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。
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STCC51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 STCC51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：可以选择连接式键盘。对于连接式键盘，其每个键都的接入一根数据线，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
四、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STCC51 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：
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STCC51 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，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。
五、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
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，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，2008
[2] 李朝青. 单片机原理与接口技术.北京：航空航天出版社，2009
[3]宋彩利.单片机原理与C51编程 [M]. 西安交通大学出版社,2007
附录I proteus仿真图
附录II 实物显示
附录III 源程序
#include #define ulong unsigned long #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar temp,num,flag,r; uchar code table1[]=" welcome!(^_^)";//主界面 uchar code table2[]="liu hai yan DIY";//主界面 uchar code table3[]="******";//密码显示“******” uchar code table4[]="code is wrong!";//密码错误显示 uchar code table5[]="you are right!";//开锁显示 uchar code table6[]="the second time!";//第二次开锁显示 uchar code table7[]="the last time!";//第三次开锁显示 uchar code table8[]="Input new code:";//修改密码显示 uchar code table9[]=" calling....";//报警显示 uchar code table12[]="Modify right!!!";//修改密码正确 uchar code table10[]="password:";//输入密码 u//删除密码显示 uchar code table13[]="Input again:";//再次输入密码 uchar code table14[]="Modify error!!!";//修改密码错误 uchar init_pswd[6]={0,1,2,3,4,5};//初始化密码 uchar pswd[6]={0}; //放新修改的输入的密码 sbit lcdrs=P1^0; // LCD 数据/指令（H/L）选择端 sbit lcdrw=P1^1; sbit lcden=P1^2; //LCD使能 sbit P1_3=P1^3;//开锁指示灯 sbit P1_4=P1^4;//修改密码指示灯 sbit P1_5=P1^5; //报警指示灯 sbit P2_7=P2^7; //蜂鸣器 /*****************************************子函数声明*/ void delay(uint z); void init();//初始化子函数 void write_com(uchar com);//写指令子函数 void write_data(uchar dat1);//写数据子函数 uint keyscan(); void mima();//密码处理子函数 void mima1(); //修改密码函数 void Alarm(uchar t);//报警函数 /************************************************液晶驱动*/ void init() { lcden=0; write_com(0x38); //设置1602显示，5x7点阵显示，8位数据接口 write_com(0x0e); //00001DCB，D(开关显示)，C(是否显示光标)，B(光标闪烁，光标不显示) write_com(0x06); //000001N0，N(地址指针+-1) write_com(0x01); //清屏指令 每次显示下一屏内容时，必须清屏 write_com(0x80); //第一行显示 } void write_com(uchar com) 写命令子函数 { lcdrs=0; 低电平选择为 写指令 lcdrw=0; P0=com; 把指令写入P0口 delay(5); lcden=1; 开使能 delay(5); //读取指令 lcden=0; //关闭使能 } void write_data(uchar dat1) 写数据子函数 { lcdrs=1; 高电平选择为写数据 lcdrw=0; P0=dat1; 把数据写入P0口 delay(5); lcden=1; 开使能 delay(5); 读取数据 lcden=0; 关闭使能 } void delay(uint z) 延时子函数 z*1ms { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); } uint keyscan() 键盘扫描程序 {P2=0xfe; 先选定第一行 temp=P2; temp=temp&0xf8; //列线全为1，行线为0 while(temp!=0xf8) {delay(15); 延时去抖 temp=P2; temp=temp&0xf8; while(temp!=0xf8) { temp=P2; switch(temp) 判断哪列按下 {case 0xf6:num=0;flag=1;break;//第一列按下 case 0xee:num=1;flag=1 ;break;//第二列按下 case 0xde:num=2;flag=1;break;//第三列按下 } while(temp!=0xf8) {temp=P2; temp=temp&0xf8; } } } P2=0xfd; 选定第二行，列线为1 temp=P2; temp=temp&0xf8; while(temp!=0xf8) { delay(15); temp=P2; temp=temp&0xf8; while(temp!=0xf8) {temp=P2; switch(temp) //判断哪列按下 {case 0xf5:num=3;flag=1;//第一列按下 break; case 0xed:num=4;flag=1;//第二列按下 break; case 0xdd:num=5;flag=1;//第三列按下 break; } while(temp!=0xf8) {temp=P2; temp=temp&0xf8; } } } P2=0xfb;//选定第三行 temp=P2; temp=temp&0xf8; while(temp!=0xf8) { delay(15); temp=P2; temp=temp&0xf8; while(temp!=0xf8) {temp=P2; switch(temp) { case 0xf3:num=6;flag=1;break; case 0xeb:num=7;flag=1;break; case 0xdb:num=8;flag=1;break; } while(temp!=0xf8) { temp=P2; temp=temp&0xf8; } } }return(num); } void main() { uchar m=0,w=0; init(); //LCD初始化 w第一行显示 for(r=0;r<15;r++) {write_data(table1[r]); delay(5); } write_com(0x80+0x40);//第二行显示 for(r=0;r<15;r++) {write_data(table2[r]); delay(5); } write_com(0x0c); do {keyscan();} while(num!=8); //等待开锁键按下 mima(); 密码输入处理函数 while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//密码比较 { m++;} if(m>=6)//密码正确 { P1_3=0; //开锁指示灯亮 keyscan(); //是否修改密码 mima1(); 修改密码函数 } else//密码有误 { m=0; write_com(0x80+0x40);//显示第二行 for(r=0;r<14;r++) {delay(20); write_data(table4[r]); } ; init(); for(r=0;r<16;r++) {delay(20); write_data(table6[r]); } delay(2000); //密码输入处理函数 while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//再次比较 {m++;} if(m>=6) { P1_3=0; mima1();//修改密码函数 } else { m=0; write_com(0x80+0x40); for(r=0;r<14;r++) {delay(20); write_data(table4[r]); }delay(2000); init(); for(r=0;r<14;r++) delay(20); write_data(table7[r]); }delay(2000); mima(); while((pswd[m]==init_pswd[m])&m<6)//第三次比较 {m++; } if(m>=6) {P1_3=0;//密码正确，则开锁指示灯亮 mima1();//密码修改函数 } else { init(); write_com(0x80+0x40); for(r=0;r<13;r++) {delay(20); write_data(table9[r]); } write_com(0x0c); while(1) { P1_5=~P1_5;//报警指示灯闪烁 delay(30); Alarm(90); Alarm(120); //产生“滴滴”声 } } } } } void mima() //密码输入程序 { uchar w=0; init(); for(r=0;r<9;r++) {delay(20); write_data(table10[r]); } do {flag=0; write_com(0x80+9+w); if(flag==1&&num<=5) { pswd[w]=num; write_data(table3[w]); w++; //输入密码 if(w==6) } if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步. { w--; 删除密码 if(w==255) //删除完密码 w=w+1; write_com(0x80+9+w); write_data(table11[w+1]); if(flag==1&&num<=5) {pswd[w]=num; write_data(table3[w]); } } while(w<=5); } /*************************************************** 输入初始密码正确后，密码修改 ***************************************************/ void mima1() { uchar f=0,n=0,d=0; write_com(0x80+0x40); for(r=0;r<14;r++) { delay(20); write_data(table5[r]); } delay(2000); do { num=9;//按键不显示，锁住按键 keyscan(); }while(num!=6); if(flag==1&&num==6) { init(); P1_3=1; P1_4=0; for(r=0;r<15;r++) { delay(20); write_data(table8[r]); } write_com(0x0c); write_com(0x80+0x40+n); write_com(0x0e); } //////////////////////////第一次输入修改密码//////////////////////////////// do{ num=9;//按键不显示，锁住按键 keyscan(); write_com(0x80+0x40+n); if(flag==1&&num<=5) { init_pswd[n]=num; write_data(table3[n]); n++; if(n==6) } if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步. { n--; if(n==255) n=n+1; write_com(0x80+0x40+n); write_data(table11[n]); if(flag==1&&num<=5)//显示0-5键值 { pswd[n]=num; write_data(table3[n]); } } }while(n<=5); ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 第二次输入修改密码，并判断是否正确 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// init(); for(r=0;r<12;r++) {delay(20); write_data(table13[r]); } do { flag=0;//锁住按键 keyscan(); write_com(0x80+0x40+d); if(flag==1&&num<=5) { pswd[d]=num; write_data(table3[d]); d++; if(d==6) write_com(0x0c); } if(flag==1&&num==7) //删除误输入的密码，即返回上一步. { d--; if(d==255) d=d+1; write_com(0x80+0x40+d); write_data(table11[d+1]); if(flag==1&&num<=5) { pswd[d]=num; write_data(table3[d]); } } while(d<=5); while((pswd[f]==init_pswd[f])&f<6)//比较密码是否正确 {f++;} if(f>=6)//密码正确 { init(); for(r=0;r<15;r++) { delay(20); write_data(table12[r]); }delay(5000); P1_4=1;//修改密码指示灯灭 main(); }else { init(); for(r=0;r<15;r++) { delay(20); write_data(table14[r]); }delay(1000); main(); //返回主界面 } void Alarm(uchar t) //报警函数，产生“滴滴”声 { uchar k,j; for(k=0;k<250;k++) { P2_7=~P2_7; for(j=0;j
