XJTUSE-计组大实验
引言
背景
随着科技的不断进步，智能家居技术逐渐成为人们生活中的重要组成部分。在传统门锁存在的问题和需求的推动下，智能门锁作为一种创新的解决方案受到了广泛关注。智能门锁不仅提供了更高级别的安全性，还赋予了用户更便捷和智能化的门禁控制体验。
项目介绍
本实验报告旨在设计和实现一个智能门锁系统，该系统具备密码设定和重置功能，并在密码输入完成后给予反馈信息。我们将探索智能门锁在提供安全和便利性方面的潜力，并评估其性能和功能的可行性。
具体可用功能如下：
门锁设定密码：用户可以通过设定密码来保护门锁的安全性。通过按键输入。
密码验证：门锁可以对用户输入的密码进行验证，以确保只有授权用户可以进入。
输错密码锁定：系统可以追踪用户输入的错误密码次数，当错误次数达到一定阈值时，智能门锁会自动锁定，以防止暴力破解。
密码重置：用户可以选择重置密码，以便更换旧密码或恢复遗忘的密码。这个功能可以通过特定的操作流程或者按键组合来实现。
项目目标：
提供高级别的安全性：智能门锁的主要目标是提供比传统门锁更高级别的安全性。通过使用密码验证和输错密码锁定功能，确保只有授权用户能够进入。
提供便捷的门禁控制体验：智能门锁旨在提供便捷的门禁控制体验。用户可以通过设定和重置密码来管理门禁权限，而无需使用传统的钥匙。
保护门锁免受暴力破解：通过输错密码锁定功能，智能门锁可以防止恶意攻击者通过暴力破解方式尝试多次密码，从而提高门锁的安全性。
提供可定制的安全功能：智能门锁的设计允许用户根据自己的需求定制安全功能，如设定密码长度、锁定时间等，以满足不同环境和使用场景的要求。
## Quartus
硬件设计原理图
首先是整体：
我们这里的电路首先大致上的思路是把显示器的电路和44键盘的电路所结合，它们各需要一个口进行数据的传输，因而确定了P0口用来进行显示器的相关数据的绑定，P3口用于进行44键盘的数据传输。
我们这里对P3和P1口进行处理，使得这两个I/O口成为双向口。
(如图为P3的处理，P1口的处理与其相同)
键盘帮助我们进行数据的输入，显示器用于相关信息的输出，为了实现多种功能，我们还需要其他的输出进行调控，这里我们使用了P2I，即P2口的输入。 P2的多位数值能够根据我们的需要随时修改为0或1。
这样我们还剩下一个P1口没有使用，P1可以帮助我们完成lcd显示的相关工作，还可以帮助完成蜂鸣器的发声。
我们这里P1的输出其中的声音信号以及控制lcd显示的相关信号。
关于这些P0，P1，P2，P3口的具体使用将在程序中介绍。
模式
我们选取的标准是存在扬声器并且尽可能拥有多的按键
于是最终采用的是存在扬声器且键1到键8均能控制一位数据的模式5
引脚说明
这里和我们功能密切相关的引脚有P1O[0..3]，P2I[0..7]，P0，P3
我们先说输入，
即P2I[0..6]，本来可以使用8位，不过我们最后只使用了7位，这7个引脚对应的是键7到键1，每次键的按下都会改变P2I中对应的值。
然后是其他的引脚，
P0，P3以及P1O[1..3]都对应的是电路板上的系统扩展端口，绑定引脚之后我们就能在程序中控制这些数据的改变，同时实现键盘、显示器和芯片之间的数据传输，从而在程序中获取4*4键盘按下的哪个按键，以及将我们想要显示的内容显示在显示器上。
最后还有一个P1O[0]这一个是我们实现蜂鸣器的关键，绑定的是DA24口，让我们得以输出声音信号，并且程序中不断改变其值能够实现播放不同的歌曲。
软件设计
流程图
下面给出我们智能门锁设计流程图：
流程图描述
我们智能门锁一共分为两个部分，初始化模式和工作模式。两个模式可以相互转化，通过键5进行工作模式转化到初始化模式。
下面详细介绍两个模式：
初始化模式：
该模式分为两个模块，录入密码长度和录入密码。
首先，我们要求使用者录入密码长度(1-8位)，当按下确定键后转入录入密码模块。
当使用者设置好密码后，按下确定键，转化至工作模式。
工作模式：
工作模式分为三个大块：输入密码，门铃模式，开锁模式。
用户可以选择输入密码，然后按下确定开锁按钮，系统进行判断：1.当密码准确，开启门锁；2.当密码错误，但还有试错机会，回到输入密码模式；3.当试错机会使用完毕，门锁进入死锁模式，只有按下对应按钮解锁死锁模式。
门铃模式则为按下按钮，蜂鸣器发出声音，即门铃功能。
## C语言源代码
下面我们将详细讲述我们编写的C语言源代码。由于代码部分涵盖老师给的代码和一些标准引用，因此，在本环节我们只讲述实现项目的关键部分。
常量/变量部分
`// 下面为实现功能所需的变量，全局变量存在ROM中，节省RAM uchar i; // 循环时的变量 uchar pivot = 0; // 循环时的变量 uchar keynum=16; //两个全局变量 uchar now_pd[8]={0}; // 存放当前输入的密码 uchar pass_pd[8] = {0}; // 存放设置好的密码 uchar chances = 3; // 代表试错机会一共有三次 uchar flag_verifypd = 1; // 在初始化密码时候，代表是否确认密码 uchar pd_len = 0; // 存储密码的长度 uchar flag_init = 2; // 一个辅助标记变量，用在初始化中
// 下面是将变量绑定各引脚 sbit SPK = P1^0; sbit pd7 = P2^0; sbit pd6 = P2^1; sbit pd5 = P2^2; sbit pd4 = P2^3; sbit pd3 = P2^4; sbit pd2 = P2^5; sbit pd1 = P2^6;
uchar code song_tone[]= // 存储音乐，下面三个同理 { 190,212,142,212,0 };
uchar code song_tone2[]= { 212,212,190,0 };
uchar code song_long[]= { 12,12,12,12,0 }; uchar code song_long2[]= { 3,12,12,0 };`
可以看到，常量/变量部分都是根据各功能所定义出来的，具体的功能已经给出，不再赘述。
工具函数
`// 该方法转化uchar pd为str类型，可用于LED屏幕显示 uchar *transpd(uchar pd){ switch(pd) { case 0: return "0"; case 1: return "1"; case 2: return "2"; case 3: return "3"; case 4: return "4"; case 5: return "5"; case 6: return "6"; case 7: return "7"; case 8: return "8"; case 9: return "9"; case 10: return "A"; case 11: return "B"; case 12: return "C"; case 13: return "D"; case 14: return "E"; case 15: return "F"; default: return "0";// } }
// 该方法为将三个按钮pd1,pd2,pd3表示二进制转化为十进制。 uchar getNum(){ if(pd1==0 && pd2==0 && pd3 ==0){ return 0; } else if(pd1==1 && pd2==0 && pd3 ==0){ return 1; } else if(pd1==0 && pd2==1 && pd3 ==0){ return 2; } else if(pd1==1 && pd2==1 && pd3 ==0){ return 3; } else if(pd1==0 && pd2==0 && pd3 ==1){ return 4; } else if(pd1==1 && pd2==0 && pd3 ==1){ return 5; } else if(pd1==0 && pd2==1 && pd3 ==1){ return 6; } else if(pd1==1 && pd2==1 && pd3 ==1){ return 7; } return 0; }
// 检查now_pd即输入密码是否与pass_pd一致即设置密码 uchar check_pd(){ for (pivot=0;pivot<pd_len;pivot++){ if (now_pd[pivot]!=pass_pd[pivot]){ return 0; } } return 1; }
// 初始化密码，全部设为0 void init_pd(){ for (pivot=0;pivot<pd_len;pivot++){ now_pd[pivot]=0; pass_pd[pivot] = 0; } }
// 改变密码，将输入的密码存为设置好的密码 void change_pd(){ for (pivot=0;pivot<pd_len;pivot++){ pass_pd[pivot] = now_pd[pivot]; } }`
这些工具函数在后续的编写有用，实现功能都较为简单，而且实现方法也较为简单，不再赘述。
主函数
`void main(void){
lcd_init();//初始化
// 初始化模式
while(1){//循环执行
if (flag_init==2){ // 进入初态
lcd_init();//初始化
while (1){
display(1,0,"set u pd length(1-8)");
if (P3!=0xf0) key_scan();//判断按键是否按下，按下时扫描键盘获得按键序号
if (keynum!=16){
if (keynum<=8 && keynum>=0){
pd_len = keynum; // 设置密码长度
flag_init--; // 更新状态
display(2,0,transpd(keynum)); // 在特定的LED屏幕位置进行展示，后面的类似，不再赘述
break;
}
}
}
if(flag_init==1){
display(3,0,"set u pd:");
while(1){
P3=0xf0;
if (P3!=0xf0) key_scan();//判断按键是否按下，按下时扫描键盘获得按键序号
if (keynum!=16)
{
if (getNum()<pd_len && getNum()>=0){ // 密码只能设置1-8位
now_pd[getNum()] = keynum; // 设置密码
}
}
for(pivot=0;pivot<pd_len;pivot++){
display(4,pivot,transpd(now_pd[pivot]));
}
if (pd6 == 1){ // 确定设置密码
change_pd(); //改变密码
flag_init --; // 更改状态
break;
}
}
}
lcd_init();//初始化
}
// 工作模式
display(1,0,"please entry pd:");
P3=0xf0;
if (P3!=0xf0) key_scan();//判断按键是否按下，按下时扫描键盘获得按键序号
if (keynum!=16)
{
if (getNum()<pd_len && getNum()>=0){
now_pd[getNum()] = keynum; // 获取当前输入密码
}
}
// 循环展示密码
for(pivot=0;pivot<pd_len;pivot++){
display(2,pivot,transpd(now_pd[pivot]));
}
// 下面为验证密码
if (pd4==1 && chances>0 && flag_verifypd==1){
// 成功
if (check_pd()==1){
display(3,0,"success!! ");
display(4,0," ");
chances = 3;
playmusic(); // 播放音乐
}
// 失败
else{
chances --;
flag_verifypd = 0;
display(3,0,"fail!! chance(s):");
display(4,0,transpd(chances));
}
}
// 重置辅助修改密码的flag
if (pd4 == 0){
flag_verifypd = 1;
}
// 下面回到初始化模式
if (pd5==1){
init_pd();
chances = 3;
keynum = 16;
flag_init = 2;
}
// 下面为重置修改次数，仍在工作模式
if(pd6==1){
chances = 3;
lcd_init();//初始化
}
// 按门铃功能
if(pd7==1){
playmusic2();
}
delay_ms(500);
} }`
简单来讲，在主函数存在两个模式：初始化模式和工作模式。在不同模式中，不同按钮、按键存在不同含义，同时不同模式可以切换，不同模式存在不同的具体功能。
初始化模式功能：设置密码长度，设置密码。
工作模式：输入密码，按门铃，重置密码，回到初始化模式。
代码没有完全给出，这是因为有些代码是冗余以保障功能健硕，有些代码是老师提供的。全部代码可以参考压缩包中的.c文件。
调试总结&实验过程
下面给出我们实验的全过程：
首先切换到模式5，将程序导入rom中，我们就会进入我们程序的初始化界面
在这个界面下，根据提示，我们需要使用4*4键盘输入我们设定密码的位数，数值必须在1~8以内，如果输入在这之外的数字是无效的，不会进入下一步。
我们这里输入数字2
这时候就需要我们设定密码了，默认密码的每一位都是0，我们这里没有进行改动。
使用左侧键6提交我们的初始密码，我们就能够进入我们程序的主要界面，并且刷新。
那么我们先尝试一下提交密码，看看是什么结果
当然00是正确的密码，这里会提示文字信息，并且还会播放一段音乐。
我们也可以尝试其他密码，比如这里我们修改一下第0位为6
(注释：如何修改其他位的密码？
这里我们就要使用左侧的键1到键3，它们各自对应一个二进制的值，现在全是0，那么就是000，对应的是第0位。
如果我们要修改第1位的密码，那么只需要将键1点亮，使得二进制对应为001，这样就可以修改第1位的密码。
假设要修改第3位的密码，只要键3不亮，键2点亮，键1点亮，即011，对应3即可使用4*4键盘修改对应位。
当然我们这里只设置了2位，只需要调整键1就可以全部控制了。)
如果继续提交两次。
我们只有三次错误机会，如果全部错误就会锁定，无法继续提交了。
那么最后总结一下左侧按键的功能：
键1~键3：调整4*4键盘对应密码的位数，000对应第0位，111对应第7位。
键4：在主界面确定密码并提交。
键5：重新进入初始化界面。
键6：在初始化界面确认设置密码并提交，在主界面是刷新显示界面。
键7：控制蜂鸣器的发声。
实验困难及解决
模式的选择难题
一开始我们是想在老师给的4×4key的样例的模式2上进行智能门锁的实现。
如图所示扩展了两个输出口，利用到了P0，P1，P2
事实证明，我们完成地也不错，我们将图示的三个显示屏用来展示密码
然后，用三个按钮控制密码输入输出和确定。
但是，我们接下来就遇到了巨大的问题：
每个显示屏需要7个引脚，这是难以忍受的：我们没有多余的引脚来实现其他功能了！！！
同时，我们注意到模式2没有蜂鸣器，这对于门铃来讲是巨大的挫折。
最后，我们舍弃了之前做过的工作，选择模式5，完成了较为完善的引脚配置和其他功能的结合。
引脚的配置难题
当我们从模式2转移到模式5，遇到的第一个问题就是硬件引脚的配置，尤其是4×4key键盘引脚的配置，不过好在通过耐心的查看老师样板引脚配置，最终理解了板子的引脚如何设置，我们完成了引脚的配置。
ROM内存难题
一开始编写C程序，由于我们不敢修改老师的代码和想要实现非常多的功能，因此导致编译后的内存超过了4K。我们一开始没有理解为什么程序跑不起来，后来仔细对比了程序编译后的字节和ROM的内存，才发现内存超出了。对此，我们进行了如下操作：
精简了功能实现的代码，尤其是对于一些变量的使用。
删改了老师的参考代码，比如对于歌曲，我们再理解频率等相关知识后，自己修改出来了一个更为短暂的门铃。
删除了部分非必要的功能。
## 实验结论
实验结果表明，智能门锁成功实现了密码设定和验证的基本功能。密码验证过程稳定可靠，能够准确判断用户输入的密码是否正确，并根据设定的要求进行相应的锁定操作。密码重置功能也得到了有效实现，用户可以通过特定的操作流程轻松重置密码。
在实验过程中，智能门锁系统表现出较高的安全性和便利性。输错密码锁定功能有效地防止了暴力破解的尝试，提高了门锁的安全性。同时，用户可以通过简单的操作来设定密码和重置密码，无需使用传统的钥匙，提供了更便捷的门禁控制体验。
心得
本次实验完成了一个智能电子门锁，过程可以说是非常曲折了，不过好在我们成功完成了一个具有实际意义的小应用。这次应用主要的创新点应该是我们想法的创新，软件的编写以及硬件模式的融合。
在硬件实现上虽然参照了老师给的样例，但我们也进行了模式融合的创新。
相较于其他队伍，我们选题独树一帜，也算是创新点。
软件即C语言编写，经过了许多版本迭代，最后在有限的内存中折中达成了设想的门锁功能。
当然，也要勇于承认自己的不足：
我们硬件调试依旧不是完美，有着部分缺陷，比如延迟过高，灵敏度不足；
软件代码的编写还是存在部分冗余，占用内存。