设计说明书内容基于单片机的电子密码锁设计一、设计要求和条件 1.1 设计要求 根据单片机开发板所提供的元件特性和硬件电路，编写相关的程序，通过实验开发板实现电子密码锁在LCD1602上显示的功能。1.搭建proteus仿真电路图平台，模拟单片机要实现的功能；2.焊接单片机系统开发板；3.编写程序，实现密码锁相关功能；4.下载并调试程序，实现密码锁的具体功能。 1.2 设计目的1.熟练掌握KEIL软件的使用方法；2.熟练掌握PROTEUS软件的使用方法；3.掌握单片机I/O接口的工作原理；4.掌握中断系统的工作原理；5.掌握液晶LCD1602的工作原理及编程方法；6.掌握蜂鸣器的编程使用；7.掌握行列式键盘的工作原理及编程使用方法；8.掌握单片机的ISP下载使用方法。 1.3 功能概述本设计是基于单片机的密码锁设计方案，根据要求，给出了该单片机密码锁的硬件电路和软件程序，同时给出了硬件设计方案、软件流程图、C语言源程序及详细注释等内容，由于单片机实验板上的矩阵键盘为3*3的，则规定0-5号键为数字键，6-8号键为功能键，其中该密码锁的具体功能介绍如下：(1) 按“8”号键则输入密码，初始密码为012345，在LCD1602上显示密码值为“*”（密码是保密的），输完6位后键盘就锁定，在LCD1602上显示密码是否正确，若输入的密码长度小于6位，则1602等待密码输入。(2) 若密码输入正确后，则绿色的发光二极管亮表示开锁，并且1602上显示“you are right!”，等待是否修改密码。(3)密码输入错误时显示“code is wrong”，接着会给你第二、第三次机会输入密码，如果三次密码都错误时，发出“叮咚”的报警声，且红色报警指示灯不停闪烁，按复位键清除报警。 (4)按“7”号键表示若密码不小心输入时，可以删除输入错误的密码。 (5)按“6”修改密码，要求输入原密码是正确的，然后按该键后，蓝色密码修改指示灯会亮，并且1602上会显示“Input new code”，输入正确要求再次输入，两次输入一致提示“Modify right!”并返回主菜单。两次不一致时提示“Modify error!”，然后返回主菜单。2、 硬件设计方案的论证本系统整体主要划分为五大模块，分别是由单片机最小系统、矩阵键盘、LCD显示、报警系统、指示灯电路等组成。单片机系统主要功能是对外部输入的数据进行处理，显示电路将所要操作的步骤显示出来，指导用户使用，报警电路是对输入错误密码时的警告报警。系统能完成开锁、密码输入错误报警、密码删除、修改用户密码基本的密码锁的功能。若依据实际的实验板情况还可以添加遥控和掉电保护功能。 2.1 总体方案设计本设计的具体总模块设计方案如下图（1）所示 图（1） 硬件总方案模块框图2.2 具体模块方案的设计1. 主控芯片的方案选择 方案一：采用硬件电路进行电子密码锁设计，比如使用 74LS112 双 JK 触发器构成的数字逻辑电路控制方案，该种方案可以实现基本功能，而且优点是不需要软件编程，但电路连接比较复杂，关键在于不易实现自行设置密码的要求。方案二：单片机中的STC89C51是具有高性能和低功耗优点的8位可编程控制器，内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，可以通过软件编程来实现电子密码锁设计中的各项要求和功能，而且单片机的 I/O 口也足够使用，硬件电路连接比较简单。综上所述方案论证，本次电子密码锁系统设计的主控芯片选择 STC单片机的 STC89C51来完成，采集输入数据对其处理并发出相应的指令。2.键盘模块方案选择 方案一：可以选择独立连接式键盘。对于独立连接式键盘，其每个键都独立的接入一根数据线，平时所有的数据线都被连接成高电平，当任何一个键按下时，与之相连的数据线将被拉成低电平。这种方案在处理多个数据时编程和硬件连接电路会较复杂。方案二：选择矩阵行列式键盘作为输入模块。矩阵式行列式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行、列分别连接到按键开关的两端，列线通过上拉电阻接到高电平。无按键动作时，列线处于高电平状态；有按键按下时，交点的行线列线接通，列线电平状态将由与此行线相连的行线电平决定。本次通过键盘输入的值有很多种，而矩阵式键盘节省了好多的 I/O 口，适用于按键数量较多的场合。综上且根据本次设计中的单片机实验板选择使用3*3矩阵键盘来完成输入密码值，此种键盘功能简单实用，如下图（2）所示 图（2）矩阵键盘3. 显示模块方案选择方案一：采用 LCD1602 作为主液晶显示器。此液晶屏能输入两行的字母或数字，功能比较简单，比较通用。本次设计中要显示输入密码的数据值和各功能的提示，使用 LCD1602 液晶来作为显示模块较直观形象。如图（3）所示，显示比较直观形象 图(3) LCD1602显示方案二：采用数码管来实时显示输入密码的数值，由于密码的个数为6硬件电路连接线路较复杂，连接管脚较多，而且观看起来不清晰、直观。基于以上两种方案比较，本次设计中采用方案一。4. 报警模块方案的选择方案一：采用1602显示特殊数字或字母来表示输入密码正确或者错误，这种方案也可以直观表示。 方案二：采用声和光两种方式的双重效果进行报警，如果密码输入错误报警灯闪烁而且蜂鸣器会报警，这样就能多角度进行密码错误报警。经过上述分析比较，使用方案二的声光报警来表示解锁失败,如图(4)所示 图(4) 报警电路设计5. 报警解除模块该模块用单片机最小系统中的复位功能，既可以节省了I/O管脚，还可以重新开始输入密码，此模块中的蜂鸣器的功能是当用户输入密码错误的次数超过了3次，蜂鸣器鸣笛报警，键盘处于锁定状态其电路图如图(5)所示 图(5)复位电路三、软件设计 软件的设计主要有主程序模块，键盘扫描模块，LCD1602显示模块，密码比较模块，开锁程序模块、报警模块等。 3.1 主程序模块主程序主要完成LCD初始化、检查有无按键按下、以及调用显示、密码修改程序等等。主程序的流程图如图(6)所示 图（6）主程序方框图3.2 开锁程序模块开锁程序流程图如图（8）所示。 图（7） 开锁子程序模块3.3 LCD1602显示模块本系统使用LCD1602实现显示，参照LCD1602的使用手册进行初始化和程序编写就可以显示，即在程序编写中添加LCD1602的驱动程序。这里的驱动程序主要包括：初始化函数、设置显示坐标、写字符函数及写字符串函数。在时钟界面时显示时间的运行，在密码锁界面时主要显示提示信息和输入的密码，当然，当输入密码数字时，输出不是显示数字，而是用“*”显示代替。LCD1602的部分读写控制时序程序如下图（8）所示： 图（8）LCD1602初始化3.4 键盘扫描与处理模块 该模块具备功能有：逐列扫描键盘确实被按键的具体位置、判断键盘上有无键按下、消除抖动、判断闭合的键是否释放等功能，该模块利用case语句来判断按键的按下与否，方法是：依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。先给P2口赋值为fe，再对P2口扫描，再与f8相与，看是否相等，若等，则无键按下，不等，则有键按下，再判断在哪列。然后进行按键处理函数，其处理函数的流程图如图（9）所示、 图（9）按键功能程序4、 系统调试4.1 调试部分 采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。（1）键盘测试 在带有单片机的电路板上编程调试3*3矩阵键盘，使其在液晶上显示出键盘锁对应的数字及功能。利用仿真机调试成功后通过编程器将程序写入芯片中调试。（2）报警及开锁控制电路测试 通过矩阵键盘控制输入正确的开锁密码，锁灯亮；当连续输入三次的密码错误时，报警指示灯闪烁，蜂鸣器报警并锁死键盘。（3）显示电路测试 通过电位器对1602液晶的对比度和背光灯进行调整，使其在最适合的状态下工作。各功能模块均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各功能模块连接在一起，用函数信号发生器模拟电压信号，先用仿真机代替STC89C51 单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。4.2 软件调试部分 (1)KEI的编程,仿真,编译集成环境KEILUV3：将汇编语言源程序编译成*.hex文件。(2) STC-ISP-V4.83下载器：将C语言源程序编译成的*.hex文件在线下载到STC单片机中。(3) STC-ISP-V4.83使用说明： (I) 双击图标并出现下图画面(II)选择你需要的单片机型号；(III)打开“001.HEX”文件；(IV)选择你的串行口,这里选择COM1；(V)点击download/下载，即可实现自动下载编程。4.3 调试结果分析本系统以STC89C51 为核心部件，利用软件模块化编程，通过键盘控制和液晶显示实现了密码锁的功能、报警功能，并能防止多次试探密码，能实现本设计题目的基本要求。在设计时根据实验板的硬件连接尽量做到硬件电路简单稳定、减小电磁干扰和其他环境干扰，充分发挥软件编程的优点，减小因元器件精度不够引起的误差。本设计成功仿真实现了1602液晶显示、密码“*”的设置、密码设置，防止多次试探，报警等功能。并且采用C语言编写程序，具有很强的移植性，为系统增减和修改带了方便。在设计中也遇到了许多困难，例如对LCD1602的具体功能不熟悉，于是就在图书馆，网上收索相关资料来进行编程，对其功能模式有了进一步的理解。还有对3*3键盘扫描程序的编程，利用学过的4*4键盘编程的原理方法用了case语句来对其编程。由于时间有限和自身知识水平的限制，本系统还存在一些不够完善的地方，要作为实际应用还有许多具体细节问题需要解决。例如：扩展AT2402模块储存密码，红外报警探测技术，密码指纹识别技术，语音识别技术，图像识别技术等等。只有这样更能满足社会的发展和人民的需求。5、 模拟仿真结果 各模块的仿真结果如下图所示 图（10） Welcome界面 图（11）输入密码界面 图（12）开锁界面 图（13）修改密码界面 图（14）密码修改成功界面 图（15）报警界面 6、 设计心得这次实训的时间为两周，分三个阶段：第一，做电路仿真，原理图；第二，对单片机实验板进行焊接；第三，电路硬件调试。每一步都很认真做了，仿真还是第一次用到实际中，感觉有很大的收获。一般一次成功的板子是很少