单片机课程设计修改版oc.docx

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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。

本文介绍了一种应用AT89S52单片机设计的防盗自动报警电子密码锁系统。

经实验验证该系统具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点，可作为产品进行开发，应用于住宅、办公室的保险箱及档案柜等需要防盗的场所，所以电子密码锁凭着比较强的实用性、锁密匙量大，又要制造简单；既安全可靠，又成本低廉；既保密性强，又实用性广，在密码锁的巨大市场上占有一席之地。

本文讲述了基于AT89S52单片机的“电子密码锁”的设计与实现，首先在绪论中介绍了此系统的简介、研究本系统的目的和意义。

此后，本文在第二、三、四章论述了系统整体结构框图，系统各模块功能，论述了系统工作原理并对所使用各种芯片的功能与特性进行了介绍、系统硬件设计；在第五章中重点剖析了软件设计开发的过程。

而在最后一章简述了本次设计的总结，个人感受。

此外，通过对系统软硬件的不断调试，进一步完善功能，同时也加深了对单片机、LCD液晶显示器、电路设计等方面知识。

关键词:

单片机；AT89S52；电子密码锁；LCD显示

1.密码锁

1.1密码锁的介绍

安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一。

在现实生活中，很多场合都用到了电子密码锁，比如说门禁系统，银行账户管理，保险箱等等地方都要用到电子密码锁，而且对其要求也很高。

所以高安全性能密码锁的研究就成了一个必需的话题。

近几年各种安全产品（如指纹识别、卡辨识、红外防盗等）已相继问世，但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡。

只能适用于保密要求高或供个人使用的保险箱保险柜等，虽然这些产品安全性高，但其生产成本高，携带、安装及使用不方便，这在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。

随着单片机的迅速发展，其应用领域越来越广，如消费电子、家用电器、办公设备、商业营销设备、工业控制和机电一体化控制系统、智能测量仪表以及汽车与航空航天电子系统中都广泛采用了单片机。

51系列单片机由于具有可靠性好，以及扩展控制功能强等优点，成为国内目前应用最广泛的一种8为单片机之一。

随着单片机的应用领域越来越广泛，可以看出其的优越性和可靠性，所以将其应用到保密和安全方面是必然的，也是相当可靠，相当有意义的，基于单片机的电子密码锁的研究在保护财产和人身安全方面可以给人们带来更多更好的选择。

本文介绍的是一种由单片机编程控制实现的多功能密码锁，这种电路设计具有密码输入有效提示、错误指示、控制开锁电平、控制报警电路、密码修改等功能。

可在意外泄密的情况下及时修改密码，密码可以是1-16位，保密性强、灵活性高、特别适用于家庭、办公室学生宿舍及宾馆等场所,具有社会推广价值。

1.2电子密码锁发展趋势

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，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。

键盘式电子密码在键盘上输入，与打电话差不多，因而易于掌握，其突出优点是“密码”是记在被授权人脑子里的数字和字符，既准确又可靠，不会丢失（除了忘记），难以被窃（除非自己泄露）。

但是密码不能太简单，太简单了就容易被他人在键盘上试探出来，或者可能被旁观者窥测出来，造成保密性不足。

当然，密码又不能太复杂，太复杂了可能自己都糊涂了，或者输入密码操作成功率低，造成使用不便。

因此，为了发扬优点、克服弱点，键盘式电子密码也在不断发展中，如“任意设定密码”技术使得被授权人可以根据自己的需要或喜好设定密码，常用常新；而“自动更改密码”技术使得本次输入的密码将自动更改成下次应输入的密码，更改的规律不为他人所知，因而不怕旁观者窥测；独出心裁的“键盘乱序显示”技术使得键盘上的固定键位每次显示出的字符不固定，并且显示的窄小角度只能由操作者正面看得到，因而即使旁观者看见操作动作也难以窥测出密码；“多重密码设定”技术使得单组密码不一定有效，适合多人分权使用，需要输入两组以上的密码才被认可，大大提高了保密性，如果限定输入这些密码的先后顺序或时间区段，则保密性还可提高。

在输入密码的过程中，为了限制试探密码的企图，通常输入错误码若干次或若干时间内输入不正确，即“封锁”键盘，不再接受输入操作。

总之，尽管新式电子防盗锁层出不穷，但键盘式电子密码防盗锁仍然“老树发新芽”，不仅在市场上居于主流地位，而且，还经常作为其他类型电子防盗锁的辅助输入手段。

电子防盗锁广泛应用于金融业，其根本的作用是“授权”，即被“授权”的人才可以存取钱、物。

广义上讲，金融业的“授权”主要包括以下三种层次的内容：

1、授予保管权，如使用保管箱、保险箱和保险柜；2、授予出入权，如出入金库、运钞车和保管室；3、授予流通权，如自动存取款。

目前，金融行业电子防盗锁的应用主要集中在前两个层面上。

当然，以上所说的授权技术再高超，都必须由精良的“锁具”担当承载结构部件，实现开启、闭锁的功能，而且承担实体防护作用，抵抗住或尽量延迟破坏行为，让电子防盗锁“软、硬不吃”。

一般情况下，锁具防盗的关键是锁身外壳、闭锁的部件（如伸缩的锁舌或锁栓、锁扣盒锁扣板以及依靠电磁力直接闭锁的电磁部件等）的强度（应有足够的机械强度和刚度，能够承受一定数值、一定方向的静压力和冲击力以及力矩）、锁止型式（能承受某些方式和工具的作用）、配合间隙（防止采用机械的、电子的方法探入锁具内部而被开启）和布局（将薄弱的、与锁的开启直接相关的零部件和电路置于壳体保护之下，并且不易被识别出来）。

提高电子防盗锁之防护能力的必然途径是报警，在金融业的许多场所有人值守、有电视监控，具有报警功能，可以综合物理防范和人力防范两种作用。

报警的前提是具备探测功能，根据电子防盗锁的使用场所和防护要求，可选择多种多样的探测手段。

在中国的城市金融业中，实现联网报警已经成为对各金融网点的基本要求。

根据国内外的实践经验，金融业实行安全防范风险等级很有必要，即依据使用的防盗报警器材的性能、安装布局和人员值守状况等，可以评估被防护物或区域的防护能力，得出风险等级，其中，电子防盗锁的性能至关重要。

1.3设计原理

单片机电子锁是以51系列单片机为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别和显示、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收传感器送来的报警信号、发送数据等功能。

单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的密码进行比较，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁；如果密码不正确，则允许操作人员重新输入密码，最多可输入三次；如果三次都不正确，则单片机通过通信线路向智能监控器报警。

单片机将每次开锁操作和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给智能监控器，同时将接收来自传感器接口的报警信息也发送给智能监控器，作为智能化分析的依据。

为了防止通信线路的人为破坏和电磁执行器因某种原因造成流过电磁线圈的电流过大而烧毁线圈，可以加入电流监视技术模块采用MAXIM公司生产的电流／电压转换芯片MAX471。

该芯片能将被测电流I转化成对地输出电压U，且有测量范围大、精度高、输出电压U和被测电流I成正比等特点。

电流监视器输出电压送A/D转换器，单片机通过读取A/D转换结果，获知线路中电流的变化情况，通过分析及时发现异常，发出报警信号。

本设计因为使用了LED灯替代电磁执行器，所以没有采用该保护。

1.4实现功能

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。

本文所涉及的是市场占有率最高的是MCS—51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。

到目前为止，MCS—51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。

本设计是基于单片机的密码锁设计方案，根据要求，给出了该单片机密码锁的硬件电路和软件程序，同时给出了单片机型号的选择、硬件设计、软件流程图、单片机存储单元的分配、汇编语言源程序及详细注释等内容。

基于以上思路，本次设计使用ATMEL公司的AT89C51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）密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。

（2）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、清除、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）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。

主要的设计实施过程：

首先，选用ATMEL公司的单片机AT89C51，以及选购其他电子元器件。

第二步，使用protel设计硬件电路原理图。

第三步，使用KeiluVision3软件编写单片机的C语言程序、仿真、软件调试。

第四部，使用PROTEUS软件进行模拟软、硬件调试。

最后，联合软、硬件调试电路板，完成本次课程设。

1.5研究的主要内容

本设计采用的是串行的EEPROM芯片，使用I2C总线传输数据，这样可以少占用单片机的端口，I2C总线是由PHILIPS公司开发一种简单、双向二线制同步串行总线。

它只需要两根线即在于连接总线上的器件之间传送信息。

这种总线的主要特点有：

1、总线只有两根线，这样可以在设计中大大减少了硬件接口；2、每接到总线上的器件都有一个用于识别的器件地址，避免了片选线的连接方法，并建立了简单的主从关系，每个器件既可以作为发送器，又可以作为接收器；3、同步时钟允许器件以不同的波特率进行通讯；同步时钟可以作为停止或重新启动串行口发送的握手信号；5、串行的数据传输位数率在标准模式下可达100Kbit/s,快速模式下可达400Kbit/s，高速模式下可达3.4Mbit/s。

矩阵式键盘又叫行列式键盘.用I/O口、接口线组成行、列结构，键位设在行、列的交点上。

这样在按键比较多的情况下就比独立按键有优势，本设计有16个按键，只需要8个I/O口，大大节省了单片机的I/O口开销。

本设计是基于AT89S52单片机实现电子密码锁功能，具有修改密码和防多次试探功能，并对系统进行研究分析，调节各个部件正常工作，同时，根据实际情况对其软、硬件进行改良、改进，并提出系统总体方案。

首先，细致分析单片机电子密码锁的各模块工作原理及相关技术。

其次，掌握并将程序烧录进单片机AT89S52内，控制各器件的协调工作，以便能实现I2C传输数据的功能及显示功能。

整个过程需要寻找大量的相关资料，和学习相关的软件并运用到实践，还有焊接电路版，要有很好的动手意识和知识的积累，也是考验这将近四年来对专业知识学习的一次总结和汇集。

经过几个月的努力，完成了系统软硬件的设计，并对实际工作中遇到的问题进行讨论解决，最后经运行调试实现了单片机电子密码锁的功能。

通过这次毕业设计，亲身体会到一个系统的制作过程，也深刻的理会该系统各部件的运行原理和实物调试，能够很好地学习掌握和利用单片机AT89S52，且设计出该单片机电子密码锁，能够模拟其工作过程，从而熟悉控制系统的开发流程和具体内容，体会理论联系实际的重要性，增强自身实践应用能力。

2.系统设计总方案

2.1任务分析

根据设计要求，电子密码锁可以有数字电路控制完成单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用单片机。

2.2方案设计

采用一种是用以AT89C51为核心的单片机控制方案。

利用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，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。

其如图2-1所示。

图2-1

本方案采用一种是用以89C51为核心的单片机控制方案。

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。

初步设计思路如下：

输入密码用矩形键盘，包括数字键和功能键。

LED数码管显示输入密码，用74JS247驱动数码管发光显示数码，用74LS138控制各位显示器分时进行显示。

用发光二极管代替开锁的电路，发光表示开锁。

输入密码错误次数超过3次，系统报警。

打开电源后，显示器显示“000000”，设原始密码为“123456”，只要输入此密码便了开门。

这样可预防停电后再来电时无密码可用。

按“C”键，清除显示器为“000000”。

欲重新设定密码，先输入密码在案“*”。

输入密码，再按“D”键。

若密码与设定密码相同，则开门。

否则显示器清为“000000”。

软件的设计主要包括键值的读取，LED显示程序，密码比较程序和报警程序。

3密码锁的工作原理

3.1系统工作原理简介

该电子密码锁采用4*4键盘作为输入信号，输入到作为主机AT89c51中，通过软件编程的程序，做出判断，结果再经液晶显示器作为输出显示。

晶振电路提供单片机运行脉冲。

每按一次键盘按钮会通过蜂鸣器响一次，达到更好的控制效果。

3.2AT89C51单片机

AT89C51低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有准功能：

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，AT8C52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。

图3-2AT89C52引脚结构

VCC:

电源

GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-1所示。

表3-1

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应接VCC。

在flash编程期间，EA也接12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

4.1602LCD液晶显示模块

4.1显示特性

（1）单5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性

（2）内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）

（3）具有64个字节的子定义字符RAM,可自定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵

（4）显示方式：

STN、半透、正显

（5）驱动方式：

1/16DUTY,1/5BIAS

（6）视角方向：

6点

（7）背光方式：

底部LED

（8）通讯方式：

4位或8位并口的通讯方式

（9）标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序

4.2物理特性

外型尺寸

80×36×14

单位

可视范围

64.6（W）×16.0（H）

mm

显示容量

16字符二行

点尺寸

0.55×0.75

mm

点间距

0.08

mm

表4-1液晶显示模块物理特性

4.3外型尺寸图

图4-1602LCD液晶显示模块外型图

4.4模块显示特性详解

（1）本模块适宜与4位或者8位MPU接口，接口由使能信号E控制；

标BF模块内部工作状态标志，MPU访问模块时，首先应判断状态标志位E

在电源Vdd＝＋5V情况下，模块与MPR通讯速度可以达到2MHz;

（2）本模块提供5X8点阵、带光标显示的字符结构的显示模式，用户通过指令设置可以方便地进行选择；

（3）本模块提供了显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符发生器CGRAM;用户可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个5X8点阵的图形字符的字模数据；

（4）本模块字符在LCD显示屏上的显示位置与该字符的字符代码

在显示缓区DDRAM内的存储地址一一对应；

（5）本模块通过指令设置来选择占空比（duty）周期，选择参数如下：

（6）单行5X8点阵字符带光标显示：

1/8；

单行5X10点阵字符带光标显示：

1/11；单行5X8点阵字符带光标显1/16。

本模块提供了较丰富的指令设置：

清显示；光标回原点；显示开/关；光标开/关；显示字符闪烁；光标移位；显示移位通过选择相应的指令设置，用户可以实现多种字符显示样式；

（7）本模块提供了内部上电自动复位电路，

当外加电源电压超过＋4.5v时自动对模块进行初始化操作，将模块

设置位认的显示工作状态；

（8）本模块采用低功耗CMOS设计。

5系统硬件的总设计

5.1键盘电路设计

使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。

其原理如图5-1所示。

图5-1键盘电路图

每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘。

在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。

当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。

对键的识别通常有两种方法：

一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。

对照图5-1所示的4×4键盘，说明线反转个工作原理。

首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。

方法是：

向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。

如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。

判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。

方法是：

依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。

具体的功能设计如表5-1所示。

按键

键名

功能说明

1－9键

数字键

输入密码

*键

重设密码键

设定新密码

D键

确定键

比较密码

#键

清除键

使显示器清零

表5-1

5.2LED显示电路

本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。

本系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的一个串行口，利用74LS247驱动数码管发光显示数码和74LS138控制位选信号，就可以完成单片机的显示功能，显示电路的电路原理图如图5-2所示。

图5-2显示电路

P0.0—P0.3接74LS247的A，B，C，D四端口，74LS247的输出口接LED的七段显示；而P0.4—P0.6接74LS138的A，B，C三个输入口，74LS138的输出口接LED的位显示。

通过软件实现数字和位控制

5.3开锁电路

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。

如电路图5-3所示。

当P2.0口输出低

图5-3开锁电路

电平时，二极管发光，表示开锁。

5.4报警电路

报警模块由蜂鸣器和单片机组成。

选择一只压电式蜂鸣器