基于单片机控制的密码锁设计(含电路图及源程序)

单片机控制的密码锁设计。AT89S52单片机P1引脚外接独立式按键S1-S8，分别代表数字键0-5、确定键、取消键。单片机从P3.0-P3.3输出4个信号，分别为1个电磁开锁驱动信号和密码错误指示、报警输出、已开锁指示信号，分别用发光二极管L1-L4指示。P3.4接一有源蜂鸣器，用于实现提示音。
基本要求：
（1）初始密码为123450，输完后按确定键开锁，取消键清除所有输入，每次按键有短“滴”声按键提示音。
（2）密码输入正确后，输出一个电磁锁开锁信号与已开锁信号，并发出两声短“滴”声提示。4秒后开锁信号与已开锁指示清零。
（3）密码输入错误时，发出一声长“滴”声错误指示提示音，并密码错误指示灯亮，三次密码错误时，发出长鸣声报警，并密码错误指示灯亮，报警指示灯亮，此后15秒内无法再次输入密码，15秒过后，清除所有报警和指示。
（4）5秒内无任何操作后，清除所有输入内容，等待下次输入。

3.3.1模块1 系统设计
（1）分析任务要求。写出系统整体设计思路
根据题目的要求，需要考虑如下几个任务：按键的输入，密码的判断，密码输入正确或错误的计时、输出信号的控制等。
 键盘的输入：由于需要输入6个数字作为密码，先要判断按键时数字键还是功能键，若判断为数字键按下，则需要将每次键盘的输入内容依次暂存在一个数组中。在每次按键输入时，需要启动定时器实现待机计时（5秒）。若5秒内没有输入内容则清除已输入的内容。
密码的判断和计时：在按下确认键之后，要将输入的内容与初始密码核对，如果密码正确，输出相应的指示，同时还要启动定时器实现4s的计时。如果密码错误，错误计数变量增1，同时输出密码指示信号，若错误次数超过3s，则输出报警等信号，同时启动定时器实现15秒的计时。
 输出信号的控制主要根据按键输入与密码的核对情况来决定。
 整体程序设计思想：
程序分为主程序和中断服务程序两个主要部分，主程序完成变量和单片机特殊功能寄存器的初始化后，进入一个循环结构。在循环中，首先判断有无按键按下，若有按键则判断是否数字键还是功能键，根据按键的情况执行相应的功能。然后根据密码是否正确的判断情况，执行相应的操作。循环中最后将需要显示的内容通过动态扫描在数码管上显示。
 中断服务程序只要实现三个状态的计时，待机时需要计时5秒，密码正确需要计时5s，密码3次输入错误需要计时15秒。当前处于何种计时，由主程序根据密码判断结果来决定。
（2）选择单片机型号和所需外围器件型号，设计单片机硬件电路原理图
 采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、蜂鸣器的输出驱动、独立式键盘以及发光二极管的输出等。
数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。
蜂鸣器的驱动采用PNP三极管8550来驱动，低电平有效。
独立式按键使用上提拉电路连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。
硬件电路原理图如图3-9所示。

图3-9 密码锁电路原理图
（3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图
  软件任务要求主要包括按键扫描、密码判断、动态扫描输入的内容、计时、指示信号输出以及蜂鸣器提示音的输出等。主程序主要完成变量与寄存器的初始化、按键的扫描与判断、密码的判断以及数码管动态扫描显示等。主程序流程图如图3-10所示。

图3-10 密码锁的主程序流程图

中断服务程序主要完成三种定时的计时工作，包括①按键之后启动的待机计时，当待机超过5s则清除已输入的内容。②密码输入正确之后的计时，4s之后清除开锁驱动信号与已开锁指示信号。 ③密码输入错误3次的计时，计时15s,在则15s内无法再次输入密码，15秒过后清除所有报警与指示。中断服务程序流程图如图3-11所示。

图3-11 密码锁中断服务程序流程图
 单片机资源的分配与变量的定义：
 密码的输入与判断需要定义4个变量。原始密码存储在数组init_val[6]中。键盘输入的密码存储在数据show_val[6]中，变量 key_index的值表示当前按键是六位密码中的哪一位，每输入一个密码数字该变量增一。密码输入错误的次数暂存在变量error_num中。
 计时功能需要5个变量。模式变量cnt_state存储计时属于什么状态，0表示待机计时，1表示密码正确的计时，2表示密码错误3次的计时。三个变量（cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s）分别实现待机、密码正确和密码错误3次后的计时工作。定时器T1每250ms产生一次中断，变量T1_cnt记录定时器溢出中断的次数，当记录到4000时表示计时1秒。
（4）设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案
     软件调试方案：伟福软件中，在“文件新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。
 在 “项目编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。
硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P1.0-P1.7分别与8个独立式键盘通过插线连接起来，将P3.0-P3.3分别与4个发光二极管连接起来，P3.4与蜂鸣器的输入连接起来。
在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台的下载线接口上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。
然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。

3.3.2 程序设计
//晶振11.0592MHz，T1每250微秒中断，按键P1.0-P1.7，发光二极管接P3.0-P3.3，p3.4
/*变量的定义:
  show_val[6]: 显示的值
  init_val[6]:   密码初始值
key_val:     返回按键的值 255-表示无按键按下
  key_index:   当前按键是哪一位密码
  T1_cnt:      定时器计数溢出数
  cnt_val_15s:  报警计时的数值
  cnt_val_5s:   待机时间计时
  cnt_val_4s:   输入正确，等待4秒清除开锁信号
  cnt_state:     计时状态
  error_num:    错误次数
  led_seg_code：数码管7段码
*/
#include "reg51.h"
/*说明key0=P1^0; key1=P1^1;key2=P1^2; key3=P1^3;key4=P1^4;key5=P1^5;enter=P1^6;esc=P1^7;*/
sbit     relay_open=P3^0;  //电磁锁开锁驱动
sbit     pw_error=P3^1;    //密码错误信号
sbit     alarm_out=P3^2;   //报警输出
sbit     open_lock=P3^3;   //已开锁指示信号
sbit     audio_out=P3^4;   //有源蜂鸣器
unsigned char data cnt_val_15s,cnt_val_5s,cnt_val_4s,cnt_state;
unsigned int  data T1_cnt;
unsigned char data key_val,key_index,key_val_old;
unsigned char data state_val,error_num;
unsigned char data show_val[6];
char code init_val[6]={1,2,3,4,5,0};
char code led_seg_code[11]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
//led_seg_code[0-9]代表0-9 led_seg_code[10]=0x00数码管不显示任何内容
//--------延时程序----------------
void delay(unsigned int i)//延时
{ while(--i); }
//--------清除输入内容----------
void init_variant()
{unsigned char i;
 for(i=0;i<6;i++)
    show_val[i]=10; //led_seg_code[10]=0x00表示数码管不显示任何内容
 key_index=0;      //没有任何输入或清除所有输入时，保存当前键的位置
}
//---------按键扫描---------------
unsigned char scan_key()
{  unsigned char i,k;
   i=P1;
   if (i==0xff && cnt_state!=2)
   { k=255; }    //无键按下
   else          //有键按下
   { delay(500);  //延时去抖动
     if(i!=P1)
     {k=255;}
     else
     { TR1=1;   //有键按下则开定时器，启动待机计时
       cnt_val_5s=0;
       switch (i)
       { case 0xfe: k=0; break;
         case 0xfd: k=1; break;
         case 0xfb: k=2; break;
         case 0xf7: k=3; break;
         case 0xef: k=4; break;
         case 0xdf: k=5; break;
         case 0xbf: k=6; break;
         case 0x7f: k=7; break;
       }
      }
   }
   return k;
}
//---------数码管显示---------------
void led_show()
{P0=led_seg_code[show_val[0]];
 P2=0xdf;
 delay(500);
 P0=led_seg_code[show_val[1]];
 P2=0xef;
 delay(500);
 P0=led_seg_code[show_val[2]];
 P2=0xf7;
 delay(500);
 P0=led_seg_code[show_val[3]];
 P2=0xfb;
 delay(500);
 P0=led_seg_code[show_val[4]];
 P2=0xfd;
 delay(500);
 P0=led_seg_code[show_val[5]];
 P2=0xfe;
 delay(500);
}
//--------定时器T1中断服务程序-----------------
void  timer1() interrupt 3     //T1中断
{ T1_cnt++;
  if(T1_cnt>3999)      //如果计数>3999, 计时1s
  {  T1_cnt=0;
     switch (cnt_state)
     { case 0: //待机，需要计时5s
           if(cnt_val_5s<5)
              { cnt_val_5s++;}
           else
              { cnt_val_5s=0;
                init_variant();//待机计时到5秒时，清除输入的内容
                TR1=0;         //停止计时
               }
           break;
      case 1://密码输入正确，需要计时4s
           if(cnt_val_4s<4)
              { cnt_val_4s++;}
           else
              { cnt_val_4s=0;
                init_variant();//密码输入正确，计时到4秒时，清除输入的内容
                open_lock=1;   //已开锁信号清零
                relay_open=1;  //开锁信号清零
                cnt_state=0;  
                TR1=0;         //停止计时
               }
           break;
      case 2: //密码输入错误3次，计时15s
           if(cnt_val_15s<15)
              { cnt_val_15s++;}
           else
              { cnt_val_15s=0;
                init_variant();//三次密码错误时，计时15秒，清除输入的内容
                open_lock=1;   // 清除所有指示和报警
                relay_open=1;
                alarm_out=1;
                pw_error=1;
                cnt_state=0;
                TR1=0;         //停止计时
               }
           break;
     }  
  }
}
//--------判断键盘输入内容与密码是否一致------
unsigned char check_input_pw()
{ unsigned char i,k;
  k=1;
  for(i=0;i<6;i++)
  { k=k && (show_val[i]==init_val[i]); }
  return k;
}
//---------主程序----------------
main()
{ //初始化各变量
audio_out=1;
 P3=0xff;
 cnt_val_15s=0;
 cnt_val_5s=0;
 cnt_val_4s=0;
 cnt_state=0; 
 //0-待机计时5s状态;1-密码正确，计时4s状态 ;2-三次密码错误，处于计时15秒状态。
 T1_cnt=0;
 error_num=0;
 key_val_old=255;
 init_variant();
//初始化51的寄存器
 TMOD=0x20; //用T1计时 8位自动装载定时模式
 TH1=0x19;   //500微秒溢出一次;   250=(256-x)*12/11.0592 -> x=19
 TL1=0x19;
 EA=1;       //开中断
 ET1=1;
 TR1=0;      //开定时器T1
 while(1)
 { key_val=scan_key();  //按键输入，有键按下key_val为0-7，无键按下key_val为255。
   if (key_val!=key_val_old)
   { key_val_old=key_val;
     if (key_val!=255&& cnt_state!=2)
     { audio_out=0;
       delay(100);     //延时去抖动
       audio_out=1;
       switch (key_val)
       { case 0:
         case 1:
         case 2:
         case 3:
         case 4:
         case 5:
              if(key_index<6) //密码为6位，超过6位视为输入无效
              { show_val[key_index]=key_val;
                key_index++; }
              break;
         case 6: //确认键
              if(check_input_pw())
              {//密码正确
               error_num=0;  //密码输入错误次数清零
               //---------
               pw_error=1;   //密码错误指示灯灭            
               relay_open=0; //开锁驱动信号灯亮
               open_lock=0;  //已开锁信号灯亮
               //---------
               delay(50000); //两声短“滴”声
               audio_out=0;
               delay(50000);
               audio_out=1;
               delay(50000);
               audio_out=0;
               delay(50000);
               audio_out=1;
               //---------
               cnt_state=1;  //下一状态处于4秒计时的状态
               TR0=1;     //启动定时
              }
              else
              { if (error_num<2)
                {error_num++; //输入错误次数小于3次时，没错一次error_num增一
                 pw_error=0;  //密码错误指示灯亮
                 //-----------
                 delay(20000);//一声长“滴”声，提示错误
                 audio_out=0;
                 delay(60000);
                 audio_out=1;
                 //-----------
                 init_variant();//清除所有输入，等待下一次输入
                }
                else  //输入错误次数超过3次
                { alarm_out=0; //报警灯亮
                  pw_error=0;  //密码错误指示灯亮
                  error_num=0; //密码输入错误次数清零
                  //----------
                  audio_out=0; //长鸣声报警
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  delay(60000);
                  audio_out=1;
                  //-------------
                  TR1=1;       //打开定时器计时
                  cnt_state=2; //下一状态处于15秒计时的状态
                }
              }
              break;
         case 7://取消键
              init_variant();
              break;
       }
     }
   }
   led_show();
}
}
//-----程序结束-----------------