基于51单片机的简易智能密码锁设计

目录

一、设计任务与要求

1.设计任务：

2.设计要求：

二、方案设计与论证

总体方案设计： 

各硬件电路方案设计及论证：

1.单片机内部软件资源分配

2.单片机外围晶振和复位电路

3.按键阵列扫描电路

4.数码管显示电路

5.报警提示和开锁电路

三、总原理图及元器件清单

四、程序流程图

五、性能测试与分析

六、设计作品图片  

七、结论与心得

八、程序代码

一、设计任务与要求

1.设计任务：

利用STC89C52单片机搭配合理的外围电路，在各方面参数合理的情况下，制作一个简易的智能密码锁，该智能密码锁能够进行仿真模拟密码的输入、报警提示和锁打开及关闭。同时，装置还具有密码显示和系统锁定的功能，在搭建继电器等相关装置之后，具有实物的锁定功能。

2.设计要求：

1. 对于单片机的按键输入密码的有效位数为6位；
2. 单片机中的密码与当前单片机定时器系统时间相关，每隔1分钟，密码自动更新；
3. 如果密码正确，蜂鸣器响0.5秒，开锁继电器吸合，5秒后开锁继电器关；
4. 密码尝试5次出错，则停止尝试1分钟。

二、方案设计与论证

总体方案设计： 

 本作品设计的简易智能密码锁是一种应用于安全领域的电子设备，广泛应用于家庭、办公场所、酒店、银行等各种场合。它通过电子技术和密码算法，取代了传统的机械锁，提供更高的安全性和便捷性。

 本简易智能密码锁在设计之初，采用两种设计方案，在综合实际的代码编写、焊接、材料成本之后，采用了第二种设计方案。

方案一：在界面信息显示界面，用一个LCD1602显示屏幕来完成相关输入密码信息和开锁提示信息的显示，可以用于输入字符和数字信息；操作按键采用16位矩阵按键装置，采用动态扫描的方式来完成输入；在单片机外部设定一个DS1302的实时时钟芯片，用于每隔1分钟，密码自动更新；报警、提醒和开锁电路采用扬声器、LED灯泡和继电器装置来完成。

方案二：在界面信息显示界面，用一个较为普通的6段共阴极数码管来显示密码，应用动态扫描完成信息显示；操作按键共设12个，除0~9这10个数字键外，还有随机数显示按键和密码输入按键；在单片机内部设定定时器运行，用于与单片机自身的系统时钟保持同步，并在每隔1分钟，密码自动更新；报警、提醒和开锁电路采用扬声器、LED灯泡和继电器完成。

选择方案二的原因：对比上面两种方案，采用方案二的性价比会更高。首先，由于本装置只需要完成0~9数字和相关特定字符的显示，采用一个较为普通的6段共阴极数码管便可以完成需求，不用使用较为昂贵的LCD显示屏。此外，本装置只需要使用12个按键，利用矩阵按键会造成资源的浪费，虽然12个按键会使用较多的IO口，但是本实验可以满足设计的要求。最后，可以直接使用单片机内部的定时器时钟来完成随机数的更新，由于系统是属于独立工作的状态，不需要实时显示时间，因此可以舍弃DS1302实时时钟芯片，便可以满足要求。由此，综合上面的分析和比较，选择方案二是最佳的，因此舍弃方案一。

各硬件电路方案设计及论证：

1.单片机内部软件资源分配

装置的整体控制器采用STC89C52单片机，它有着以下的众多优点，高性能：STC89C52单片机采用了高速的8051内核，最高主频可达33MHz，具有快速的运算能力和响应速度。 低功耗：STC89C52单片机采用了低功耗设计，工作电流仅为1-10mA，具有较低的功耗和较长的电池寿命。

其中，包含按键阵列扫描函数、数码管扫描显示函数、随机数产生函数（采用单片机内部定时器和随机数算法）、输入密码比对函数、报警提示和开锁函数、正确密码生成函数、主函数。其中，主函数连接各个函数，实现简易智能密码锁。方案条理清晰，设计依照上述的流程进行，方案设计合理。

2.单片机外围晶振和复位电路

在STC89C52单片机中，首先需要搭建外围电路，在XTAL1、XTAL2两个端口，连接12MHz的晶振和两个电容值在30pF以下的瓷片电容。同时，在单片机的RST端口连接单片机的复位电路，采用一个10k欧姆的电阻和10uF的极性电容构成。其他的端口分别设置为IO口，分配给各工作电路进行使用。

对于此连接方式，采用官方给出的数据手册进行连接，保证了单片机的正常工作，设计方案合理。

3.按键阵列扫描电路

 由于单片机端口数量足够，键盘电路直接使用查询式按键扫描电路。其中，小按键开关的一端接单片机端口，另一端接地，当按下按键时，通过单片机查询来确定哪个端口键按下了，然后执行相应的控制程序。其中，2个为功能键，10个为0~9数字键，每个按键均接上拉电阻，用于防止外部干扰的扰动。端口P1.0~P1.7分别对应数字键0~7，端口P3.0、P3.1分别对应数字键8、9；端口P3.2、P3.3分别对应随机数显示和输入密码界面。在开锁时先按一下随机数显示按键，查看此时的随机数显示的情况，根据自带的密码计算算法（在本系统采用后两位数字与前两位数字更换），计算出此时的正确密码。然后再按下输入密码操作键，输人6位的数字密码，当6位密码输入完毕时，系统会自动将新密码存入存储器，用于比对密码正确性。

 在本方案中，各个按键分开独立工作，并无影响，将输入的按键信号传入单片机，方案设计合理。

图示为操作按键连接电路图：

4.数码管显示电路

 数码管显示采用共阴极四位一体的显示器7SEG-MPX4-CA-RED,输入6位密码，共有两个数码管。其中，P0口负责输出显示数码管的段码，端口接上拉电阻；P2口为数码管的位控扫描控制口，对每个数码管进行约1ms的轮流正电压供电，共使用6个端口来进行控制。两个数码管的左边的8个引脚分别对应段码输出最低位至最高位，DP为小数点位，而两个数码管的右边的4条引脚分别为4位数码管的阴极供电端，用于控制数码管的位控输出。

在数码管的显示控制中，分别使用单片机的P0口、P2口来完成数码管的扫描输出，合理调节扫描时间，可以正确显示数字的情况，方案设计合理。

图为数码管引脚情况和显示电路：

5.报警提示和开锁电路

蜂鸣器驱动电路：端口P3.5对应蜂鸣器驱动，起到信息警示，作为密码输入正确或错误的声音提示，密码正确时响一下声音，且时间较长；密码输入错误时响短暂声音，后可再次输入密码，但总共只有5次机会，5次密码错误后，系统自动锁死，60s之后便可以重新输入密码。其中，在每一次随机数进行更新时，与P3.6连接的二极管会闪烁一下，用于提示。

继电器开锁电路：端口P3.4对应继电器（使用发光二极管代替）开锁，起到开锁的作用。在本系统中，连接灯泡，用于锁开启提示，亮时表示开启成功，实际应用时可接电磁开锁线圈驱动电路，开启5s之后，灯泡闪烁，继电器关闭。

本方案在连接蜂鸣器和继电器时，要合理的参照器件特性，按照下图进行连接，方案设计合理。图示为蜂鸣器与红色发光二极管提示电路：

三、总原理图及元器件清单

    1．总原理图（软件proteus）

2．元件选择耗材及价格清单

三、总原理图及元器件清单

四、

四、程序流程图

五、性能测试与分析

指标1：对于单片机的按键输入密码的有效位数为6位；在下面的界面显示中，具有6位密码界面输入和显示。达到此性能指标。

指标2：单片机中的密码与当前单片机定时器系统时间相关，每隔1分钟，密码自动更新。

当前显示的随机数为361524，此时的正确密码是241536。在间隔1分钟之后，密码更新，此时的随机数显示为375892，此时的正确密码是925837。达到此性能指标。

指标3：如果密码正确，蜂鸣器响0.5秒，开锁继电器吸合，5秒后开锁继电器关闭。在下面的显示中，当输入密码正确时，代表开锁继电器的灯泡会亮起，5秒之后，灯泡熄灭。达到此性能指标。

指标4：密码尝试5次出错，则停止尝试1分钟。达到此性能指标。

其他性能指标：

在基于指标3中，在输入密码正确的情况下，加入了更加人性化的界面信息，ONONON表示此时开锁，同时，在关闭继电器时，灯泡和蜂鸣器均会闪烁，提醒使用者。

在基于指标4中，当输入密码错误时，显示ERRERR,，表示此时输入密码错误，同时，在5次输入密码错误时，系统锁定，界面显示倒计时信息，60s倒计时结束之后，可再次输入密码。

总体来说，提高部分的指标加强了本装置的人机交互的能力，将人性化的思想得到很大程度的体现。

六、设计作品图片  

七、结论与心得

问题1：焊接单片机的晶振和复位电路。单片机不能够进行程序烧录。

解决方法：了解到此问题之后，我在网上查阅相关的资料。资料显示单片机不能正常工作，与外围的晶振和复位电路有很大的关系。同时，在咨询老师的意见之后，我对单片机的晶振和复位电路进行了详细的检查。其中两个瓷片电容应该焊接在晶振的后面，同时晶振应该离单片机的引脚非常接近，否则电容不起振，晶振也无法正常工作，同时电容所采取的电容值应该按照说明书文档上所标注的33pF以下。

问题2：数码管电路焊接。共阴极，共阳极没有区分，同时数码管的亮度非常低。

解决方法：针对于此现象的产生，在网上查询相关的数码管使用方法，掌握了数码管共阴极，共阳极的测量方法。共阴极数码管的测量方法应该是：用电源的负极夹住数码管的位控端，同时用1V左右的电源正极依次触碰数码管的八个段码口，如果数码管此时各段正常亮起，则说明数码管是共阴极数码管，反之是共阳极数码管。在正确焊接到单片机电路板上的时候，应该检查数码管是否正常，在我使用的数码管中有一个损坏，经过多次检查才发现。同时单片机IO口输出的电流非常小，需要采取通过电流较小的数码管来进行显示，此处我采用型号为数码管S4041AS来实现以上电路。

问题3：单片机重要程序编写。在本次项目设计中，程序编写难度最大的部分，我认为应该在于数码管随机数的产生、显示以及按键密码的比对函数。

解决方法：参照网上现有的资料，我认真学习单片机定时器的相关使用，同时针对于随机数的产生，我也认真的学习了相关的算法，在反复编译文件中得到此次问题的解决。同时，在密码比对函数中我创造性的提出了利用多维数组来进行密码比对，分别设置存储密码和比对的新密码，同时设定标志位，并在外围运用多次循环用于控制密码错误的次数，进而形成一个按键输入比对的函数，可以很好的被单片机来进行调用。

课题改进：我觉得可以将数码管显示电路替换为LCD屏幕进行多信息、多维度的展示，让人机交互界面更加的人性化。同时基于实验室现有器材可以将灯泡更换为继电器，真正让智能密码锁具有继电器开锁的相关功能。

课题背景：该项目具有广大的背景，因为在现在的生活中，安全性成为一个不可忽视的问题。生活中许多多的物品需要用“锁”来锁住。智能密码锁提供了一个很好的解决方案，它具有高效、便捷、不易被破解等相关功能，本次课题设计为这种方案的实现提供了一个很好的参考，在以后的实际应用中，更换更加坚固可靠的材料，可以将此产品真正的走向实用化。

八、程序代码

#include 
#include    //rand()函数导入，产生随机数
#include 
sbit P10 = P1 ^ 0; // 数字0  // 按键定义
sbit P11 = P1 ^ 1; // 数字1
sbit P12 = P1 ^ 2; // 数字2
sbit P13 = P1 ^ 3; // 数字3
sbit P14 = P1 ^ 4; // 数字4
sbit P15 = P1 ^ 5; // 数字5
sbit P16 = P1 ^ 6; // 数字6
sbit P17 = P1 ^ 7; // 数字7
sbit P30 = P3 ^ 0; // 数字8
sbit P31 = P3 ^ 1; // 数字9
sbit P32 = P3 ^ 2; // 随机数显示界面
 
sbit P33 = P3 ^ 3; // 密码输入界面
sbit P34 = P3 ^ 4; // 继电器驱动
sbit P35 = P3 ^ 5; // 蜂鸣器驱动
sbit P36 = P3 ^ 6; //定时器更新时，灯闪一下
sbit P37 = P3 ^ 7;   //预留口--暂时未使用
sbit P00 = P0 ^ 0; // 数码管段码
sbit P01 = P0 ^ 1;
sbit P02 = P0 ^ 2;
sbit P03 = P0 ^ 3;
sbit P04 = P0 ^ 4;
sbit P05 = P0 ^ 5;
sbit P06 = P0 ^ 6;
sbit P07 = P0 ^ 7;
sbit P20 = P2 ^ 0; // 数码管位码  工作电压值
sbit P21 = P2 ^ 1;
sbit P22 = P2 ^ 2;
sbit P23 = P2 ^ 3;
sbit P24 = P2 ^ 4;
sbit P25 = P2 ^ 5;
sbit P26 = P2 ^ 6;
sbit P27 = P2 ^ 7;
// 共阴显示段码表： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - n 不亮 三 E r  f      
char code dis_7[17] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,   //0~9
                       0x40, 0xb7, 0xff, 0x49, 0x79, 0x70,0x71};
// 控制七段数码管的工作电压，0x01表示最左端数码显示  从左往右显示顺序
char code scan_con[6] = {0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7, 0xef, 0xdf};
// 储存显示于数码管上面的值，最开始显示“888888”，顺便检验数码管有没有损坏的现象
unsigned char dia[6] = {8, 8, 8, 8, 8, 8};
// 用于储存密码和算法输入密码的数值情况，data1[0][]为算法设定的密码，data1[1][]为输入的密码
unsigned char dat1[2][6] = {0, 0, 0, 0, 0, 0};
unsigned char dat2[6]; // 显示缓存
bit flag = 0, flag1 = 0; // 标志位
int c = 0;
int count;   //随机数生成--定时器
int count1;   
int count2; // 定时器计数标志位  初始化
int a1 ;   //倒计时总时间
int n;  //延时for循环
void delay(int t) // 延时程序
{
    int i, j;
    for (i = 0; i