智能密码锁毕业设计论文doc.docx
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智能密码锁毕业设计论文doc.docx
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智能密码锁毕业设计论文doc
基于单片机的智能密码锁的设计
摘要:
随着科学技术的不断发展,人们在日常生活与工作中对保险器件的要求越来越高。
同时,电子设备也正在向智能化与微型化不断发展,电子密码控制系统已经越来越符合人们的要求。
而单片机已经成为电子产品研制和开发中首选的控制器。
为了满足人们对锁的使用要求,增加其安全性,同时克服传统锁具带来的不方便性,用数据密码代替钥匙的智能密码锁便应运而生。
智能密码锁具有安全性高、操作简易、成本低、功耗低等优点。
本次设计由单片机系统、矩阵键盘、LCD显示和报警系统组成。
系统能完成开锁、超次锁定、报警、修改用户密码等基本的密码锁功能。
除上述基本的密码锁功能外,还具有掉电存储、声光提示等功能,依据实际的情况还可以添加遥控功能。
所采用的编程语言是C语言。
本系统电路稳定性高、成本低廉、功能实用,符合办公室、住宅等场所的用锁要求,具有推广价值。
关键词:
AT89C51;AT24C02;电子密码锁;矩阵键盘
DesignofIntelligentPasswordLockBasedonMCU
Abstract:
withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,insurancedeviceshavebecomeincreasinglydemandinginpeople’sdailylifeandwork.Meanwhile,theelectronicintelligencedevicesarealsobeingminiaturizedtotheintelligentandevolving.Electroniccodecontrolsystemhasbeenincreasinglyinlinewithpeople'srequirements.
Themicrocontrollerhasbecomethepreferredcontrollerintheresearchanddevelopmentofelectronicproduct.Inordertomeetpeople'srequirementsfortheuseoflockstoincreasetheirsecurityandovercomingtheinconvenienceoftraditionallocks,smartlockswhichusethedataencryptioninsteadofkeycomeintobeing.Smartlockshavemanyadvantagessuchashighsecurity,easeofoperation,lowcostandlowpowerconsumption.
Thisdesignis made up ofSCMsystem,matrixkeyboard,LCDdisplayandalarmsystem.Systemcanperformbasicpasswordlockfunctionsuchasunlocking,smart-locking,alarming,modifyinguserpasswords.Inadditiontothesebasicpasswordlockfunction,italsohasapower-downstorage,soundandlighttipsandotherfunctions,accordingtotheactualsituationcanalsoaddremotecontrolfunctionality.Theprogramminglanguageusedisclanguage.Thesystemcircuithighstability,lowcost,functionalandpractical.Itconformstotheoffice,residentialandotherplaceswithalockrequestandhaspromotionalvalue.
KeyWords:
AT89C51,AT24C02,Electronicpasswordlock,Matrixkeyboard
第1章绪论
随着科技的发展和人们对安全的高度要求,密码锁也从原来的大块头变成现在的芯片设计。
锁自古以来就被人们广泛的运用,并且对它的可靠性要求甚高。
一方面,人们需要安全可靠的防盗,同时在使用中又希望可以方便的进行操作,这成为了制锁技术长久发展以来永恒的技术攻关方向。
随着电子技术的不断进步,电子产品在人们的日常生活与工作等方面发挥着愈来愈重要的作用,智能密码锁就是其中之一。
例如,具有锁定报警功能的电子密码锁。
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、报警、闭锁任务的电子产品。
在安全防盗领域,完美的替代了传统的机械式密码锁,解决了机械式密码锁长久以来存在的密码量少、安全性能差的缺陷,使锁具在技术层面与性能优化上都有了很大的提高。
同时,随着大规模集成电路技术的成熟,尤其是是单片机的普及,出现了带微处理器的智能密码锁,通过不同的外接硬件,使锁具功能多样化,从而提高了安全性与可靠性,应用日益广泛。
1.1课题背景
所谓的智能密码锁,就是通过微电子技术、集成电路技术,同时使用大量的电子元器件,结合多种新颖有效的识别技术(包括指纹识别技术、锁体的机械设计、网络报警等),进行多元开发生产的综合型产品。
关于智能密码锁的研究从20世纪30年代就开始了,已经应用于当时的一些特殊场所。
智能锁的密钥量极大,不仅可以通过芯片控制,也可以与精密的机械原理相融合。
有了这样的双层保障,就可以减少或避免由于钥匙丢失或被盗窃后造成的安全隐患。
人们只要记住自己所设定的密码,不需要随身携带钥匙,不需要担心遗失钥匙的情况,方便了人们的生活。
因此人们愈发的欣赏这种方便安全的保护措施。
20世纪80年代后,通过进一步的研发,智能锁专用集成电路已经出现在科研人员的手中,它的体积进一步缩小,可靠性有了大幅度提高,不过成本较高,比较适用于在要求安全措施较高的场合。
显而易见,它的使用范围还有所局限,难以普及到大众生活中,所以对它的研究有一度的停滞。
到了20世纪90年代,日本、美国、意大利、韩国、德国、加拿大以及我国的台湾、香港等地的微电子技术和通信技术有了较大的科研进展,这一进步为密码锁的后续发展提供了技术上的有力援助,从而肯定了密码锁向实际应用普及的发展方向。
到了21世纪初,在西方的一些国家里,密码锁技术更加先进,拓展的使用功能更加多样化。
例如,人们把电子密码锁广泛应用于智能门禁系统中从而实现大门的管理,不仅更加安全,同时也更加可靠了。
我国开始对密码锁进行的前期科学研究是在90年代初期。
随着国家的快速发展,国力的不断增强,我国在微电子技术与信息技术的研究中也有所建树。
从20世纪初的技术水平和市场认可程度看,最被人们广泛欢迎与接受的是键盘式电子密码锁。
该产品安全性能高,价格低廉,主要应用于私人储物、保险柜和银行的金库等,同时也可以应用于保管箱和运钞车。
由于这种密码锁的优点突出,很有市场推广价值,因此科研投入高。
这种锁很快的克服了初期的性能稳定差的缺点,变得越来越实用,愈发的受到人们的欢迎。
智能密码锁的种类繁多,例如数码锁、指纹锁、磁卡锁、IC卡锁、生物锁、遥控式电子密码锁、卡片式密码锁等。
当代社会,由于生物特征技术发展迅速,除了一些近期难以被克服的体积、价格、材料等方面的缺点外,生物特征防盗锁在应用方面的前景被人们普遍看好。
这是因为人体生物特征例如指纹、虹膜、DNA等一些含有字符、图形图像和时间等电子生物信息要素均可成为唯一的开锁钥匙,通过对这些辨识度高、特征性强的信息的自由组合,能够大幅度提高电子防盗锁保密特性。
同时,对特征信息的组合使用也能够更多方面的扩展电子防盗的方法,使功能更加丰富。
21世纪初,接触式卡的技术成熟、价格低廉,应用也较为广泛;不过非接触式卡使用更加隐蔽、方便,大有后来居上之势。
它不仅可以作为钥匙,还包含多项个人的信息特征,可以用于入门、开锁、存储、付费等,这种一卡多用的方法给持卡人带来了便利,它特别适合金融业注重“验明正身”的行业特点,而且储存信息量大是此种智能锁的优势。
不过同时存在一些缺点,使用这类防盗锁,需要谨慎的保管卡,尤其当遗失卡时为了防止信息的泄露与经济的损失,须尽快取消对该卡的授权。
在技术层面上,我国密码锁整体水平尚处于国际上70年代左右,高端智能密码锁的成本还很高,市场上仍以按键电子锁为主。
不过在生物特征防盗锁和卡片钥匙式电子锁方面,已引进国际先进生产水平。
由于高端密码锁商业市场结构尚未形成,技术还不成熟,国内自行研制开发的多功能电子锁,应用还不广泛。
1.2课题设计目标
本设计硬件采用AT89C51单片机为主控芯片,LCD1602为显示芯片,以AT24C02作为密码存储芯片。
同时依靠软件程序编程,组成电子密码锁整体系统,可以实现多种功能:
(1).正确输入密码前提下,开锁提示;
(2).在输入密码错误的情况下,蜂鸣器会持续报警;如果连续输入错误次数超过三次,锁定键盘;
(3).密码可以根据用户需要更改;
(4).忘记密码可以进行密码初始化;
(5).断电存储功能。
第2章系统方案论证
系统从控制方案部分和密码输入方式两方面进行论证,找到最优方案。
2.1主控部分的选择
方案一:
采用数字电路控制。
电路内容包括:
键盘输入、密码更改、密码检测、密码校验、开锁电路、执行电路、报警电路、断电检测、充电电路、键盘输入次数锁定电路。
共设9个用户按键,其中4个有效按键,剩余4个为干扰按键。
若按下干扰按键,输入密码无效。
密码锁的核心控制用74LS112双JK触发器组成数字逻辑电路,用JK触发器储存用户提前设定的密码,通过与输入的密码进行比较,从而判断输入与原始密码是否相同,进而判断是否开锁。
对于数字电路设计方案的密码锁,好处就是设计简单,不过缺点也很明显,对系统控制的准确性和操作的灵活性差。
方案二:
单片机作为控制核心的方案。
采用单片机作为密码锁的核心硬件,从而进行对系统的控制与处理。
单片机是一种集成电路芯片,采用的是超大规模集成电路技术。
具体是在一块硅片上集成具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种I/O口和定时器/计数器、中断系统等功能(可能还包括显示驱动电路、键盘输入电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、D/A转换器、A/D转换器等)。
这样就可以构成一个体积虽小,但是性能完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。
单片机从问世以来,经过不断的发展,越来越多的优点体现了出来,如体积小、功耗低、价格低廉、可扩展性强、控制功能强、环境适应能力好、使用方便等。
利用单片机可以构成形式丰富、功能强大的控制系统、通信系统、测控系统、数据采集系统、信号检测系统、无线远程操控系统、机器人等应用控制系统。
例如蔬菜大棚的温湿度采集系统、智能机器人、工厂流水线的智能化管理、波形信号发生器、电梯智能化控制以及各种报警系统,或与计算机联网构成二级控制系统等。
通过使用单片机来制作智能密码锁,可以利用它具有I/O端口功能丰富、运算处理速度快、编程容易和控制精准等优点,同时利用单片机内部的随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM),通过外接液晶显示(LCD)用于显示密码以及操作提示,使用矩阵键盘来输入密码,同时外接AT24C04芯片用于存储密码。
这种设计功能实用,同时扩展性强、操作简便、系统灵活。
基本上可以实现设计所要求的指标。
通过对比与考虑,本系统采用方案二进行设计。
2.2密码输入方式的选择
方案一:
指纹输入识别。
指纹识别技术的核心思想是把人和他的指纹一一对应,由于指纹具有唯一性,检测也非常方便,因此这种技术发展前景良好。
具方法体是通过与预留指纹的比较,就可以验证进行指纹识别的人的真实身份信息。
每个人的皮肤纹路,例如指纹,在图案、纹数、核心点和三角点这些细节上具有不同的特征。
指纹识别技术主要涉及四个功能:
读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对特征。
读取人体指纹特征的图像是通过指纹读取设备进行的,紧接着要对读取到的原始图像进行初期的处理,为的是让图像更加清晰,然后再通过指纹辨识软件搜集指纹的特征进行数据化操作。
软件可以从指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置上找到被称为“节点”(minutiae)的数据点,这些点特征的唯一性很强,可以同时具有七种以上的唯一性特征。
一般来说,每个人手指上平均具有70个节点,这样的话通过使用这种方法大约会产生490个数据。
这些数据,通常被称为模板。
通过使用计算机将这些模版进行比较比,可以计算出它们的相似程度,最终得到两个指纹的比较结果,从它们的匹配程度可以判断输入结果的正确与否。
考虑到本方案软硬件过于复杂,同时成本较高,故不采用。
方案二:
矩阵键盘输入识别。
由于密码锁是依靠键盘输入密码,同时有确认与取消等其他键位。
这样的话,键盘中按键数量就会较多,为了方便操作,必须减少I/O口的占用,通常用将按键排列成矩阵形式来解决这个问题。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
在由按键组成的矩阵键盘上,每条行线和列线都相对应I/O口线。
键位设在行线和列线的交叉点,因此当有键位按下时,就会有一条行线与一条列线相接触,这时通过确定接触的两条线的位置,即两个I/O口线的位置,就可以对触动的键位进行定位。
这样,通过设计就可以构成4*4=16个按键,比着直接将端口线用于键盘的方法多出了一倍的按键。
而且线数越多,差距愈明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键。
另外,每个按键都可通过程序赋予不同的功能,从而完成密码识别。
比较来看,方案二简单易行、成本不高,故采用此方案。
第3章系统总体设计和主要芯片介绍
系统主要芯片有AT89C51,AT24C02,LCD1602等。
3.1系统总体设计
本设计主要由单片机AT89C51、矩阵键盘、密码存储芯片AT24C02和液晶显示器LCD1602等部分构成。
其中矩阵键盘用于输入密码和进行功能的实现。
用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码,然后单片机对用户通过键盘输入的密码与保存在AT24C02芯片中的密码进行对比,从而判断密码是否正确,然后将引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路,从而选择控制开锁还是报警。
在实际使用时只需要将单片机的负载由继电器换成控制密码锁开关的电磁铁吸合线圈即可。
系统整体框图如图3-1所示:
图3-1系统结构框图
各模块功能如下:
(1).矩阵键盘输入模块:
分为从“0”~“9”共10个密码输入按键与几个功能按键,用于完成密码的输入与修改功能;
(2).显示模块:
用于完成对输入密码正确与否状态显示及操作提示功能;
(3).报警电路:
用于完成输错密码时候的报警功能;
(4).密码存储模块:
可以使修改过的密码断电后仍能保存在芯片中;
(5).电源模块:
用于对系统电路提供+5V的直流电压。
3.2主要芯片介绍
3.2.1AT89C51
AT89C51是在半导体硅片上集成微处理器,存储器与各种I/O接口的单片机。
单片机上的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
并且该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,抗干扰能力强。
由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,功能齐全,简单方便。
AT89C51单片机提供了一种灵活性高且价廉的方案,许多嵌入式控制系统青睐于这种多功能的芯片。
它的外形及引脚排列如图3-2所示:
图3-2AT89C51芯片
主要特性:
(1).与MCS-51可以兼容;
(2).可编程FLASH存储器(4K字节);
(3).寿命:
1000次写/擦循环;
(4).数据保留时间长,可达10年;
(5).全静态工作:
最高24MHz;
(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).片内有振荡器和时钟电路。
特性概述:
AT89C51不仅可以为使用者提供以上标准功能,同时可支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
管脚说明:
(1).I/O引脚
P0口:
P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口,每脚可驱动8个LS型TTL负载。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
当89C51扩展外部存储器及I/O接口芯片时,P0口作为地址总线(低八位)及数据总线的分时复用端口。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须接上拉电阻,此时为准双向口。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口。
同时它可驱动4个LS型TLL负载。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流。
在FLASH编程和校验时,P1口作为低八位地址接收。
P2口:
八位,准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流。
当作为普通的I/O输入时,应先向端口的输出锁存器写入1。
因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口是8位,同时带有内部上拉电阻的准双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL),这是由于上拉的缘故。
P3口也可为AT89C51提供第二功能,如表3-1所示:
表3-1P3口的第二功能
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
/INT0
外部中断0输入
P3.3
/INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时器0外部计数输入
P3.5
T1
定时器1外部计数输入
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通输入
P3.7
/RD
外部数据存储器写选通输入
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
(2).电源
电源引脚接入单片机的工作电源;VCC接+5V电源;VSS接地。
(3).时钟引脚
XTAL1:
是用来做为片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。
当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容。
当采用外接时钟源时,引脚XTAL1接收外部时钟振荡器的信号。
XTAL2:
作为片内振荡器反相放大器的输出端。
当采用外接时钟源时,XTAL2引脚悬空。
当使用片内振荡器时,该引脚连接外部石英晶体和微调电容。
(4).控制引脚
该类引脚不仅可以提供控制信号,有的引脚还具有复用功能。
RST:
作为复位信号的输入端,高电平时有效。
当对单片机进行复位操作时,要保持RST脚大于两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为时钟振荡器频率fOSC的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或定时信号使用。
然而要注意的是:
每当用作访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
因此严格来说,它不适宜用作准确的时钟源或定时信号。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PROG为该引脚的第二功能,在对片内FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在单片机读取外部程序存储器期间,此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。
但在访问外部数据存储器时,/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
/EA为外部程序存储器访问允许控制端。
当/EA保持低电平时,则在此期间对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器,地址为0000H-FFFFH,不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,单片机读片内程序存储器,但在PC值超过0FFFH时,将自动转向访问外部程序存储器中的程序。
VPP为该引脚的第二功能,为变成电压输入端。
在对片内Flash固化编程时,对于89C51引脚加载的编程电压为+5V或+12V。
3.2.2存储芯片AT24C02
具有I2C串行总线接口EEPROM有多个厂家生产的多种类型的产品。
其中,AT24C02是美国Atmel公司生产的低功耗CMOS型EEPROM,内含256×8位存储空间,具有工作电压宽(2.5~5.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)、抗干扰能力强、数据可保存100年、体积小等特点。
而且它是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件,具有写保护、可靠性高、功耗低等特点,同时占用很少的资源和I/O线,并且支持在线编程,具有一个16B的页写缓冲器,进行数据实时的存取十分方便。
I2C(Inter-IntegratedCircuit)总线是由PHILIPS公司推出的一种两线式串行总线。
它是目前使用较为广泛的芯片间串行扩展总线。
它用于连接微控制器及其外围设备,可以通过两条连线实现全双工同步数据传送。
它是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准,同时也是同步通信的一种特殊形式。
它可以使具有I2C总线的单片机直接与具有I2C总线接口的各种扩展器件连接。
它具有接口线少,控制方式简单,器件封装形式小,通信速率较高等优点。
AT24C02操作时有两种寻址方式,芯片寻址和片内子地址寻址。
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,从而可以实现对下一个存储单元的读写,并且所有字节均以单一操作方式读取。
一次操作可写入多达8个字节的数据,这样的话可以降低总的写入时间。
它依靠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进行信息的传输,并通过地址识别每个器件。
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)均可在接收器和发送器状态进行。
主机产生串行时钟信号(通过SCL引脚)的同时,会发出控制字,用来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。
管脚描述:
SCL为串行时钟管脚:
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。
SDL为串行数据/地址管脚:
用于器件所有数据的发送或接收SDL,是一个开漏输出管脚。
此管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或。
A0
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