【基于單片機的智能電子密碼鎖設(shè)計5600字（論文）】

論文題目XXXXXXXXXX基于單片機的智能電子密碼鎖設(shè)計摘要：本文是以單片機作為主控器件來設(shè)計一種智能電子密碼鎖，該系統(tǒng)由STC89C51單片機最小系統(tǒng)、4×4矩陣鍵盤、LCD1602顯示屏、AT24C02存儲模塊以及報警模塊組成，系統(tǒng)可以實現(xiàn)開鎖、報警、修改密碼、超次鎖定等功能。選用鐵芯、線圈、銜鐵和觸點簧片組成一個電磁繼電器在電路中充當門鎖，通過給線圈兩端加上一定電壓，線圈會產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會克服彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點吸合，達到開鎖和閉鎖的目的。關(guān)鍵詞：STC89C51單片機；LCD1602顯示屏；AT24C02存儲模塊目錄緒論 11系統(tǒng)設(shè)計方案分析 22硬件電路設(shè)計 42.1單片機最小系統(tǒng) 42.2鍵盤輸入模塊 52.3密碼存儲模塊 62.4顯示電路模塊 62.5報警電路模塊 82.6電源模塊 82.7開鎖電路模塊 93系統(tǒng)程序設(shè)計 93.1系統(tǒng)主程序設(shè)計 103.2密碼存儲程序設(shè)計 113.3鍵盤掃描程序設(shè)計 123.4密碼比較程序設(shè)計 133.5密碼修改程序設(shè)計 14結(jié)論 15參考文獻 16附錄一電路原理圖 18附錄二程序代碼 19附錄三實物圖 39緒論鎖在日常生活中是一種必不可少的工具，保護著公民的私有財產(chǎn)，維護著社會的和諧發(fā)展。早在3000多年前，我國就有了鎖，伴隨著私有制的發(fā)展，從石鎖、木鎖到鐵鎖、銅鎖，鎖的形式也在不斷變化。十九世紀中葉，美國耶魯父子采用圓柱形銷栓制造出機械彈子鎖，機械密碼鎖逐漸成為時代主流。隨著微電子技術(shù)的普及，人們通過PCB板、PLC和單片機，又設(shè)計出了類如按鍵密碼鎖、指紋密碼鎖、電子IC卡密碼鎖等其他形式的鎖。鎖在實際生活上的應(yīng)用，不僅僅局限于保護人們的實體財產(chǎn)。如文件、數(shù)字貨幣等虛擬財產(chǎn)的保護所依靠的密碼，也是另一種形式的鎖。鎖和人們的生活息息相關(guān)，智能密碼鎖早在上個世紀就已經(jīng)有所研究，由于當時科技的局限性，主要應(yīng)用于一些特殊場所，普通大眾在當時并無法接觸。隨著智能微電子科技的發(fā)展，人們在日常生活中越來越講究生活的質(zhì)量和效率，電子密碼鎖逐漸開始普及，走入尋常百姓之家。智能電子密碼鎖可以滿足大部分人安全便捷出行的需要，具有較強的應(yīng)用性，對于工科類電子信息工程專業(yè)具有很高的研究價值。智能電子密碼鎖的課題在理論知識的基礎(chǔ)上，與實際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學生的專業(yè)素養(yǎng)。智能電子密碼鎖的原理是人們通過按鍵密碼或指紋密碼的輸入來控制產(chǎn)品的電路或芯片工作，從而使控制機械開關(guān)閉合?；趩纹瑱C設(shè)計的電子密碼鎖與PCB、PLC相比，在設(shè)計上更加靈活，有多種單片機可供選擇。本文選取的是STC89C51單片機最小系統(tǒng)，在使用中更加方便快捷。電子密碼鎖的用法是通過輸入的密碼來控制單片機高低電平的輸出，如果密碼輸入正確，單片機控制系統(tǒng)的引腳會輸出一個高電平來控制電路的響應(yīng)，從而達到開鎖的目的。智能電子密碼鎖一般安裝在用戶住宅的大門上，用戶只需要輸入正確的六位密碼就可以打開房門，進入屋內(nèi)；如果密碼輸入錯誤，系統(tǒng)則會控制報警電路來進行報警。智能電子密碼鎖解決了實物鑰匙遺失等一系列問題，使用起來方便快捷。1系統(tǒng)設(shè)計方案分析圖1系統(tǒng)功能框圖圖1為本設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計中包括輸入模塊、密碼存儲模塊、電源模塊、中央控制模塊、顯示模塊、開鎖模塊和報警模塊。結(jié)合實際應(yīng)用中的問題，設(shè)計應(yīng)該滿足如下要求：（1）在輸入密碼時LCD顯示屏上顯示*符號來防止密碼被他人竊??；（2）智能電子密碼鎖使用六位數(shù)字密碼來進行開鎖指令；（3）LCD顯示屏在密碼輸入正確時，發(fā)出“RIGHT”提示，在密碼輸入錯誤時，發(fā)出“ERROR”提示；（4）當連續(xù)三次輸錯密碼時，密碼鎖自動進行鎖定；（5）4*4的矩陣鍵盤包含10個數(shù)字密碼按鍵和4個功能按鍵；（6）當輸入密碼錯誤時密碼鎖進行報警；（7）密碼鎖支持用戶進行密碼修改的操作。（8）遇到緊急情況密碼鎖有備用電源；結(jié)合設(shè)計的要求，本次智能電子密碼鎖在輸入模塊部分，選擇使用一個矩陣鍵盤來完成密碼的輸入。矩陣鍵盤通過掃描查詢的方式寫入系統(tǒng)中，給鍵盤中10個按鍵分別設(shè)定相應(yīng)數(shù)值，鍵盤的其他按鍵用于進行密碼提示、修改密碼等功能。密碼存儲模塊部分使用一個AT24C02密碼存儲模塊來進行密碼保護功能，在單片機系統(tǒng)中寫入一個設(shè)置初始的六位密碼和修改密碼的子程序，實現(xiàn)密碼的保存和修改。整個系統(tǒng)的供電由電源模塊來完成，設(shè)計一個直流穩(wěn)壓器將220V的市電轉(zhuǎn)換成5V的直流穩(wěn)壓電源來為這個系統(tǒng)供電，電源與單片機端口相連時加裝一組5V鋰電池組，來避免停電時密碼鎖無法工作的問題。中央控制模塊是通過搭建STC89C51單片機最小系統(tǒng)電路，按照設(shè)計要求來編寫目標程序，將目標程序通過Keil軟件燒錄至單片機系統(tǒng)進行調(diào)試，在調(diào)試完成后將用戶輸入的密碼與系統(tǒng)存儲密碼進行對比，從而判斷密碼的正誤，控制單片機引腳高低電平的輸出來進行開鎖和報警指令。顯示模塊部分選用的是LCD1602顯示屏，將顯示的子程序?qū)懭雴纹瑱C來控制顯示屏進行系統(tǒng)狀態(tài)的顯示和操作的提示，顯示屏分別顯示“RIGHT”和“ERROR”來顯示密碼的正誤。開鎖模塊是搭建一個發(fā)光二極管電路，當密碼輸入正確時，單片機會輸出高電平來控制開鎖電路，通過二極管的亮滅來顯示密碼鎖的開合，相較于電磁繼電器，不僅節(jié)約了成本，也簡化了電路的搭建。報警模塊是通過搭建電路將一個蜂鳴器與單片機連接，當密碼輸入錯誤時單片機引腳輸出低電平來控制蜂鳴器進行報警。2硬件電路設(shè)計本設(shè)計的硬件電路部分由單片機最小系統(tǒng)電路、鍵盤輸入模塊電路、顯示模塊電路、電源模塊電路、密碼存儲模塊電路、報警模塊電路以及開鎖模塊電路組成。2.1單片機最小系統(tǒng)本次設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)采用的是STC89C51RC單片機，通過搭建單片機的晶振電路和復(fù)位電路來組成的。南通宏晶公司生產(chǎn)的STC89C51RC單片機是一種高速、低功耗的單片機，采用的是8051內(nèi)核，程序存儲空間為4KBytes，最高工作的時鐘頻率為80MHz，芯片內(nèi)集成的8位中央處理器和ISPFlash存儲單元兼容標準的MCS-51指令系統(tǒng)。12MHZSTC89C5112MHZSTC89C51圖2STC89C51單片機最小系統(tǒng)電路圖2為STC89C51單片機最小系統(tǒng)電路，單片機最小系統(tǒng)由晶振電路、復(fù)位電路與單片機組成。單片機的19、18號引腳為晶振電路中振蕩器的反向放大器的輸入端和輸出端。單片機的9號引腳連接最小系統(tǒng)的復(fù)位電路，系統(tǒng)可以通過按鍵開關(guān)復(fù)位和電容復(fù)位，按鍵復(fù)位只需按下開關(guān)即可進行復(fù)位；電容復(fù)位是當9號引腳持續(xù)為高電平時，系統(tǒng)通過電路會一直進行循環(huán)復(fù)位。2.2鍵盤輸入模塊本次設(shè)計的鍵盤輸入模塊選用的是行列式接線的4*4矩陣鍵盤，將列線置于低電平懸空，行線置于高電平設(shè)計成上拉口線，當按下一個鍵位時，通過行列線的交點來確定每個鍵所對應(yīng)的行列線，可以有效的減少與單片機接口時所占用的I/O接線的數(shù)量，便于出現(xiàn)問題時排查故障。按鍵說明123A456B789C*0#D圖3鍵盤輸入模塊電路圖3為鍵盤輸入模塊電路，單片機的8個I/O端口與鍵盤的8個行列接口連接，就可以激活鍵盤的16個按鍵。鍵盤中的0-9鍵為輸入密碼的數(shù)字按鍵；ENTER鍵為確定鍵，用于比較密碼；DEL鍵為清除鍵，清除錯誤的密碼輸入；開始鍵用于進入密碼輸入；修改鍵用于進入子程序修改密碼。鍵盤上有2個鍵本次沒有使用，用于后期改進設(shè)計后拓展功能。2.3密碼存儲模塊本次設(shè)計的密碼存儲模塊選用的是AT24C02密碼存儲模塊。該模塊的兩條串行信號線同步進行數(shù)據(jù)的讀寫，寫入速度較快，抗干擾能力更強，占用的I/O接口較少，非常方便地進行數(shù)據(jù)的實時存儲。P3.5P3.4P3.5P3.4圖4密碼存儲模塊電路圖4為AT24C02密碼存儲模塊電路，SCL和SDA分別為模塊的串行時鐘信號線和串行數(shù)據(jù)信號線，A0、A1、A2為模塊的地址輸入端，WP為寫保護端口。SCL和SDA構(gòu)成I2C總線，用于發(fā)送和接受數(shù)據(jù)；地址輸入端用于當多個器件連入時設(shè)置器件地址；當WP連接到供電電壓時，所有內(nèi)容都被寫保護只能讀，當WP連接到接地端時，可以進行正常的讀、寫操作。本次設(shè)計SCL和SDA分別連接單片機的T0和T1端口，WP連接到地線。2.4顯示電路模塊本次設(shè)計的顯示電路模塊選用的是LCD1602顯示屏。該顯示屏是2行16字符的字符型LCD顯示屏，32個字符點陣塊組成的LCD顯示屏能夠顯示ASCII碼表中的所有字符。內(nèi)置CGROM（字符產(chǎn)生器ROM）、CGRAM（字符產(chǎn)生器RAM）和DDRAM（顯示數(shù)據(jù)RAM）。其中，192個常用字符代碼存儲在顯示屏的字符產(chǎn)生器ROM部分，用戶設(shè)置的自定義字符存放在顯示屏的字符產(chǎn)生器RAM部分，待顯示的字符代碼寄存與顯示屏的顯示數(shù)據(jù)RAM部分。LCD1602顯示屏功耗較低、體積較小，顯示較為清晰，是單片機設(shè)計中常用的顯示模塊。本次選用的是具有16個引腳的1602液晶顯示器。圖5顯示電路模塊電路圖5中，顯示屏的VSS引腳連接地，VDD引腳連接電源正極，VL引腳連接一個滑動變阻器來顯示偏壓信號，RS引腳連接單片機的26號接口來選擇數(shù)據(jù)或命令，R/W引腳連接單片機的27號接口來選擇讀/寫數(shù)據(jù)或命令，E引腳連接單片機的28號接口顯示使能信號，用于控制顯示屏的啟用，DATA引腳連接單片機上的I/O接口。通過LCD顯示屏的顯示狀態(tài)，可以判斷出密碼鎖的狀態(tài)。在開始按鍵被按下后，使用鍵盤上的數(shù)字按鍵來輸入密碼，每當一個鍵被按下，顯示屏上就會顯示一個“*”字符，在密碼完成后，再按下確定按鍵。如果密碼正確，則LCD顯示屏會顯示“RIGHT”提示,從而控制開鎖電路進行開鎖工作；若密碼錯誤，則會顯示“ERROR”提示，并控制報警電路進行報警工作。2.5報警電路模塊本次設(shè)計的報警部分，由一個喇叭（5V直流蜂鳴器）和一個2.2K電阻組成。圖6報警電路模塊電路報警模塊電路如圖6所示，將一個喇叭連接到電路中，一端接地，另一端接單片機的22號引腳。當密碼錯誤時，單片機的22號引腳會輸出低電平，從而控制喇叭進行報警。2.6電源模塊圖7電源電路本設(shè)計中的STC89C51單片機需要依靠穩(wěn)定的5V直流電源供電，若輸入電流不穩(wěn)定，則存在把單片機燒壞的風險。這就要求把220V的單相交流市電轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電。為了操作方便，本次選用的是USB充電器連接一組鋰電池給單片機供電的方式，選擇的是中順芯5V/1A1800mAh鋰電池通過USB接口向單片機VCC端口供電。2.7開鎖電路模塊KAKA圖8開鎖電路原理圖本次設(shè)計的開鎖模塊選用的是一個電磁繼電器來控制密碼鎖的開合，當密碼輸入正確后，單片機引腳會向KEY輸出一個高電平，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)來控制彈簧吸向鐵心，達到開鎖的目的。為了實驗方便，設(shè)計了一個二極管點亮電路來代替，通過二極管是否發(fā)光，來顯示密碼鎖是否被打開。3系統(tǒng)程序設(shè)計本次設(shè)計的軟件設(shè)計是由主程序和密碼存儲程序、鍵盤掃描程序、密碼比較程序和密碼修改程序組成。3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計圖9主程序本次設(shè)計主程序流程如圖9所示，主程序主要給全局變量定義初值，為整個程序提供數(shù)據(jù)，從密碼存儲模塊中讀取密碼，執(zhí)行按鍵檢測、顯示調(diào)用等功能。3.2密碼存儲程序設(shè)計圖1024C02流程圖在按鍵被按下后，AT24C02模塊通過程序進行數(shù)據(jù)的暫存，若Temp數(shù)據(jù)最低位為1，則Bitcuonter減1，Temp左移。當Bitcuonter減到0時，就完成了對數(shù)據(jù)的接收。3.3鍵盤掃描程序設(shè)計圖11鍵盤掃描程序在本次設(shè)計中，主程序通過掃描查詢的方式控制鍵盤程序。當沒有鍵位按下時，鍵盤子程序會一直建立無效標志，循環(huán)返回到主程序中；當有按鍵被按下時，子程序會進行掃描操作，通過行列線的交點來找到閉合鍵，并進行相應(yīng)代碼的鍵值計算，從而建立有效標志，最后通過LCD顯示屏顯示。3.4密碼比較程序設(shè)計圖12密碼比較程序本設(shè)計的密碼比較設(shè)置，用戶在輸入密碼后按下“Enter”鍵，該程序會將用戶輸入的密碼與系統(tǒng)保存的密碼進行比較，如果密碼一致，則控制單片機打開繼電器；若密碼不一致，則控制LCD顯示屏顯示“ERROR”提示，隨后用戶還有兩次機會輸入密碼，如三次密碼全部輸入錯誤，系統(tǒng)則會鎖定鍵盤。3.5密碼修改程序設(shè)計圖13密碼修改程序密碼修改時按下“修改”按鍵，系統(tǒng)會首先判斷目前密碼鎖的狀態(tài)，若密碼鎖處于開鎖狀態(tài)，系統(tǒng)則會將兩次輸入的新密碼進行比較，來完成密碼的更改；若密碼鎖處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)則會先發(fā)出三次報警，提醒用戶先進行開鎖操作。結(jié)論本次設(shè)計是在單片機系統(tǒng)中制作一種通過密碼的輸入來控制門鎖開合的智能電子密碼鎖。智能電子密碼鎖在日常生活中的很多地方都可以使用，有很大的實用價值。本設(shè)計具有較高的自主性，設(shè)計的關(guān)鍵是器件的選擇、電路的搭建和軟件程序的編寫。單片機選擇的是STC89C51單片機，通過搭建晶振電路和復(fù)位電路來組成單片機最小系統(tǒng)模塊。該單片機價格在4—10元之間，具有速度快、功耗低、價格便宜等特點是許多單片機設(shè)計的首選。輸入設(shè)備選擇的是4*4矩陣鍵盤，價格在1—3元，利用行列式的接線設(shè)計來讓16個按鍵接入單片機的輸入端口P1。密碼存儲選擇的是AT24C02存儲模塊，該器件具有擦寫次數(shù)多、寫入速度快的特點，價格在2—4元，通過SCL和SDA接口分別與單片機的T0和T1接口相連，來實現(xiàn)密碼的存儲。顯示設(shè)備選擇的是LCD1602液晶顯示屏，該顯示屏具有低功耗、顯示清晰的特點，是單片機設(shè)計中比較常用的顯示器件，結(jié)合電路設(shè)計，本次選用的是有16個引腳的1602，價格在4—10元之間。報警部分選擇的是5V直流蜂鳴器，價格在1元左右，與單片機的P2.1接口連接，組成密碼錯誤時的報警裝置。供電方式選擇的是5V鋰電池與單片機的VCC接口相連供電，選取的是中順芯5V鋰電池，價格在20—40元之間。開鎖部分選擇一個發(fā)光二極管與220歐的電阻串聯(lián)來代替電磁繼電器電路，成本上有所節(jié)約，比較方便顯示。本次設(shè)計存在一些不足，后續(xù)可以進行改進。在密碼輸入的方面，可以添加一個指紋識別模塊來彌補按鍵輸入的不足。在顯示方面，可以把LCD顯示屏換成LED顯示屏，雖然成本有所上升，但顯示效果可以得到巨大提升。電子密碼鎖與普通機械鎖相比，功能