联网通讯方式的物联网，它除了拥有单品锁的功能，同时也拥有连接物联网智能家居中电器的功能。蓝牙门锁的蓝牙工作的方式和手机中的蓝牙差不多，它是通过广播的形式在一定间隔内不断向外面发送蓝牙信号，若与外面的蓝牙信号配对成功，则连接蓝牙成功。这种开锁方式使得门锁消耗的功率很低，但是它可以远程开锁，这就不能保证通讯上的安全性，除非在系统内部有专门的硬件加密芯片，才能做到信息加密，通讯上更加安全。 现在是智能化的时代，无线wifi智能门锁作为智能化的家居，在很大程度上提高了人们的生活水平。无线wifi智能门锁的优点就是可以通过手机进行远程控制，只要我们的手机是苹果或者安卓系统都能够安装一个远程控制的系统，并且在安装过程中设置好密码，那么归家时提前操作手机就可以打开门锁，所以也就不存在当我们换掉手机后门锁开不了的问题。无线wifi智能门锁还有另一个人性化的优点，就是它拥有一个语音系统，这个语音系统是专门为家中老人或者小孩设计的，他们在操作智能门锁时，即使对操作过程不熟悉，但是通过语音提示也可以用密码直接打开。无线wifi智能门锁的安全性体现在两个方面：第一个是户主出门后若出现忘记关门的情况，智能门锁这时候可以发挥及时锁门的作用；另外一个则是若有人想没经户主允许而私自进入家中，这时智能门锁会自动告知户主，并且及时报警。虽然无线智能锁给我们带来了许多便利和安全保障，但是它的价格并不亲民，相比一般门锁，无线智能门锁的价格是普通门锁的数倍以上，还有它的语音系统中的语音提示过于机械化，亲切感不够强。 因此，就市场的接受程度和目前的技术水平而言，电子密码锁成为了防盗产品的主流，它因为一系列优势受到了许多用户的信赖与支持，比如使用灵活性好、安全性高、性价比高以及保密性强。 电子密码锁一般应用于类似房门、取款机和保险柜等重要的地方。得益于基于单片机的电子密码锁的出现，使得用户在一定程度上解决了私人财产安全的问题。可是，时代和社会都在不断进步，任何事物只有不断地向前迈进才能适应时代发展的要求。现在电子密码锁发展速度飞快，现阶段密码锁技术发展较好的还是欧美国家，普及率日韩达到了70%，欧美国家也达到了50%，中国仅仅占5%,所以密码锁未来在中国还是有待发展的[2]。 课题的简介 电子密码锁是一种很实用的电子产品，通过按键输入密码来控制机械触点的断开与闭合，从而完成锁的开关功能，能有效避免传统锁需随身携带钥匙，钥匙丢失带来的一系列的麻烦。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁很多都是基于我们常用的单片机技术来使用的，以单片机为最主要核心元器件，其编码器和解码器的生成方式是用软件方式来实现的。其有以下特点：（1）保密性好，编码量多，远远大于弹子锁；（2）密码可变，可防止密码被盗，多次输入密码错误时，可自动启动报警系统；（3）使用灵活性好；（4）操作简单方便并且成本低;（5）无活动零件，不会磨损，寿命长。 1.3 课题的基本内容 这次设计一个基于单片机控制的电子密码锁，其基本功能如下:使用LCD显示器来显示密码和输入的相关信息，可以设置09之间的数字作为密码；密码输入正确则继电器启动，发光二极管亮2S；密码输入错误，则发出报警声。此处设计的电子密码锁能够实现用户自行更改和设置密码的功能。该次设计通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。首先使用Proteus软件绘制硬件电路图，接着用Keil uVision5软件编写单片机的C语言程序以及调试，然后将Proteus与Keil联合起来进行仿真与调试，同时可完成PCB电路板设计。 2 系统总设计 2.1 系统设计方案分析与确定 经过阅读参考文献与调研各种相关资料，进行了系统各种设计方案的比较与选择，本次系统设计方案的论证分析如下所述。 方案一：采用SPCE061A芯片为主控芯片，这个主控芯片是由凌阳自主研发出来的比较特殊的一种芯片，它的特别之处在于用一条下载线连接单片机就可以实现在线调试与仿真以及在线下载这些功能。从价格这个方面来说，也是很亲民的，它低廉的价格保证了系统开发的可靠性。此外，虽然61板具有SOC概念、语音特色以及DSP功能，这些特点对电子密码锁的语音报警这个模块的设计来说提供了很大的方便，但是，除了上面所描述的优点之外也有一定的弊端，体现在基于单片机设计的电子密码锁的外围电路比较复杂，不易于设计的成功实现，密码的数量少会导致用户的使用安全性降低，尤其是系统的可靠性差以及系统的程序不够稳定，功率比较大，必须要通过专门的电源供电才能让密码锁正常使用。因此不采用这种方案。 方案二：采用FPGA芯片作为主控芯片，如今用FPGA设计的系统非常常见，基于FPGA的电子密码锁的密码由键盘输入，输入的密码由数码管显示，密码输入错误则报警电路会发出报警提示。此设计的电子密码锁的系统之所以有很高的灵活性，并且能够随时进行硬件升级和扩展，是因为其采用的是可编程逻辑器件FPGA。还有更特别的是系统设计完成之后可以将主控的FPGA固化成一片ASIC，自然而然地这块ASIC就作为专用的数字密码锁芯片。但是一般来说，FPGA比ASIC的速度要慢，完成复杂的设计的话有很大的难度，最重要的是它会消耗更多的电能。 方案三：采用STM32芯片作为主控芯片，硬件部分由微控制器、输入电路、开关锁控制电路、显示电路、警报系统以及供电电路这六大部分组成。此设计的密码锁具有独特的解锁方式，它的输入装置只有一个按键，这也就意味着其输入电路的灵活性很高，在只有一个按键的情况下就能够实现密码的输入与修改的操作。可见，单按键式密码锁在不影响安全性的情况下很大程度地减小了密码锁的体积，而且用户操作起来相对简单，对广大用户来说，其有较高的使用价值。但是单按键密码锁也有其不足之处，就是它只有一个按键，不利于多种功能的设计与实现。 方案四：此方案是采用AT89C51单片机为核心的系统设计。单片机具有I/O端口的丰富性与编程设计的灵活性，利用这些优点及其控制的准确性不但能实现密码锁的基本功能，而且还有报警提示与多组密码设置等控制功能。基于单片机的电子密码锁设计电路包括密码输入、密码修改、报警电路、开锁电路等等。 通过以上设计方案的比较，方案四的设计方案相对来说更有优势。因为单片机有较大的活动空间，除了可以实现基本的功能之外还可以在很大程度上实现扩展功能，对系统升级也提供了方便。所以本次课题采用AT89C51为核心的控制方案。 2.2 电子密码锁系统总设计 系统设计为5V直流供电系统，以AT89C51单片机为主控核心，外设配以电源电路、时钟电路、复位电路、密码存储电路、按键电路、液晶显示电路、继电器驱动电路、报警电路等构成多功能电子密码锁系统。其系统原理框图如图2-1所示： 键盘电源 AT89C51单片机 键盘 电源 AT89C51 单片机 显示模块时钟电路 显示模块 时钟电路 开锁模块复位电路 开锁模块 复位电路 报警模块存储模块 报警模块 存储模块 图2-1 系统原理框图 基于系统框图，本次设计将要完成以下功能： 在4×4的矩阵键盘上可以输入的密码位数为6位，若密码正确电子密码锁将会开锁并且指示灯会亮6S，但出现密码错误蜂鸣器将会发出报警。 用户可以根据自己的需求重新设置新的密码。首先，输入正确密码把电子密码锁打开；其次，进入重新设置新的密码的界面，并且要求输入两次密码完全一致时新密码才设置成功；反之，新密码设置失败。 初始密码设置为“666666”，为了保密起见，在LCD屏上字符显示用“*”来代替。 输入密码正确时，LCD屏上会显示“open”,密码输入错误时，LCD屏上会出现“ERROR”,进入修改密码的界面时，两次密码输入正确则LCD屏上显示“Successful”,否则出现“failed”。 当连续输入的密码出现3次错误时，电子密码锁将会报警并锁定矩阵键盘60秒，这60秒内用户将无法输入密码。 当用户忘记电子锁的密码时，可以通过管理员密码“123123”来恢复电子锁的初始密码“666666”，管理员密码不能用于修改电子锁密码，只能帮助用户恢复初始密码。 在掉电的情况下，电子密码锁能保存密码数据并且支持复位保存。 2.3 各模块方案选择和论证 （1）键盘模块的选择 方案一：采用矩阵式键来控制 矩阵式键指的是把按键按行列组成矩阵，那么在行列交点上都对应着一个按键，这样做的目的是使用的按键要比独立按键少，为了判定有无键被按下和被按下的位置，常用的简便方法是线反转法。使用矩阵式键盘不仅节约了单片机大量的I/0口，而且免去了上拉电阻，这样在焊接的时候可以省去很多操作，还可以提高整体的美观效果。 方案二：使用独立式按键来控制 使用独立式按键来控制显示器，这种键盘会需要很多按键，虽然电路易于控制，编写程序相对简单，但是每个按键都要接上拉电阻，这样无疑会占用单片机许多I/0接口资源，如果出现接口资源不够用的情况，还要对单片机外扩I/0口，在进行焊接时不仅不够方便还会浪费大量的资源，这样就造成了成本大大提高。 显示模块的选择 方案一：数码管静态显示 采用LED数码管静态显示的方法，这种显示方式有电路容易理解以及驱动程序简单的优点，但是这要求每个数码管都要一块74LS47来驱动显示，还需要占用单片机多个I/O口，不仅浪费了系统的硬件资源，还增加了成本。 方案二：数码管动态显示 采用LED数码管动态显示的方法，这种显示方式比较灵活，只需要一块译码器芯片和一块数码管驱动器芯片就能够实现多个数码管的驱动，而且编写驱动程序容易，硬件的利用效率高，价格较低。但是其不足之处在于稳定度不够高，还有在显示位数较多的情况下CPU必须轮流扫描，这样会占用CPU大量的时间。 方案三： 采用LCD液晶显示的方法，这种显示方式由单片机驱动，显示的位数多。虽然液晶显示器的价格昂贵了一些，但是它显
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