电子密码锁实验报告

11方案设计说明1.1采用以单片机为核心的控制方案采用一种是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，能实现基本的密码锁功能。设计思路如下：输入密码用矩形键盘，包括数字键和功能键。LED数码管显示输入密码，用74JS247驱动数码管发光显示数码，用74LS138控制各位显示器分时进行显示。用发光二极管代替开锁的电路，发光表示开锁。输入密码错误次数超过3次，系统报警。打开电源后，显示器显示“000000”，设原始密码为“123456”，只要输入此密码便了开门。这样可预防停电后再来电时无密码可用。按“C”键，清除显示器为“000000”。欲重新设定密码，先输入密码再按“*”。输入密码，再按“#”键。若密码与设定密码相同，则开门。否则显示器清为“000000”。1.2主要元器件介绍1.2.1主控芯片AT89C51AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash,使得AT89SC51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活，超有效地解决方案。AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[6]。芯片引脚如图1.1所示。2图1.1AT89C51芯片引脚图1.AT89C51性能简介AT89C51具有如下特点：40个引脚，4K字节可编程FLASH片内程序存储器，128×8位随即存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断源，两个16位可编程定时计数器，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路[7]。2.AT89C51引脚功能说明Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P33口的第二功能如下表1.2。表1.2P3口的第二功能端口功能第二功能端口引脚第二功能RXD（P3.0）串行输入口T0（P3.4）定时/计数器0外部输入TXD（P3.1）串行输出口T1（P3.5）定时/计数器1外部输入INT0（P3.2）外中断0WR（P3.6）外部数据存储器写选通INT1（P3.3）外中断1RD（P3.7）外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态[9]。EA/Vpp：外部访问允许。欲使CPU公访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上＋12V的编程电压Vpp[11]。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.AT89C51芯片内部结构特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片内空间分存如下图3-2所示。这些地址并没有全部占用，没有占用的地址不可使用，读这些地址将得到一个随意的数值。而写这些地址单元将不能得到预期的结果。中断寄存器：各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器[12]。图1.3为AUXR辅助寄存器。4图1.3AUXR辅助寄存器双时钟指针寄存器：为方便地访问内部和外部数据存储器，提供了两个16位数据指针寄存储器：PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。在使用前初始化DPS。图1.4为双时钟指针寄存器。图1.4双时钟指针寄存器电源空闲标志：电源空闲标志（POF）在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。51.3晶体振荡器晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz或48kHz的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz或48kHz的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SCR将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好地解决这个问题。现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。1.4电源的选择密码锁主控制部分电源需要用5V直流电源供电，其电路如图1.5所示，把频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的5V直流电压。其主要原理是把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压[15]。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805解决了电源稳压问题。D1T1220uFC5220uFC80.1uFC60.1uFC77805123～220V输出5V直流电压5V470R3Res2D2VCC电源指示图1.5电源输入电路原理图62系统硬件设计说明2.1设计原理本设计主要由单片机、矩阵键盘、LED显示电路和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警。本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。其中硬件部分由键盘输入部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，软件部分对应的由主程序、初始化程序、键盘扫描程序、LED显示程序、密码设置程序等组成。其原理框图如图2.1所示。图2.1电子密码锁原理框图2.2电路总体构成在确定了选用什么型号的单片机后，就要确定在外围电路，其外围电路包括键盘输入部分、复位部分、晶振部分、显示部分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分选择4*4矩阵键盘，显示部分选择LED显示电路。其线路开锁控制电路AT89C51单片机复位电路矩阵键盘输入显示电路晶振电路报警控制电路7图2.2电路线路图2.3复位部位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从0000H取指令[16]。系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图2.3所示RC复位电路可以实现上述基本功能。图2.3复位电路线路图82.4晶振部分电路AT89S51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图2.4所示方式连接。晶振、电容C1／C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C1、C2取值范围在20～30pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ作为系统的外部晶振[17]。电容取值为30pF。图2.4为晶振电路图。图2.4晶振电路线路图2.5键盘电路设计使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法[18]。其原理如2.5。9图2.5矩阵键盘线路图每一条水平（行线）与垂直线（列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线，即可组成具有N×M个按键的键盘。在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。对照表2.6所示的4×4键盘，说明线反转个工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，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。判断哪个键被按下：将P1.0～P1.3都置低，检测P1.4～P1.7是否有低的，若有，则证明有键按下，记下低的端口。然后，将P1.4～P1.7置低，检测P1.0～P1.3是否有低的端口，如有，则证明端口与上次的一个为地的端口交叉位置的键被按下。10键盘16个键布局如表2.7，0～9，ON,OFF,LOCK，#,C,*。其中ON为开启键盘键，按下此键后键盘开启；OFF为关闭键盘键，按下此键后键盘关闭；0～9为数字键，进行密码输入以及更改密码时的输入键；*键用来设置密码，当锁被打开后，此键方可有效工作，按下此键后，可以设置新密码；C为清除键，当输入密码按键错误时可以按此键后退并清除当前字符；#键作为确定键，开锁时，按下此键后进行密码比对，设置密码时，按下此键确定所输入的数字。表2.6键盘布局123ON456OFF789LOCK*0C#具体的功能设计如表2.7：表2.7按键功能按键键名功能说明0－9键数字键输入密码*键重设密码键设定新密码#键确定键比较密码C键清除键使显示器清零ON键开锁键键盘开启OFF键闭锁键键盘关闭LOCK键上锁键系统上锁2.6LED显示电路本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。本系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的一个串行口，利用74LS247驱动数码管发光显示数码和74LS138控制位选信号，就可以完成单片机的显示功能[18]。显示电路的电路原理图如图2.8所示。用P0.0—P0.3接74LS247的A，B，C，D四端