1、基于51单片机的电子密码锁设计内容摘要近年来，在我国社会经济不断进步和迅猛发展的背景下，人们的生活水平越来越高，更多的人开始享受高质量的生活。就拿我们家家离不开的锁具来说，从我国古代历史上就有了各种锁的记载和使用，发展到今天人们追求的不单单只是用来锁门的一个工具。人们对于锁的追求体现在一种心理的安全感和使用过程中的先进技术体验上。本课题为电子密码锁设计。该设计采用STC89C51控制器来进行关键部分的运作，主要包括主控部分、显示部分、报警部分、电磁锁控制、红外遥控接收以及电源。报警选择蜂鸣器。显示电方案选取LCD1602显示相关信息。用户可以通过键盘或者红外遥控输入密码数据，系统判断密码数据是
2、否正确，来完成电子密码锁的开和关，键盘具有更改密码的作用。采用C语言进行软件设计，其开发上手容易，通过单片机的专用Keil设计工具来实现程序文件的执行，系统软件设计完成后，利用Proteus来完成对系统的验证，成功功能验证。并改善设计，完成系统设计要求。关键词: STC89C51 密码锁 红外遥控 第一章 绪论1.1研究的目的与意义近年来，在我国社会经济不断进步和迅猛发展的背景下，人们的生活水平越来越高，更多的人开始享受高质量的生活。就拿我们家家离不开的锁具来说，从我国古代历史上就有了各种锁的记载和使用，发展到今天人们追求的不单单只是用来锁门的一个工具。人们对于锁的追求体现在一种心理的安全感和
3、使用过程中的先进技术体验上。所以智能电子锁的发展趋势特别明显，而且在市场上的受众程度也非常高。这种智能锁根据现代人的生活习惯和生活趋势量身设计，可以通过手机，指纹来控制锁的开关，很方便快捷，而且安全系数相对之前的机械锁高很多。智能锁的发明和使用很大程度上减少了我们随身携带钥匙和容易丢钥匙的问题，给我们的生活带来更多的安全和便捷，是现代社会发展中必要的产物。1.2国内外研究现状众所周知，我国是农业大国，近些年，我国的科技发展有了明显的进步，但是电子密码技术还是远远赶不上西方发达国家的步伐。他们科技发展较早，现在的密码锁类型很全面，也是站在技术最前沿，并且在每个领域都能看到其充分运用。但是我国的这
4、项技术发展却很缓慢，跟七十年代的全球水平差不多。但是到了1980年之后，这项技术开始迅速发展，主要是因为各类电子集成电路尤其是单片机的问世，带来了有利的发展。电子锁是原先那种沉重机械锁的更新与升级，较之主要的特点就是体积小、安全性更强。由于现在电子锁的售价相对很高，需要提供电源，这在一定程度上限制了它的使用。特别是在中国，各种条件的限制使得电子密码锁暂难推广。当然电子密码锁也没有那么完美，可是它更高的可靠性，便捷灵敏的操作，还能智能报警这些特点是很大的进步与升级，是原先机械锁做不到的，随着信息时代的到来，科学技术运用越来越广泛，各类电子产品也越来越普及，因此价格也有所下降，电子锁技术也有了更多
5、的提升，功能越发强大，价格有所下降，越来越亲民。1.3课题研究内容本课题研究的内容是无线电子密码锁，项目选取STC89C51单片机为主控制器，来帮助完成无线电子锁的设计，设计采用红外遥控，可以进行远距离密码输入，如果密码正确则控制开锁，将各个功能有机的联系在一起，制定初始系统的全面设计方法以及结构设计的实现。确定各个功能的具体方案，明确所有设计细节、器件选型。按照确定的的器件类型来进行初始系统各部位电路图的设计，将各个功能的电路图连接在一起，绘制出系统整体电路图。按照连接关系设计软件，软件设计通过C语言进行编程，完成各个功能代码开发，进行模块化设计，最终组合在一起，并且按照逻辑流程设计初软件设
6、计流程图。最终对系统进行调试，对代码的逻辑结构进行验证，是否可以实现功能，对设计缺陷进行优化，直到实现系统功能。第二章 系统方案设计2.1系统整体架构设计无线电子密码锁主要包括显示控制、键盘输入、主控制器、报警控制以及存储模块。在简易密码锁系统硬件设计中，选择单片机作为系统的核心控制原件，具体设计内容包含选取的超声波方案、单片机以及传感器的种类及型号，与此同时，我们还要根据各个部位零件设计显示模块；当我们设计系统软件的时候，最核心的内容为系统程序的设计，程序运算结果可由显示模块加以呈现。用户可以通过键盘或者红外遥控输入密码数据，系统判断密码数据是否正确，并进行开关锁的操作，密码如果输入有误，可
7、以通过键盘重新更改输入正确的密码。系统结构框图如图2-1所示。图2-1 系统整体框图2.2主控制器方案方案一：以STC89C51单片机为例。这里我们针对51系列的单片机来研究讨论其功能，总体来讲，性价比还是很高的，它的安全系数很高，价格也不昂贵，功耗低，加密性强，并且对于STC系列的单片机来说，其能够进行在线的工作处理，更加方便。选用单片机STC89C51作为系统核心模块。51系列的单片机不论从性能还是价格等方面都有着很大的优势，运行稳定，性价比高，价格相对便宜，且功耗低，加密性强，此外在系统核心模块的选择上采用STC系列能够有效提高系统的工作效率，能够在工作状态下进行在线运行，让系统工作更加
8、便捷。方案二：以MSP430系列的单片机为例进行研究分析。它的主要优点是片内存储的资源很广泛，运行速度比较快。而主要缺点是运作电压不是常见的+5V的，我们要另外添加+5V的转换电路；过压或者过流时都会击穿I/O口；另外内部没有EEPROM，不能实现数据的存储。设计中的查表算法非常有用。在这样的处理器进行代码设计，可以完成更加规范，完好的程序。此处理器最大的特点就是低功耗模式，此模式下运行能耗非常低，可以再很多有低能耗要求的场合进行使用。此低功耗模式，可以通过编程进行控制，灵活应用，非常方便。缺点：工作电压不是+5V的，需要额外增加+5V转换电路；过压或者过流时都会击穿I/O口；另外内部没有EE
9、PROM，不能实现数据的存储。方案三：选择STM32F103RBT6处理器，并用型号ARM， 32位的M3核的CPU与之匹配，这种处理器运算相当快、采购成本低、功耗低的32位处理器。目前此处理器在大量的电子商品上进行使用，比如电子农业领域、电动汽车领域、共享行业等领域，这些领域都有使用此产品的例子。它的计算速度可以达到72MHz，有这么快的运转速度，是由于内部设备都可以进行高速操作，STM32最大的特点就是输入输出接口数量多。此款处理器还搭配了两个模数转换器，转换精度达到12个数据位，检测精度很高，可以处理18路模拟数据，处理器的模数转换的很多参数都可以进行代码控制、可编程操作，例如模数转换频
10、率，多通道的扫描方式。方案选择：由于设计需要低成本，器件使用效率也要达到最高，方案二还需要进行电源再转换，设计电路复杂，明显成本要高，方案一就可以满足整个系统设计要求，设计费用远小与另外两个方案，所以选择方案一。而方案三的利用率不能更好的提现，所以方案三也排除。2.3显示方案设计方案一：LCD1602。该模块显示的内容多种多样，并且非常简单明了，价格合理，非常适合在本设计当中使用。尽管这款显示器在线路接口上显得有些复杂，接口太多，但这些接口无疑给设计后期对电路的测试与调试等提供了方便。最重要的是液晶的电源和系统电源一致，不用单独设计电源系统。LCD1602。该模块显示的内容多种多样，并且非常简
11、单明了，价格合理，对于本设计而言，非常适用。虽然接口线连接的比较多，后期对整个电路进行测试时，就会非常容易得到测试结果。方案二：选用数码管作为显示器件。当前市场中用于数据的显示的数码管有很多，但在系统工作当中，每一个数值都需要对应一个数码管，一旦需要不止一个数值的显示的时候，相应的就会增加一定数的数码管，这就给整个设计带来了负担。同时数码管在进行动态扫描的时候，因为需要进行位置的移动，此时需要用移位器来进行辅助，只有将扫描的信息存储到移位器的寄存器当中才能够实现最后的显示功能，因此会出现很多LED方面的缺陷。此外，在电路测试当中也很容易会受到一些不必要的因素影响，所以该显示方案并不适合本设计。
12、上述我们讲到LCD1602显示的内容多种多样，而且简单明了，但是 LED数码管显示的内容很少，只有普通的数字和少数字母，由于这次系统测控时需要显示的内容很多，所以最终选择方案一。2.4无线方案设计方案一：这里我们分析的是安信可科技设计的ESP8266 系列模组，它是通过乐鑫ESP8266的低功耗UART-WiFi的基础上研究发现的模块，它的发明操作很简单，可以和云进行连接，移动设备可以和WiFi进行连接，完成智能数据传输，完成系统设计。产品集成度很高，整个设计集成在很小的一块PCB板上，引出了可用接口。模块的能耗非常小，内部的处理器是32位MCU，也可以进行16位操作，无线传输频率是80兆赫兹
13、以及160兆赫兹，模块本身设计有天线，可以与网络进行通信，信息也可以通过云端智能传送，并且可以成立TCP/IP协议。模块能够的控制简单，用过AT指令就能够和单片机进行数据传输，控制WiFi模块。方案二：通过红外遥控进行控制，红外遥控只需要搭配红外接收头既可以进行信号接收，接收端对红外信号进行解释完成对按键的识别，不同的按键发出的红外信号波形不同，所以可以实现不同按键的操作。方案选择：由于方案一设计复杂，电路复杂，成本远高于方案二，所以选择方案二红外遥控控制。第三章 系统电路设计3.1单片机控制模块电路设计STC89C51内部有8K的Flash存储电路，可以存储相关的数据，此单片机应用非常广，开
14、发简单、电路设计容易，能够提高开发进展的速度，减少所用时间。开发成本低，被很多企业所选择。器件内部的运行速度很快，引脚数量大，是很多开发方案的首选。它的输出入数量有32个，分为4组，引脚口0，引脚口1，引脚口2，引脚口3，有多个定时器，定时数据准确，中断设计也很方便，定时器和中断的结合使用，能够实现很多比较复杂的功能要求，也可以嵌套很多中断执行。除了普通使用的输入输出接口，单片机还需要时钟接口、复位接口、电源接口。时钟的接口是18脚、19脚，设计选择的是12兆赫兹的晶圆。复位接口是9脚，通过单片机的9脚输入复位信号，该信号时间是有规定的，应该超过2个小时，并且必须要接高电平来操作。AT89C5
15、2晶圆是12兆赫兹的晶振，所以时钟的周围就是12兆赫兹的12分频得到，所以计算得到周期的时间为1微妙，复位动作输入的9脚接口能够加入备用电源，这样可以保证芯片内部的数据不会因掉电消失。单片机的31脚接口是EA，这个引脚是可以确定处理器代码的存放位置，是内部还是外部，将高电平输入到31脚，这样就表示单片机使用的是内部存储的代码，如果将低电平输入到31脚，这样就表示单片机使用的是外部存储的代码。单片机最小系统电路如图3-1所示。晶振电路在单片机的运转过程中发挥着十分积极重要的作用，此电路是单片机系统必不可少的外围硬件，如果此电路出现异常情况，单片机系统必定会瘫痪，无法运行，导致整个系统出现故障。单
16、片机的所有程序都在烧写的时候写入到只读存储器里，单片机系统在启动的之后必须要进行程序的读取。处理器读取一条代码的用时，这个时长就是处理器的一个机器周期，这个时长对于处理器就是节拍。处理器设计了晶振，这样就产生了时钟，整个系统都需要时钟的存在才可以启动运转。因此，晶振电路是处理器运行的核心外围电路。本设计选择的是12兆赫兹的振源。单片机的内部带有振源，但是由于设计需要，这里选择了外部振源。晶振的作用就是给处理器节拍信号，也就是脉冲，处理器就是按照这个节拍进行工作，所以此节拍就是处理器的工作速度。此方案选择12兆赫兹振源，所以处理器就会进行每秒12兆的速度工作，每个处理器的运行速度都是有限的，不能
17、太高，此处理器的最大速度是420兆赫兹，如果振源选择的太大，单片机无法按照此速度进行工作。振源的两个引脚与单片机的XTAL0、XTAL1相接，这样就可以给处理器输入节拍，此电路的设计必须要防止干扰，特别是在器件布局上要特别注意，如果电路设计不好，单片机获取不到节拍信号，系统运行肯定瘫痪。晶振工作的时候可能有偕波，这种信号不会影响到单片机对节拍信号的获取，但是也会造成稳定性的影响，晶振的设计厂家都给出了设计方案，在振源的输出到单片机的输入之间各接入两个电容，GND连接在其一头，并且电容的大小也有相应的规定，10pf-50pf之内，此设计就可以消除偕波的影响。单片机最小系统电路如图3-1所示。 图
18、3-1 单片机最小系统电路3.2键盘扫描模块电路设计由单片机构成的密码输入控制系统，通常都可以实现智能化的控制，此类仪器当中被使用的频率最高的则是非编码键盘，而这样的键盘又有独立式和行列式两种不同类型的键盘区分，行列式键盘又被人们称之为矩阵式键盘。而独立式键盘则是根据确定单片机引脚电压有可能的改变来进行的操作的。该操作上手容易且可靠，我们在这里的设计就是选取的这种键盘，非常适用于密码输入控制系统。在系统设计中，人机之间的交互需要借助于按键来得以实现，而对于按键的电路设计需要与软件相结合，同时还需根据实际使用中所出现的问题来进行分析，单纯扫描键盘的方式是无法实现的。系统中的单片机键盘在实际使用时
19、是独立的，同时还要对按键的矩阵进行设计，这两个方面有着很大的区别。对键盘电路的设计还有一个比较好的功用，那就是能够有效节约端口的资源，因此在键盘电路设计中人们通常会选择矩阵键盘这样可以更好地对多按键电路进行优化。系统选用矩阵键盘进行数据输入。矩阵键盘的横行和竖行之间没有交接，只是都存在于一个键盘上，选择此行列式矩阵结构方法仅仅有4条行线以及4条列线，这样就能够设计成44个按键的矩阵键盘。电路中行线所在的接口的单片机4个单片机接口使用为输出端，电路中列线所在的接口的单片机4个单片机接口使用为输入端。所有输出接口在无按键按的时候全部是高电平，全部输出接口都为高电平，说明此时没有按键按下。但是有按键
20、按下，肯定会有输入接口为低电平，利用输入接口的状态采集信号，判断信号是否有效。按键K2K4、K6K8、K10K12，分别表示数字1到9，K5为A按键，K9为B按键，K14为*按键，K15为数字0，K16为#按键，K17为D按键。电路如图3-2所示。 图3-2 44矩阵键盘原理图3.3密码存储电路密码存储电路是为了对设置的密码进行存储，此电路在没有电源的情况下数据也不会丢失，所以可以对密码数据进行长期保存。如果系统断电了，数据依然会保存在存储电路中。电路图如图3-3所示。 图3-3 密码存储电路图3.4液晶显示电路本文选用LCD1602液晶显示。本设计中，加湿器在工作中需要对当前系统信息进行显示
21、，所以选择LCD1602，主要原因是因为它的液晶显示器性能强大且价格实惠，而且接口很多，显示内容也很多，由此，可以运用到很多领域。在系统设计当中选用液晶显示器来进行数值的显示有着诸多的优点：从显示的效果上看，液晶显示的稳定性要更高，而且非常清晰，在接收到从单片机传来的信息后，它的显示屏幕就会自动亮起来，并且不会黑屏，而在不需要显示的时候又会对屏显进行刷新，直到接收到其他的显示命令为止。从内容与形式上看，液晶显示器能够对多种数据信号进行显示而不像LED显示器那样只能显示数值，同时在对显示器进行电路设计的时候也比较简单，数据信号的转化更便捷。在液晶显示器的内部，液晶分子的状态会随着显示内容的不同而
22、发生改变，而且价格比较低，质量很轻，有着比较高的安全性。液晶显示器在工作状态下也有着一定的缺点，例如对电能的消耗很大，液晶芯片的驱动需要靠电机来完成，这就使得液晶显示器不但驱动芯片需要电能，同时电机的工作也需要耗费很多电能。如图3-4所示。 图3-4 液晶接口电路图3.5报警电路这个系统的报警模块主要是通过蜂鸣器来进行的声音警报。蜂鸣器的电路仅仅依靠一个三极管放大电流就能驱动，相当容易，不仅如此，控制方面也依靠一个IO口就行了，可见，它的造价很便宜。它们的驱动电路图参照下面的图3-5。 图3-5 蜂鸣器报警电路图3.6锁控制电路设计锁控制硬件设计选取继电器进行实现。它主要作用于锁的开关。之所以
23、采用它是因为单片机的IO电流相对很小，需利用PNP三极管来掌控它进行电路驱动。电路图参照以下图3-6所示。 图3-6 锁控制电路3.7红外遥控接收电路红外遥控操作方式的软件制作作主要是解码的问题。将接收头硬件焊接好，给接收头接好电源，然后使用遥控器，通过示波器对接收头的输出信号波形进行观测。编码总数有32位数，它的数据格式也分为几种，分别是引导码、用户码、数据码及其反码这四种格式。其中数据反码能够验证数据码的准确性，他们编码的顺序刚好是反过来的。一段编码脉冲一般只需108ms。用户码和数据码只有两种数值，即0或者是1。0和1的时序区别是脉冲和脉冲之间的时间间隔不同。如图3-7。 图3-7 红外
24、遥控接收电路图3.8系统电路无线电子密码锁虽然没有传统的机械锁那么笨重，但是它的内部组成却是很丰富的，它的系统电路构成也很复杂的，主要包括显示控制电路、键盘输入电路、主控制器电路、报警控制电路、红外遥控接收电路以及存储模块电路。电子密码锁的硬件电路设计图如图3-8所示。 图3-8 系统电路图第四章 系统软件设计C语言是目前使用较多的一门单片机开发语言，它的语言设计简单易懂。开发语句容易理解，很像英文，有的关键词可以和英文含义对上号。很多复杂的逻辑可以用C语言中简单的语句实现。相比于汇编语言，C语言的优势非常明显，汇编语言非常难以理解，而且C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量相对较小，可读性、调
25、试、修改和移植都是比汇编语言简单的。C语言的出现，让开发者更容易去完成软件设计。开发环境是Keil，专用单片机开发工具。4.1整体流程电子密码锁操作起来其实相当简单，最开始由LCD1602液晶显示需要用户在其上面输入密码，然后在键盘上按下之前设计好的几位数字密码，此时LCD上会显示输入的情况，再按下确认键，此时就存在两种情况，输入正确锁就会打开，反之，输入三遍都是错误，就会智能报警。电子密码锁的密码如何进行设置，具体操作流程是：程序中一般密码设定在40H到45H之间，就像有的初始密码是六位数888888。通常情况下是通过功能键和数字键来进行设定的。开始先输入密码的长度，然后再输入对应位数的密码
26、；按下确认键，这就意味着输入完毕。最后就等待给出的结果，上手容易。 图4-1 软件设计流程图4.2液晶显示单片机将需要显示的数据传送至显示器当中，首先要对其进行初始化才能进行相关数据的传送。由于显示器在工作的时候使用的是移位数据显示，因此在完成初始化的同时单片机会选择显示器的数据传送地址，并不断向其发送数据，进而使得显示器显示出相关信息数据。如图4-2所示。 图4-2 LCD1602显示流程图4.3按键识别键盘一般利用的是行列式的，总共依赖8个IO口来进行掌控操作，其中4个IO口不断的进行数据输出扫描，另外4个IO口进行输入检测。 图4-3 键盘扫描软件设计流程图4.4密码设置子程序项目包含很
27、多外围模块，为了更好的进行代码设计，选取了模块化编程，其中密码设置为整个代码开发的一部分，这样的设计方案不仅仅节省开发时间，而且在后期的调试以及错误处理也是非常高效的，而且可以很快的定位到错误代码处，子程序的数量由项目功能或者项目外设模块划分，其中一个功能是密码设置功能，所以我们设计了密码设置子程序。如下图流程图。 图4-4 密码设置子程序4.5红外遥控解码原理红外遥控运作需要通过软件和硬件两方面互相结合来完成，前者主要是实现解码，后者仅仅连好接收头就行了，前提是要有足够的电源提供电，然后把信号发射到单片机，它会对接受到的信息进行分析处理，这样就可以解码。数据码波形参照下图4-5所示。具体格式
28、如图4-6。编码总数有32位数，它的数据格式也分为几种，分别是引导码、用户码、数据码及其反码这四种格式。其中数据反码能够验证数据码的准确性，他们编码的顺序刚好是反过来的。一段编码脉冲一般只需106ms。他们的数据中的每一个位可以是1，也可以是0。图4-5 某按键按下的红外信号波形图4-6 红外遥控器编码数据格式第五章 系统测试仿真5.1 系统仿真5.1.1仿真界面说明本项目通过Proteus来对系统进行测验，点开用软件绘制的系统电路图，和代码进行联机调试。仿真设计图如图5-1。仿真包括矩阵键盘、液晶显示、掉电存储、键盘电路、密码锁继电器控制。 图5-1 仿真界面5.1.2密码输入仿真如何进行密
29、码输入的仿真测验呢，一般我们会利用行列式键盘数字键敲下654321这样的6位初设密码数字，仿真液晶显示*这样的画面参照下图5-2所示。与此同时，液晶显示输入密码，以*号表示输入的数字密码。 图5-2 密码输入仿真5.1.3开锁控制仿真密码输入仿真验证正确之后，即可通过按键控制密码锁的开与关，点击确认键，表示密码输入完毕，此时就会进行开锁，如何肉眼看出锁已经开呢，就是通过继电器指示灯亮来判断的，这也意味着我们的密码输入没有错，并且继电器吸合。仿真界面如图5-3所示。 图5-3 密码锁控制仿真5.2实物测试5.2.1实物上电测试系统调试完成后，购买器件，准备焊接烙铁、焊接使用的焊锡、方便除锡的吸抢
30、、可以擦干净烙铁头的高温棉等焊接工具。根据电路图来进行各种焊接操作，并且结束后要复试电源是否通电，通过万用表的导通档位检测电源正负是否存在异常，一般出现异常可能是焊接存在非政策的连接，或者有焊接不良的情况，需要自己检查。只有在确定电源正常的情况下，才可以进行通电。实物图如图5-4所示。 图5-4 实物图通电前一定要进行短路测验，杜绝异常的出现，通电过程中要随时注意电源指示灯的变化情况，如果一切正常，这时可以注意下单片机是否有发热迹象，测量各部分电源端是否正常，下一步需要检测单片机最小系统是否正常，可以对单片机的电源端进行测量，判断是否为5V，再进行程序下载，不仅仅可以烧写入程序便于进行功能验证
31、，而且可以验证单片机最小系统的电路，程序收入后，就可以验证系统功能，这时就可以点击电源开关键，液晶显示就会亮起，我们就可以对其进行观看。5.2.2实物密码输入上电测试一般我们输入密码是采用的行列式键盘，输入后，我们会发现液晶显示是*这样子的，代表输入的密码数据。如图5-5所示。 图5-5 密码输入上电测试5.2.3实物开锁上电测试点击确定按键，如果密码正确，则液晶第二行显示Open，表示密码正确，锁也会打开。如图5-6所示。 图5-6 开锁上电测试5.2.4实物密码输入错误上电测试点击确定按键，如果密码错误，这时我们会发现液晶下面一行上出现error的英文字母，它的意思是不正确，说明我们的输入
32、有误，同时蜂鸣器开始报警。参照下图5-7所示。图5-7 密码输入错误上电测试5.2.5 实物密码修改上电测试系统可以对密码进行修改，修改时需要输入两次密码数据。如图5-8所示。 图5-8 密码修改上电测试结论通过对毕业设计开发，对在校期间学习的很多相关知识做了系统的巩固，真正的理论与实践相结合，可以说是对知识课程的再一次学习，有一次深刻的领悟：首先进行的是系统方案选择，方案的确定至关重要，如果前期方案确定出现问题，后期肯定会出现问题，不管是在硬件方面、软件方面。如果出现问题，就需要返回来继续修改方案，方案的选择阶段需要很多经验，这个是需要进行积累的。系统的硬件设计，需要按照方案进行系统各个功能的电路设计。硬件的设计会觉得软件的设计难度，比如接口的定义等，都会决定软件的设计。接口的定义会决定后期实物组装的布局，如果接口定义不理想
