单片机原理及接口技术课程设计（论文）-电子密码锁设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 电子密码锁设计电子密码锁设计 院 系 院 系 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 测控测控091091 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 2012 6 18 2012 6 292012 6 18 2012 6 29 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论文 本科生课程设计 论文 IV 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级测控091 课程设计 题目 电子密码锁设计电子密码锁设计 课程设计 论文 任务 设计任务设计任务 设计一个电子密码锁系统 具有以下基本功能 用户可设置 5 位数字 0 9 作为密码 系统的原始密码为 12345 密码输入正确则继电器启动 门打开 绿色发光二极管亮 2 秒 密码输入错误 则发出报警声 同时红色发光二极管闪烁 5 秒 使用 LCD 或 LED 显示器显示输入的密码和相关信息 如系统初始启动信息 密码等 密码掉电不丢失 设计要求设计要求 1 设计内容 单片机最小系统 键盘显示电路 声光报警电路 门锁控制电路 数据存储电路等硬件电路设计及相应的软件设计 2 硬件电路图应采用绘图软件绘制 所用器件型号 参数标注完整 3 对各功能电路的设计说明应指出所选器件型号 本设计中引脚的连接方法 芯片 端口 地址 外围器件参数 并说明工作过程 4 软件设计上应按照系统软 硬件功能的划分说明系统软件的功能 主程序流 程图及工作过程说明 主要程序模块流程图等 要求程序结构完整 应有变 量及端口地址定义 应编译通过全部或部分程序模块 进度计划 1 查阅资料 确定设计方案 绘制系统总体结构图 划分软硬件功能 2 天 2 设计键盘显示电路 数据存储电路 1 天 3 设计单片机最小系统 声光报警电路 门锁控制电路 2 天 4 完成系统硬件整体电路图绘制 1 天 5 编写 调试系统程序 3 天 6 修改设计说明书 准备答辩 1 天 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 V 摘 要 现在日常生活中 许多个人资料需要得到保护 所以许多文档需要用加锁的 方法得以保护 传统的钥匙已经渐渐淡出人们的生活 随之出现的电子密码锁已 经逐步成为人们日益应用的方法 电子密码锁具有安全性高 成本低 功耗少 易操作的优点 本文从经济实惠的角度出发 对电子密码锁进行初步的设计 采用 AT89S52 作为主控制芯片与数据存储单元 结合矩阵键盘输入 LCD 液晶显示 报警 开 锁等 用汇编语言进行主程序的编写 应用 EEPROM AT24C02 读写程序 设计了 一款可以多次更改密码 具有报警功能的电子密码控制系统 这种密码锁的电路设计具有防试探按键输入 智能控制上锁 开锁 报警 修改密码等多种功能 密码长度可变 保密性强 灵活性高 应用日益广泛 关键词 LCD 显示器 密码锁 报警 本科生课程设计 论文 VI 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 2 2 1 主控芯片 2 2 2 存储芯片 2 2 3 LCD1602 显示器 2 2 4 系统组成总体结构 2 第 3 章 硬件设计 3 3 1 电源输入电路 3 3 2 键盘接口电路设计 3 3 3 报警电路 4 3 4 密码存储电路 5 3 5 开锁电路 5 3 6 复位电路 6 3 7 晶振电路 7 3 8 显示器 8 第 4 章 软件设计 9 4 1 主程序流图 9 4 2 按键子程序设计 10 4 3 密码设置软件设计 11 4 4 开锁软件设计 12 第 5 章 系统误差与错误分析 13 第 6 章 课程设计总结 14 参考文献 15 附录 1 16 附录 2 17 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作 从而控制机械开 关的闭合 完成开锁 闭锁任务的电子产品 它的种类很多 有简易的电路产品 也有基于芯片的性价比较高的产品 现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心 通过编程来实现的 为满足人们对锁的使用要求 增加其安全性 用密码代替钥匙的密码锁应运 而生 本设计采用单片机为主控芯片 结合外围电路 组成电子密码锁 用户想 要打开锁 必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开 密码输入错误有 提示 为了提高安全性 当密码输入错误三次将报警 密码可以有用户自己修改 设定 锁打开后才能修改密码 修改密码之前必须再次输入就的密码 在输入新 密码的时候要二次确认 以防止误操作 由于单片机种类繁多 各种型号都有其一定的应用环境 因此在选用时要 多加比较 合理选择 以期获得最佳的性价比 一般来说在选取单片机时从下面 几个方面考虑 性能 存储器 运行速度 I O 口 定时 计数器 串行接口 模 拟电路功能 工作电压 功耗 封装形式 抗干扰性 保密性 基于以上因素本 设计选用单片机 AT89S52 作为本设计的核心元件 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 实现基本的密码锁功能 在单片机的外围 电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制 外接 AT24C02 芯片用于密 码的存储 外接显示器用于显示作用 当用户需要开锁时 先按键盘开锁键之后 按键盘的数字键 0 9 输入密码 密码输完后按下确认键 如果密码输入正确则 开锁 不正确显示密码错误重新输入密码 当三次密码错误则发出报警 当用户 需要修改密码时 先按下键盘设置键后输入原来的密码 只有当输入的原密码正 确后才能设置新密码 新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储 密码修 改成功 本科生课程设计 论文 2 第 2 章 课程设计的方案 2 1 主控芯片 单片机 AT89S52 功能介绍 AT89S52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读 存储器 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 AT89S52 是一种高效微控制器 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 2 2 存储芯片 内建 128x8 存储序列 2 线制串行接口 双向数据传送协议 100kHz 1 8V 2 5V 2 7V 和 400kHz 5V 兼容 写同步时钟 最大 10ms 高可靠 性 极限 1M 写时钟周期 数据保存 100 年 不断推进的芯片等级扩大了设备 的可用温度范围 AT24C02 提供电可擦除的串行 1024 位存储或可编程只读存储器 EEPROM 128 字 8 位 字 芯片在低压的工业与商业应用中进行了最优化 2 3 LCD1602 显示器 液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件 如在计算器 万用表 电子 表及很多家用电子产品中都可以看到 显示的主要是数字 专用符号和图形 1602 型 LCD 显示模块具有体积小 功耗低 显示内容丰富等特点 1602 型 LCD 可以显示 2 行 16 个字符 有 8 位数据总线 D0 D7 和 RS R W EN 三个控制端口 工作电压为 5V 并且具有字符对比度调节和背光功能 2 4 系统组成总体结构 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 电源输入部分 键盘输入部分 密码存储部分 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 器部分通过两个串行口上扩展 5 片串行输入并行输出的移位寄存器作为静态显示 接口来来完成显示功能 本科生课程设计 论文 3 第 3 章 硬件设计 3 1 电源输入电路 密码锁主要控制部分电源需要用 5V 直流电源供电 其电路如图 3 1 所示 220V 交流电源供电 其中 C1 C2 分别为输入端和输出端滤波电容 RL 为负载 电阻 这样输出的电压一般能满足要求 图 3 1 电源输入电路原理图 3 2 键盘接口电路设计 由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘 采用的是矩 阵式按键键盘 它由行线和列线组成 也称行列式键盘 按键位于行列的交叉点 上 密码锁的密码由键盘输入完成 与独立式按键键盘相比 要节省很多 I O 口 本设计中使用的这个 4 4 键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用 比 如清空显示功能等 键盘的每个按键功能在程序设计中设置 其大体功能 看 键盘按键上的标记 及与单片机引脚接法如图 3 2 所示 本科生课程设计 论文 4 图 3 2 键盘输入原理图 3 3 报警电路 报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成 加电后不发声 当有键按下 时 叮 声 每按一下 发声一次 密码正确时 不发声直接开锁 当密码输 入错误时 单片机的 P2 1 引脚为低电平 三极管 T3 导喇叭发出噪鸣声报警 D1 管亮 如图 3 6 所示 图 3 6 报警电路原理图 本科生课程设计 论文 5 3 4 密码存储电路 AT24C02 是 ATMEL 公司的 2KB 字节的电可擦除存储芯片 采用两线串行的总 线和单片机通讯 电压最低可以到 2 5V 额定电流为 1mA 静态电流 10Ua 5 5V 芯片内的资料可以在断电的情况下保存 40 年以上 而且采用 8 脚的 DIP 封装 使用方便 其电路如图 3 3 所示 图 3 3 密码储存电路 图中 1 2 3 脚是三条地址线 用于确定芯片的硬件地址 在 AT89S52 上它 们都能接地 第 5 脚和第 8 脚分别为正 负电源 AT24C02 中带有片内地址寄存 器 每写入或读出一个数据字节后 该地址寄存器自动加 1 以实现对下一个储 存单元的读写 所有字节均以单一操作方式读取 3 5 开锁电路 当用户输入的密码正确时 单片机便输出开门信号 送到开锁驱动电路 然 后驱动电磁锁 达到开门的目的 其实际电路如图 3 7 所示 电路由驱动和开锁两级组成 由 D1 R12 Q1 组成驱动电路 其中 Q1 可以 选择普通的小功率三极管如 8050 9018 都可以满足要求 D1 是开锁指示灯 由 D2 C5 组成开锁 其中 D2 C5 是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可 能产生的电磁干扰 电磁锁的选用要视情况而定 但是吸合力要足够且有一定的 余量 在设计中 暂时用发光二极管代替电磁锁 发光管亮 表示开锁 灭 表示 没有开锁 本科生课程设计 论文 6 图 3 7 开锁电路原理图 3 6 复位电路 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 使单片机从第 个单元取指令 无论是在单片机刚开始接上电源时 还是断电后或者发生故障后都要复位 在复 位期间 即 RST 为高电平期间 P0 口为高组态 P1 P3 口输出高电平 外部程 序存储器读选通信号 PSEN 无效 地址锁存信号 ALE 也为高电平 根据实际情况 选择如图 3 4 所示的复位电路 该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按 键 在接通电源瞬间 电容 C1 上的电压很小 复位下拉电阻上的电压接近电源 电压 即 RST 为高电平 在电容充电的过程中 RST 端电压逐渐下降 当 RST 端的 电压小于某一数值后 CPU 脱离复位状态 由于电容 C1 足够大 可以保证 RST 高 电平有效时间大于 24 个振荡周期 CPU 能够可靠复位 增加手动复位按键是为了 避免死机时无法可靠复位 当复位按键按下后电容 C1 通过 R5 放电 当电容 C1 放电结束后 RST 端的电位由 R11 与 R15 分压比决定 由于 R11 R15 因此 RST 为高电平 CPU 处于复位状态 松手后 电容 C1 充电 RST 端电位下降 CPU 脱 离复位状态 R11 的作用在于限制按键按下瞬间电容 C1 的放电电流 避免产生火 花 以保护按键触电 本科生课程设计 论文 7 图 3 4 复位电路原理图 3 7 晶振电路 AT89C52 引脚 XTAL1 和 XTAL2 与晶体振荡器及电容 C2 C1 按图 3 5 所示方 式连接 晶振 电容 C2 C3 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 C2 C3 取值范围在 5 30pF 之间 根据实际情况 本设计中采用 12MHZ 做系统的外部晶振 电容取值为 30pF 图 3 5 晶振电路原理图 本科生课程设计 论文 8 3 8 显示器 为了提高密码锁的密码显示效果能力 本设计的显示部分由液晶显示器 LCD1602 取代普通的数码管来完成 只有按下键盘上的开启按键后 显示器才处 于开启状态 同理只有按下关闭按键后显示器才处于关闭状态 否则显示器将一 直处于初始状态 当需要对密码锁进行开锁时 按下键盘上的开锁按键后利用键 盘上的数字键 0 9 输入密码 当密码输入完成时 按下确认键 如果输入的密 码正确的话 LCD 子显示 RIGHT 单片机其中 P2 0 引角会输出低电平 使三 极管 T2 导通 电磁铁吸合 电子密码锁被打开 如果密码不正确 LCD 显示屏会 显示 ERROR P2 0 输出的是高电平 电子密码锁不能被打开 通过 LCD 显示屏 可以清楚的判断出密码锁所处的状态 其显示部分引脚接口如图 3 8 所示 图 3 8 显示器电路 本科生课程设计 论文 9 第 4 章 软件设计 4 1 主程序流图 如图 4 1 为主程序流程图 开始接上电源 程序进行初始化设置 然后在键 盘上输入密码 此系统进行键盘扫描 密码正确 开锁成功 密码错误 3 次出错 报警 选择是否修改密码 若要修改密码 先输入旧密码 密码正确后设置新密 码 错误时报警 需要两次确认新密码 确认后 密码修改成功 否则结束最终 返回 然后启动程序 进行保护 再次在键盘上输入密码 系统进行扫描 如果 和之前一样 则执行相同程序 如不是 则执行另一种程序 图 4 1 主程序流程图 本科生课程设计 论文 10 4 2 按键子程序设计 如图 4 2 按键功能流程图 在按键当中 有与输入 开锁 清除 设置 确 认的程序相对应的按键 并按顺序与输入的数相比较 当输入正确时 进入密码 程序 错误时进行清除 输入两次新密码正确时 可进行重新设置密码 最后确 认程序 图 4 2 按键功能流程图 本科生课程设计 论文 11 4 3 密码设置软件设计 如图 4 3 为密码设置流程图 开始按下设置键 输入旧密码 如果错误累计 三次 进行报警程序 如果输入正确 可以修改密码 确认后再次输入新密码 如果两次输入一样 则输入成功 如果两次输入的新密码不一样 则修改密码失 败 重新返回设置新密码 图 4 3 密码设置流程图 本科生课程设计 论文 12 4 4 开锁软件设计 如图 4 4 开锁流程图 开始时按开锁键 输入密码 如果输入正确 则开锁 成功 如果输入错误累计达到三次 则执行报警程序 图 4 4 开锁流程图 本科生课程设计 论文 13 第 5 章 系统误差与错误分析 一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调 常见的硬件故障 1 逻辑错误 硬件的逻辑错误是由于设计错误和焊接过程中的工艺错误而造成的 包括错线 开路 短路等 其中最常见的是短路故障 2 元器件错误 元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求 电解电容 二极管的极性接 反或集成块装反等 3 可靠性差 应用系统可靠性差的原因很多 如内部和外部的干扰 电压纹波系数过大 器 件负载过重等均会造成系统的可靠性差 另外 走线和布置的不合理也会造成系统 可靠性差 对于软件而言 一定要符合入口条件和出口条件 可通过单步运行和断点运 行方式进行分析 通过检查用者系统的 CPU 现场情况 RAM 的内容和 I O 口的状 态 检测程序执行结果是否符合设计要求 有无循环错误 有无机器码错误以及转 移地址的错误 同时 还可以发现系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误 各程序模块通过后 则可以把相关功能块连在一起进行总调 这个阶段若有 故障 可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场 缓冲单元 工作寄存器是否发生 冲突 标志位的建立和清除是否有误 堆栈区是否有溢出 输入设备的状态是否正 常等等 若用者系统是在开发机的监控程序下运行时 还要考虑用者缓冲单元是否 和监控程序的工作单元发生冲突 单步和断点调试后 还应进行连续调试 用以确定定时精度 CPU 的实时响应 等问题 当全部调试和修改完成后 将程序固化到 AT89S52 中 进行整机调试 各功能实现则调试完成 本科生课程设计 论文 14 第 6 章 课程设计总结 本设计是电源输入部分 键盘输入部分 密码存储部分 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 显示器部分通过两个串行口上扩展 5 片串行输入并行输出的移位寄存 器作为静态显示接口来来完成显示功能 在设计中我们必须首先熟悉和掌握单片机的结构及工作原理 单片机的接口 技术及相关外围芯片的外特性 控制方法 以单片机核心的电路设计的基本方法 和技术了解表关电路参数的计算方法 单片机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 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 学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择 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 以及程控玩具 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 随着单片机的广泛应用 将大大促进各领域的技术更新 向自动化 小型化 智 能化方向迈进 而对于我们来说 我们这代人的目标和任务是把这些高科技产品 更升一个层次 本科生课程设计 论文 15 参考文献 1 康华光 陈大钦 电子技术基础 高等教育出版社 2006 1 2 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 2006 5 3 梅丽凤 王艳秋 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 2009 2 4 蔡朝洋 单片机控制实习与专题制作 北京航空航天大学出版社 2006 5 李明喜 新型电子密码锁的设计 机电产品开发与创新 2004 3 6 张国雄 李醒飞 测控电路 机械工业出版社 2011 1 7 杨尔滨 赵玲 信号处理原理与应用 2008 11 8 邱关源 罗先觉 电路 高等教育出版社 2006 5 9 陈尚松 郭庆 雷加 电子测量与仪器 电子工业出版社 2009 1 10 费业泰 误差理论与数据处理 机械工业出版社 2010 6 11 老虎工作室 电路设计与制版 人民邮电出版社 2008 8 本科生课程设计 论文 16 附录 1 本科生课程设计 论文 17 附录 2 程序 KEY DIG NOP 设一标志 辨别输入是否满 SETB TR0 INC TIMERS 输入数字的位数 MOV A TIMERS CLR C SUBB A 01H JNZ PS 2 MOV PS1 BUFF 依照顺序存放密码 AJMP NE