电子密码锁

1西华大学课程设计说明书1、前言1.1设计背景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。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，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).电子密码锁操作简单易行，一学即会。1.2设计目标设计并实现一个电子密码锁，满足以下功能指标：1）密码为8位；2）密码可更改；3）连续3次密码输入错误可报警；4）开锁由继电器完成；5）继电器需驱动电路；6）使用键盘控制。1.3设计方案简介本设计采用以单片机为核心的控制方案。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，除了以上的一些的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。基于以上因素本设计选用单片机80C51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，实现基本的密码锁功能。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AT24C02芯片用于密码的存储，外接LCD1602显示器用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后2西华大学课程设计说明书按键盘的数字键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，先按下键盘设置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。2、总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将对这两种方案的组成框图和实现原理分进行说明。2.1方案比较2.1.1方案一本方案采用数字电路实现，其原理框图如图2-1所示。正确消除报警信号锁定脉冲3电源VCC220V6V图2－1数字电路密码锁原理框图采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。用以74LS112双JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，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40秒（一般情况下，用户不会超密码修改电路键盘输入密码校验电路开锁电路执行电路限时报警报警次数检验锁定5分钟市电供电电路电子切换开关蓄电池断电检测充电电路3西华大学课程设计说明书过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。2.1.2方案二本方案采用一种是用以80C51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。其原理如图2－2所示。图2-2单片机控制密码锁原理框图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80C51键盘输入复位电路密码存储电路晶振电路电源输入显示电路报警电路开锁电路4西华大学课程设计说明书序、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。2.2方案论证方案一：采用的数字电路虽然原理简单，但是组建时电路复杂，系统成本高，体积大，功耗大且扩展性能不强。方案二：采用单片机为核心控制，实现起来也较为容易，体积小，耗能低。同时单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级。2.3方案选择通过比较，单片机方案设计灵活，功耗低，有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。3、单元模块设计该密码锁主要由电源输入电路、键盘输入电路、密码存储电路、复位电路、晶振电路、显示电路、报警电路、开锁电路组成，下面分模块介绍。3.1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3-1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。VCCC42.2uF12POWER2PIN图3-1电源输入电路原理图5西华大学课程设计说明书3.2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见图3-2。S4S3S2S1S5S6S7S8S12S11S10S9S13S14S15S16R110kR210kR310kR410kR510kR610kR710kR810kVCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7图3-2键盘输入原理图3.3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。其电路见图3-3。A01A12A23GND4VCC5WP6SCL7SDL8U3AT24C02VCCR95.1kR105.1kVCCP3.5P3.6P3.76西华大学课程设计说明书图3-3AT24C02引脚图图中1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在80C51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。3.4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R5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R11R15因此RST为高电平，CPU处于复位状态，松手后，电容C1充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。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。复位电路原理图见图3-4。C1R11VCCK1R1510k图3-4复位电路原理图7西华大学课程设计说明书3.5晶振电路AT89C51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3-5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。XTAL1XTAL2C320pFC220pFVss图3-5晶振电路原理图3.6显示电路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。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，LCD子显示“RIGHT”，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“ERROR”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能被打开。通过LCD显示屏，可以清楚的判断出密码锁所处的状态。其显示部分引脚接口见图3-6。8西华大学课程设计说明书R1310kP3.2P3.1P3.0DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714RS4R/W5E6VCC2VL+15VL-16VSS1VEE3U2LCD1602图3-6显示电路原理图3.7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。见图3-7。Q38550SPKVCCR141kP2.1图3-7报警电路原理图3.8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。其原理见图3-8。9西华大学课程设计说明书图3-8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。其实际电路见图3-9。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。Q18050R12100D2