电子密码锁毕业设计论文.doc

摘 要随着电子产品向智能化和微型化的不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器。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，安全性能低，无法满足人们的需要。本文从经济实用的角度出发，采用Atmel公司的单片机AT89C51与低功耗CMOS型E2PROM AT24C02作为主控芯片与数据存储器单元，结合外围的键盘输入、LCD1602显示器显示、报警、开锁等电路，用汇编语言编写主控芯片的控制程序，设计了一款可以多次更改密码具有报警功能的电子密码锁。经实验证明，该密码锁具有设计方法合理，简单易行，成本低，安全实用等特点，符合住宅、办公室用锁要求，具有推广价值。关键词、密码锁 单片机 报警 矩阵键盘 目 录1 绪论21.1 引言21.2 电子密码锁简介31.3 电子密码锁的发展趋势31.4 本设计所要实现的目标41.5 设计方案42 硬件的总体结构和原理52.1 单片机AT89C51的简介52.2 AT89C51单片机的引脚62.3 AT24C02简介82.4 LCD1602介绍10 2.5 4×4矩阵键盘132.6 AT89C51单片机复位方式132.7 晶体振荡器143 系统硬件构成153.1 设计原理153.2 电路总体构成163.3 电源输入部分163.4 键盘输入部分173.5 密码存储部分183.6 复位部位183.7 晶振部分193.8 显示部分203.9 报警部分203.10 开锁部分21 3.11 设计总框图223.12 设计总体电路图234 软件程序设计234.1 主程序流程图234.2 键盘扫描子程序模块244.3 数字处理程序模块254.4 开锁程序264.5 密码设置程序27 结论28致谢29参考文献301 绪论1.1引言在日常的生活和工作中, 住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙, 使用极不方便, 且钥匙丢失后安全性即大打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步。随着大规模集成电路技术的发展，特别是单片机的问世，出现了带微处理器的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。随着人们对安全的重视和科技的发展，许多电子智能锁（指纹识别、IC卡辨认）已在国内外相继面世。但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡，只能适用于保密要求的箱、柜、门等。而且指纹识识别器若在公共场所使用存在容易机械损坏，IC卡还存在容易丢失、损坏等特点。加上其成本较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术水平与市场的接收程度，电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。基于以上思路，本次设计使用ATMEL公司的AT 89C51实现一基于单片机的电子密码锁的设计，其主要具有如下功能：（1） 设置6位密码，密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。（2）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。（3）报警、锁定键盘功能。密码输入错误数码显示器会出现错误提示，若密码输入错误次数超过3次，蜂鸣器报警并且锁定键盘。电子密码锁的设计主要由三部分组成：4×4矩阵键盘接口电路、密码锁的控制电路、输出八段显示电路。另外系统还有LED提示灯，报警蜂鸣器等。密码锁设计的关键问题是实现密码的输入、清楚、更改、开锁等功能：（1）密码输入功能：按下一个数字键，一个“”就显示在最右边的数码管上，同时将先前输入的所有“”向左移动一位。（2）密码清除功能：当按下清除键时，清除前面输入的所有值，并清除所有显示。（3）密码更改功能：将输入的值作为新的密码。（4）开锁功能：当按下开锁键，系统将输入与密码进行检查核对，如果正确锁打开，否则不打开。1.2 电子密码锁简介电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。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是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。其特点如下：1) 保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。2) 密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。3) 误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。4) 无活动零件，不会磨损，寿命长。5) 使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。6) 电子密码锁操作简单易行，1.3电子密码锁的发展趋势在日常生活和工作中，住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。目前门锁主要用弹子锁，其钥匙容易丢失；保险箱主要用机械密码锁，其结构较为复杂，制造精度要求高，成本高，且易出现故障，人们常需携带多把钥匙，使用极不方便，且钥匙丢失后安全性即大打折扣。针对这些锁具给人们带来的不便若使用机械式钥匙开锁，为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。它的出现为人们的生活带来了很大的方便，有很广阔的市场前景。由于电子器件所限，以前开发的电子密码锁，其种类不多，保密性差，最基本的就是只依靠最简单的模拟电子开关来实现的，制作简单但很不安全，在后为多是基于EDA来实现的，其电路结构复杂，电子元件繁多，也有使用早先的20引角的2051系列单片机来实现的，但密码简单，易破解。随着电子元件的进一步发展，电子密码锁也出现了很多的种类，功能日益强大，使用更加方便，安全保密性更强，由以前的单密码输入发展到现在的，密码加感应元件，实现了真真的电子加密，用户只有密码或电子钥匙中的一样，是打不开锁的，随着电子元件的发展及人们对保密性需求的提高出现了越来越多的电子密码锁。出于安全、方便等方面的需要许多电子密码锁已相继问世。但这类产品的特点是针对特定有效卡、指纹或声音有效，且不能实现远程控制，只能适用于保密要求高且供个人使用的箱、柜、房间等。由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为钥匙的电子信息，组合使用这些信息能够使电子防盗锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子防盗锁，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。组合使用信息也能够使电子防盗锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。可以看出组合使用电子信息是电子密码锁以后发展的趋势。1.4 本设计所要实现的目标本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成电子密码锁，用户想要打开锁，必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开，密码输入错误有提示，为了提高安全性，当密码输入错误三次将报警。密码可以由用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。1.5设计方案设计是以AT89C51为核心的单片机控制方案；我们的密码所控制器就是以单片机为核心设计的，本设计采用的是ATMEL公司的AT89C51芯片，此芯片根据了充分的静止CMOS 控制器与三级节目记忆锁，共有32 条I/O 线, 2 定时计数器， 6 个中断来源，4 K 闪存, 128 个字节在芯片RAM。采用数字电路控制。其原理方框图如图1-1所示。图1-1 数字密码锁电路方案采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。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，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。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。2 硬件的总体结构和原理2.1单片机AT89C51的简介AT89C51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图2-1单片机内部结构示意图1、中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2、数据存储器(RAM)AT89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。3、程序存储器(ROM)AT89C51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。4、定时/计数器：89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5、并行输入输出(I/O)口：89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6、中断系统89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。2.2 AT89C51单片机的引脚AT89C51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的. 89C51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. AT89C51单片机为双列直插式封装结构, 如图2-2所示.图2-2 AT89C51引脚分配图2.2.1主要特性：1、与MCS-51 兼容 2、4K字节可编程闪烁存储器3、寿命：1000写/擦循环 4、数据保留时间：10年5、全静态工作：0Hz-24Hz 6、三级程序存储器锁定7、128×8位内部RAM 8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器 10、5个中断源11、可编程串行通道 12、低功耗的闲置和掉电模式13、片内振荡器和时钟电路AT89C51单机的电源线有以下两种：（1） VCC：+5V电源线。电源线 （2） GND：接地线。AT89C51单片机的外接晶体引脚有以下两种: （1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2） XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。控制线 AT89C51单片机的控制线有以下几种：（1） RST：复位输入端，高电平有效。（2） ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3 PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4EA/Vpp：片外ROM允许访问端/编程电源端。2.2.2 AT89C51单片机的四个I/O口：P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问位地址的外部数据存储器（如执行：MOVX Ri 指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表2-1 表2-1 P3口的第二功能端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通2.3 AT24C02简介 AT24C02如图2-3所示，是一个2K位串行CMOS EEPROM内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作；有一个专门的写保护功能。2.3.1 功能描述AT24C02支持I2C总线数据传送协议,I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。2.3.2 管脚描述AT24C02的管脚如图2-3所示，其中各管脚为：1、SCL 串行时钟AT24C02串行时钟输入管脚,用于产生器件所有数据发送或接收的时钟,这是一个输入管脚。2、SDA 串行数据/地址AT24C02双向串行数据/地址管脚,用于器件所有数据的发送或接收。SDA是一个开漏输出管脚。3、A0 A1 A2 器件地址输入端这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址。当这些脚悬空时默认值为0。使用AT24C02时最大可级联8个器件.如果只有一个AT24C02被总线寻址,这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到Vss。 4、WP 写保护如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护只能读；当WP管脚连接到Vss 或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。图2-3 AT24C02引脚图2.3.3 I2C总线协议I2C总线是一种双向二线制总线，它的结构简单，可靠性和抗干扰性能好。目前很多公司都推出了基于I2C总线的外围器件，AT24C02芯片就是一个带有I2C总线接口的EEPROM存储器，I2C总线结构很简单，只有两条线，包括一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL）。具有I2C接口的器件可以通过这两根线接到总线上，进行相互之间的信息传递。连接到总线的器件具有不同的地址，CPU根据不同的地址进行识别，从而实现对硬件系统简单灵活的控制。I2C总线协议定义如下：(1)只有在总线空闲时才允许启动数据传送。(2)在数据传送过程中当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态不允许有跳变；时钟线为高电平时数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号。·起始信号时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为I2C总线的起始信号。·停止信号时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为作为I2C总线的停止信号。2.4 LCD1602介绍液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。其中LCD1602液晶显示模块是常用的选择，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。考虑到本系统设计中友好的人机界面，相对采用多个LED作为显示模块，LCD1602更合适。2.4.1 引脚描述1602采用标准的16脚接口，如图2-4所示，其中: 第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：LEDA为背光接5V正电源。第16脚：LEDK为背光地电源。图2-4 LCD1602管脚图2.4.2 LCDI602控制指令 如表2-2所示，LCD1602的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1、指令 1：清显示。指令码01H,光标复位到地址00H位置。 2、指令 2：光标复位。光标返回到地址00H。3、指令 3：光标和显示模式设置，I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 ；S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。4、指令 4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 5、指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 。6、指令 6： 功能设置命令 。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线； N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示；F:低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 7、指令 7：字符发生器RAM地址设置 。8、指令 8：DDRAM地址设置 。9、指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。10、指令10：写数据。 11、指令11：读数据。表2-2 LCD1602的控制指令表指 令RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D01清显示2光标返回3置输入模式4显示开/关控制5光标或字符移位6置功能7置字符发生存储器地址8置数据存储器地址9读忙标志或地址10写数CGRAM或DDRAM11从CGRAM或DDRAM读数0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 1 *0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S0 0 0 0 0 0 1 D C B0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *0 0 0 0 1 DL N F * *0 0 0 1 字符发生存储器地址0 0 1 显示数据存储器地址0 1 BF 计数器地址1 0 要写的数1 1 读出的数据2.4.3 LCDI602读写控制时序LCD1602的读写控制时序如表2-3所示，使用LCD1602显示时要严格按照时序要求，否则LCD1602显示会出现问题。表2-3 LCD1602的读写控制时序表RS R/W E 功能0 0 下降沿 写指令代码0 1 高电平 读忙标志和AC码1 0 下降沿 写数据1 1 高电平 读数据2.5 4×4矩阵键盘如图2-5所示，本系统采用4×4矩阵键盘。当LCD1602为时钟界面显示时，S2为时设置键，S3为分设置键，S4为切换键；当切换到密码锁界面显示时，16个按键分为输入数字键和功能键。其中，S2、S6、S7、S8、S10、S11、S12、S14、S15、S16依次表示数字09，S3为取消键，S4为全取消键，S5为确定键，S9为密码初始化还原键，S13为返回键，S17为密码修改键。图2-5 4×4矩阵键盘2.6 AT89C51单片机复位方式单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控，或工作中程序处于某种死循环状态，在这种情况下都需要复位. 复位的作用是使中央处理器CPU以及其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态,并从这个状态重新开始工作.AT89C51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变. 复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种,如图2-6所示.a.上电复位电路 b. 手动复位电路 c. 自动复位电路图2-6 单片机复位电路由于设计所需，我们在这里选用手动式复位电路。由外部扩展M24C01设定功能键控制手动式复位电路。2.7 晶体振荡器晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SCR将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。 石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。在单片机中为其提供时钟频率。石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。3 系统硬件构成3.1 设计原理本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。其中硬件部分由电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、启动程序、关闭程序、建功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。其原理框图如图3-1所示。图3-1 电子密码锁原理框图AT89C51键盘输入复位电路密码存储电路晶振电路电源输入显示电路报警电路开锁电路3.2 电路总体构成在确定了选用什么型号的单片机后，就要确定在外围电路，其外围电路包括电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分选择4×4矩阵键盘，显示部分选择字符型液晶显示LCD1602，密码存储部分选用AT24C02芯片来完成。其原理图如图3-2所示：图3-2 电路原理图3.3 电源输入部分 密码锁主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图3-3所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其工作原理主要是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。图3-3 电源输入电路原理图 3.4 键盘输入部分由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。采用的是矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。本设计中使用的这个4×4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如清空显示功能等。键盘的每个按键功能在程序设计中设置。其大体功能（看键盘按键上的标记）及与单片机引脚接法如图3-4所示：图3-4 键盘输入原理图3.5 密码存储部分用EPROM芯片AT24C02存储密码。AT24C02是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽(2.55.5 V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10 ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和IO线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。AT24C02中带有的片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。他通过SDA(串行数据线)及SCL(串行时钟线)两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。AT24C02正是运用了I2C规程，使用主从机双向通信，主机(通常为单片机)和从机(AT24C02)均可工作于接收器和发送器状态。主机产生串行时钟信号(通过SCL引脚)并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK。AT24C02的控制字由8位二进制数构成，在开始信号发出以后，主机便会发出控制字，以选择从机并控制总线传送的方向。其接线如图3-5所示：图3-5 密码存储电路原理图3.6 复位部位单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC0000H，使单片机从第个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图4-6所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R5与R6分压比决定。由于R5<<R6 因此RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C1充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。R5的作用在于限制按键按下瞬间电容C1的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。图3-6 复位电路原理图3.7 晶振部分AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3-7所示方式连接。晶振、电容C1C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容C1、C2取值范围在530pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ做为系统的外部晶振。电容取值为20pF。图3-7 晶振电路原理图3.8 显示部分为了提高密码锁的密码显示效果能力。本设计的显示部分由液晶显示器LCD1602取代普通的数码管来完成。只有按下键盘上的开启按键后，显示器才处于开启状态。同理只有按下关闭按键后显示器才处于关闭状态。否则显示器将一直处于初始状态，当需要对密码锁进行开锁时，按下键盘上的开锁按键后利用键盘上的数字键09输入密码，每按下一个数字键后在显示器上显示一个*，输入多少位就显示多少个*。当密码输入完成时，按下确认键，如果输入的密码正确的话， LCD子显示“RIGHT”，单片机其中P2.0引角会输出低电平，使三极管T2导通，电磁铁吸合，电子密码锁被打开，如果密码不正确，LCD显示屏会显示“ERROR”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能被打开。通过LCD显示屏，可以清楚的判断出锁所处的状态。其显示部分引脚接口如图3-8所示：图3-8 显示电路原理图3.9 报警部分 报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成，加电后不发声，当有键按下时，“叮”声，每按一下，发声一次，密码正确时，不发声直接开锁，当密码输入错误时，单片机的P2.1引脚为低电平，三极管T3导通轰鸣器发出噪鸣声报警。如图3-9所示：图3-9 报警电路原理图3.10 开锁部分通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。其原理如图3-10所示。单片机微控制器开锁驱动电路电磁锁密码正确？Y返回N图3-10密码锁开锁机构示意图当用户输入的密码正确而且是在规定的时间（普通用户要求在12s内输入正确的密码，管理员要求在5s输入正确的密码）输入的话，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。其实际电路如图3-11所示。电路驱动和开锁两级组成。由D5、R1、T10组成驱动电路，其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018都可以满足要求。D5作为开锁的提示；由D6、C24、T11组成。其中D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。T11可选用中功率的三极管如8050，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。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。图3-11密码锁开锁机构电路图89S51单片机3.11 设计总框图输入错误锁定键盘矩阵键盘控制电源电路及UPS电路延时报警控制电路AT24C02掉电存储开锁控制电路串口显示电路指示电路图3-12总体设计框图3.12设计总体电路图图3-13总体电路图4 软件程序设计4.1主程序流程图主程序主要完成初始化、设置中断向量、检查有无按键按下、以及调用显示等等。主程序的流程图如4-1所示。开始初始化有键按下？调用显示启动定时识别按键全部按完？超时？比较密码开门开始自动清除>3次？锁定NNY