毕业设计（论文）-基于单片机的电子号码锁设计.doc

成都理工大学工程技术学院毕业论文基于单片机的电子号码锁设计作者姓名： 专业名称：电气工程及其自动化指导教师： 基于单片机的电子号码锁设计摘要在日常的生活和工作中, 住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙, 使用极不方便, 且钥匙丢失后安全性即大打折扣。随着科学技术的不断发展，人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的号码锁应运而生。电子号码锁具有安全性高、成本低、低耗功、易操作等优点。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子号码锁逐渐代替传统的机械式密码锁，克服了机械式密码锁密码量少、安全性能差的缺点，使密码锁无论在技术上还是在性能上都大大提高一步。随着大规模集成电路技术的发展，特别是单片机的问世，出现了带微处理器的智能密码锁，它除具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用日益广泛。本次设计使用 atmel公司的 at89c51 实现基于单片机的电子号码锁的设计，其主要具有如下功能：（1）密码通过键盘输入，若密码正确，则将锁打开。（2）报警、锁定键盘功能。密码输入错误数码显示器会出现错误提示，若密码输入错误次数超过 3 次，蜂鸣器报警并且锁定键盘。电子号码锁的设计主要由三部分组成：44 矩阵键盘接口电路、密码锁的控制电路、输出八段显示电路。另外系统还有 led 提示灯，报警蜂鸣器等。主要的设计实施过程：首先，选用 atmel公司的单片机 at89c51，以及选购其他电子元器件。第二步，使用 dxp 设计硬件电路原理图，并设计 pcb图完成人工布线。第三步，使用 keil uvision4 软件编写单片机的汇编语言程序、仿真、软件调试。第四部，使用 proteus 软件进行模拟软、硬件调试。最后，联合软、硬件调试电路板，完成本次毕业设计。关键词: 号码锁 4x4矩阵键盘 数码显示器 报警蜂鸣abstractin daily life and work, housing and security departments, units of the paper files, financial statements, and some personal information in order to save the multi-lock approach to solve. if you use the traditional mechanical key to unlock, people often need to carry multiple keys and the usage is very inconvenient. and if the key is lost the security will be compromised. with the continuous development of science and technology, people in daily life safe and secure devices have become increasingly demanding. to meet requirements for the use of locks to increase their safety, the key replaced with a password lock came into being. the lock has many advantages such as high security, low cost, low power, easy to operate and so on. in the field of security technology, electronic anti-theft alarm lock gradually replace the traditional mechanical lock, mechanical locks to overcome the password is less, the shortcomings of poor safety performance, so that locks both technically and in performance have greatly improved step. with the development of large scale integrated circuit technology, in particular, the advent of single chip, there has been smart with microprocessor lock, which in addition have an electronic code lock function, but also the introduction of intelligent management, expert analysis system and other functions, so that the lock high security, reliability, application is becoming more widespread. this design uses at89c51 to achieve single-chip microcontroller-based design of electronic locks, which mainly has the following functions: (1) the password via the keyboard input, if the password is correct, then the lock opens. (2) alarm, lock the keypad functions. digital display will enter the wrong password error occurs, if the password is entered more than 3 times the number of errors, the buzzer alarm and lock the keypad. electronic code lock design consists of three parts: 4 4 matrix keyboard interface circuit, control circuit locks the output eight section display circuit. in addition the system also prompts led lights, alarm buzzer. the main design and implementation process: first, we choose the atmel companys single-chip microcontroller at89c51, as well as buy other electronic components. second, using the dxp 2004 designs the hardware circuit diagram and pcb design complete manual wiring diagram. third, write with keil uvision3 microcontroller assembly language programs, and simulate, debug software. fourth, using proteus carries on software and hardware debugging. finally, combining software and hardware debugging circuit boards completes the graduation project. keywords: password lock, 4x4 matrix keyboard, digital display, alarm buzzer- iii -iii- -目录摘要iabstractii目录iv前言11 单片机的概述21.1 单片机的简介21.2 单片机的应用42总体方案设计63 硬件电路设计93.1 键盘电路93.2 led显示电路103.3 开锁电路133.4 报警电路144 软件程序设计154.1 软件设计思路154.2 各子程序设计154.2.1 键盘扫描子程序154.2.2 led显示子程序184.2.3 密码比较和报警子程序20总 结22致谢23参考文献24附件1 源程序清单25附件2 硬件原理图32 基于单片机的电子号码锁设计前言随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机单芯片的微小体积和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。本文所涉及的是市场占有率最高的是mcs51系列，因为世界上很多知名的ic生产厂家都生产51兼容的芯片。到目前为止，mcs51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。本设计是基于单片机的号码锁设计方案，根据要求，给出了该单片机密码锁的硬件电路和软件程序，同时给出了单片机型号的选择、硬件设计、软件流程图、单片机存储单元的分配、汇编语言源程序及详细注释等。1 单片机的概述1.1 单片机的简介单片微型计算机(single chip microcomputer)简称单片机，又是典型的嵌入式微控制器（embedded microcontroller ），常用英文字母的缩写scm表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成为复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了mcs-51系列单片机系统，其引脚示意如图1.1所示。基于这一系统的单mcs-51图1.1 mcs-51引脚片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着intel i960系列特别是后来的arm系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300mhz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处的高端单片机甚至可以直接使用专用的windows和linux操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过pc机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了i/o设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如cpu，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、vcd等等的家电里面都可以看到它的身影！它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用pc机）的主要区别。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的cd4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大pcb板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。1.2单片机的应用目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及摇控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。6.单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于can总线的汽车发动机智能电子控制器，gps导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用2总体方案设计方案一：用数字电路控制。其原理方框图如图2.1所示。密码修改电路开始计时正确密码检查键盘输入执行电路开锁电路消除报警信号号开门限时报警锁定5秒钟3报警次数检测电源 vcc电子切换开关市电供电电路蓄电池6v220v断电检测充电电路图2.1 数字密码锁电路方案采用数字号码锁电路的好处就是设计简单。用以74ls112双jk触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9个用户输入键，其中只有4个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过40秒（一般情况下，用户不会超过40秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警80秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5分钟，防止他人的非法操作。电路由两大部分组成：号码锁电路和备用电源(ups)，其中设置ups电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。号码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。方案二：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，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加掉电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。其原理如图2.2所示。89s51单片机矩阵键盘控制输入错误锁定键盘延时报警控制电路at24c02掉电存储开锁控制电路指示电路串口显示电路图2.2单片机控制方案通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。本方案采用一种是用以89s51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i/o端口，及其控制的准确性，实现基本的号码锁功能。初步设计思路如下：输入密码用矩阵键盘，包括数字键和功能键。led数码管显示输入密码，用74ls247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”，设定原始密码为“123456”，只要输入此密码便开门。这样可预防停电后再来电时无密码可用。按“#”(清除)键，清除显示器为“000000”。欲重新设定密码，先输入原密码再按“*”。输入6位密码后，再按“”(确认)键。若密码与设定密码相同，则开门。否则显示器清为“000000”。软件的设计主要包括键盘键值的读取，led显示程序，密码比较程序和报警程序。3 硬件电路设计3.1 键盘电路使用矩阵键盘，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。其原理如图3.1所示。图3.1 矩阵键盘每一条水平（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nm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。对照图3.1所示的44键盘，说明逐行扫描查询法工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，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：行线输出全为高电平，列线置为低电平，然后将行线状态读入累加器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，然后查询所有行线状态，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。具体的功能设计如表3.1：表3.1 按键功能按 键键 名功 能 说 明19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# 键清 除 键使 显 示 器 清 零3.2 led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，显示电路的电路原理图如图3.2所示。用p0.0p0.3接74ls247的a，b，c，d四端口，74ls247的输出口接led的七段显示；而p0.4p0.6接74ls138的a，b，c三个输入口，74ls138的输出口接led的位显示。通过软件实现数字和位控制。图3.2 led显示电路用74ls247可以控制输出字型。74ls247逻辑功能表如表3.2所示。表3.2 74ls247的逻辑功能表十进制数输入输出字型dcbaqaqbqcqdqeqfqg0000000000010100011001111120010001001023001100001103401001001100450101010010056011001000006701110001111781000000000089100100001009用74ls138控制位循环显示，其逻辑功能表如表3.3所示表3.3 74ls138逻辑功能表cbay1y2y0y3y4y5y6y700001111111001101111110101101111101111101111100111101111011111101111011111101111111111103.3 开锁电路在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光二极管亮，表示开锁；发光二极管灭，表示没有开锁。电路图如3.3所示。当p2.0口输出低电平时，二极管发光，表示开锁。图3.3 开锁电路3.4报警电路图3.4报警电路报警模块由蜂鸣器和单片机组成。选择一只压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器工作时约需要100ma驱动电流。蜂鸣器电路如图3.4所示。当89c51的p2.1口输出为低电平时，蜂鸣器产生蜂鸣音，89c51输出为高电平时，蜂鸣器不发声。4 软件程序设计4.1软件设计思路电子号码锁工作的主要过程是led数码管提示开始输入密码，通过键盘输入密码，同时led显示密码输入情况，按下确认键后判断密码的正确性，作出开锁或报警处理。当输入密码连续输入错误3次时，系统报警。密码的设定，在此程序中输入密码是固定40h45h中，假设预设的密码为123456共6位密码。由于采用两个按键来完成密码的输入，那么其中一个按键为功能键，另一个按键为数字键。在输入过程中，首先输入密码的长度，接着根据密码的长度输入密码的位数，直到所有长度的密码都已经输入完毕；或者输入确认功能键之后，才能完成密码的输入过程。进入密码的判断比较处理状态并给出相应的处理过程。4.2 各子程序设计4.2.1 键盘扫描子程序键盘扫描流程图如图4.1所示：开始设置初值调消除抖动子程序送入行扫描初值读p1值设c=1左移扫描列c=0?yna=0?ynr5=0?n调消除抖动子程序y设c=1右移扫描列结束nc=0?y图4.1 键盘扫描流程图键盘扫描子程序如下：l2: mov r3,#0f7h mov r1,#00hl3: mov a,r3mov p1,a mov a,p1 mov r4, setb c mov r5,#04hl4: rlc a jnc keyin inc r1 djnz r5,l4 call disp mov a,r3 setb c rrc a mov r3,a jc l34.2.2 led显示子程序 led显示流程图如图4.2所示：开始载入按键值按键值+74ls138的扫描值送p0口输出图4.2 led显示流程图led显示子程序如下：disp: mov r0,#45hdisp1: mov a,r0 add a,#50h mov p0,a call delay dec r0 mov a,r0 add a,#40h mov p0,a call delaydec r0 mov a,r0 add a,#30h mov p0,a call delaydec r0 mov a,r0 add a,#20h mov p0,a call delay dec r0 mov a,r0 add a,#10h mov p0,a call delay dec r0 mov a,r0 add a,#00h mov p0,a call delay ret4.2.3密码比较和报警子程序密码比较和报警流程图如4.3所示：开始n清零显示n比较第一位yn比较下一位记录错误次数ny6位比较完y3次 报警y正确 开锁清零图4.3 密码比较和报警流程密码比较和报警程序如下：comp: mov r1,#45h mov r0,#35h mov r2,#06h mov r5,#00hc1: mov a,r1 xrl a,r0 jnz c3 dec r1 dec r0 djnz r2,c1 clr p2.0mov r2,#200c2: mov r6,#248 djnz r6,$ djnz r2,c2c3: inc r5 mov a,r5 mov r5,a cjne r5 ,#03h,c4 clr p2.1 mov r5,#00h c4: jmp start总 结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。回顾起此次毕业设计，我感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机汇编语言掌握得不好，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。致谢 毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的学校，是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长。其次我要感谢电气工程及其自动化专业的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢本次设计中给我大力支持和帮助的指导老师，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去，还要感谢我的同学们他们热心的帮助，使我感到了来兄弟姐妹的情谊，最后还要感谢相关资料的编著和给予我们支持的社会各界人士，感谢你们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。参考文献1 张毅刚. 单片机原理及应用m. 高等教育出版社,2003.2 周慈航. 单片机应用程序设计技术m. 北京航空航天大学出版社,2003. 3 张洪润. 单片机应用技术教程m. 清华大学出版社,1997.4 朱清慧, 张凤蕊, 翟天嵩. proteus教程电子线路设计、制版与仿真m. 清华大学出版社,2008.5 郭勇. protel dxp2004 sp2印制电路板设计教程m. 机械工业出版社,2009.6 沙占友. icemi第四届国际电子测量学术会议论文集j. 电子测量学报, 1998. 7 童诗白. 模拟电子技术m. 西安电子科技大学出版社,2004.8 康华光. 数字电子技术m. 高等教育出版社,2008.9 张全福. 汇编语言程序设计实验教学改革与探索m. 教学研究，2005.10 陈玉华, 王铭霞. led大屏幕显示电路的设计j. 大连海事大学学报,1997,11:34-36.附件1 源程序清单 org 00h mov r5,#00hmov r7,#10h mov r6,#06h mov r1,#35hl1: mov a,r7 mov dptr,#table movc a,a+dptr mov r1,a dec r1 inc r7 djnz r6,l1start: orl p2,#0ffh mov r4,#06h mov r0,#40hclear: mov r0,#00h inc r0 djnz r4,clear acall displ2: mov r3,#0f7h mov r1,#00hl3: mov a,r3 mov p1,a mov a,p1 mov r4,a setb c mov r5,#04hl4: r