基于单片机的电子锁设计

毕业设计

题目    基于单片机的电子锁设计  

选题性质： 设计□报告□其他

        院    系  电子工程学院 

专    业  电子信息工程技术 

        班    级  11   级 （2） 班 

        学    号  **********

        学生姓名  蔡            韬 

        指导教师  王     芳     莉 

教务处制

年    月     日

2014  届   电子工程   学院

毕业设计选题审批单

年级 2011  专业 电子信息工程技术 班级  2班  

毕业设计开题报告及进度要求

   年级    2011     班级    2班      

随着科技和人们的生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统机械锁由于构造简单，被撬事件屡见不鲜；电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的青睐。

本设计以单片机ATC51作为密码锁监控装置的检测和控制核心，分为主机控制和从机执行机构（本设重点介绍主机设计），实现钥匙信息在主机上的初步认证注册、密码信息的加密、钥匙丢失报废等功能。根据51单片机之间的串行通信原理，这便于对密码信息的随机加密和保护。而且采用键盘输入的电子密码锁具有较高的优势。采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，提高信号传输的抗干扰性，减少错误动作，而且功率消耗低；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。软件设计采用自上而下的模块化设计思想，以使系统朝着分布式、小型化方向发展，增强系统的可扩展性和运行的稳定性。测试结果表明，本系统各项功能已达到本设计的所有要求。本密码锁具有设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用，保密性强，灵活性高等特点，具有一定的推广价值。

关键字: 单片机、密码锁、单片机设计、电子锁

绪  论

随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的喜爱。锁是置于可启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范围或某种器具的,必须以钥匙或暗码打开的扣件。锁具发展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也研究得很透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。现代人类文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已的行为，“非礼不为”，虽无钥匙亦不会乱闯。然而，那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。为什么会出现这种情况呢？因为传统锁具都存在致命的弱点：（1）锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；（2）锁具制作工艺，技术落后，无法阻止技术手段的开启。

　　目前，市场上很多国内外的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能。在惯偷面前，两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开，有的惯偷甚至公开扬言：“没有我打不开的锁。”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理太过简单。面对这一残酷的现状，新时代提出了锁具必须的迫切的要求。

单片机，它是把处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口 （I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了，且容易升级改善。同样，本次在电子锁的设计过程中也用到了单片机。

本文从经济实用的角度出发，采用ATC51单机，研制了一款具有防盗自动报警功能的电子密码锁。该密码锁设计方法合理，简单易行，成本低，符合住宅、办公室用锁要求，具有一定的推广价值。

（1）系统设置4位密码，密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。

（2）密码由用户自己设定，在开锁状态下，用户可自行修改密码。

（3）具有自动报警功能。自动报警分现场报警和远程报警两种。现场报警由扬声器发出报警声。

（4）两种情况下可报警：一是密码输入错误3次，则报警；二是非正常开门，如破门而入的情况，可通过系统的红外监视装置监测，同时报警，保证了系统的安全性。系统工作时，用户通过按键输入4位密码，单片机将输入密码与设定密码进行比较，若密码正确，则发出开锁信号，将门打开，系统不报警；若密码不正确，则有相应的指示灯闪动，并要求重新输入密码，重新输入密码的次数不能超过3次，若3次输入的密码都不正确，则发出报警信号。

第1章  密码锁设计方案

1.1系统功能

（1）系统设置4位密码，密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。

（2）密码由用户自己设定，在开锁状态下，用户可自行修改密码。

（3）具有自动报警功能。自动报警分现场报警和远程报警两种。现场报警由扬声器发出报警声。

（4）两种情况下可报警：一是密码输入错误3次，则报警；二是非正常开门，如破门而入的情况，可通过系统的红外监视装置监测，同时报警，保证了系统的安全性。系统工作时，用户通过按键输入4位密码，单片机将输入密码与设定密码进行比较，若密码正确，则发出开锁信号，将门打开，系统不报警；若密码不正确，则有相应的指示灯闪动，并要求重新输入密码，重新输入密码的次数不能超过3次，若3次输入的密码都不正确，则发出报警信号。

1.2 方案选择

1.2.1 方案一

数字密码锁电路方案一方框图如图1.1所示

图1.1 数字密码锁电路方案

用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码输入键，其他都是干扰按键，若按下干扰按键，键盘输入电路自动清零，原输入密码无效，需重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般不会超过10秒，特殊情况客户可自行修改时间），电路将报警80秒，若电路连续报警3次，键盘锁定5分钟，防止他人非法操作电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。

1.2.2 方案二

采用以单片机为核心的控制方案二如图1.2所示：采用以ATC51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能[1]。其原理如图1.2所示。

C51

单片机

矩阵

键盘

控制

输入错误锁定键盘

延时报警控制电路

AT24C02掉电存储

指示电路

串口显示电路

图1.2 单片机控制方案

比较以上两种设计方案，单片机方案有较大的活动空间，根据生活所需，其能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，保密性能也好，所以我们采用后一种方案。

1.3 设计思路

本方案采用的是以ATC51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能[2]。

设计思路如下：

输入密码用矩形键盘，包括数字键和功能键。

LED数码管显示输入密码，用74JS247驱动数码管发光显示数码，用74LS138控制各位显示器分时进行显示。

用发光二极管代替开锁的电路，发光表示开锁。

输入密码错误次数超过3次，系统报警。

打开电源后，显示器显示“000000”，设原始密码为“123456”，只要输入此密码便了开门。这样可预防停电后再来电时无密码可用。

按“C”键，清除显示器为“000000”。

欲重新设定密码，先输入密码在案“*”。

输入密码，再按“D”键。若密码与设定密码相同，则开门。否则显示器清为“000000”。

软件的设计主要包括键盘键值的读取，LED显示程序，密码比较程序和报警程序。

第2章  硬件电路设计

2.1 键盘电路设计

使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法[3]。其原理如图2.1所示

图2.1 矩阵键盘

每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘。

在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。

当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。

对照图2.1所示的4×4键盘，说明线反转个工作原理[5]。

首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。

判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。具体的功能设计如表2.1

表2.1 按键说明

本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。本系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的一个串行口，利用74LS247驱动数码管发光显示数码和74LS138控制位选信号，就可以完成单片机的显示功能[4]。显示电路的电路原理图如图2.2所示。

用P0.0—P0.3接74LS247的A，B，C，D四端口，74LS247的输出口接LED的七段显示；而P0.4—P0.6接74LS138的A，B，C三个输入口，74LS138的输出口接LED的位显示。通过软件实现数字和位控制。

图2.2 LED显示电路

用74LS247可以控制输出什么字型。74LS247的逻辑功能表如表2.2

表2.2 74LS247的逻辑功能表

用74LS138控制位循环显示，其逻辑功能表如表2.3

表2.3 74LS138逻辑功能表

在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。电路图如2.3所示。当P2.0口输出低电平时，二极管发光，表示开锁[6]。如图2.3所示

图2.3 开锁电路

2.4 报警电路

图2.4报警电路

报警模块由蜂鸣器和单片机组成。选择一只压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器工作时约需要100mA驱动电流。蜂鸣器电路如图2.4所示。当C51的P2.1口输出为低电平时，蜂鸣器产生蜂鸣音，C51输出为电平时，蜂鸣器则不发声。

第3章  软件设计

3.1 软件设计思路

电子密码锁工作的主要过程是LED数码管提示开始输入密码，通过键盘输入密码，同时LED显示密码输入情况，按下确认键后判断密码的正确性，作出开锁或报警处理。当输入密码连续输入错误3次时，系统报警。

密码的设定，在此程序中密码是固定40H—45H    中，假设预设的密码为"123456"共6位密码。

由于采用两个按键来完成密码的输入，那么其中一个按键为功能键，另一个按键为数字键。在输入过程中，首先输入密码的长度，接着根据密码的长度输入密码的位数，直到所有长度的密码都已经输入完毕；或者输入确认功能键之后，才能完成密码的输入过程。进入密码的判断比较处理状态并给出相应的处理过程。

3.2 各子程序设计

3.2.1 键盘扫描子程序

键盘扫描流程图如图3.1

图3.1 键盘扫描流程图

键盘扫描子程序如下：

L2:    MOV R3,#0F7H

       MOV R1,#00H

L3:    MOV A,R3

       MOV P1,A

       MOV A,P1

       MOV R4,A

       SETB C

       MOV R5,#04H

L4:    RLC A

       JNC KEYIN

       INC R1

       DJNZ R5,L4

       CALL DISP

       MOV A,R3

       SETB C

       RRC A

       MOV R3,A

       JC L3

       JMP L2

3.2.2 LED显示子程序

LED显示流程图如图3.2

图3.2 LED显示流程图

LED显示子程序如下：

DISP:MOV R0,#45H

DISP1: MOV A,@R0

       ADD A,#50H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#40H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#30H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#20H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#10H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#00H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       RET

3.2.3 密码比较和报警程序

密码比较和报警流程图如3.3

图3.3 密码比较和报警流程

密码比较和报警程序如下：

COMP:  MOV R1,#45H

       MOV R0,#35H

       MOV R2,#06H

C1:    MOV A,@R1

       XRL A,@R0

       JNZ C3

       DEC R1

       DEC R0

       DJNZ R2,C1

       CLR P2.0

       MOV R2,#200

C2:    MOV R6,#248

       DJNZ R6,$

       DJNZ R2,C2

C3:     INC R5

          MOV A,R5

          MOV R5,A

        CJNE  R5 ,#03H,C4 

         CLR  P2.1

       MOV R5,#00H

 C4:  JMP START

第4章  系统调试

4.1仿真效果

本次调试采用Protues软件仿真。首先设计电子密码锁的源程序，源程序经过汇编后，生成的目标文件经过仿真调试[7]。

依次按下1，2，3，4，5，6后，LED显示如图4.1:

图4.1 LED显示

4.2密码验证

按下确定键后，二极管灯亮，表示正确开门密码，身份验证通过，打开门锁。如图4.2:

图4.2 密码验证电路

总  结

毕业设计是培养学生综合运用所学知识，对所学知识的一种检验，也是对自己能力的提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，我明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

回顾做毕业设计的过程，至今我仍感慨颇多，真是万事开头难，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，也让同学之间的感情更进了一步，于此同时还可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机汇编语言掌握得不好，通过这次毕业设计之后，使我受益匪浅，一定把以前所学过的知识重新温故。

这次毕业设计终于顺利完成了，对我而言，知识上的收获，精神上的丰收，让我很高兴。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。

参考文献

[1]王迎旭主编·《单片机原理及应用》·北京·机械工业出版社·2001

[2]周慈航主编·《单片机应用程序设计技术》·北京·航空航天大学出版社· 2001

[3]刘进峰主编·《电子制作实训》·中国劳动社会保障出版社·2006

[4]张洪润主编·《单片机应用技术教程》·北京·清华大学出版社·1997

    [5]张友汉主编·《电子线路设计应用手册子》·福建·科学技术出版社版社

[6]董孝昌主编·《单片机原理与应用》·大连·东北财经大学出版社·2004

[7]陈爱弟主编·《Protues实用培训教程》·北京·人民邮电出版社·2000

附录1  源程序清单

   ORG 00H

      MOV R5,#00H

      MOV R7,#00H

      DJNZ R7,$

      MOV R7,#10H

      MOV R6,#06H

      MOV R1,#35H

L1:   MOV A,R7

      MOV DPTR,#TABLE

      MOVC A,@A+DPTR

      MOV @R1,A

      DEC R1

      INC R7

      DJNZ R6,L1

START: ORL P2,#0FFH

       MOV R4,#06H

       MOV R0,#40H

CLEAR: MOV @R0,#00H

       INC R0

       DJNZ R4,CLEAR

L2:    MOV R3,#0F7H

       MOV R1,#00H

L3:    MOV A,R3

       MOV P1,A

       MOV A,P1

       MOV R4,A

       SETB C

       MOV R5,#04H

L4:    RLC A

       JNC KEYIN

       INC R1

       DJNZ R5,L4

       CALL DISP

       MOV A,R3

       SETB C

       RRC A

       MOV R3,A

       JC L3

       JMP L2

KEYIN: MOV A,R1

       XRL A,#0BH

       JZ X3

       MOV A,R1

       XRL A,#0FH

       JZ X4

       MOV R7,#10

D1:   MOV R6,#24

       DJNZ R6,$

       DJNZ R7,D1

D2:    MOV A,P1

       XRL A,R4

       JZ  D2

       MOV A,R1

       MOV DPTR,#TABLE

       MOVC A,@A+DPTR

       MOV R7,A

       XRL A,#0AH

       JZ SET0

       MOV A,R7

       XRL A,#0BH

       JZ START

       MOV A,R7

       XRL A,#0CH

       JZ L2

       MOV A,R7

       XRL A,#0DH

       JZ L2

       MOV A,R7

       XCH A,40H

       XCH A,41H

       XCH A,42H

       XCH A,43H

       XCH A,44H

       XCH A,45H

       CALL DISP

       JMP L2

X3:    JMP DISP2

X4:    JMP COMP

DISP:MOV R0,#45H

DISP1: MOV A,@R0

       ADD A,#50H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#40H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#30H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#20H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#10H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       DEC R0

       MOV A,@R0

       ADD A,#00H

       MOV P0,A

       CALL DELAY

       RET

SET0:  MOV R2,#06H

       MOV R0,#40H

       MOV R1,#30H

E1:    MOV A,@R0

       XCH A,@R1

       INC R0

       INC R1

       DJNZ R2,E1

       CALL DELAY

E2:    JMP START

COMP:  MOV R1,#45H

       MOV R0,#35H

       MOV R2,#06H

C1:    MOV A,@R1

       XRL A,@R0

       JNZ C3

       DEC R1

       DEC R0

       DJNZ R2,C1

       CLR P2.0

       MOV R2,#200

C2:    MOV R6,#248

       DJNZ R6,$

       DJNZ R2,C2

C3:     INC R5

          MOV A,R5

          MOV R5,A

        CJNE  R5 ,#03H,C4 

         CLR  P2.1

       MOV R5,#00H

 C4:  JMP START 

DISP2: MOV R0,#35H

       CALL DISP

       MOV A,P1

       XRL A,R4

       JZ DISP2

       CALL DELAY

       JMP START

DELAY: MOV R7,#C3

D3:   MOV R6,#248

       DJNZ R7,D3

       RET

       ORG 300H

TABLE: DB 01H 02H 03H 0CH

       DB 04H 05H 06H 0DH

       DB 07H 08H 09H 0EH

       DB 0AH 00H 0BH 0FH

       DB 01H 02H 03H 04H 05H 06H

       END

附录2  硬件原理图