(完整版)电子密码锁的研究与设计毕业论文

本科生毕业设计（论文）

题目：电子密码锁的研究与设计

姓名：

学号：

系别：电子信息工程系

专业：通信工程

年级：2011级

指导教师：

2015年 4月 15 日

独创性声明

本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。

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论文作者签名：指导教师签名：日期：

基于电子密码锁的研究与设计

摘要

随着现代科技的飞速发展，人们对具有重要场所、私密物质的安全性的要求越来越高。为了更好的满足人们对锁的使用要求，代替传统锁的电子密码锁横空出世。具有报警功能的电子密码锁在日常生活中的使用越来越多，而密码锁也具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。

本次电子密码锁的设计采用的是以单片机STC12C5A60S2为主要的控制器，并且应用蜂鸣器、矩阵键盘、液晶显示器等器件进行液晶显示电路、指示(LED)电路、报警(蜂鸣器)电路、串口电路等电路的设计；应用protel软件进行原理图、PCB图的设计；应用C++语言编写实现电子密码锁功能的程序；最后pcb板的制作与调试。电子密码锁可实现6位密码的输入，密码正确则锁打开；修改密码须再次输入旧密码，修改密码完需要二次确认，以防止误操作；密码锁的密码输入错误次数超过3次，蜂鸣器报警。设计此系统的密码锁具有较高的安全性和科学性。

关键词：单片机，电子密码锁，液晶显示，报警

Research and design of electronic password lock based on

Abstract

With the rapid development of modern science and technology, people on the safety ofimportant places, private matter of the increasingly high demand.In order to better meet the requirements of people on the use of electronic password lock,instead of the traditional lock was born.Has the alarm function of electronic password lock is used more and more in our daily life, butalso has a more secure password lock with high, low cost, low power consumption, easy operation, etc..

The design of the electronic code lock is based on STC89C52RC microcontroller as the maincontroller, and use the buzzer, matrix keyboard, LCD display device, liquid crystal displaycircuit indicator (LED) circuit, alarm (buzzer) circuit, serial circuit;Design and application of Protel software schematic, PCB diagram;Application of C++ language to realize the electronic password lock function of the program;Finally, the PCB board production and debugging.The password lock through the keyboard input 6 password, the password is correct, it will open the lock;Change the password must first lock, modify the password to enter the old password again, change the password to confirm after two times, in order to prevent misoperation;Enter the wrong password lock more than 3 times, the buzzer alarm and lock the keyboard.The design of the system password lock with high security and Science.

KeyWords: Single chip microcomputer,Electronic password lock,LCD,Alarm

目录

第1章绪论 (1)

1.1 研究背景及意义 (1)

1.2 电子密码锁技术的研究现状 (2)

第2章系统总体方案设计 (3)

2.1 电子密码锁功能简介 (3)

2.2 芯片选取 (3)

2.2.1 51系列和stc系列单片机的对比 (3)

2.2.2 STC12C5A60S2概述 (3)

2.2.3 lcd1602介绍 (5)

2.3 电子密码锁的总设计方案 (6)

2.3.1 主要芯片与控制 (6)

2.3.2 STC12C5A60S2管口与各个部分电路的接线情况 (6)

第3章系统硬件设计 (8)

3.1 系统硬件设计 (8)

3.2 STC12C5A60S2最小系统设计 (8)

3.2.1 晶振电路设计 (9)

3.2.2 复位电路设计 (9)

3.2.3 指示灯电路 (9)

3.2.6 蜂鸣器报警电路 (12)

3.2.7 续流二极管 (12)

3.2.8液晶显示器电路 (12)

3.3 整体的原理图及pcb图 (13)

第4章系统软件设计 (14)

4.1 软件设计方案 (14)

4.2 软件设计总流程图 (14)

软件设计总流程图如图4-1所示 (14)

第5章硬件系统仿真 (16)

5.1 硬件图样情况 (16)

5.2 硬件调试情况图 (16)

结论 (18)

参考文献 (20)

谢辞 (21)

附录1 英文文献及翻译 (22)

附录2 源程序 (26)

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

随着人们安全意识与生活水平的提高，对安全方面的要求也急剧增长，自古以来，锁就是人们生活中不可或缺的一部分，锁具是守护门的将军，既要安全可靠又得方便使用。但是传统钥匙的锁具在经过若干年的使用和研究，人们对它的机理与结构知道得也是相当清楚，即使不使用钥匙而打开锁的办法也是数不胜数。就如同传统构造简单的机械锁，不仅是偷盗者即使是普通人，只要一根铁丝就可以直接打开这看似安全性十足的机械锁，从而锁渐渐的失去了保障人们财产安全的意识。

那么，提高锁具保护人们财产安全变成时代的主题。在现在信息现代化的时代，保障人们财产人身安全的锁也应该向高安全、高精度的信息化、智能化的方向发展。在传统钥匙的基础上，加了几组密码，根据不同声波、光束、声音、磁场、图像（如指纹、眼底视网膜等）等来开启锁[1]。自从20世纪70年代第一块单片机芯片TMS-1000在美国德克萨斯仪器公司问世以来，基于它特点是价格低廉、体积小、个性突出等，越来越多的电子产品开始采用单片机芯片作为核心控制部件。随着现代科学技术的飞速发展，各类电子产品相继出现在人们的生活中，而电子密码锁就是其中的一种。

据有关资料介绍，电子密码锁在从20世纪30年代就已经开始研究了，也已经应用在一些特殊场所。电子密码锁若是想主流于市场完全取代传统的密码锁，就必须不断改进，在它具有多功能的同时还得向更低成本化和更智能化发展。这便需要我们不断的去研究电子密码锁的功能和实现情况。因此，对基于单片机的电子密码锁的研究对现实生活是很有必要的。因为只有提高了锁的安全性，才能使不法分子无从下手，减少对人们财产人身安全的威胁，人们也就能对自身财产安全有了更多的保障。当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，而基于电子密码锁的安全系统是其中的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。

1.2 电子密码锁技术的研究现状

目前我国的电子密码锁技术和西方发达国家相比还相对落后。因为在西方发达国家中的电子密码锁的种类已经相当广泛且技术相对领先，不仅在各个领域得到了广泛应用而且技术也向世界扩展。在我国，电子密码锁技术却只是国际上二十世纪中期时候的水平，所以相对来说还是比较落后。而自从20世纪80年代以来，出现的各种电子集成电路，特别是单片机的横空出世，电子密码锁得到了很高的提升。经过翻阅各种资料文献对电子密码锁系统设计的研究，主要的实现方案是矩阵式键盘的密码输入、7段数码管的系统显示、二极管的指示灯提醒等等。应用STC89C52单片机，这个单片机和AT系列的单片机最大区别就是这类单片机有内部集成了4kb大小的EEPROM，利用ISP/API功能应用编程来控制内部的EEPROM的读写而不需要外接存储器来进行数据保护[2]。当前电子密码锁的功能得到实现的新方法真是类型多样，无时无刻不展现着科技的发展和进步，比如：IC卡和指纹识别，IC 卡密码锁设计是基于一个AT24C01A卡进行设计的，IC卡的核心是EEPROM。

尽管电子密码锁还存在着一些似有若无的缺陷，但是它的安全性价值高、方便携带、容易操作、能够智能报警等的各类优势却是传统钥匙锁所取代不了的，而且现在各种电子器件的价格的不断降低和电子信息技术的不断发展，电子密码锁也将往低成本、多功能的方向发展。

第2章系统总体方案设计

2.1 电子密码锁功能简介

（1) 系统设置6位密码，密码通过键盘输入，密码正确，将锁打开。

（2）系统密码可以由用户修改设定，锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入旧密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。

（3）系统的报警、锁定键盘功能。密码输入错误次数超过3次，蜂鸣器报警。

（4）系统的密码输入都在液晶屏中显示。

2.2 芯片选取

2.2.1 51系列和stc系列单片机的对比

在51系列的单片机中，能具有更大竞争力的是 STC公司的1T增强系列。它不但和8051指令、管教完全融合，也支持串口程序烧写，而且其片是FLASH工艺且内有大容量程序存储器，这种工艺的存储器用电方式瞬间改写、擦除。写入单片机的程序可以加密与很好保护劳动成果[3]。像STC12C4A60S2单片机内部就自带高达60kFLASH ROM，重要的是它目前的售价和51系列单片机不相上下，有其很高的性价比。

2.2.2 STC12C5A60S2概述

STC12C5A60S2的一些基本内容：工作电压：5.5V-3.3V；工作频率范围：0 - 35MHz；看门狗；商业级工作温度范围：0 - 75℃；有双串口；片上集成1280字节RAM；A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；通用全双工异步串行口(UART)；2个时钟输出口；共4个16位定时器；内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体

12M以下时，复位脚可直接接1K电阻到地)；增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期；应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节；时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器；有EEPROM功能；通用I/O口，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，复位后为：准双向口/弱上拉；外部中断I/O 口7路，除传统的下降沿中断或低电平触发中断外，新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒；封装，可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU三线通信；ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，直接下载用户程序，数秒即可完成一片等[4]。STC12C5A60S2芯片管脚如图2-1所示：

图2-1 STC12C5A60S2芯片管脚图

引脚的功能如表2-1所示:

表2-1 STC12C5A60S2芯片引脚功能表

STC12C5A60S2芯片引脚的功能

管脚功能

VCC 供电电压

GND 接地

P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流

P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地

址接收。

P2口

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电

流

P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。另外P3口也有一些特殊功能口：串行输入、输出口；外部中断0、外部中断1；记时器0外部输入、记时器1外部输入；外部数据存储器写选通、外部数据存储器读选通[5]。

RST 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间

ALE/PROG 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节PSEN 外部程序存储器的选通信号

EA/VPP

当EA端保持高电平时，访问内部ROM；当EA保持低电平时，访问外部ROM;注意加

密方式1时，EA将内部锁定为RESET

XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入

XTAL2 来自反向振荡器的输出

2.2.3 lcd1602介绍

管脚功能如表2-2所示：该显示器采用的标准16个管脚接口，其中：

表2-2 lcd1602管脚功能表

lcd1602管脚的功能

管脚功能

第1管脚VSS为电源接地

第2管脚VCC接5V电源正极

第3管脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时最弱，接地电源时最高

第4管脚RS为寄存器选择

第5管脚RW为读写信号线

第6管脚EN端为使能(enable)端

第7～14管脚D0～D7为8位双向数据端

第15管脚背光正极

第16管脚背光负极

Lcd1602的优点：

显示质量高：液晶显示器每一个点在收到信号后就一直持续同种的色彩与亮度，因此其画质高更不闪烁。

数字式接口：液晶显示器是数字式，操作方便使用简单。

功耗低：液晶显示器内部的驱动IC和电极耗电极少。

体积小、重量轻：液晶显示器显示屏上的电极控制液晶分子状态达到显示的目的，因此比传统的显示器轻得多[6]。

2.3 电子密码锁的总设计方案

2.3.1 主要芯片与控制

一个是STC12C5A60S2单片机，作为系统的总控制核心；一个是lcd1602液晶显示器控制外围电路。另外输入器件用矩阵键盘，报警器件用蜂鸣器，LED灯为指示器件，晶振与继电器等。总设计原理图如图2-2所示：

图2-2 设计原理图

2.3.2 STC12C5A60S2管口与各个部分电路的接线情况

P1.0~P1.7连接矩阵键盘电路，对按键进行编码，从而实现输入密码和修改密码的功能

RST连接复位电路，实现复位、重新启动功能

INT0连接指示电路，实现密码输入是否正确指示的功能

XTAL1、XTAL2连接晶振电路，控制各部分保持同步

P0.0~0.7连接液晶显示电路，实现从单片机向液晶显示器传输数据

P2.6~P2.8，实现字符显示的作用与控制显示器的作用

P2.0连接报警电路，通过PNP型三极管来驱动蜂鸣器，当输入密码错误三次后自动实现报警功能

RXD、TXD控制程序烧入芯片

第3章系统硬件设计

3.1 系统硬件设计

本次毕业设计的密码锁电路主要的组成模块：矩阵键盘输入模块、数码管显示控制模块、继电器驱动二极管显示模块、蜂鸣器报警模块、复位模块和数据处理模块。当输入的密码正确时，单片机便输出开锁信号，指示灯亮起达到开锁的目的；当输入三次密码错误时，则开启报警系统。系统硬件设计如图3-1所示：

图3-1 系统硬件设计图

3.2 STC12C5A60S2最小系统设计

本设计除主要STC12C5A60S2控制电路如图3-2外，还有最小系统包括矩阵键盘电路、数码管显示控制模块、指示灯电路、蜂鸣器报警电路、复位电路、晶振电路等。

图3-2 STC12C5A60S2控制电路图

3.2.1 晶振电路设计

单片机工作时所具备的时钟控制信号是时钟电路，而常用的时钟电路有内部时钟和外部时钟两种方式。内部时钟方式则是根据不同的振荡频率要求，外接不同阻值的一个晶振和两个电容[7]。时钟电路中的晶振震荡频率范围通常是1.2MHz～12MHz，而STC12C5A60S2的晶振范围是0 - 35MHz，为消除开锁驱动电路误差，得到准确的波特率则该实验使用的是12M 的石英晶体与12pf的两个电容。晶振电路如图3-3所示：

图3-3 晶振电路图

3.2.2 复位电路设计

单片机复位是只需在单片机的复位引脚加上大于两个机器周期的高电平，单片机的初始化操作便是复位。通过复位重新启动程序便可解决程序运行出错或操作进入死循环状态。复位一般都是由外部的复位电路来实现的，而复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。而STC12C5A60S2用的是外部的复位电路，本设计采用的是按键电平复位，因为复位操作比较方便，其中电阻R2取1K，电容C1取10UF。复位电路如图3-4所示：

图3-4复位电路图

3.2.3 指示灯电路

发光二极管由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成，简称为LED[8]。砷化镓二极管发的是红光，氮化镓二极管发的是蓝光，磷化镓二极管发的是绿光，碳化硅二

极管发的是黄光等因为当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而经常被使用用来制成发光二极管。而且发光二极管构造简单，体积微小，价格便宜，更广泛用于生活中各个地方。所以本设计，也选用发光二极管作为指示灯，指示密码输入的正确与否情况。在如图3-5的指示电路图中，P3.2（replay）口是输入信号的作用且它上面的高低电压控制着指示灯的亮灭情况，当密码输入正确信号传进时，P3.2口便处于高电压则电路导通，二极管灯亮起；反之，当密码输入错误信号无法传时，P3.2口边处于低电平，电路不导通则二极管不亮。

图3-5 指示电路图

3.2.4 继电器电路

继电器是具有输入回路（又称控制系统）和输出回路（又称被控制系统）之间的互动关系的一种电控制器件。继电器实际上是一种“自动开关”是由用小电流去控制大电流运作的。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，通常应用于自动化的控制电路中。因为继电器有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等各种优点，所以它广泛应用于自动化、遥控、电力保护、运动、测量和通信等装置中[9]。

当电压、电流、温度等这些输入量达到一定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。输入量可分为电气量像电流、电压、频率、功率等及非电气量像温度、压力、速度等两大类。继电器原理图如图3-6所示：

图3-6 继电器原理图

电磁继电器工作原理和特性：

电磁继电器是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁效应是指在线圈两端加上一定的电压后电流就会从线圈中流过从而产生的现象。衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁的吸