基于PROTEUS的电子密码锁设计毕业论文Word文件下载.docx

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附录B：

总电路图40

1绪论

1.1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元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，一学即会。

1.2电子密码锁的发展趋势

日常生活和工作中，住宅与部门的安全防、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。

由于电子器件所限，以前开发的电子密码锁，其种类不多，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性，如防森严的金库，需要使用复合信息密码的电子防盗锁，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。

1.3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。

密码可以有用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。

修改密码之前必须再次输入就的密码，在输入新密码的时候要二次确认，以防止误操作。

1.4设计方案简介

采用以单片机为核心的控制方案，由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。

一般来说在选取单片机时从下面几个方面考虑：

性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、性，除了以上的一些的还有一些最基本的比如：

中断源的数量和优先级、工作温度围、有没有低电压检测功能、单片机有无时钟振荡器、有无上电复位功能等。

在开发过程中单片机还受到：

开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素。

基于以上因素本设计选用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，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。

在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密码的存储，外接LCD1602显示器用于显示作用。

当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键0－9输入密码。

密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；

当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后输入原来的密码，只有当输入的原密码正确后才能设置新密码。

新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。

2主要元器件

2.1主控芯片AT89S51

①单片机AT89S51功能介绍：

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，AT89S51芯片引脚图如图2.1所示:

图2.1AT89S51芯片引脚

②主要特性：

1）S-51兼容

2）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）片振荡器和时钟电路

③管脚说明：

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

1）电源引脚VSS和VSS：

VSS——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

2）晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片振荡器。

当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；

对SHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。

在单片机部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到部时钟发生器的输入端；

对XHMOS，此引脚应悬浮。

3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VSS引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证部RAM的数据不丢失。

当VSS主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压围（5±

0.5V），VPD就向部RAM提供备用电源。

ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

PSEN（29脚）：

此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。

在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

EA/VPP（引脚）：

当EA端保持高电平时，访问部程序存储器，但在PS（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80S51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器的程序。

当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有部程序存储器。

对于常用的8031来说，无部程序存储器，所以EA脚须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4）控制或与其它电源复用引脚RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp。

RST/Vpd当振荡器运行时。

在此引脚上出现两个机器同期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。

在VSS掉电期间，此引脚可接上备用电源，由Vpd向部RAM提供备用电源，以保持部RAM中的数据。

ALE/PROG正常操作时为ALE功能（允许地址钱存），提供把地址的低字节锁存到外部锁存器。

ALE引脚以不变的频率（振荡周期的1/6）周期性地发出正脉冲信号。

但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。

PSEN外部程序存储器读选通信号输出端。

在从外部程序存储器取指令（或数据）期间；

PSEN在每个机器周期两次有效。

PSEN同样可以驱动八个LSTTL输入。

EA／VppEA为部程序存储器和外部程序存储器选择端。

当EA为高电平时，访问部程序存储器（PS值小于4K）。

当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源（Vpp）。

5）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

P0口（39脚至32脚）：

是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

P1口（1脚至8脚）：

是准双向8位I/O口。

由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。

P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

P2口（21脚至28脚）：

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

P3口（10脚至17脚）：

是准双向8位I/O口，在MSS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。

P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

表2.1P3口管脚备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

2.2存储芯片AT24C02

如图2.2为AT24C02的芯片引脚图。

图2.2AT24C02的芯片引脚图

芯片特点：

低压和标准电压运行模式

–2.7（VCC=2.7Vto5.5V）

–1.8（VCC=1.8Vto5.5V）

AT24C02提供电可擦除的串行1024位存储或可编程只读存储器（EEPROM）128字（8位/字）。

芯片在低压的工业与商业应用中进行了最优化。

设备操作：

CLOCK和DATA变化：

SDA管脚通常外部要拉高。

SDA管脚上的数据只能在SCL低期间改变。

数据在SCL高期间改变定义为一个开始或停止信号。

开始状态：

在任何操作之前必须有一个开始信号----在SCL为高时SDA上产生一个下降沿。

停止状态：

SCL为高时SDA产生一个上升沿是停止信号，停止信号后将停止所有通信。

在一个读的序列之后，停止信号将让EEPROM进入备用电源模式。

2.3LCD1602显示器

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示容丰富等特点。

1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS,R/W,EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。

接口信号说明：

1602型LCD的接口信号说明如表2.2所示：

表2.2LCD1602接口信号说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

4

RS

数据/命令选择

12

D5

5

R/W

读/写选择

13

D6

6

E

使能信号

14

D7

7

D0

15

BLA

背光源正极

8

D1

16

BLK

背光源负极

1602型LCD主要技术参数：

显示容量:

16×

2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×

4.35（W×

H）mm

1602型LCD基本操作程序如下表所示：

表2.3LCD1602基本操作程序

读状态

输入

RS=L，R/W=H，E=H

输出

D0—D7=状态字

写指令

RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲

无

读数据

RS=H，R/W=H，E=H

D0—D7=数据

写数据

RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲

2.4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。

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硬件系统设计

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。

图3.1电子密码锁原理框图

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电路总体结构图

3.3电源输入电路

密码锁主要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，而5V电源输入时往往伴有杂波，所以加一个2.2uF的电容滤波。

这样输出的电压一般能满足要求。

图3.3电源输入电路原理图

3.4键盘输入电路

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密码存储电路

AT24C02是ATMEL公司的2KB字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10Ua（5.5V），芯片的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

其电路如图3.5所示:

图3.5密码存储电路图

图中1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在AT89S51上它们都能接地，第5脚和第8脚分别为正、负电源。

AT24C02中带有片地址寄存器，每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个储存单元的读写，所有字节均以单一操作方式读取。

3.6复位电路

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PC＝0000H，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，P1－P3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3.6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R11与R15分压比决定。

由于R11<

<

R15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。

R11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晶振电路

AT89C51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C2／C3及片与非门（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，围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值围在5～30pF之间。

根据实际情况，本设计中采用12MHZ做系统的外部晶振。

电容取值为33pF。

图3.7晶振电路原理图

3.8显示电路

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0－9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上显示“OPENOK”，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，可以清楚的判断出密码锁所处的状态。

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报警电路

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导喇叭发出噪鸣声报警。

如图3.9所示：

图3.9报警电路原理图

3.10开锁电路

通过单片机开锁执行机构，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:

图3.10密码锁开锁机构示意图

当用户输入的密码正确时，单片机便输出开门信号，送到