基于51單片機(jī)的密碼鎖設(shè)計

第一章 緒論

1.1 課題背景和意義

隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)性能不斷完善，性能價格比顯著提高，技術(shù)日趨完善。由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運算速度快等特點，因而在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計利用單片機(jī)及附加電子元器件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制算法，來完成某一實際功能。

隨著人們生活水平的提高和安全意識的加強(qiáng)，對安全的要求也就越來越高。鎖自古以來就是把守護(hù)門的鐵將軍，人們對它要求甚高，既要安全可靠的防盜，又要使用方便，這也是制鎖者長期以來研制的主題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各類電子產(chǎn)品應(yīng)運而生，電子密碼鎖就是其中之一。電子鎖是通過鍵盤輸入一組密碼完成開鎖過程。研究這種鎖的初衷，就是為提高鎖的安全性。由于電子鎖的密鑰量（密碼量）極大，可以與機(jī)械鎖配合使用，并且可以避免因鑰匙被仿制而留下安全隱患。電子鎖只需記住一組密碼，無需攜帶金屬鑰匙，免除了人們攜帶金屬鑰匙的煩惱，而被越來越多的人所欣賞。電子鎖的種類繁多，例如數(shù)碼鎖，指紋鎖，磁卡鎖，IC卡鎖，生物鎖等。但較實用的還是按鍵式電子密碼鎖。

20世紀(jì)80年代后，隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn)，電子鎖的體積縮小，可靠性提高，成本較高，是適合使用在安全性要求較高的場合，且需要有電源提供能量，使用還局限在一定范圍，難以普及，所以對它的研究一直沒有明顯進(jìn)展。

目前，在西方發(fā)達(dá)國家，電子密碼鎖技術(shù)相對先進(jìn)，種類齊全，電子密碼鎖已被廣泛應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)中，通過多種更加安全，更加可靠的技術(shù)實現(xiàn)大門的管理。國內(nèi)的不少企業(yè)也引進(jìn)了世界上先進(jìn)的技術(shù)，發(fā)展前景非常可觀。希望通過不斷的努力，使電子密碼鎖在我國也能得到廣泛應(yīng)用。

1.2 電子密碼鎖發(fā)展趨勢

電子密碼鎖應(yīng)用于金融業(yè)，其根本的作用是“授權(quán)”，即被“授權(quán)”的人才可以存取錢、物。廣義上講，金融業(yè)的“授權(quán)”主要包括以下三種層次的內(nèi)容：1、授予保管權(quán)，如使用保管箱、保險箱和保險柜；2、授予出入權(quán)，如出入金庫、運鈔車和保管室；3、授予流通權(quán)，如自動存取款。目前，金融行業(yè)電子密碼鎖的應(yīng)用主要集中在前兩個層面上。下面將介紹幾種在金融行業(yè)中使用較多的電子密碼鎖以及它們的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)然，以上所說的授權(quán)技術(shù)再高超，都必須由精良的“鎖具”擔(dān)當(dāng)承載結(jié)構(gòu)部件，實現(xiàn)開啟、閉鎖的功能，而且承擔(dān)實體防護(hù)作用，抵抗住或盡量延遲破壞行為，讓電子密碼鎖“軟、硬不吃”。一般情況下，鎖具防盜的關(guān)鍵是鎖身外殼、閉鎖的部件的強(qiáng)度、鎖止型式、配合間隙和布局。提高電子密碼鎖之防護(hù)能力的必然途徑是報警，在金融業(yè)的許多場所有人值守、有電視監(jiān)控，具有報警功能，可以綜合物理防范和人力防范兩種作用。報警的前提是具備探測功能，根據(jù)電子密碼鎖的使用場所和防護(hù)要求，可選擇多種多樣的探測手段。在中國的城市金融業(yè)中，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)報警已經(jīng)成為對各金融網(wǎng)點的基本要求。根據(jù)國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗，金融業(yè)實行安全防范風(fēng)險等級很有必要，即依據(jù)使用的防盜報警器材的性能、安裝布局和人員值守狀況等，可以評估被防護(hù)物或區(qū)域的防護(hù)能力，得出風(fēng)險等級，其中，電子密碼鎖的性能至關(guān)重要。

由于數(shù)字、字符、圖形圖像、人體生物特征和時間等要素均可成為鑰匙的電子信息，組合使用這些信息能夠使電子密碼鎖獲得高度的保密性，如防范森嚴(yán)的金庫，需要使用復(fù)合信息密碼的電子密碼鎖，這樣對盜賊而言是“道高一尺、魔高一丈”。組合使用信息也能夠使電子密碼鎖獲得無窮擴(kuò)展的可能，使產(chǎn)品多樣化，對用戶而言是“千挑百選、自得其所”。

圖1.1 總體框圖

?工作過程

（1）按鍵設(shè)置6位密碼，輸入密碼，通過單片機(jī)判斷，若密碼正確，通過則鎖打開，顯示open！

（2）首次使用時輸入：131420，對密碼進(jìn)行初始化，當(dāng)顯示：initpassword,證明密碼初始化完成，此時的密碼為：000000。

第二章 設(shè)計思想

（1）本設(shè)計為了防止密碼被竊取要求在輸入密碼時在LCD屏幕上顯示*號。

（2）設(shè)計開鎖密碼位六位密碼的電子密碼鎖。

（3）能夠LCD顯示在密碼正確時顯示open！，密碼錯誤時顯示ERROR，輸入密碼時顯示initpassword。

（4）實現(xiàn)輸入密碼錯誤超過限定的三次電子密碼鎖定。

（5）4×4的矩陣鍵盤其中包括0-9的數(shù)字鍵和A-D的功能鍵

（6）本產(chǎn)品具備報警功能，當(dāng)輸入密碼錯誤時蜂鳴器響并且LED燈亮。

（7）密碼可以由用戶自己修改設(shè)定（只支持6位密碼），修改密碼之前必須再次輸入密碼，在輸入新密碼時候需要二次確認(rèn)，以防止誤操作

第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1硬件支持

3.1.1 STC89C52RC 單片機(jī)介紹

STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置8KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。

圖3-1 STC89C52單片機(jī)引腳圖

主要特性如下：

（1） 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)，6 時鐘/機(jī)器周期和 12 時鐘/機(jī)器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.

（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V 單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V 單片機(jī)）

（3） 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～80MHz，實際工 作頻率可達(dá) 48MHz

（4） 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)

（5） 片上集成 512 字節(jié) RAM

（6） 通用 I/O 口 （32 個） 復(fù)位后為： ， P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。

（7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程） ，無需專用編程器，無 需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片

（8）具有 EEPROM 功能

（9）具有看門狗功能

（10）共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器。即定時器 T0、T1、T2

（11）外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒

（12）通用異步串行口（UART） ，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART

（13） 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級）

（14） PDIP 封裝

3.1.2液晶顯示LCD1602的介紹

（1）LM1602字符型模塊的性能

重量輕：<100g；

體積?。?lt;11mm 厚；

功耗低：10—15mW；

顯示內(nèi)容：192 種字符（5×7 點字型）；

32 種字符（5×10 點字型）；

可自編8（5×7）或許（5×10）種字符；

指令功能強(qiáng)：可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求；

接口簡單方便：可與8 位微處理器或微控制器相聯(lián)；

工作溫度寬：0—50oC

可靠性高：壽命為50,000 小時（25oC）

圖3-2 液晶原理圖

3.1.3自鎖開關(guān)說明

自鎖開關(guān)電路中起到電源的開關(guān)作用，常開的其中一腳接DC電源插口電源腳，常開的另一腳接電路的VCC

圖3-3自鎖開關(guān)原理圖 圖3-4 自鎖開關(guān)硬件圖

3.1.4上拉電阻介紹

其實排阻就是由8個電阻組成的，其中一端全部接在一起，103為8個10K電阻，

102為8個1K電阻，他們在電路中起到“上拉”的作用，又稱上拉電阻。

上拉就是將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平,電阻同時起限流作用,下拉同理.

上拉是對器件注入電流，下拉是輸出電流,弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同，沒有什么嚴(yán)格區(qū)分,對于非集電極（或漏極）開路輸出型電路（如普通門電路）提升電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。

上拉，就是把電位拉高，比如拉到VCC

下拉，就是把電壓拉低，拉到GND

一般就是剛上電的時候，端口電壓不穩(wěn)定，為了讓他穩(wěn)定為高或低，就會用到上拉或下拉電阻。

有些芯片內(nèi)部集成了上拉電阻（如單片機(jī)的P1、2、3口），所以外部就不用上拉電阻了。但是有一些開漏的（如單片機(jī)的P0口），外部必須加上拉電阻。

圖3-5 排組上拉電阻原理圖

3.1.5三極管介紹

常見的三極管為9012、s8550、9013、s8050.單片機(jī)應(yīng)用電路中三極管主要的作用就是開關(guān)作用。

其中9012與8550為pnp型三極管，可以通用。

其中9013與8050為npn型三極管，可以通用。

區(qū)別引腳：三極管向著自己，引腳從左到右分別為ebc，原理圖中有箭頭的一端為e，與電阻相連的為b，另一個為c。箭頭向里指為PNP(9012或8550)，箭頭向外指為NPN（9013或8050）。

三極管的工作原理

三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

（1）電流放大

下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。

（2）偏置電路

三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當(dāng)一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小 信號就會導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減?。划?dāng)輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

（3）開關(guān)作用

下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大 時，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為 一個開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)基極電流很 大，以至于三極管飽和時，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。

（4）工作狀態(tài)

如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當(dāng)基極電流為0時，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數(shù) β），三極管就飽和，相當(dāng)于開關(guān)閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。

圖3-6 三極管引腳介紹 圖3-7 PNP型原理圖 圖3-8 NPN型原理圖

3.1.6繼電器介紹

電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有兩股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。

繼電器的線圈和接線端子是分立的，互補(bǔ)影響的~~~~繼電器的觸點只相當(dāng)于開關(guān)

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