单片机电子密码锁课程设计.docx
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1、编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第1页 共31页第 1 页 共 31 页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
2、.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 LCD160
3、2 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 上编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第2页 共31页第 2 页 共 31 页显示“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,
4、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。二、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
5、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编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第3页 共31页第 3 页 共 31 页2.2 具体模块方案的设计1.主控芯片的方案选择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
6、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
7、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
8、示编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第4页 共31页第 4 页 共 31 页图(2)矩阵键盘3.显示模块方案选择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
9、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。编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第5页 共31页第 5 页 共 31 页方案二: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
10、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)所示编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第6页 共31页第 6 页 共 31 页编号:时间:2021
11、 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第7页 共31页第 7 页 共 31 页图(6)主程序方框图编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第8页 共31页第 8 页 共 31 页3.2 开锁程序模块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
12、、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:编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第9页 共31页第 9 页 共 31 页图(8)LCD1602 初始化3.4 键盘扫描与处理模块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
13、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,其处理函数的编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第10页 共31页第 10 页 共 31 页流程图如图(9)所示、图(9)按键功能程序四、系统调试4.1 调试部分调试部分采用先分别调试各单元模块,调通后再
14、进行整机调试的方法,以提高调试编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第11页 共31页第 11 页 共 31 页效率。(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
15、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;编号:时间:20
16、21 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第12页 共31页第 12 页 共 31 页(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
17、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
18、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。五、模拟仿真结果各模块的仿真结果如下图所示编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第13页 共31页第 13 页 共 31 页图(10)Welcome 界面图(11)输入密码界面编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第14页 共31页第 14 页 共 31 页图(12)开锁界面编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第1
19、5页 共31页第 15 页 共 31 页图(13)修改密码界面图(14)密码修改成功界面编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第16页 共31页第 16 页 共 31 页图(15)报警界面六、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的,都要进过调试查错才可以得到一块完整的电路板。这一次做的电子密码锁及 LCD 显示。原理看似简单,但过程让我深深感受到再简单的电路图
20、,理论与实际有一定的差入。在参考书的原理图经过了个人的改进,让功能更完善,特别是程序的调试,花的时间做多,也是最难的一个地方。我们最终的目的是应用而不是理论结果。我们学的理论知识都是比较先进的,但是由于平常少于把知识付诸于实践。通过本次设计,培养了创新意识和综合素质,更好地掌握了电子产品设计与制作的工艺和流程,提高个人基本能力、实验及设计能力和独立工作能力,基本知识更加牢固,会看图、会焊接安装、会测量、会查资。七、参考文献1 杭和平.单片机原理与应用.北京:机械工业出版社,20082 李朝青.单片机原理与接口技术.北京:航空航天出版社,2009编号:时间:2021 年 x 月 x 日书山有路勤
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