智能电子密码锁设计.docx
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智能电子密码锁设计.docx
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天津大学网络教育学院
专科毕业论文
题目:
智能电子密码锁设计
完成期限:
2016年1月8日至2016年4月20日
学习中心:
嘉兴
专业名称:
电气自动化技术
学生姓名:
姚建林
学生学号:
132092433147
指导教师:
刘伯颖
天津大学网络教育学院专科毕业论文
智能电子密码锁设计
1引言
随着人们生活水平的提高和安全意识的加强,对安全的要求也就越来越高。
锁自古以来就是把守护门的铁将军,人们对它要求甚高,既要安全可靠的防盗,又使用方便,这也是制锁者长期以来研制的主题。
随着电子技术的发展,各类电子产品应运而生,电子密码锁就是其中之一。
据有关资料介绍,电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了,在一些特殊场所早就有所应用。
这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。
研究这种锁的初衷,就是为提高锁的安全性。
电子锁的密钥量(密码量)极大,可以与机械锁配合使用,并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。
电子锁只需记住一组密码,无需携带金属钥匙,免除了人们携带金属钥匙的烦恼,因而被越来越多的人所欣赏。
电子锁的种类繁多,例如数码锁,指纹锁,磁卡锁,IC卡锁,生物锁等,但较实用的还是按键式电子密码锁。
20世纪80年代后,随着电子锁专用集成电路的出现,电子锁的体积缩小,可靠性提高,成本较高,是适合使用在安全性要求较高的场合,且需要有电源提供能量,使用还局限在一定范围,难以普及,所以对它的研究一直没有明显进展。
目前,在西方发达国家,密码锁技术相对先进,种类齐全,电子密码锁已被广泛应用于智能门禁系统中,通过多种更加安全、可靠的技术实现大门的管理。
在我国密码锁整体水平尚处于国际上70年代左右,电子密码锁的成本还很高,市场上仍以按键电子锁为主,按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平,现国内有几个厂生产供应市场。
但国内自行研制开发的电子锁,其市场结构尚未形成,应用还不广泛。
国内的不少企业也引进了世界上先进的技术,发展前景非常可观。
希望通过不断的努力,使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。
2系统方案论证
2.1主控部分的选择
方案一:
采用数字电路控制
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,将密码保存在JK触发器中,与输入密码通过比较器比较,判断结果是否相符合。
采用数字电路设计的方案好处就是设计简单,但控制的准确性和灵活性差,故不采用。
方案二:
采用以单片机为核心的控制方案
选用单片机作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。
单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。
利用单片机内部的随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)及其引脚资源,外接数码管显示(LED),键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能,基本上能实现设计指标,因此综合考虑,本系统采用方案二。
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。
通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,然后要对原始图像进行初步的处理,使之更清晰再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。
软件从指纹上找到被称为“节点”(minutiae)的数据点,即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置,这些点同时具有七种以上的唯一性特征。
通常手指上平均具有70个节点,所以这种方法会产生大约490个数据。
这些数据,通常称为模板。
通过计算机模糊比较的方法,把两个指纹的模板进行比较,计算出它们的相似程度,最终得到两个指纹的匹配结果,从而判断输入结果的正确与否。
考虑到本方案软硬件太过复杂,而且成本也高,故不采用。
方案二:
矩阵键盘输入识别
由各按键组成的矩阵键盘每条行线和列线都对应一条I/O口线,键位设在行线和列线的交叉点,当一个键按下就会有某一条行线与某一条列线接触,只要确定接触的是哪两条线,即哪两个I/O口线,就可以确定哪一个键被触动。
行线设计成上拉口线,初始时被置高电位,列线悬空,初始置低。
通过不断读行线口线,或者中断方式触发键位扫描。
当发现有键按下,将列线逐一置低,其他列线置高,读行线口线。
当某条列线置低时,某条行线也被拉低,则确定这两条线的交点处的按钮被按下。
每个按键都可通过程序赋予功能,从而完成密码识别。
本方案简单易行,故采用。
3系统总体设计和主要芯片介绍
3.1系统总体设计
本设计主要由单片机、矩阵键盘、数码管显示以及开锁报警等部分组成。
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所设定的密码,驱动芯片驱动数码管显示输入的数字,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(黄灯亮)还是报警(红灯亮)。
系统整体框图如图3-1
AT89S52
晶振电路
键盘输入模块
复位电路
密码存储模块
驱动模块
开锁报警模块
显示模块
所示。
图3-1系统结构框图
各模块具体功能如下:
1.键盘输入模块:
分为密码输入的数字按键与几个功能按键,用于完成密码的输入功能。
2.复位电路:
完成系统的复位。
3.密码存储模块:
用于完成掉电存储功能,使密码断电后仍能保存。
4.驱动电路:
用于驱动数码管对键盘所输入的数字进行实时显示。
5.显示模块:
用于完成对系统状态的显示及操作提示功能。
6.报警电路:
应用发光二极管模拟报警,用于完成密码输入错误时候的指示。
7.开锁电路:
应用发光二极管模拟开锁,完成开锁及开锁提示。
3.2主要芯片介绍
3.2.1主控芯片AT89S52
AT89S52单片机是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52的管脚分布如图3-2。
图3-2AT89S52芯片管脚
其各引脚功能如下:
(29引脚):
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
/VPP(31引脚):
外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1(19引脚):
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2(18引脚):
振荡器反相放大器的输出端。
ALE/PROG(30引脚):
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
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。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
RST(9脚):
当振荡器运行时,在此引脚上出现两个机器周期的高电平,使得单片机复位。
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
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,这是由于内部上拉的缘故。
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5MOSI(在系统编程用)——下载线
P1.6MISO(在系统编程用)——下载线
P1.7SCK(在系统编程用)——下载线
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,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。
P3口作为AT89S52的一些特殊功能管脚备选功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2(外部中断0)
P3.3(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6(外部数据存储器写选通)
P3.7(外部数据存储器读选通)
AT89S52主要特性如表1所示。
表1AT89S52主要特性
兼容MCS-51指令系统
8k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
3个16位可编程定时/计数器
时钟频率0-33MHz
全双工UART串行中断口线
256x8bit内部RAM
2个外部中断源
低功耗空闲和省电模式
中断唤醒省电模式
3级加密位
看门狗(WDT)电路
软件设置空闲和省电功能
灵活的ISP字节和分页编程
双数据寄存器指针
3.2.2存储芯片AT24C1024
AT24C1024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(2.5~5.5V)、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I/O线,并且支持在线编程,进行数据实时的存取十分方便。
AT24C1024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。
它通过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。
AT24C1024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(AT24C1024)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(确认应答)。
AT24C1024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
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