AT89S52数字密码锁毕业论文

摘 要本数字密码锁采用单片机AT89S52为主控芯片，由EEPROM存储密码。硬件部分包括主控制系统、人机交互界面以及输出系统三大部分。主控制系统中主控制芯片使用了AT89S52单片机，该单片机性能优良，能满足一般的普通应用；EEPROM采用AT24C02芯片，掉电后可以存储密码，从而保证了系统的安全性。人机交互通道部分采用了44矩阵键盘输入以及LCD1602标准字符型液晶显示。输出系统部分包括驱动开锁电路和报警电路；其中，在本系统设计中，驱动开锁电路用发光二极管表示，而报警电路则使用蜂鸣器。本系统中使用的 AT24C02 芯片是一个带有 I2C 总线接口的 EEPROM 存储器。I 2C 总线是一种双向二线制总线，它的结构简单，可靠性和抗干扰性能好。I 2C 总线结构很简单，只有两条线，包括一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL） 。具有 I2C 接口的器件可以通过这两根线接到总线上，进行相互之间的信息传递。本数字密码锁的功能为：(1)密码位数为 8 位，可选值为 09，从而保证足够的锁体强度；(2)用户可以自行设定和修改密码；(3)防止密码被盗，输入密码错误次数超过3 次则报警；(4)友好的人机界面；(5)输入正确的密码后，驱动开锁电路。软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全部控制功能。C 语言编译方便，易读性好，且移植性方便，能够满足实现本系统的功能要求。在设计过程中，给出了本系统C 语言编程的原理和流程图。本数字密码锁系统稳定性好，设计人性化，由于使用单片机控制并有记忆模块，功能齐全可靠，并有很好的扩展性，而且成本低廉，具有良好的发展前景。11 前言随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。而锁自古以来就是把守门户的铁将军，人们对它要求甚高，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。目前国内，大部分人使用的还是传统的机械锁。然而，眼下假冒伪劣的机械锁泛滥成灾，互开率非常之高。所谓互开率，是各种锁具的一个技术质量标准，也就是1把钥匙能开几把锁的比率。经国家工商局、国家内贸局、中国消协等部门对锁具市场的调查，发现个别产品的互开率居然超标26倍。为何弹子锁的“互开率”会如此之高？据有关专家人士剖析，弹子锁质量好坏主要取决于弹子数量的多少以及弹子的大小，而弹子的多少和大小受一定条件的限制。此外，即使是一把质量过关的机械锁，通过急开锁，甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。机械锁的这些弊端为一种新型的锁-电子密码锁，提供了发展的空间。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，主要特点如下：(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。 用户可以经常更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人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，防止试探密码。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2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。2 系统的硬件设计2.1 硬件的总体结构和原理 2.1.1 硬件系统的总体结构图硬件系统的总体结构图如图 1 所示。AT89S52驱动电路报警电路振荡电路LCD1602 显示AT24C0244 键盘输入图 1 硬件系统的总体结构图2.1.2 硬件系统组成如图 1 所示，本系统的硬件部分主要由单片机 AT89S52、存储芯片 AT24C02、44矩阵键盘、LCD1602、报警电路和驱动电路组成；其中驱动电路用发光二极管 LED 表示，而报警电路使用蜂鸣器。总的来说，数字密码锁主要由微处理器模块、记忆模块、键盘3模块、声光提示模块和显示模块构成。微处理器模块，也就是 AT89S52 单片机，因为本系统要实现密码检测、密码设定、声光提示等功能，要求微处理器必须能提供很多 I/O 口，而且由于系统体积限制，很难扩展 I/O 口和使用外部程序存储器，所以选用 AT89S52 单片机。记忆模块，AT24C02 芯片作为记忆模块的核心部分，作用是存储用户设置的有效开锁密码。由于一片 AT24C02 拥有 256 字节存储空间，而本设计中只需要存储 8 个字节的数据，所以只需要一片 AT24C02 就已足够了。并且 AT24C02 是一种非易失性存储器，掉电后数据不会掉失，而且该存储器内数据保存寿命可以保证达到 100 年以上，功耗低，十分适合本设计使用。声光提示模块，由发光二极管 LED 和蜂鸣器组成，由单片机控制。发光二极管LED 有绿色和红色两种，绿色 LED 亮表示密码输入正确，驱动开锁电路；相反，红色LED 亮就表示输入密码错误。蜂鸣器采用 5V 驱动蜂鸣器，作为报警电路。当输入密码错误次数超过 3 次后就发出声音警报。显示模块，考虑到友好的人机界面，采用 LCD1602 液晶显示。显示模块的作用主要是显示提示信息和输入的密码，以方便用户使用。键盘模块，键盘模块的作用是让用户输入密码和修改密码。考虑到本系统需要用到大量的按键，键盘模块采用 44 的 16 矩阵键盘模式。2.1.3 系统的可能性分析系统工作原理分析：使用 AT89S51 单片机、44 矩阵键盘、发光二极管 LED、蜂鸣器等。44 矩阵键盘的按键分别为 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、取消、全取消、确定、修改密码、密码初始化还原、返回。系统启动后，开始时 LCD1602 显示时钟界面，切换到密码锁输入界面后，LCD1602 显示“Enter Password”提示输入密码；输入密码时，LCD1602 显示输出为“*” ，以保证密码的安全性。当密码输入完毕按下确定键时，对输入密码与设定的密码进行比较，若密码正确则 LCD1602 显示为“Right！” ，并驱动开锁电路，绿色发光二极管 LED 亮；若密码不正确，LCD1602 显示为“Error！” ，红色发光二极管 LED 亮；若连续 3 次输入不正确，则发出警报声同时锁定键盘。在按下修改密码键时，LCD1602 显示“Enter old Key”提示输入旧密码,此时若输入正确的旧密码，则 LCD1602 显示会有提示输入新密码,在输入新密码后，LCD1602 显示会再次提示“再次输入新密码” 。若两次输入的新密码不一致，则修改密码失败；一致4则成功，并将新密码保存到 AT24C02 芯片中。在修改密码的过程中，如果一开始输入的旧密码错误 LCD1602 会显示错误提示，同时系统返回到开始界面。若在“再次输入新密码”的时候输入新密码与前次不一致，则会返回到系统并要求重新输入新密码。修改密码完成后，系统自动储存到 AT24C02 中，要再次开锁则需要输入正确的新密码。系统中取消键用于退格，在输入密码时，若输入错误且未按下确定键，按下取消键可以删除刚输入的密码，然后再次输入。为了防止恶意尝试，系统采用若连续输入 3 次错误密码则发出报警声，同时锁定键盘。以此提高系统的安全系数，同时也能够保护合法用户的正常使用。若用户忘记了密码，可以按下密码初始化还原键，恢复到最原始的密码。2.2 单片机 AT89S51 简介AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 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 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能: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,AT89S52 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 在掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.2.1 主要性能 与 MCS-51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I/O 口线 三个 16 位定时器/计数器 八个中断源 5全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 2.2.2 引脚功能描述AT89S52 的引脚如图 2 所示，其中各引脚为：图 2 AT89S52 引脚图VCC: 供电电压。GND: 接地 。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6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） 。在 Flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能: P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出。 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） 。 P1.5 MOSI（在系统编程用） 。 P1.6 MISO（在系统编程用） 。 P1.7 SCK（在系统编程用） 。 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拉发送 1。在使用 8 位地址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，P3 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，在 Flash 编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能: P3.0 RXD（串行输入） 。P3.1 TXD（串行输出） 。P3.2 INT0(外部中断 0)。 P3.3 INT0(外部中断 0)。P3.4 T0（定时器 0 外部输入） 。P3.5 T1（定时器 1 外部输入） 。P3.6 WR(外部数据存储器写选通)。 P3.7 RD(外部数据存储器写选通)。 7RST: 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。特殊寄存器 AUXR(地址 8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。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。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作将无效。这一位置“1” ， ALE 仅在执行 MOVX或 MOVC 指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。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 AT89S52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 应该接 VCC。在 Flash 编程期间，EA 也接收 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。2.3 AT24C02 简介AT24C02如图3所示，是一个2K位串行CMOS EEPROM内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I 2C总线接口进行操作；有一个专门的写保护功能。2.3.1 功能描述AT24C02支持I 2C总线数据传送协议,I 2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据发送或接收的模式通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个AT24C02器件连接到总线上。2.3.2 管脚描述AT24C02的管脚如图3所示，其中各管脚为：8SCL 串行时钟AT24C02串行时钟输入管脚,用于产生器件所有数据发送或接收的时钟,这是一个输入管脚。SDA 串行数据/地址AT24C02双向串行数据/地址管脚,用于器件所有数据的发送或接收。SDA是一个开漏输出管脚。A0 A1 A2 器件地址输入端这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址。当这些脚悬空时默认值为0。使用AT24C02时最大可级联8个器件.如果只有一个AT24C02被总线寻址,这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到Vss。 WP 写保护如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护只能读；当WP管脚连接到Vss 或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。图3 AT24C02引脚图2.3.3 I2C总线协议I2C 总线是一种双向二线制总线，它的结构简单，可靠性和抗干扰性能好。目前很多公司都推出了基于 I2C 总线的外围器件，AT24C02 芯片就是一个带有 I2C 总线接口的EEPROM 存储器，I 2C 总线结构很简单，只有两条线，包括一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL） 。具有 I2C 接口的器件可以通过这两根线接到总线上，进行相互之间的信息传递。连接到总线的器件具有不同的地址，CPU 根据不同的地址进行识别，从而实现对硬件系统简单灵活的控制。I2C总线协议定义如下：(1)只有在总线空闲时才允许启动数据传送。9(2