13级电气1班—丁志磊—课程设计正文.doc

电子密码锁设计电子密码锁设计摘要 本系统主要由单片机最小系统、电源电路、输入键盘电路、输出显示电路、开锁电路等组成,系统框图如图1所示: 单片机最小系统键盘电路数码管显示控制开锁电路发光二极管指示关键词：单片机；电源电路；发光二极管；数码显示管 引言随着电子技术的发展，移动互联，智能物联，智能生活的到来，具有防盗报警等功能的电子密码锁代替密码量少、安全性差的机械式密码锁已是必然趋势。电子密码锁与普通机械锁相比，具有许多独特的优点：保密性好，防盗性强，可以不用钥匙，记住密码即可开锁等。目前使用的电子密码锁大部分是基于单片机技术，以单片机为主要器件，其编码器与解码器的生成为软件方式。下面就是现在主流电子密码锁：目前常见的遥控式电子防盗锁主要有光遥控和无线电遥控两类。键盘式电子密码锁从目前的技术水平和市场认可程度看，使用最为广泛的是键盘式电子密码锁，该产品主要应用于保险箱、保险柜和金库，还有一部分应用于保管箱和运钞车。卡式电子防盗锁使用各种“卡”作为钥匙的电子防盗锁是当前最为活跃的产品，无论卡的种类如何多种多样，按照输入卡的操作方式，都可分为接触式卡和非接 触式卡两大类。生物特征防盗锁人的某些与生俱来的个性特征（如手、眼睛、声音的 特征）几乎不可重复，作为“钥匙”就是唯一的（除非被逼迫或伤害）。因此，利用生物特征做密码的电子防盗锁，也特别适合金融业注重“验明正身”的行业特点。人们生活水平的提高和安全意识的加强，对安全的要求也就越来越高。锁自 古以来就是把守护门的铁将军，人们对它要求甚高，既要安全可靠的防盗，又要使用方便，这也是制锁者长期以来研制的主题。随着电子技术的发展，各类电子产品应运而生，电子密码锁就是其中之一。据有关资料介绍，电子密码锁的研究从20世纪30年代就开始了，在一些特殊场所早就有所应用。这种锁是通过键盘输入一组密码完成开锁过程。研究这种锁的初衷，就是为提高锁的安全性。由于电子锁的密钥量（密码 量）极大，可以与机械锁配合使用，并且可以避免因钥匙被仿制而留下安全隐患。电子锁只需记住一组密码，无需携带金属钥匙，免除了人们携带金属钥匙的烦恼，而被越来越多的人所欣赏。电子锁的种类繁多，例如数码锁，指纹锁，磁卡锁，IC 卡锁，生物锁等。但较实用的还是按键式电子密码锁。20世纪80年代后，随着电子锁专用集成电路的出现，电子锁的体积缩小，可靠性提高，成本较高，是适合使用在安全性要求较高的场合，且需要有电源提供能量，使用还局限在一定范围，难以普及，所以对它的研究一直没有明显进展。 目前，在西方发达国家，电子密码锁技术相对先进，种类齐全，电子密码锁已被 广泛应用于智能门禁系统中，通过多种更加安全，更加可靠的技术实现大门的管理。 在我国电子锁整体水平尚处于国际上70年代左右，电子密码锁的成本还很高，市场上仍以按键电子锁为主，按键式和卡片钥匙式电子锁已引进国际先进水平，现国内有几个厂生产供应市场。但国内自行研制开发的电子锁，其市场结构尚未形成，应用还不广泛。国内的不少企业也引进了世界上先进的技术，发展前景非常可观。希望通过不断的努力，使电子密码锁在我国也能得到广泛应用。1 课程设计内容及要求1.1设计任务（1）本设计是一种基于单片机的密码锁方案，根据基本要求规划单片机密码锁的硬件电路和软件程序，（2）现在很多地方都需要密码锁，电子密码锁的性能和安全性大大超过了机械锁，为了提高密码的保密性，必须可以经常更改密码，以便密码被盗时可以修改密码。（3）在实验室来进行测试。（4）完成课程设计报告。1.2设计要求 (1)LED数码管显示初始状态“”，用户通过键盘输入密码，每输入一位密码，LED数码管相应有一位变为“P” .（2）若想重新输入密码，只需按下“CLR”键。密码输入完毕后按确认键“#” ，密码锁控制芯片将输入的密码与密码锁控制芯片中存储的密码相比，若密码错误，则不开锁，会有红灯亮提示，同时显示“Error” 。若正确，则开锁，会有绿灯亮提示，同时显示“PASS” 。（3）用户可以根据实际情况随意改变密码值或密码长度，密码输入正确后可以按下“CHG”修改密码，输入新密码时每输入一位新密码相应有一位变为“H” ，以便提示用户此时输入的是新密码，修改新密码时若想重新输入新密码只需按下“CLR” 键即可。（4）输入新密码后按确认键即修改成功，新密码写入单片机内部RAM中，以便以后用来确认密码的正确性。（5）按下复位键，系统恢复初始状态，密码也恢复初始密码，本设计中初始密码是“096168”。 (6)按规定格式书写课程设计实验报告。 2 系统概述2.1系统结构框图 AT89S52显示模块键盘输入模块报警电路复位电路开锁电路密码存储模块2.2主程序设计流程图初始化 修改开锁密码正确 输入旧密码N Y N N Y原密码相同出错报警开锁 设新密码 返回2.3键功能程序流程图。 键功能程序键值=09？键值=开锁？键值=确认？键值=设置？ 返回密码输入程序确认程序设置程序开锁程序YNYNYN YN 2.4开锁程序流程图LCD初始化按开锁键输入密码确认程序开锁N输入密码正确？报警程序开锁成功返回Y 2.5最小系统2.5.1.单片机：单片机最小系统包括单片机、晶振电路、复位电路等,最小系统是整个系统的核心部分,也是设计中首先应该设计的部分,其中单片机的选择直接决定着之后整个设计应该如何进行, 因为我们刚刚学完单片机,学习时是以MCS-51单片机为主的,对51系列单片机最熟悉,因此决定选用51系列单片机, 51系列单片机中Atmel89C51应用最为广泛，且价格较低，性能完全能满足本次设计，因此决定选用AT89C51芯片。AT89C51外形及引脚排列如图2所示： 图2 AT89C51外形及引脚排列AT89C51主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 1000次写入/擦除循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 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2.5.2.晶振电路 图3 晶振电路AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体一起构成自激振荡器，晶振电路如图3所示。石英晶体振荡电路对外接电容C2和C3虽没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度，一般电容使用30pF10pF,这里使用30pF的独石电容。因此晶振电路中使用12M晶振，30pF独石电容。2.5.3.复位电路如图4所示为80C51单片机复位电路。结合实际需求，本次设计加入了手动复位。RC构成微分电路，在接电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51型单片机将复位，为保证微分脉冲宽度足够大，这里取10F电容、10K电阻。若按下复位键，则C1被短路，R1两端电压为Vcc，产生的高电平时间足以使单片机复位 图4 复位电路关于复位电路的计算如下：AT89C51的最低复位电平是0.7Vcc V1 为电容最终可充到的电压值 Vt 为t时刻电容上的电压值则， Vt=V11-exp(-t/RC)即， t = RCLnV1/(V1-Vt)在C1充电到0.7Vcc前，R1上电压均大于0.7Vcc，即为有效复位电压，因此需要求电容充电到0.3Vcc的时间。将V1=Vcc，Vt=0.3Vcc代入上式： 0.3VCC=Vcc1-exp(-t/RC)即1-exp(-t/RC)=0.3； exp(-t/RC）=0.7- t/RC=ln(0.7)t/RC=ln(1.43) ln（1.43）0.35也就是t=0.35RC。带入R=10K C=10F得。t=0.3510K10uf=35ms时钟周期T=1f=112M=1s2个机器周期=2T=4st2s所以复位电路中电容选10F电解电容，10K电阻，一只按键开关可以使电路上电复位和手动复位。2.5.4.存储器设定电路 最小系统电路的最后部分是存储器的设定，如果把31脚（EA）接地，则采用外部程序存储器，如果将其接Vcc，则采用内部程序存储器。AT89C51具有4KB可编程闪烁存储器，足以满足本设计要求，因此不采用外部程序存储器，即将31脚（EA）接Vcc，如图5所示： 图5 存储器设定电路2.6电源电路本次设计的电源采用以前模拟电路课程设计做的直流稳压电源，电源采用LM7805三端稳压器，外形及引脚排列如图6所示用LM7805来组成稳压电源所需的外围元件较少，LM7805电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78xx后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7805表示输出电压为正5V，因为本设计中单片机和各个芯片的工作电压均为5V，因而采用LM7805。 图6 LM7805 12JP112JP2D1D2D3D4D5R11KC1100C20.1C31001237805 图7 直流稳压源电路电源电路如图7所示，220V市电通过变压器降压成12V的交流电,经过整流桥整流,再经7805稳压到5V。C1、C2和C3具有滤波功能，使电流更加稳定，保证了系统的稳定运行。2.7键盘电路 本设计采用矩阵式键盘，又称行列式键盘，是将I/O线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，行列线分别连接到按键开关的两端，当键按下时，两导线连通。这种设计能减少键盘与单片机I/O接线的数目，只需要N个行线和M个列线就可以实现NM个键的操作，在按键比较多的时候，通常采用这种方法。其电路如图8所示： 图8 矩阵式键盘电路图 行线作为输入，通过上拉电阻接+5V，被钳位在高电平状态。列线作为输出，通过列线输出扫描码，通过行线读入行线状态来判断是哪一键被按下。 图示电路中各键的键值从第一行左起依次为11H、 12H、 14H、18H、21H、22H、24H、28H、41H、42H、44H、48H、81H、82H、84H、88H。 键盘各键值通过查键值表可以转换为相应的代码，代表不同的值。本设计中要用到13个键，分别为09键用于输入六位密码，确认键#用于输入密码完毕后确认，清除键CLR用于想重新输入时清楚之前输入的密码，修改密码键CHG用于输入密码验证正确后选择修改密码，剩余三个键未用，可以留待以后扩展功能，键盘如图9所示： 图9 键盘2.8显示电路本系统设计的显示电路是为了给用户以提示而设置的。考虑到节约单片机的口资源，本系统的显示采用串行显示的方式，只使用单片机的两个串行口P3.0（RXD）和P3.1（TXD），就可以完成单片机的显示功能。本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74LS164。单片机将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74LS164寄存，再由移位寄存器控制数码 图10 74LS164管脚图 管的显示，从而实现移位寄存点亮数码管显示。由于单片机的时钟频率达到12M，移位寄存器的移位速度相当快，所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。仿佛是全部数码管同时显示的一样。74LS164是串行输入带锁存的8位移位寄存器，其管脚图见图10，真值表见表1当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上 升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状态. 表1 74LS164真值表 74LS164主要特性： 串行输入带锁存时钟输入,串行输入带缓冲异步清除最高时钟频率可高达36Mhz功耗：10mW/bit工作温度： 0C to 70CVcc最高电压：7V输入最高电压：7V最大输出驱动能力：高电平：0.4mA 数码低电平：8mA图11 LED数码管显示电路显示电路如图11所示，每一片74LS164的CLR端均接Vcc。从单片机串口输出的信号先送到第1片移位寄存器74LS164的AB端,由于移位脉冲的作用，使数据向右移最终从移到Q7脚，第1片的Q7脚接第2片的AB端，以此类推，在移位寄存器的移位作用下，第1个8位数据送到第6片74LS164，第2个8位数据送到第5片74LS164，以此类推，每一个八位数据出现在74LS164的并行输出端，每片74LS164的八个输出脚接七段数码管数码管的八个输入数据脚，七段数码管数码管根据74LS164上的数据状态显示相应的数字，从而达到显示的目的，移位寄存器74LS164还兼作数码管的驱动。 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，其外形及管脚图如图12所示，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形 图12 七段共阳极数码管外形及管脚图 成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 本设计中采用共阳极七段数码管，由共阳极七段数码管的原理图可知，数码管中每一段均为一发光二极管，使用7段LED数码管时，首先把com脚接+Vcc，然后将每一只阴极引脚各接一个限流电阻，限流电阻可保护数码管，使其不被烧坏，延长其使用寿命。LED顺向偏压时两端有1.7V左右的压降,随着LED顺向电流的增加,LED将更亮,LED的寿命也将缩短,因此电流以1020mA为宜若电流为10mAR=(5-1.7)/10=330欧姆若电流为15mAR=(5-1.7)/15=220欧姆因而选择阻值为220欧姆的限流电阻，每只数码管需要八只限流电阻，一共需要68=48只220欧姆的电阻。2.9开闭锁电路在实际应用中开锁时通过单片机送开锁给开闭锁执行机构，电路驱动电磁式继电器吸合，电磁式继电器再控制电磁锁的开合，从而达到开锁的目的。其原理如图所示。T2T2D1GNDR110K电磁继电器C1单片机输出口D1电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两VCC端加上一定的电压， 线圈中就会流过 一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的 作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的 图13 电磁开锁原理图 反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。其中D1、C1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干扰。在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用开锁提示电路来表示锁是否打开，其中绿色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。同时用一红色发光二极管的闪烁来提示用户输入密码错误不能开锁。图14 开锁、密码错误提示电路图14示为开锁、密码错误提示电路，D1为红色发光二极管，D2为绿色发光二极管，由于接到+5V的Vcc上，发光二极管需要串联一限流电阻，有关限流电阻取值的计算如下：发光LED工作时压降大约为1.7V限流电阻分压为2.3V，而发光LED工作电流为I=10mA20mA R2R32.3V/(10mA20mA)=230115限流电阻的一般取值范围为220330，其取值决定了发光LED的亮度，这里取R2=R3=220欧姆。3 电路测试和分析3.1硬件调试本次设计中因为我主要设计硬件，因而调试时硬件也由我来调试，因为电路线路较多，焊点也比较多，一旦发生错误，将很难查找。因此在焊接电路时我就十分注意保证每一根线都是正确的，在每焊完一根导线后都要用万用表测一下是否导通了，相交叉的导线是否发生了短路，后来的调试中证明这个方法很有效，硬件最后没有发生错误，保证了软件调试的顺利进行。 调试时为了保证硬件的正确，我们采用了一些简单的子程序来验证硬件的正确性。首先我用一个让数码管分别显示“0，1，2，3，4，5”的子程序来验证显示电路的正确性，程序如下： 在烧录完运行时数码管显示了乱码，经过检查，单片机Vcc引脚电压仅为2V，单片机没有处于工作状态，更换电源后数码管正常显示了“0、1、2、3、4、5”，表明显示电路正常。 然后测试键盘电路是否正常，编一测试子程序，功能为扫描键盘，每按下一个键则根据键值查段码表送到数码管显示出来，经测试，键盘电路能够正常工作，但第一行第四个键容易按下后连续出来几个数，这与该按键本身机械构造不牢固有关，后来延长了软件防抖时间，这个问题基本上解决了。3.2软件调试软件调试部分用Keil进行调试，程序调试界面如图16所示。新建工程“密码锁” ，新建一文档，输入密码锁源程序后保存为asm格式，将mimasuo.asm添加到新建的工程中，经编译连接后显示没有错误和警告，再导出到处生成mimasuo.hex文件，将mimasuo.hex烧录到单片机芯片中即可运行。图16 软件调试界面4、操作说明密码锁初始密码为096168，开始时数码管输出“”，每输入一位密码，相应有一位变成P，例如“PP” ，输入密码过程中若想清除之前输入的密码，只需按下“CLR”键即可，输入完密码按下“#”键确认，若密码正确则开锁（绿灯亮），同时数码管显示“PASS”，延时10秒后恢复初始状态。若想修改密码，则在输入密码并验证为正确后十秒内按下“CHG”键，即可修改密码，为方便区别，此时每输入一位密码相应有一位变成H，例如“HH” ，修改完毕后按下“#”键新密码即存入密码存储区，密码更改成功后即可使用新密码。新密码可以为16位，在修改密码时