门禁系统密码锁设计.docx

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门禁系统密码锁设计

门禁密码锁设计

摘要

摘要：

安全是现代居民最关心的问题之一，人们对锁的要求甚高,既要安全可靠地防盗,又要使用方便,这也是制锁者长期以来研制的主题。

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STC89C52单片机设计的防盗自动报警的智能密码锁，本系统由单片机系统、矩阵键盘、LCD显示和报警系统组成。

系统能完成开锁、超时报警、超次锁定、修改用户密码的功能。

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，可应用于家庭门锁，有比较强的实用性。

关键词密码锁单片机报警LCD显示

LockAccessControlSystemDesign

Abstract：

Oneoftheproblemthatmanypeoplepaymuchattentiontoisthesecurity.peoplewanttohavealockthatisnotonlysafebutalsoconvenienttouse.Moreandmorepeoplespendalongtimetodevelopasafeandeasylock.Withthedevelopmentofprogressoftheexploitureofproductsinteligentizationandmicromation,SCMhasbecomthepreferredcontrollerintheexploitureofproducts.Inthecontext,IintroduceaelectroniccodedlockbasedintheSTC89C52SCMthatcouldguardagainsttheftandgiveaalarmautomately.Thesystemiscomposedofsinglechipsystem,matrikskeyboard,LCDandalarmmodules.Thesystemcanopenthelock,giveanalarmovertime,lockusingtoexcessandmodificationtheuserpassword.Intheprocessofdesign,thesoftwareandhardwareareveryeasy,sothecostofthesystemissmall.Howeverthesecurityisgoodandthetheoperationiseasy.Itcanbeequippedinhursedoor.Thisprovesitspracaticality.

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KeyWords：

Passwordlock；MCU；Alarm；LCDDisplay

摘要

第一章绪论

1.1门禁密码锁简介………………………………………………………………1

1.2门禁密码锁的发展趋势和前景展望……………………………………………1

1.3本课题的主要内容和要求………………………………………………………2

第二章总体方案选择

第三章硬件系统构成

3.1设计原理………………………………………………………………………10

3.2电路总体构成…………………………………………………………………10

3.3电源输入电路…………………………………………………………………11

3.4键盘输入电路…………………………………………………………………12

3.5密码存储电路…………………………………………………………………12

3.6复位和晶振电路………………………………………………………………13

3.7显示电路………………………………………………………………………14

3.8报警电路………………………………………………………………………15

3.9开锁电路……………………………………………………………………15

第四章软件系统设计

4.1主程序流程图…………………………………………………………………17

4.2按键软件设计…………………………………………………………………18

4.3密码设置软件设计……………………………………………………………19

4.4开锁软件设计…………………………………………………………………20

第五章调试与实现

5.1硬件调试………………………………………………………………………21

5.2软件调试………………………………………………………………………21

5.3Pruteus仿真…………………………………………………………………22

结论与展望

致谢

参考文献

附录

第一章绪论

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）保密性好，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

人员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和前景展望

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。

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，保密性差，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，安全保密性更强，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保密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，只能适用于保密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保密性，如防范森严的金库，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本课题的主要内容和要求

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。

在初始状态下,会预设一个密码,用户也可以根据自己的需要设置密码.无论是预设的还是用户自己设定的,都存入24c04存储器中,以备用户开锁和修改密码时输入的密码作比较。

在告知系统准备开锁时，数码管上显示“------”。

接着通过矩阵键盘输入密码，然后与存储在24C04存储器中的密码进行比较，若比较通过，驱动继电器动作,数码管上显示“--GOOD”。

若不正确，数码管上显示：

“1ERROR”若在三次之内输入密码正确，比较通过，警报不会响起。

若三次之后，输入密码仍然错误。

警报响起，键盘锁定，短时间内不可对密码锁进行操作。

第二章总体方案的选择

本设计有多种方案选择，如：

可以采用数字电路控制：

用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码控制系统的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警20秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。

采用数字电路设计方案时设计虽然简单，但控制的准确性和灵活性差。

故不采用。

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、保密性，除了以上的一些还有一些最基本的,比如：

中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、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。

另外，我们对单片比较熟悉也很重要。

基于以上因素本设计选用单片机AT89C51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，实现基本的密码控制功能。

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LED数码管用于显示作用。

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，先按下键盘修改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。

可以看出此方案的控制灵活，准确性好，且保密性强还具有扩展功能，因此此次设计采用此方案。

第三章硬件系统设计

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LED晶体数码管，密码存储部分选用AT24C02芯片来完成。

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），芯片内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密码存储电路原理图

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复位和晶振电路

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2-8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R15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<

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。

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及片内与非门（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，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在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20pF。

图3-6复位电路原理图图3-7晶振电路原理图

3.7显示电路

本设计的显示部分采用LED晶体数码管来完成。

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，LED子显示“GOOD”，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“1ERROR”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能被打开。

通过LED显示屏，可以清楚的判断出密码锁所处的状态。

其显示电路如图3-8所示：

图3-8显示电路原理图

3.8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

3.9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，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。

其实际电路如图3-11所示。

电路由驱动和开锁两级组成。

由D1、R12、Q1组成驱动电路，其中Q1可以选择普通的小功率三极管如8050、9018都可以满足要求。

D1是开锁指示灯；由D2、C5组成开锁。

其中D2、C5是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。

电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且有一定的余量。

在设计中，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。

图3-11开锁电路原理图

第四章软件程序设计

本系统软件设计由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。

4.1主程序流程图

如图4-1为主程序流程图，开始接上电源，程序进行初始化设置，然后在键盘上输入密码，此系统进行键盘扫描，密码正确，开锁成功，密码错误3次出错报警，选择是否修改密码，若要修改密码，先输入旧密码，密码正确后设置新密码，错误时报警，需要两次确认新密码，确认后，密码修改成功，否则结束最终返回。

然后启动程序，进行保护，再次在键盘上输入密码，系统进行扫描，如果和之前一样，则执行相同程序，如不是，则执行另一种程序。

图4-1主程序流程图

4.2按键软件设计

如图4-2按键功能流程图，在按键当中，有与输入、开锁、清除、设置、确认的程序相对应的按键，并按顺序与输入的数相比较，当输入正确时，进入密码程序，错误时进行清除，输入两次新密码正确时，可进行重新设置密码，最后确认程序。

图4-2按键功能流程图

4.3密码设置软件设计

如图4-3为密码设置流程图，开始按下设置键，输入旧密码，如果错误累计三次，进行报警程序。

如果输入正确，可以修改密码，确认后再次输入新密码，如果两次输入一样，则输入成功。

如果两次输入的新密码不一样，则修改密码失败，重新返回设置新密码。

图4-3密码设置流程图

4.4开锁软件设计

如图4-4开锁流程图，开始时按开锁键，输入密码，如果输入正确，则开锁成功。

如果输入错误累计达到三次，则执行报警程序。

图4-4开锁流程图

第五章调试与实现

5.1硬件调试

单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的．许多硬件故障只有通过软、硬件联调才能发现,但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。

常见的硬件故障：

（1）逻辑错误

硬件的逻辑错误是由于设计错误和焊接过程中的工艺错误而造成的,包括错线、开路、短路等,其中最常见的是短路故障。

（2）元器件错误

元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求,电解电容、二极管的极性接反或集成块装反等。

（3）可靠性差

应用系统可靠性差的原因很多,如内部和外部的干扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。

另外,走线和布置的不合理也会造成系统可靠性差。

（4）电源故障

电源故障包括：

电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。

硬件调试办法

脱机调试是在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对线路是否正确,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,特别焊接时有无走线之间相互短路等。

5.2软件调试

程序在KEILC51上调试，采用模块程序设计技术,则逐个模块调好后再进行系统程序总调。

对于模块结构程序．要一个个子程序分别调试。

调试时,一定要符合入口条件和出口条件,调试可用单步运行和断点运行方式,通过检查用者系统的CPU现场情况、RAM的内容和I／O口的状态,检测程序执行结果是否符合设计要求,有无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误,同时,还可以发现系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误。

各程序模块通过后,则可以把相关功能块连在一起进行总调。

这个阶段若有故障,可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场,缓冲单元、工作寄存器是否发生冲突,标志位的建立和清除是否有误,堆栈区是否有溢出,输入设备的状态是否正常等等,若用者系统是在开发机的监控程序下运行时,还要考虑用者缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。

单步和断点调试后,还应进行连续调试,用以确定定时精度、CPU的实时响应等问题。

当全部调试和修改完成后,将程序固化到AT89S51中。

进行整机调试。

各功能实现则调试完成。

5.3Proteus仿真

在硬件和软件都能实现的条件下，利用Proteus进行仿真，通过不停的调试与改正，最后终于实现了密码锁的功能，Proteus仿真结果如图4-1所示

当连好各个模块电路的导线后，导入芯片程序，运行该密码锁仿真电路，通过按键可以进行密码锁的开锁，修改密码，错误密码3次以上报警的操作，LED显示屏显示相应的操作现象，密码正确可以开锁，进而可以修改密码，密码错误三次以上由喇叭发出报警声，如果系统出现错误还可以通过复位电路进行复位。

总之，在原有的理论基础上，通过Proteus能够成功的进行密码锁基本操作的仿真，实现了相关的功能。

结论与展望

以上为毕业期间所作的毕业论文---基于单片机的电子密码锁设计，它经过多次修改和整理，可以满足设计的基本要求。

输入密码时，如三次输入错误，则进行报警，在输入时，LCD显示为“*”，在修改密码时，则显示数字。

次设计还具有防盗功能，如对密码控制系统进行破坏，有报警功能。

通过对该课题的研究，加深对所学知识的理解，提高对课外知识的学习能力，增强知识的应用能力，提高解决实际问题的能力，培养自我创新意识。

积累实践经验，为以后的发展打下基础，也为以后我们自己在这方面的发展打下基础，并能够在这方面培养自己的兴趣。

在设计中我们必须首先熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。

以单片机核心的电路设计的基本方法和技术了解表关电路参数的计算方法。

单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控