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1、密级： 公开 科学技术学院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OFNANCHANG UNIVERSITY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2008 2012年）题 目 电子密码锁的设计 学 科 部： 信息学科部 专 业： 电子信息工程 班 级： 08电子4班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 2011.11.212012.5.21 南昌大学 科学技术学院学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果
2、作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ，在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：电子密码锁的设计专业: 电子信息工程 学号：70543267
3、890 姓名：唐启 指导老师：胡斐摘要：自从人类开始制造锁以来长期所使用的锁都是机械锁，通俗的讲就是弹子芯锁。而传统的弹子芯锁，由于其本身锁芯密齿的有限加之开锁工具钥匙的容易复制性，使得其安全性大大降低，随着人们生活质量的提高，如何实现安全有效的防盗这一问题受到越来越多人的关注。传统的机械锁由于安全性能太差，被撬的事件屡见不鲜，相比之下，电子密码锁因其保密性强，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的欢迎。本文主要设计了一种以单片机89C52为核心的电子密码锁，详细的介绍了该电子密码锁完整的设计过程以及外围的开锁电路和报警电路的设计。电子密码锁主要由三部分组成：键盘接口电路、电子密码锁的控制
4、电路、LCD显示电路。关键词：电子密码锁；89C52；键盘接口；LCD显示；The design of electronic code lockAbstract：Since human beings began manufacturing lock has long been used by the lock is a mechanical lock, popular is cylinder lock. While the traditional spring lock, because of its dense teeth lock core and the lock tool limite
5、d keys easy to copy, the security is greatly reduced, as people improve the quality of life, how to achieve safe and effective anti-theft this problem attracts more and more attention. The traditional mechanical lock for safety performance is poor, the event being pried it is often seen., by contras
6、t, electronic password lock because of its strong confidentiality, the use of flexibility good, high safety factor, the majority of users are welcome. This paper designs a microcontroller as the core 89C52 electronic cipher lock, a detailed introduction of the electronic password lock complete desig
7、n process and a peripheral circuit and unlock alarm circuit design. Electronic cipher lock is mainly composed of three parts: a keyboard interface circuit, electronic password lock control circuit, an LCD display circuit. Key words：electronic code lock；89C52；keyboard interface；LCD display目 录摘要IAbstr
8、actII第一章 绪论11.1 选题的依据和意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.3 本课题的研究内容2第二章 电子密码锁的系统分析和设计32.1 设计要求32.2 整体方案设计32.3 器件的选择32.3.1 单片机的选择32.3.2 显示方案的选择42.3.3 电源提供方案42.4 电路设计最终方案确定4第三章 系统的硬件设计与实现53.1 电子密码锁的系统设计53.2 电源输入部分53.3 键盘输入部分53.4 最小系统设计63.5 报警电路73.6 显示部分73.7 电子密码锁总原理图8第四章 软件设计94.1 主程序设计94.2 子程序设计9第五章 系统调试与仿真125.1 系
9、统仿真125.2 软件调试135.3 硬件调试13结束语14参考文献15致 谢16附录一：电路原理图17附录二：电路仿真图17附录三：硬件PCB图18附录四：实物图18第一章 绪论1.1 选题的依据和意义单片机，亦称单片机微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口I/O等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟大，微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？纵观我们生活在各个领域，我们的生活中都离不开单片机。以前没有单片机时这些东西做，但是只能
10、使用复杂模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本不高并且由于长期使用，元器件会不断老化，控制的精度自然达不到标准。单片机产生后，我们就将这些变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这些产品体积小，成本低，长期使用不会担心精度达不到了，而且容易升级改善。1电子密码锁可以在日常生活和现代办公来完成，住宅与办公室的安全防范，单位的文件档案财务报表以及一些个人资料的保存等多种场合使用。大大提高了主人物资的安全性。目前使用的密码锁种类多，各具特色。21.2 国内外研究现状及发展趋势在日常生活和工作中，住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财
11、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。它的出现为人们的生活带来了很大的方便，有很广阔的市场前景。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
12、，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
13、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，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。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 本课题的研究内容通过单片机AT89C52芯片为主控电路，由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。此次设计的电子密码锁能够实现自行修改和设定密码，密码按错报警功能。第二章 电子密码锁的系统分析和设计2.1 设计要求基于AT89C52单片机电子密码锁采用12MHZ，设计功能如下：
14、（1）电子密码锁要求总共可以设置8位密码，每位密码值范围为18；（2）用户可以自行设定和修改密码，按每个密码键时都有声音提示；（3）若键入的8位开锁密码不完全正确，则报警5S，以提醒他人注意，开锁密码连续错3次要报警1分钟，报警期间输入密码无效，以防窃贼多次试探密码；（4）键入的8位开锁密码完全正确才能开锁，开锁时要有1S的提示音；（5）电磁锁的电磁线圈每次通电5S，然后恢复初态；密码键盘上只允许有8个密码按键，锁内有备用电池，只有内部上电复位时才能设置或修改密码，因此，仅在门外按键是不能修改或设置密码的，密码设定完毕后要有2S的提示音。2.2 整体方案设计本电子密码锁的设计具体有三种方法方案
15、一：利用数字逻辑电路，运用各种门电路，计数器，触发器，锁存器，编码器，译码器等数字逻辑作实现电子控制。从而实现想要设计的电子密码锁功能。此方法设计简单，但硬件电路比较多，操作起来比较复杂。方案二：利用 FPGA 设计电子密码锁采用EDA技术，利用Quartus II工作平台和硬件言，设计了一种电子密码锁，并通过一片FPGA芯片实现。其成本较高，编程较复杂。 方案三：通过单片机AT89C52芯片为主控电路，由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组成。本次设计就是通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。首先使用protel 软件进行绘制硬件电路图，用keil软件进行编程与调试，最终生
16、成hex文件，传入单片机内部，从而实现仿真效果。32.3 器件的选择 2.3.1 单片机的选择 方案一：采用MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机是8位单片机，高性能CMOS8位微处理器，是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。它具有4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)， 128*8位内部RAM两个16位定时器/计数器，低功耗的闲置和掉电模式且支持在线仿真。T89C51适合程序小，储存器容量小使用。4方案二：采用陵阳61单片机（SPCE061A）作为系统的控制器。该单片机有32位通用可编程输入/输出端口，2个10位DAC(数-模转换
17、)输出通道，7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器。具有RAM、ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压等特点，其中声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；可编程音频处理, 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据。52.3.2 显示方案的选择 方案一：采用LCD液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、显示稳定美观。LCD是以点阵模式显示的，在中文显示上很方便，但在各种符号的显示上因为需要利用控制芯片创建字符库，工作量大，占用资源较多。其成本也较高
18、。 方案二：采用传统的数码管显示。数码管具有低压低耗能、寿命长、对外界环境要求低等特点，而且其精度比较高。采用BCD编码方式显示数字，程序编译简单，资源占用少。6显示的电路驱动芯片采用MAX7219。MAX7219芯片是用于动态扫描显示驱动的芯片。该芯片的特点是利用一块芯片就能完成8位字数据和8位线数据的驱动，使得电路紧凑。多芯片级联时，采用串行输入输出，可节省CPU的数据接口和接口芯片。该芯片功能强大，编程简单。权衡利弊，第一种方案可以很好地实现本系统的要求，我决定采用方案二实现本系统的显示功能。2.3.3 电源提供方案 为使模块稳定工作，需要有可靠的电源。我考虑了两种电源方案。方案一：各模
19、块采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟的电路可供选用；缺点是各模块都采用独立电源，会使系统复杂，且可能影响电路电平。方案二：采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要，节约成本；缺点是输出功率不高。综上所述，我选择第二种方案。2.4 电路设计最终方案确定综合上述我最终决定采用单片机AT89C52作为主控电路，LCD1602作为显示部分，采用独立式键盘，蜂鸣器以及电源.这五个部分基本能实现密码的错误报警提示，开锁，修改密码。第三章 系统的硬件设计与实现3.1 电子密码锁的系统设计基于AT89C52单片机电子密码锁由电源电路、单片机主控电路、按键控制电路和蜂鸣器等组
20、成，如图3-1所示。本次设计就是通过单片机为主控电路，通过电路仿真而实现。其中独立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独立键盘的输入密码，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检查是否开锁或者报警.7图3-1 电子密码锁设计框图3.2 电源输入部分密码锁主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图3-2所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。8图3
21、-2 电源输入电路原理图3.3 键盘输入部分常见的键盘可以分为独立按键式键盘和行列扫描键盘。独立键盘式键盘应用在需要少量的按键的情况，按键和单片机的I/O口线直接连接。而行列扫描式键盘用在按键需求较多的情况下。考虑到本设计需求按键较少，操作简单，所以采用独立按键式键盘，如图3-3所示。图3-3 键盘输入3.4 最小系统设计1. 复位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PC0000H，使单片机从第个单元取指令。如图3-4所示，复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RS
22、T引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。9图3-4 复位电路图2. 晶振电路AT89S52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C3、C2按图3-5所示方式连接。晶振、电容C3C2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C3、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容C3、C2取值范围在530pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ做为系统的外部晶振。电容取值为20pF。10图3-5 晶振电路图3.5 报警电路报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成，如图3-
23、6所示。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导通轰鸣器发出噪鸣声报警。11图3-6 报警电路图3.6 显示部分为了提高密码锁的密码显示效果能力。本设计的显示部分由液晶显示器LCD1602取代普通的数码管来完成，如图3-7所示，RS为寄存器选择，RW为读写信号，E为使能端，D0D7为8位双向数据线。12图3-7 显示电路图 3.7 电子密码锁总原理图由电源输入部分、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，根据实际情况键盘输入部分选择独立式键盘，显示
24、部分选择字符型液晶显示LCD1602，密码存储部分选用AT89C52芯片来完成。其原理图如图3-8所示： 图3-8 电子密码锁总原理图第四章 软件设计本系统软件设计由主程序、LCD显示程序、开锁流程、密码设置程序。4.1 主程序设计 如图4-1所示为主程序流程图，开始接上电源，程序进行初始化设置，然后在键盘输入密码，此后系统进行键盘扫描，然后启动程序，进行保护，再次在键盘输入密码，系统进行扫描，如何之前一样，则执行程序，如不是，则执行另一段程序，最后结束。图4-1 主程序流程图4.2 子程序设计1. 密码设置流程图 如图4-2按设置键输入原始密码，确认程序。如果输入密码错误，则报警5秒，而且输
25、入增加次数一次。当输入次数达到3次，将其启动报警，时间为1分钟。当密码输入正确，则有1秒钟的提示，确认程序，按设置修改密码键，可进行修改密码，确认程序，此时密码修改成功。13图4-2 密码设置流程图2. 开锁流程图 如图4-3所示启动程序，输入密码，确认程序。如果密码错误时，将启动报警功能，时间为5秒，并且输入次数增加一次，当输入错误达到3次，将启动报警，时间为1分钟。当密码输入正确时，开锁成功，并且有1秒钟的时间提示。图4-3 开锁流程图第五章 系统调试与仿真5.1 系统仿真 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，最后终于实现了电子密码锁的功能，Pr
26、oteus仿真结果如图5-1所示图5-1 系统仿真图仿真步骤：（1）：建立、保存设计文件并设置图纸的大小 单击菜单中的“FILE-NEW DESIGN”,会弹出新建设对话框，选择默认模板就可以建立一个新的空白文件。这里默认的图纸大小的是A4。（2）：选取并放置元器件和电源、地终端（3）：设计元器件的属性（4）：连接电路（5）：在keil软件中编写程序，并生成HEX文件（6）：将keil和proteus进行联调 进人KEIL开发环境打开一个工程文件，在选中“target1的情况下选择project-options for target target1 选择”output选项卡在“create H
27、EX file 前的方框里打钩 ,保存即可。（7）：加载目标代码文件 在ISIS编辑区中双击AT89C52单片机，把HEX文件放入Program File这一栏中，在单击“OK”就完成了目标代码的加载。（8）：仿真与调试 单击仿真按钮中的按键启动仿真这时可以操作密码锁，以观察是否达到要求5.2 软件调试 打开程序调试软件Keil uVision2,在里面新建一个工程，命名为：电子密码锁.Uv2.接着新建文件，编写相应程序。编写好的各个程序进行编译与连接。但若是在该过程中，看见我们编好的程序有错误，那么就根据他相应的提示来修改错误，直到该程序能够正确编译为止。14 能够正常编译的程序说明没有什么
28、问题了，此时我们在点击相关栏目，让它生成我们在硬件仿真时所需要的.HEX文件。到此步，我们的软件调试就完成了。软件调试遇到的主要问题：（1）.烧入程序后发现LCD不显示，检测电路是否出现问题。后发现LCD所接的电源虽然看起来是连接好的，实际上并没有接触到。（2）.烧入好程序LCD能够正常显示，但是在修改密码时总是不能够有足够时间去修改密码，通过增加修改密码的时间。这样能有充分时间去修改密码。5.3 硬件调试该电子密码锁得电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成大的不便，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有封皮的导线，使电路造成短路现象，
29、另外，买来的元器件要先进行检测，如果有坏的器件要进行更换，还有就是要注意元器件的正确放置与安装以及布线的合理，便于成品电路的检测与维护。硬件调试主要遇到的问题：（1）LCD 不显示，首先检测电路是否虚焊或者是否存在短路，后用万用表测出存在短路现象。经修改，LCD正常运行。（2）LCD能亮但是不能达到所需的目标。确认不是硬件的问题，后检查程序的问题，经过修改运行正常。结束语经过长达几个月的准备，一个礼拜的制作，我终于完成了这次创新实践项目及项目报告。感谢在本次论文设计中给予我帮助的老师和同学。在本次论文设计中，我学习到了很多知识，重新对51系列单片机进行了系统学习，更加详细的了解了51系列单片机
30、的功能，也重新加深了对七段显示管，键盘矩阵等的功能了解及设计技巧。通过本次论文设计，也重新巩固了自己对ISIS、Altium Designer 6、 Protel 99 SE等相关电子设计软件的掌握。当然，在本次设计中，遇到许多困难，充分表明我在以往的学习过程中在这方面知识的欠缺和经验不足。15 转眼大学生活已经过去了三年，现在我们也将步入社会开始自己新的生活。通过这段时间做设计，我深深的感到自己在学校所学到的书本上的知识，还远不能满足自己以后的需要。虽然自己将要告别学生生活，但自己在以后的工作中还要更加努力的学习，做到“学习永无止境”。我相信四年的大学学习、生活，将成为我人生中的一笔宝贵的财
31、富。本次毕业设计的电子密码锁是最基本的设计，具有简单实用性，首先采用了AT89C52单片机作为主控制芯片，以达到使设计整体简洁明了的目的。设计中实用的按键连接电路、显示连接电路、复位电路、起振电路都是51单片机设计中最常采用的设计电路。参考文献1 石文轩,宋薇.基于单片机MCS一51的智能密码锁设计M.武汉工程职业技术学院学报,2004,(01);2 祖龙起,刘仁杰.一种新型可编程密码锁J.大连轻工业学院学报,2002,(01);3 叶启明.单片机制作的新型安全密码锁J.家庭电子,2005,(10);4 郭海英.基于单片机的电子安全密码锁的设计M.现代电子技术,2005,(13);5 李明喜.
32、新型电子密码锁的设计J.机电产品开发与创新,2004,(03);6 董继成.一种新型安全的单片机密码锁J.电子技术,2004,(03);7 祖龙起,刘仁杰,孙乃凌.一种新颖的电子密码锁J.电子世界,2001,(10);8 李明喜.新型电子密码锁的设计J.机电产品开发与创新,2004,(03);9 杨茂涛.一种电子密码锁的实现J.福建电脑,2004,(08);10 瞿贵荣.实用电子密码锁J.家庭电子,2000,(07);11 ATmega.ATmega8L-8AC,2006,(01);12 Wireless World，1998，vol、84，No、1509，p69;13 王千.实用电子电路大全
33、M，电子工业出版社，2001，p101;14 何立民.单片机应用技术选编M，北京：北京航空大学出版社，1998;15 李华.MCS-51系列单片机使用接口技术M，北京航空航天大学出版社，1993;16 彭为.单片机典型系统设计实例精讲M，北京：电子工业出版社，2006;17 潘永雄.新编单片机原理与应用M，西安：西安电子科技大学出版社，2003;18 童诗白,华成英，模拟电子技术基础M，北京：高等教育出版社，2000;19 阎石主.数字电子技术基础M，北京：高等教育出版社，1998;20 樊昌信,曹丽娜.通信原理M，北京：国防工业出版社，2007;21 李瀚荪.电路分析基础M，北京：高等教育出
34、版社1991。致 谢四年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。我的心中，除了不舍，还是不舍,我想，有许多人是我要用一辈子去铭记的。在这份大学的最后一页里，我要感谢的人很多，首先要感谢我的学校，感谢在这四年中教给我的做人道理，让我从一个懵懂得高中生变成一个成熟的青年。还要感谢我的论文指导老师胡斐老师，在他的指导下我完成了论文，胡老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。胡老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。我从心里感谢他。还要感谢的是我们各课任课老师，他们从大一把我们迎进来，到现在把我们送走，在四年来一直照顾我们的学习和生活，所以在这里也一定要特别感谢他们。当然，还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这四年的生活最后要感谢的就是我的父母、朋友，对于他们我更是有千言万语，还是汇聚成一句话：感谢你们一直都伴随着我。现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我四年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们伴随，才有我大学生活的丰富多彩，绚丽多姿！附录一：电路原理图附录二：电路仿真图附录三：硬件PCB图附录四：实物图
