基于51单片机的智能锁的设计

基于51单片机的智能锁的设计

摘要

随着社会的不断进步，人们的生活水平和安全意思的不断提升，对锁的要求也日益提升，传统机械锁在很多情况下已经不能满足人们对于安全性的需求，智能锁的出现成了必然趋势。在本设计中介绍的基于51单片机的智能锁是一种通过判断密码输入是否正确来控制锁的状态，进而控制锁的打开和闭合，锁的实现有很多种，所以本文中的锁暂时是一个未实体化的抽象概念。本设计是基于STC89C52单片机为控制核心的智能锁设计方案。在本次基于51单片机的智能锁设计中,将采用STC89C52 单片机作为控制核心，配合相应的控制电路和软件程序，实现密码的输入和修改、信息的显示、GSM通信、系统报警、开锁和闭锁等功能。在设计中利用识别密码是否正确来开锁或报警,通过矩阵键盘和LCD显示器来实现输入和输出，用过SIM800C通信模块来确保安全性和智能性。本文设计的智能锁具有安全性高、功耗低、操作简单等优点。

关键词：单片机；智能锁；GSM；矩阵键盘

诚信声明

摘要

ABSTRACT

1 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状及综述 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文内容安排 3

1.4 本章小结 3

2 设计方案选择与器件选择 4

2.1 系统功能 4

2.2 系统方案选择 4

2.3 器件选择 5

2.3.1 单片机的选择 5

2.3.2 GSM通信模块的选择 5

2.3.3 显示模块选择 6

2.3.4 串口通信模块选择 6

2.3.6 警报模块选择 7

2.4 本章小结 8

3 系统的硬件设计 9

3.1 单片机最小系统 9

3.2 信号检测电路设计 10

3.3 按键控制电路设计 11

3.4 信号输出电路设计 12

3.4.2 显示电路设计 12

3.4.3 LED电路设计 13

3.4.4 蜂鸣器报警电路设计 13

3.5 串口通信设计 14

3.6 GSM通信电路设计 14

3.7 本章小结 15

4 系统的软件设计 16

4.1 系统主流程设计 16

4.2 光照采集流程设计 16

4.3 红外感应流程设计 17

4.4 超声波测距流程设计 17

4.5 按键控制流程设计 18

4.6 A/D转换流程设计 19

4.7 PWM输出流程设计 20

4.8 语音播报流程设计 20

4.9 LCD显示流程设计 21

4.10 GSM通信设计 21

4.11 本章小结 22

5 实物制作与测试 23

5.1 实物制作 23

5.2 调试与测试 24

5.2.1 硬件系统测试 24

5.2.2 软件系统测试 25

5.3 本章小结 27

6 总结 28

参考文献 29

致谢 30

附录1：硬件电路图 31

附录2：元器件清单 32

附录3：部分源程序代码 33

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

当今社会人们的生活水平日益增高，人们的安全意识也逐渐提高,因此日常家庭防盗安全问题已经引起人们的广泛关注,以前的普通机械锁安全性已经不能满足人们对安全性的要求[1]。传统的机械锁安全性能不强容易出现翻找钥匙的麻烦情况和忘带钥匙或丢失钥匙的尴尬情况[2]，从密码锁的发展现状来看, 机械密码锁通常包含复杂的机、电功能组件, 需借助先进的制造技术与装配工艺, 制造周期长、成本高[3]。而智能锁则具有安全性高,成本低,低功耗，易操作等优点这样极大的提高了我们的安全性。有了这样的双层保障，就可以减少或避免由于钥匙丢失或被盗窃后造成的安全隐患。人们只要记住自己所设定的密码，不需要随身携带钥匙，不需要担心遗失钥匙的情况，方便了人们的生活。因此人们愈发的欣赏这种方便安全的保护措施。

。

1.1.2 研究意义

锁是一种保安措施，是人类为了保护自己私有财产而发明的一种用钥匙才能开启的装置。随着科技的发展以及人们生活水平的大幅度提高,特别是国内经济的发展以及科学技术的不断发展，对锁的要求也越来越高,同时对使用的便捷性也提出了更高的要求,传统锁的效果已经满足不了现代社会的对锁的需求,还存在着需要随身带着钥匙,如果钥匙不慎丢失被他塞用,就有可能使不良之人乘虚而入等诸多弊端。因此近几年一种新型的密码锁应运而生。密码锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。密码锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC卡锁，生物锁等，但较实用的还是按键式电子密码锁。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。相比传统的机械式钥匙开锁携带不方便、安全性能差等特点，电子密码锁有易操作、功耗低等优势，使其越来越成为市场上的主流产品。 1.2 国内外研究现状及综述

1.2.1 国外研究现状

密码锁的研究可以追溯到上世纪30年代，那时候就已出现了密码式的密码锁。相对于机械锁来说，那时候的密码密码锁具有密钥量大、不容易被复制等优势，但是由于价格、制造工艺难，只能在欧美等发达国家的一些特殊场所得到一定的应用。直到上世纪80年代，随着集成电路的成熟与发展，密码锁电子元器件部分的稳定性得到了进一步提升，密码锁的体积也变得更加小巧，但是由于功耗过高，成本依旧居高不下等原因，仍处于小部分高端场所及高端人士使用，也未能得到大范围的普及。到上世纪90年代，欧美、日韩及我国台湾和香港等国家和地区，在微电子技术、通讯技术、控制技术等新兴技术方面得到了快速的发展，为密码锁的研发和生产提供了技术上的支持。因此，在欧美、日韩等国家和地区得到了一定的普及，特别是在韩国家用密码锁的普及率就超过了10%。而现在欧美日韩智能锁的普及率更是高达50%之上，并且发展水平非常高。

随着科学技术的发展，借助于新技术的应用，依靠声、光、电、磁等技术开发研制的各种锁具应运而生。这些锁具摒弃了传统锁具对钥匙固有形态的依赖，取而代之的是语音识别、指纹识别、视网膜识别等更为独立的人体特征。这些锁具有许多突出的特点,比如美国生产的指纹识别控制器(指纹锁) ,是由半导体固态摄像机和一台微型计算机组成，利用亿万人指纹不重样的特点，预先将指纹存储到电脑里,开锁时把手撅在装饰性的小孔里，摄像机将指纹传送到电脑里，与预先存储的指纹比较,如果相符，则电脑发出指令信号给执行机构,使锁打开。但是这种锁也有缺点:一是摄像头暴露在外,容易被破坏;二是输入电脑的指纹越多,安全系数越低,且识别有误差;三是这种锁具的价格昂贵;四是结构复杂易出故障,安装繁琐。瑞土发明的视网图纹控制锁与指纹锁大同小异,这种锁是用人眼球底部视网膜的血管排列形状来识别的，所以当发生眼疾，或血管充血、破裂时,电脑就不予识别，比指纹锁的缺更多,价格亦很昂贵，但是随着科技的发展，种种缺点也是逐渐被克服。

1.2.2 国内研究现状

如果要给中国的智能锁发展历程做个总结的话，大致可以分为四个时代:

第一时代:1989-1999刷卡式密码锁成星级酒店标配。在我国，密码锁的发展在上世纪90年代才算是真正地开始。这个时期，力维(1989年)、第吉尔(1990年)、爱迪尔(1991年)、必达(1992年)、科裕(1993年)、金指码(1994年)、创佳(1998年)等一批先行者开始涉及密码锁的生产和研发。虽然那时候的酒店锁市场非常大，但是大多数企业没有自己的核心技术，仍处于模仿、借鉴欧美和日韩相关产品的阶段。

第二时代:2000-2010,指纹锁开始走入历史舞台。进入20世纪后，我国密码锁行业得到快速发展。有不少企业也开始从酒店密码锁逐渐向家用指纹锁转移。虽然在外观和某些技术上还是以借鉴韩国为主,但是指纹识别技术的运用，为密码锁的家用进程奠定了基础。这一时期的智能锁产品除了传统的机械钥匙、NFC技术及密码之外，指纹识别已成为家用锁的标配，但这一时代的指纹模块主要以光学为主。

第三时代:2011-2016,多种生物识别[9]并存，联网已成趋势从2011年到2016年，我密码锁行业已由酒店锁、指纹锁上升为智能锁，且呈现出了企业数量猛增、各大巨头纷纷抢滩、功能更丰富、外观更时尚和个性、稳定性有所提升、远程开锁和联网已成趋势等特点。而且由于物联网技术的日趋成熟，远程开启、远程控制、远程报警、远程监控已成为了很多智能锁的标配,可以让人们的生活变得更安全，更便捷，更智能[10]。随着智能锁触网的深入及安装基数达到临界点后形成网络效益，“智能锁+APP”，或者“智能锁+微信”已成为智能锁3.0时代的标志之一，实现了一机在手，随时随地查看家中的状态。而且，远程控制的形式还会一直延续下去。

第四时代：如今，随着更多企业的涌入，智能锁行业的竞争已经进入白热化、同质化的发展状态。而在这样的背景之下，没有研发实力的智能锁企业，除了模仿和打低价牌之外，已经没有别的路可以选。因此，许多不敢落后的智能锁企业，为了摆脱同质化的桎梏，也在寻求新的出路，以成为行业的引领者。而在人工智能大火的背景之下，不少智能锁开锁把目光转向了人工智能本身，也由此开启了智能锁人工智能的4.0时代。

中国的智能密码锁具一开始并没有任何技术，也没有任何经验的支持，所以只能模仿外国发达国家的产品，由此可见，中国的智能密码锁具的创业历程是多么艰难。如今,经过20多年的发展，中国已经完成了从普通密码锁具到指纹锁具，最后创造出人工智能锁的发展历程，成功屹立于智能锁具强国的行列。

1.3 本文内容安排

本文的主要研究内容与结构安排如下：

第1章是绪论。介绍基于51的单片机的智能锁设计的研究意义及研究背景，查找相关研究现状，并对这些研究进行分析总结。

第2章是系统的方案选择和器件选型。对不同微处理器的选择和所需元器件的选择，确定基于51的单片机的智能锁设计的设计方案和器件型号。

第3章是智能锁的硬件设计。对智能锁进行分模块设计，包括按键模块、照明模块、显示模块、警报提醒模块、GSM通信模块等，同时设计出电路图进行工作原理过程的说明。

第4章是智能锁的软件设计。对系统的总流程图和各个分模块的流程图进行设计。

第5章是实物制作和测试。根据硬件电路和软件流程进行实物的制作，通过测试看实物是否能实现设计的功能，并进一步完善整个控制系统。

第6章是总结。对全文的一个总结，指出本设计遇到的困难和本设计的不足，还可以怎么提升改进。

1.4 本章小结

本章通过研究背景，指出了生活中智能锁灯的使用情况及存在的使用问题，由此表明设计一个多功能智能锁的是有必要的。接着介绍了基于51单片机智能锁的研究意义，智能锁的研究与应用可以提升安全性以及用户安全感，从而减少物品的增失窃。再接着介绍了国内外智能锁的研究和发展情况，从只是简单的机械锁到生物智能锁，这堪称是巨大的改变。这一改变使得锁不再只是锁，而是成为了提升生活质量和效率的好帮手。基于51单片机的智能锁的设计，可多次输入，提升输入容错率；可，并提醒使用者休息。再对一些优秀论文进行了综述，分析了其中的优缺点，取其精华，加以利用。最后，对本文的结构进行了安排。

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