電子密碼鎖課程設(shè)計(jì)5元

1、1 緒論單片機(jī)一詞最初是源于singlechipmicrocomputer”，簡稱scm。在單片機(jī)誕生時(shí)，scm是一個(gè)準(zhǔn)確、流行的稱謂，“單片機(jī)”一詞準(zhǔn)確地表達(dá)了這概念。隨著scm在技術(shù)上、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴(kuò)展其控制功能，單片機(jī)已不能用“單片微型計(jì)算機(jī)”來準(zhǔn)確表達(dá)其內(nèi)涵。國際上逐漸采用mcu(microcontrollerunit”)來代替，形成了單片機(jī)界公認(rèn)的、最終統(tǒng)一的名詞。在國內(nèi)因?yàn)椤皢纹瑱C(jī)”一詞已約定俗成，故而繼續(xù)沿用。單片機(jī)是將中央處理器cpu、存儲(chǔ)器和i/o接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，但由于工藝和其它方面的原因，很多功能部件并未集成在單片機(jī)芯片內(nèi)部。于

2、是，用戶通常的做法是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要在外圍擴(kuò)展功能芯片。如今的市場上為我們提供了豐富多彩的單片機(jī)產(chǎn)品。從宏觀上講，有risc和cisc兩大類型；從微觀上說，有intel、motorola、philips、microchip、emc、nec等公司的相關(guān)產(chǎn)品。在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，都將維持這種群雄并起、共性與個(gè)性共存的局面。但是，以80c51為代表的單片機(jī)的基礎(chǔ)地位不會(huì)動(dòng)搖。這是因?yàn)?0c51的架構(gòu)和指令系統(tǒng)為后來的單片機(jī)提供了參考基準(zhǔn)和強(qiáng)大支持，凡是學(xué)過80c51單片機(jī)的人再去學(xué)用其它類型的單片機(jī)易如反掌，借梯子爬坡何樂而不為呢？因此，通過這次課程設(shè)計(jì)，以80c51芯片為核心實(shí)現(xiàn)密碼鎖功能，學(xué)

3、習(xí)單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理以及用c語言編程，為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展和“以人為本”思想在單片機(jī)設(shè)計(jì)上的體現(xiàn)，很多單片機(jī)生產(chǎn)廠家充分考慮到用戶的需求，將一些常用的功能部件，如a/d(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、d/a(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、pwm(脈沖產(chǎn)生器)以及l(fā)cd(液晶)驅(qū)動(dòng)器等集成到芯片內(nèi)部，盡量做到單片化；同時(shí)，用戶還可以提出要求，由廠家量身定作(soc設(shè)計(jì))或自行設(shè)計(jì)。2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1設(shè)計(jì)的目的及主要任務(wù)2.1.1設(shè)計(jì)的目的學(xué)會(huì)單片機(jī)的工作原理以及根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行外圍擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)電子密碼鎖功能。根據(jù)實(shí)際要求學(xué)會(huì)畫程序流程圖，然后用c語言編程，并了解在keil c51 uvisi

4、on3 集成開發(fā)環(huán)境下運(yùn)行程序和燒錄程序。 2.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo) 其密碼為方4位（或8位）二進(jìn)制代碼（代碼自設(shè)定）。 開鎖指令為串行輸入碼，當(dāng)開鎖密碼與存儲(chǔ)密碼一致時(shí)，鎖被打開。當(dāng)開鎖密碼與存儲(chǔ)密碼不一致時(shí)，可重復(fù)進(jìn)行，若連續(xù)三次未將鎖打開，電路則報(bào)警并實(shí)現(xiàn)自鎖。（報(bào)警動(dòng)作為響1分鐘，停10秒）運(yùn)用專業(yè)單片機(jī)仿真軟件proteus 7.12的仿真功能對所設(shè)計(jì)的數(shù)字電子密碼鎖的各個(gè)模塊及頂層電路的功能進(jìn)行仿真分析。將所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)寫入單片機(jī)系統(tǒng)中，加上需要的外圍電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的硬件搭建。2.2設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)首先在keil c51集成開發(fā)環(huán)境中對單片機(jī)最小系統(tǒng)的各個(gè)部分利用c語

5、言予以設(shè)計(jì)，生成模塊，分別有控制模塊，矩陣鍵盤模塊，數(shù)碼管顯示模塊；外圍電路有掉電存儲(chǔ)模塊和開鎖電路模塊。隨后運(yùn)用單片機(jī)仿真軟件proteus 7.12的仿真功能對其予以仿真，從仿真的結(jié)果中分析程序的正確性。待所有模塊的功能正確之后，運(yùn)用原理圖搭建頂層電路并進(jìn)行整體仿真直至達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求，最后在焊制的電路板上運(yùn)行驗(yàn)證其正確性。3 方案論證與比較3.1 方案一：方案一采用數(shù)字電路控制，其原理方框圖如圖3-1所示圖3-1數(shù)字密碼鎖電路框圖采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計(jì)簡單。用以74ls112雙jk觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設(shè)了9個(gè)用戶輸入鍵，其中只有4個(gè)是有效的密碼按鍵

6、，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動(dòng)清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時(shí)間超過40秒（一般情況下，用戶不會(huì)超過40秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報(bào)警80秒，若電路連續(xù)報(bào)警三次，電路將鎖定鍵盤5分鐘，防止他人的非法操作。電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源(ups)，其中設(shè)置ups電源是為了防止因?yàn)橥ｋ娫斐傻拿艽a鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖電路、執(zhí)行電路、報(bào)警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路。3.2 方案二：方案二是用以at89s51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的io端口，及

7、其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖3-2所示89s51單片機(jī)矩陣鍵盤控制輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤延時(shí)報(bào)警控制電路at24c02掉電存儲(chǔ)開鎖控制電路指示電路串口顯示電路圖3-2單片機(jī)控制方案通過比較以上兩種方案，單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。4單元模塊設(shè)計(jì)4.1開鎖電路模塊通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動(dòng)電磁鎖吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。其原理如圖4-1-1所示。單片機(jī)微控制器開鎖驅(qū)動(dòng)電路電磁鎖密碼正確？y返回n圖4-1-1密碼鎖

8、開鎖機(jī)構(gòu)示意圖當(dāng)用戶輸入的密碼正確的話，單片機(jī)便輸出開門信號，送到開鎖驅(qū)動(dòng)電路，然后驅(qū)動(dòng)電磁鎖，達(dá)到開門的目的。其實(shí)際電路如圖4-2-2所示。圖4-2-2密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)示意圖電路驅(qū)動(dòng)和開鎖兩級組成。由d5、r1、t10組成驅(qū)動(dòng)電路，其中t10可以選擇普通的小功率三極管如9014、9018都可以滿足要求。d5作為開鎖的提示；由d6、c24、t11組成。其中d6、c24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。t11可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。在本次設(shè)計(jì)中，基于節(jié)省材料的原則，暫時(shí)用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示

9、開鎖；滅，表示沒有開鎖。4.2 矩陣鍵盤模塊由于設(shè)計(jì)要求使用矩陣鍵盤，所以本設(shè)計(jì)就采用行列式鍵盤，同時(shí)也能減少鍵盤與單片機(jī)接口是所占用的i/o線數(shù)目，在按鍵比較多的時(shí)候，通常采用這樣方法。其原理如圖4-2-1所示。89s51d0d1d2d3d4d5d6d7d8d9d105.1k x 45.1k x 4vcc圖4-2-1行列式鍵盤原理電路圖每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要n條行線和m條列線，即可組成具有nm個(gè)按鍵的鍵盤。在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。當(dāng)確認(rèn)

10、有按鍵按下后，下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵按下。對鍵的識(shí)別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。對照圖4-2-1所示的44矩陣鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機(jī)i/o口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00h，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器a中。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下使通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則

11、所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。4.3數(shù)碼管顯示模塊在所設(shè)計(jì)電路中，指示電路選用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描電路。它是把所有顯示器的8個(gè)筆畫段a到h的各同名段端互相并接在一起，并用它們接到字段輸出口上。為了防止各顯示器同時(shí)顯示相同的數(shù)字，各顯示器的公共端com還要受到另一組信號控制，即把它們接到位輸出口上。這樣，對于一組led數(shù)碼顯示器，需要由兩組信號來控制：一組是字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形；另一組是位輸出口輸出的控制信號，用來選擇第幾位顯示器工作。圖4-3-1是其動(dòng)態(tài)顯示示意圖。圖4-3-1 led動(dòng)態(tài)顯示示意圖4.4掉電存儲(chǔ)模塊掉電存儲(chǔ)單元的作用是在電源斷

12、開的時(shí)候，存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的信息。at24c02是atmel公司的2kb字節(jié)的電可擦除存儲(chǔ)芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，電壓最低可以到2.5v，額定電流為1ma，靜態(tài)電流10ua(5.5v)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的dip封裝，使用方便。其電路如圖4-4-1所示。 圖4-4-1掉電存儲(chǔ)電路原理圖圖中r8、r10是上拉電阻，其作用是減少at24c02的靜態(tài)功耗，由于at24c02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線scl（移位脈沖）和sda（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。每當(dāng)設(shè)定一次初次密碼，系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)程序，將該信息保存

13、在芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候，自動(dòng)調(diào)用讀存儲(chǔ)器程序，將存儲(chǔ)器內(nèi)的存儲(chǔ)信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。5 程序設(shè)計(jì)5.1模塊介紹 主程序模塊: 主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。 鍵盤掃描及識(shí)別子程序：鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。掉電存儲(chǔ)程序：當(dāng)比較密碼的時(shí)候，需要讀at24c02程序，將存儲(chǔ)在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到ram中，然后和輸入的密碼相比較。當(dāng)修改密碼的時(shí)候，需要把輸入的密碼保存到at24c02。顯示子程序：由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到5個(gè)顯示子

14、程序，分別是：關(guān)閉狀態(tài)顯示子程序（dis_a）、開鎖狀態(tài)顯示子程序（dis_b）、密碼輸入及修改狀態(tài)顯示子程序(dis_c)、密碼輸入錯(cuò)誤后的提示子程序(dis_d)。密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)顯示子程序(dis_e).5.2程序流程圖以及程序5.1.1程序流程圖程序流程圖如圖5-1-1所示。開始初始化有鍵按下？調(diào)用顯示啟動(dòng)定時(shí)識(shí)別按鍵全部按完？超時(shí)？比較密碼開門開始自動(dòng)清除3次？鎖定nnyyyynn修改密碼啟動(dòng)定時(shí)輸入密碼存入緩沖再輸入一次比較密碼調(diào)用24c02調(diào)用顯示完畢y重新輸入n主程序流程圖修改密碼流程圖圖5-1-1 程序流程圖5.1.2 程序書寫 /晶振11.

15、0592mhz，t1每250微秒中斷，按鍵p1.0-p1.7，發(fā)光二極管接p3.0-p3.3，p3.7接蜂鳴器/*變量的定義: show_val6: 顯示的值 init_val6: 密碼初始值 key_val: 返回按鍵的值 255-表示無按鍵按下 key_index: 當(dāng)前按鍵是哪一位密碼 t1_cnt: 定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出數(shù) cnt_val_15s: 報(bào)警計(jì)時(shí)的數(shù)值 cnt_val_5s: 待機(jī)時(shí)間計(jì)時(shí) cnt_val_4s: 輸入正確，等待4秒清除開鎖信號 cnt_state: 計(jì)時(shí)狀態(tài) error_num: 錯(cuò)誤次數(shù)led_seg_code：數(shù)碼管7段碼*/#include reg52.h

16、/*說明 key0=p10; key1=p11;key2=p12; key3=p13;key4=p14;key5= p15;key6= p16; key7= p17sbit relay_open=p30; /電磁鎖開鎖驅(qū)動(dòng)sbit pw_error=p31; /密碼錯(cuò)誤信號sbit alarm_out=p32; /報(bào)警輸出sbit open_lock=p33; /已開鎖指示信號sbit audio_out=p37; /有源蜂鳴器unsigned char data cnt_val_15s,cnt_val_5s,cnt_val_4s,cnt_state;unsigned int data t1_

17、cnt;unsigned char data key_val,key_index,key_val_old;unsigned char data state_val,error_num;unsigned char data show_val6;char code init_val6=1,2,3,4,5,0;/char code led_seg_code11=0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00;char code led_seg_code11=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8

18、,0x80,0x90,0x88;/led_seg_code0-9代表0-9 led_seg_code10=0x00數(shù)碼管不顯示任何內(nèi)容/-延時(shí)程序-void delay(unsigned int i)/延時(shí) while(-i); /-清除輸入內(nèi)容-void init_variant()unsigned char i; for(i=0;i3999) /如果計(jì)數(shù)3999, 計(jì)時(shí)1s t1_cnt=0; switch (cnt_state) case 0: /待機(jī)，需要計(jì)時(shí)5s if(cnt_val_5s5) cnt_val_5s+; else cnt_val_5s=0; init_variant(

19、);/待機(jī)計(jì)時(shí)到5秒時(shí)，清除輸入的內(nèi)容 tr1=0; /停止計(jì)時(shí) break; case 1:/密碼輸入正確，需要計(jì)時(shí)4s if(cnt_val_4s4) cnt_val_4s+; else cnt_val_4s=0; init_variant();/密碼輸入正確，計(jì)時(shí)到4秒時(shí)，清除輸入的內(nèi)容 open_lock=1; /已開鎖信號清零 relay_open=1; /開鎖信號清零 cnt_state=0; tr1=0; /停止計(jì)時(shí) break; case 2: /密碼輸入錯(cuò)誤3次，計(jì)時(shí)15s if(cnt_val_15s15) cnt_val_15s+; else cnt_val_15s=0;

20、 init_variant();/三次密碼錯(cuò)誤時(shí)，計(jì)時(shí)15秒，清除輸入的內(nèi)容 open_lock=1; / 清除所有指示和報(bào)警 relay_open=1; alarm_out=1; pw_error=1; cnt_state=0; tr1=0; /停止計(jì)時(shí) break; /-判斷鍵盤輸入內(nèi)容與密碼是否一致-unsigned char check_input_pw() unsigned char i,k; k=1; for(i=0;i x=19 tl1=0x19; ea=1; /開中斷 et1=1; tr1=0; /開定時(shí)器t1 while(1) key_val=scan_key(); /按鍵輸

21、入，有鍵按下key_val為0-7，無鍵按下key_val為255。 if (key_val!=key_val_old) key_val_old=key_val; if (key_val!=255& cnt_state!=2) audio_out=0; delay(100); /延時(shí)去抖動(dòng) audio_out=1; switch (key_val) case 0: case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: if(key_index6) /密碼為6位，超過6位視為輸入無效 show_valkey_index=key_val; key_index+; brea

22、k; case 6: /確認(rèn)鍵 if(check_input_pw() /密碼正確 error_num=0; /密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)清零 /- pw_error=1; /密碼錯(cuò)誤指示燈滅 relay_open=0; /開鎖驅(qū)動(dòng)信號燈亮 open_lock=0; /已開鎖信號燈亮 /- delay(50000); /兩聲短滴聲 audio_out=0; delay(50000); audio_out=1; delay(50000); audio_out=0; delay(50000); audio_out=1; /- cnt_state=1; /下一狀態(tài)處于4秒計(jì)時(shí)的狀態(tài) tr0=1; /啟動(dòng)定時(shí)

23、else if (error_num2) error_num+; /輸入錯(cuò)誤次數(shù)小于3次時(shí)，設(shè)錯(cuò)一次error_num增一 pw_error=0; /密碼錯(cuò)誤指示燈亮 /- delay(20000);/一聲長滴聲，提示錯(cuò)誤 audio_out=0; delay(60000); audio_out=1; /- init_variant();/清除所有輸入，等待下一次輸入 else /輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過3次 alarm_out=0; /報(bào)警燈亮 pw_error=0; /密碼錯(cuò)誤指示燈亮 error_num=0; /密碼輸入錯(cuò)誤次數(shù)清零 /- audio_out=0; /長鳴聲報(bào)警 delay(60

24、000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); delay(60000); audio_out=1; /- tr1=1; /打開定時(shí)器計(jì)時(shí) cnt_state=2; /下一狀態(tài)處于15秒計(jì)時(shí)的狀態(tài) break; case 7:/取消鍵 init_variant(); break; led_show();/-程序結(jié)束-6 電路仿真分析由于驗(yàn)證方法手段不斷改進(jìn)和提高，對于一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提倡用軟件、硬件協(xié)同驗(yàn)證方法，加速仿真過程。程序編寫完

25、畢，運(yùn)用專業(yè)單片機(jī)仿真軟件proteus 7.12的仿真功能對所設(shè)計(jì)的數(shù)字電子密碼鎖進(jìn)行仿真，進(jìn)而確認(rèn)設(shè)計(jì)電路與程序的正確性。圖6-1 數(shù)字密碼鎖仿真圖如圖6.1為密碼鎖工作狀態(tài)仿真。 7 硬件調(diào)試仿真結(jié)果正確后，就可將文件下載到芯片中。連接硬件系統(tǒng)后，通上電源，觀察驗(yàn)證所焊制的電路板能否達(dá)到預(yù)期的要求，主要需要觀察led數(shù)碼管顯示是否準(zhǔn)確穩(wěn)定，并且是否能被鍵盤準(zhǔn)確控制，以及輸入密碼正確開鎖、輸入錯(cuò)誤報(bào)警是否能正確實(shí)現(xiàn)。硬件電路調(diào)試是否能成功除了取決于編寫的程序之外，與外圍電路的焊制也有很大的關(guān)系，因?yàn)橥鈬娐返暮钢屏己眯詻Q定了整個(gè)電路最后運(yùn)行的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性，如數(shù)碼管顯示是否穩(wěn)定等現(xiàn)象，很大程度取決于硬件電路。實(shí)驗(yàn)測試表明，整個(gè)電路能很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)字密碼鎖的功能，led數(shù)碼管能夠很好顯示所輸入的密碼，開鎖以及報(bào)警也能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)，初始密碼為1234，輸完后按確定鍵開鎖，取消鍵清除所有輸入。密碼輸入正確后，輸出一個(gè)電磁鎖開鎖信號與已開鎖信號，并發(fā)出兩聲短“滴”聲提示。4秒后開鎖信號與已開鎖指示清零。密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出一聲長“滴”聲錯(cuò)誤指示提示音，并密碼錯(cuò)誤指