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课程设计(论文)说明书
题目:
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2011年12月6日
摘要
在我们的日常生活中,门锁扮演着一个重要的角色。
无论是在住宅还是办公室中,门锁保卫着我们的人身和相关隐私的安全。
随着社会的发展,人们对锁的要求也越来越高,除了安全性之外,更要求钥匙的便携性和使用方便。
传统的机械锁却有着明显的缺点,门锁易遭专业工具破坏,钥匙易丢失和被复制等等。
在这样的背景下,电子密码锁应运而生,弥补了机械锁的缺陷,也满足了人们的高要求。
对于电子密码锁,其具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点,带防盗报警的电子密码锁更是有逐渐取代机械防盗锁的趋势。
基于以上思路,并从经济实用的角度出发,本设计使用AT89C51实现一基于单片机的电子密码锁的设计,结合外围的键盘输入、LCD显示、报警、开锁、GSM模块等。
其具有以下功能特点:
具有友好的显示界面,可以提供丰富的提示信息;具有时间显示功能,掉电后密码不丢失的特性;在输错3次密码的情况下,会锁定键盘和发出声音报警,还可以扩展GSM短信报警功能,通知远程用户;具备密码找回功能,当用户忘记自己所设定的密码时,可以根据密码锁所发过来的短信信息,将其输入进密码锁中,若经过确认是正确答案,便可设定新密码和问题的答案。
关键词:
单片机;液晶显示;键盘;电子密码锁;GSM
Abstract
Inourdailylife,thedoorlockplayinganimportantroletoprotectus.Whatereverinresidentialoroffice,thedoorlockdefendsoursecurityandrelatedpersonalprivacy.Withthedevelopmentofthesociety,peoplehashigherrequirementforthelock.Inadditiontothesecurity,peoplerequirethekeyshaveportabilityandtheconvenienceofuse.Thetraditionalmechanicallockhasobviousdisadvantages,doorlockiseasydamagedbyprofessionaltools,andthekeyiseasilyloseandcopied,andsoon.Inthisbackground,electroniclockcameintobeing,Itmakesupthedefectsofthemechanicallock,alsomeetthehighdemandsofthepeople.
Forelectroniccodedlock,ithastheadvantagesofhighsafety,lowcost,lowpowerconsumption,easyoperation,etc.Theelectroniclockwithanti-theftalarmbutalsohasatendencytograduallyreplacethemechanicalanti-theftlock.Basedontheaboveideas,andfromtheperspectiveofeconomicandpractical,ThisdesignusesAT89C51implementamicrocontroller-baseddesignofelectroniclocks.Itcombinedwiththeexternalkeyboard,LCDdisplay,alarm,unlockandGSMcircuitmodules.Itsfunctionhasthefollowingcharacteristics:
Ithasfriendlydisplayinterfaceandcanproviderichpromptmessage.Ithasthefunctionofdisplaythecurrenttime,andwouldn’tlostthestoredinformationwhenpowerisoff.Incaseofinputtingthewrongpassword3times,itwouldlockthekeyboardandsoundthealarm.ItalsocanextendtheGSMSMSalarmfunction,andinformtheremoteuser.Ontheotherhand,thedesignhaspasswordrecoverfunction.Whentheuserforgotthepassword,hecanaccordingtheSMSwhichsendbytheelectroniclock,andinputtheinformationintotheelectroniclock.Iftheinformationiscorrectaftertheconfirmation,youcansetanewpasswordorthenewanswertothequestion.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer;LCDDisplay;Keyboard;ElcetronicCodedLock;GSM
引言
随着科技的发展,在当今的社会上,人们越来越重视对安全的需求,而且要求也越来越高,无论是对人身,财产还是个人隐私,几乎所有的一切都与安全挂上钩。
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。
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。
此外,传统的机械锁,由于有锁孔在外,也给盗贼的破坏带来可乘之机,可以使用一些专门的开锁工具进行开锁。
在安全技术防范领域,随着单片机的问世,出现了带微处理器的密码锁,它除具有电子密码锁的功能外,还引入了智能化、科技化等功能,从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性。
电子密码锁带来了无钥匙的解决方案,使得人们的出行也更加的方便,也解决了密码丢失而导致的各种各样问题,同时也防止了钥匙的复制问题。
从目前的技术水平和市场认可程度看,使用最为广泛的是键盘式电子密码锁。
在科学技术不断发展的今天,电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用也日趋重要。
电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品,具有安全性高,使用方便等优点。
因而现在的电子锁的主要趋势是形式多样化,开锁的认证越来越缜密化,使用更人性化。
如何尽可能的降低生产成本,并制造出符合人们使用习惯的电子密码锁,是如今的研究方向。
而本文以单片机作为主要的设计,正是遵从了成本尽可能低,而达到主要日常功能的一个思想。
本设计具有较高性价比的密码锁,价格低廉而实用。
以单片机作为主控的解决方案,键盘、显示、报警电路、执行开锁机构等部分构成。
其中密码由键盘输入端口输入,解码正确条件下,输出开锁电平,控制电控锁开启。
同时还具有多次输错报警,锁定键盘,超时输入自动返回主界面等功能,还可扩展GSM短信报警功能。
1绪论
电子密码锁简而言之就是一种普通而实用的锁,只不过其由机械开锁转变成了其他触发形式的开锁,因而更具有安全性。
本章则主要介绍的是本设计的一些特点以及电子密码锁的一些背景和主要市场应用前景。
1.1电子密码锁的研究意义
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,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。
因为传统锁具都存在致命的弱点:
第一、锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料,抵抗不了强力破坏;
第二、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革命的迫切的要求。
因而对于电子密码锁的研究在生活中有着重要的意义,同时也是门锁发展历史上必须经历的一个替代过程。
1.2电子密码锁的应用与前景
出于安全、方便等方面的需要,许多电子密码锁已相继问世,例如磁卡锁、声控锁、指纹识别、IC卡识别等等。
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,只能适合于保密要求高且仅供个人使用的箱、柜、房间等。
而且卡片式IC卡还有易丢失等特点,加上其成本一般较高,一定程度上限制了这类产品的普及和推广。
电子密码锁产品前景广泛,可应用于家用及商用防盗门、保险柜,汽车,军事等领域,目前,在西方发达国家,电子密码锁技术相对先进,种类齐全,电子密码锁已经被广泛应用于智能门禁系统中,通过多种更加安全,更加可靠的技术实现大门的管理。
我国电子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比较高,市场上仍以按键电子锁为主,但假以时日定能与西方发达国际起头并进。
1.3本设计的特点
本设计采用了以AT89C51单片机为微处理器的方案,单片机是常见的器件,而价格较为便宜,且足以胜任处理密码比对以及修改的处理工作。
电源采用的是12V和5V直流电源,因为市面上大多数电磁锁的驱动电压都是在12V,可以提供足够的驱动力。
为防止断电后密码随之丢失的问题,本次设计则采用了AT24C08的EEPROM的存储器件,其具有快速的反复读写功能,容量也达到1K,因此满足了本设计对于密码的读写和掉电防丢失的要求。
显示模块采用了LCD1602模块,能够显示16x2的英文字符,对于本系统中的操作信息提示,可以充分的显示出来,以达到简单易用,上手即会,界面友好的功能。
此外,为了贴近生活化,增加了时钟电路,可以在主界面上显示当前的日期以及时间,相当于一个万年历的功能,并且即使在断电后,仍然能够继续走时,用户不必担心时间重新调整的问题。
为了使功能更加全面,增加了GSM模块,可达到远程短信报警功能,当输错密码次数达到三次时便会发送报警短信,使得即使远在外地的主人也可了解目前最新的安全状况。
上述是本设计的硬件方面的一些特点,而对于软件功能的实现上,则具有以下的特征:
(1)密码隐私的保护:
在用户输入密码的时候,LCD显示屏上不会直接显示明文的数字密码,而是以*号来遮挡,保护了用户在输入时的密码的安全性。
(2)设定密码的长度:
用户可以自行设定1-8位的密码,从而使得非法进入可能性达到最小,即无法判断出密码的长度及其排列组合。
然而出于对用户的安全性上的考虑,我们推荐使用6位以上的密码。
(3)报警和锁定键盘输入:
本设计最多允许3次密码输入错误,当未授权的人士输错3次密码的时候,锁自身会发出警报并且锁定键盘30秒,防止其连续性的尝试输入,更好的达到防盗要求。
(4)密码的遗忘和找回:
当用户忘记了密码的时候,本机具有找回密码的功能。
在用户连续输入错误达到3次时,键盘为锁定状态,而此时只有用户知道有一个键是“找回密码”的按键。
用户可以按下此键,并根据所提问题回答出正确答案,便能达到下一步,选择修改密码或者问题的答案,并可以扩展至GSM发送短信找回密码。
(5)密码的设定:
用户要想达到修改密码的功能,必需得先输入之前设定的旧密码,如果输入错误是不能进入修改密码的界面的,同时也有3次输错的键盘锁定。
新密码的设定,则需进行两次确认,防止用户误操作而导致的问题。
(6)界面友好:
主界面显示当前时间和日期;当有按下任意数字键时,便会进入输入密码的界面,输入完整后下确认键,将会开锁;基本上每个操作步骤都有提示信息。
(7)远程报警:
增加了GSM短信报警模块,当有人企图尝试输入密码并且错误次数达到三次时,密码锁将会发送报警短信至主人的手机上,从而得知远程密码锁此时的状态,主人便能采取相应措施,或立即回家处理或打电话报警。
2系统整体方案设计
2.1设计目标与框图
本设计的目标是完成任务书中的基本要求,即可以实现时间日期的显示,密码的输入与确认,修改已设定的密码,超次数输入错误锁定键盘并有声音报警。
除此之外,为了扩展功能与贴近实际生活,还增加了GSM短信远程报警和找回密码的功能,其中的密码找回功能,是指密码锁发送验证短信至用户手机上,以找回遗忘的密码。
本设计所使用的模块主要有:
矩阵键盘输入模块,LCD1602显示模块,AT24C08掉电存储模块,时钟电路,复位电路,GSM模块等等。
其框图如图1所示。
图1系统框图
2.2主控部分的选择
本设计采用的主控部分是常见的单片机AT89C51,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,外接液晶显示(LCD),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。
此外,根据一些参考资料,电子密码锁还可以用数字逻辑电路的方式来实现,但是该方案的扩展空间有限,功能上也有局限性,不如选择单片机AT89C51的方案更全面,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,还能添加温度显示、时间显示甚至添加遥控控制功能。
综上所述,本次设计优先选择了以单片机作为主控的方案。
2.3整体设计思路
由于日常的密码形式都采用数字格式,便于用户的输入和记忆,因而使用了4*4的矩阵键盘,用线反转法检测用户输入的键值,其在单片机上也仅使用了8个I/O口,节省管脚资源,符合本次设计;而显示部分采用LCD1602模块,可以显示2行和每行16个英文字符,满足显示要求,而且也仅占用11个单片机I/O口,操作命令也较为简单;报警电路采用有源蜂鸣器,报警时只需控制单片机的一个I/O口的高低电平,便能达到目的。
电源电路,可以采用5V直流电压工作,也可使用12V直流电压工作。
本设计中有将12V降至5V的稳压电路,以满足单片机的工作需求,当使用12V电压时,可以给电磁锁供给12V的电压,因为多数电磁锁使用这个数值。
单独留出单片机的串口,可以扩展功能,本设计为了拓展其他功能,使用串口RXD,TXD与GSM模块通信,实现了三次输错密码短信报警功能。
为了显示时间与日期,采用DS1302时钟芯片,此芯片封装为8脚,其中的3个管脚负责与单片机通信,既节省资源又满足需求。
而掉电存储密码的芯片为AT24C08,其有高达1K的空间,并使用I2C总线形式与单片机通信,简单而实用,保护了用户的密码安全。
总体上说,本设计的方案简洁而实用性强,遵循了尽可能减少成本和占用单片机I/O口的原则,同时也可使得元器件的摆放更为合理。
3硬件系统设计
3.1系统芯片介绍
3.1.1单片机AT89C51功能介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes的随机存取数据序存器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度/非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元,AT89C51单片机为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活行高且价廉的方案。
AT89C51提供以下标准功能:
128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并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他所有部件工作直到下一个硬件复位。
以下AT89C51具体的管脚功能介绍,管脚如图2所示。
图2AT89C51管脚图
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
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。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
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。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
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。
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口管脚是8个带内部上拉电阻的双向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口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表1所示:
端口
其他功能
说明
P3.0
RXD
串行口的接收引脚
P3.1
TXD
串行口的传送引脚
P3.2
INT0
INT0中断输入
P3.3
INT1
INT1中断输入
P3.4
T0
Timer0输入
P3.5
T1
Timer1输入
P3.6
WR
写入外部存储器控制引脚
P3.7
WD
读取外部存储器控制引脚
表1AT89C51的P3口特殊功能
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚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地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
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。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(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,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.1.2时钟芯片DS1302介绍
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源/后背电源双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
(1)引脚功能及结构
图3示出DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源,VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。
DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。
当VCC2大于VCC1+0.2V时,VCC2给DS1302供电。
当Vcc2小于VCC1时,DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源,外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平,则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在VCC≥2.5V之前,RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端(双向),后面有详细说明。
SCLK始终是输入端。
图3DS1302引脚图
(2)DS1302的控制字节
DS1302的控制字如表2所示。
控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入DS1302中,位6如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作,为1表示进行读操作,控制字节总是从最低位开始输出。
1
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RD
表2DS1302的控制字节
(3)数据输入输出(I/O)
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。
同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位到高位7。
(4)DS1302的寄存器
DS1302有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表3。
表3日历,时间寄存器及其控制字
寄存器名
命令字
取值范围
各位内容
写操作
读操作
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
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