数字电磁锁设计

目 录前言 .1第 1 章 电子密码锁的总体设计思路 .21.1 节 计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出 .21.2 节 方案的选择及设计思路与原理方框图 .31.2.1 设计思路 .31.2.2 总体方框图 .3第 2 章 系统的硬件设计 .72.1 节 元器件的选择 .72.1.1 二极管与三极管的选择 .72.1.2 电阻与可变电阻器的选择 .82.1.3 电容的选择 .82.2 节 电子密码锁系统电源的设计与分析 .92.2.1 直流稳压电源的主要技术指标 .92.3 节 芯片 AT89C51 的介绍 .102.3.1 芯片 AT89C51 的性能及其常用参数的分析 .102.3.2 时钟电路的设 计 与工作 原 理分析 .132.3.3、单片机的基本时序 单 位 .142.3.4、单片机复位电路的 设 计与分析 .142.3.5、单片机复位后的状态的分析 .152.4 节 数码管显示电路的设计与分析 .162.4.1 数码管显示电路 .162.4.2 共阳级四位一体数码管工作原理介绍 .172.5 节 外围电路 43 式键盘电路的设计 .182.5.1 键盘电路 .182.5.2 键盘的工作原理 .182.5.3 键盘扫描方式 .192.6 节 电子密码锁的整体控制输出部分与贮存器的分析与设计 .192.6.1 电子密码锁的整体控制输出部分的分析与设计 .192.6.2 数据存储器 24C02 分析与设计 .212.7 节 电子密码锁系统的总电路图与总体实现 .22第 3 章 系统软件设计 .243.1 节 系统程序设计流程图 .24第 4 章 产品的调试 .274.1 节 系统的测试 .274.1.1 系统的测试 .274.2 节 系统实现的功能 .274.2.1 系统实现的功能 .27总 结 .28参 考 文 献 .29致 谢 .30附 录 .31附录 1 系统总的程序设计 .31附录 2 系统整体硬件原理图 .49附录 3 系统整体 PCB 板图 .50附录 4 系统整体元件安装图 .51附录 5 元件清单 .52附录 6 产品使用说明书 .53前 言我们知道，安全问题日益严重，被撬的事件屡见不鲜，随着科技的发展,安全已成为人们关注的焦点之一，如何拥有一个安全的居住环境已经成了我们共同的话题。随着人民生活水平的提高，在银行、酒店、商场、航天等部门，经常需要对环境进行监控和报警，以防止失窃的行为发生，而银行，酒店等，防盗报警更是至关重要的。这里我们就主要介绍电子锁的方法。而电子锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的亲呢。过去传统的机械锁由于其构造的简单早已无法满足现代防盗报警的需要，这是因为功能单一，无智能化，位置固定，不能自由转换。而电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品，具有安全性高，使用方便等优点，以达到方便与实用，而有些方面出于安全、方便等方面的需要，许多智能锁（如指纹辩识、IC 卡辩识）已相继问世，但这些产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间等，而且卡片式 IC 卡还有易丢失等特点，加上其成本一般比较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。而我们设计出的数字密码锁是一种基于 MCS-51 智能锁的硬件和软件设计及实现方法，综合应用之前学校所学的单片机、微机控制、电路设计等方面的知识。还适合于多种场合的保密，特别适合于家庭、外出旅行。这种电路设计具有按键有效提示,输入错误提示,控制开锁电平,控制报警电路,修改密码等多种功能,可在意外泄密的情况下随时修改密码 6 位数密码共一亿组不重复,保密性强,灵活性高,特别适用于家庭、办公室、学生宿舍及宾馆等场所。它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，是一个值得推广的一种方法。在设计中我们采用了单片机系统的微处理器 AT89C51 芯片，还采用了四位一体的共阳数码管与行列式键盘，方便手动输入与数字显示，具有可观性。为了防止掉线等意外事件的发生，我们采用了 AT24C02 的 EPROM 芯片。此外，我们用继电器驱动电磁锁，还用到了报警芯片，当然输入错误达到规定的次数之后开始发出报警声，通知现场。这些人性化设计使其有安全可靠、价格低廉、硬件电路简单、便于实现、易于改进等优点,它具有很好的市场推广价值。第 1 章 数字电磁锁的总体设计思路在第一章中，我们将对数字电磁锁的总体设计及其主要的功能特点进行简单的分析，并概括出它的特点、实现的功能以及系统的简单操作，以促进对单片机及其控制系统的了解。1.1 节 计算机电子技术发展的概述与系统问题的提出目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着 CMOS 化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。近几年，由于某种原因 CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机的 CMOS 化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般上还具有串行扩展技术，随着低价位 OTP 及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，特别是IIC，API 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。这就引导我们利用单片机来实现数字电磁锁来实现防盗安全。 随着电子技术的迅速发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，就 51 系列而言，由于 Intel 公司将其内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名 IC制造商，随着计算机技术的不断发展，在工业测量控制领域内单片机的应用越来越广泛。同时，随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善，单片机的硬件集成度也不断提高，已经出现了能满足各种不同需求、具有各种特殊功能的单片机，这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。随着社会经济的快速发展,安全问题日益严重，被撬的事件屡见不鲜。在银行、酒店、商场、航天等部门，经常需要对环境进行监控和报警，以防止失窃的行为发生，而银行，酒店等，防盗报警更是至关重要的。过去传统的机械锁，因为功能单一，无智能化，位置固定，且不能自由转换。因此，如何解决这一问题就成为了一个迫切的问题。开发出能够既简便又功能强大的数字电磁锁是一个信息化和智能时代发展的要求。现代的电子产品朝密集型发展，许多智能锁（如指纹辩识、IC 卡辩识）已相继问世，但这些产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间等，而且卡片式 IC 卡还有易丢失等特点，加上其成本一般比较高，一定程度上限制了这类产品的普及和推广。而我们设计出的数字密码锁是一种基于 MCS-51 智能锁的硬件和软件设计及实现方法，综合应用之前学校所学的单片机、微机控制、电路设计等方面的知识。还适合于多种场合的保密，特别适合于家庭、外出旅行。这种电路设计具有按键有效提示,输入错误提示,控制开锁电平,控制报警电路,修改密码等多种功能可在意外泄密的情况下随时修改密码8 位数密码共一亿组不重复,保密性强,灵活性高,特别适用于家庭!办公室!学生宿舍及宾馆等场所。它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点，是一个值得推广的一种方法。接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析。1.2 节 方案的选择及设计思路与原理方框图为了使设计更具有针对性，使用性更强，我对们其进行精心的设计，在设计过程中，我们想到了很多的设计方案。方案 1（基于用以 74LS112 型） 。利用双 JK 触发器 74LS112 构成数字逻辑电路控制方案。1.2.1 设计思路此设计共设了 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。1.2.2 总体方框图系统的总体方框图如 1.1 图所示：图 11 基于 74LS112 系统总体方框图该系统的主要由密码修改电路，键盘输入电路，密码校验电路，开锁电路，控制电路等电路组成，外围电路少，功能单一，可不用编程来实现。但是其也有很大的缺点，比如密码不能忘记，一旦忘记就无法打开，而且手动输入的时间不能太长，而且时间也有一点限制。且不能断电，断电后将无法恢复，输入又无法显示，无可观性，因此我们采用其他的方法。方案 2（基于单片机 AT89C51 型）：利用单片机 AT89C51，它是一种性能优良的集成可编程的单片机，其功能十分的强大，它把 CPU、存储器、及 I/O 集成到一个芯片上，只要外加少许电子零件便可以构成一套简易的控制系统。这样可以降低设计出来的产品的硬件成本，通过编程快速实现对不同密码值的输出与控制。数字电磁锁整个系统从大体来看可以分为键盘数字输入，密码校对，数字显示，声音的输出以及继电器的控制输出。而本设计将分为以下四个部分：键盘数字输入部分，电源部分，数字显示部分，MCU 中央处理部分。该系统的工作原理为：数字开门密码修改电路开始计时220V键盘输入 密码校验电路 开锁电路 执行电路限时报警 报警次数检测 锁定 5 分钟市电供电电路 电子切换开关 蓄电池断电检测充电电路正确3锁定脉冲6V消除报警信号电源VCC键盘输入 6 位密码按#号键结束。此时蜂鸣器响两声,表示设置成功。当正常使用中输入六位数字密码时，按#号键结束，若与原来所设置的密码相同，则音乐片发出动人的音乐，同时通过驱动继电器来驱动电磁器工作 1S 钟，使之门打开。方便主人进入。若输入的密码不正确，那么蜂鸣器嘟嘟叫三下，进行提示，若连续三次输入错误，则锁被锁定，无法启动，蜂鸣器长叫 30S 进行报警。该系统的主要的电路有：电源电路，单片机及其外围控制电路，键盘输入电路，数码管显示电路，复位电路，24C02 外围电路，音乐驱动电路，电磁锁驱动电路等。具体的系统框图如下图 1.2所示：键盘输入密码修改MCU中央处理电路数码管显示电路24c02 EPROM处理电路音乐驱动电 路继电器驱动输出电路开锁 开门电 源 电 路图 1.2 基于单片机 89C51 型数字电磁锁系统整体方框图该系统主要由以下功能块系统构成：中央控制处理器 AT89C51 组成的主机系统；单片机控制与输出系统，数码管显示系统，音频输出系统等。主要的系统电路有：电源电路、复位电路、单片机控制电路、单片机控制输出显示电路，音频控制输出电路，24C02 防掉线数据保护电路等。电路分析我们在下一章节中进行分析。该系统的主要特点有：（1） 该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此相对来说体积小。（2） 该系统能用软件的方式设计硬件，所以用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。（3） 具有断电数据保留的功能。不会因为意外断电而数据（密码）丢失，具有实在性。（4）具有具体数字显示的功能，与密码修改的功能，可编辑性强。（5）可以从以前的组合设计转向真正的自由设计，所以设计的移植性好，效率高。可适合大规模的现场制作。（6）利用行列式键盘进行数字输入，输入简单。（7）具有智能报警的功能，当连续三次密码输入错误时，能马上识别，并且锁定，发出报警。大大提高了锁的安全性。（8） 因为整个系统可集成在一个芯片上，因此体积小，功耗低，可靠边性更高。并且非常适合合分工作，团队精神。方案 3（单片机 AT89C55 型）采用 ATMEL 公司生产的 AT89C55 单片机作为系统的控制器。这种单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，功耗低，体积小，技术成熟，不易受干扰、可以电擦除、重复性好、调试容易、稳定性好。这给编程和调试带来了极大的便利。比起AT89C51 其性能更好，但是相比 AT89C51 成本较高。方案选择：通过以上三种方案的分析，我们马上就可以知道单片机技术和集成电路处理技术是现代电子设计的发展的重要部分，考虑到成本因素，因此我们决定根据方案二作为本系统的设计方案。无论是在性能，特点，还是原理图上，或者是在电路设计上，材料上都具有简单，使用性强等方面优势。在下面的一章里，我们根据所比较分析的方案二进行硬件分析。第 2 章 系统的硬件设计该系统的硬件设计采用了的整体系统设计方法。按实现的功能来分，可分为以下几个部分。其中，AT89C51 单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作。外围电路包括复位电路，电源电路、行列式键盘输入电路，控制输出音频电路，控制继电器输出电磁锁电路，掉电数据（密码）贮存电路等。在设计的过程中，为了能掌握电路设计的基本方法和步骤，论文首先对元器件选择进行论述，再对电源的整流滤波和稳压电路的一些参数进行分析与比较，然后详细分析电路各组成部分（数码管数字显示电路，行列式数字键盘输入电路，控制输出音频电路，控制继电器输出电磁锁电路等） ，还详细介绍了有关集成芯片的AT24C02 的介绍、中央处理器 AT89C51 的工作原理及外围电路的设计情况。在本章下面的几个小节中，我们根据附图 2 所示的硬件设计图，对各个主要的一些电路进行详细的设计和分析。2.1 节 元器件的选择2.1.1 二极管与三极管的选择二极管具有单向导电性，因此在选择一般二极管时要考虑的主要参数有：最大整流电流 IDM ：指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值；最大反向电压 URM ：指二极管在工作中能承受的最大反向电压值；反向饱和电流 I S ：指二极管未击穿时的反向电流值；最高工作频率 f M ：指二极管能保持良好工作特性的最高工作频率。本设计中采用硅高速开关二极管控制支路的导通和截止。近年来问世的硅高速开关二极管具有良好的高频开关特性，其反向恢复时间（t rr）只有几纳秒。由于它的体积很小，价格又非常便宜，现已被广泛用于电子计算机、电视机中的开关电路，还被用到控制电路和高频电路中。硅高速开关二极管的典型产品有1N4148、1N4448。二者除零偏压结电容（即反向偏压 VR=0 时的结电容）值略有差异之外，其他技术指标完全相同。这两种管子均采用 DO-35 封装形式，通常靠近黑色环的引线为负极。1N4148、1N4448 可代替国产2CK43、2CK44、2CK702CK73、2CK75 、2CK77 、2CK83 等型号的开关二极管。应当指出，1N4148、1N4448 硅高速开关二极管仅适用于高频小电流工作条件，不能用到高频大电流的电路（例如开关电源）中。晶体三极管是电压控制电流型器件。具有放大电流的作用。其主要参数有电流放大倍数 ，反向电流 ICBO、I CEO，反向击穿电压 VCEO，最大允许集电极电流 ICM，集电极最大允许耗散功率 PCM，频率参数 f 、f 、f T 等。本毕业设计将采用硅低频小功率管 BC107 在基极与发射极加反向电压工作下作为噪声源。2.1.2 电阻器的选择电阻器是最常用最基本的电子元件之一，利用电阻对电能的吸收作用，可使电路中各元件得到需要分配的电能，稳定和调节电路中的电流和电压。在选择时主要考虑电阻器的参数，其参数主要有：标称阻值、允许误差、额定功率、额定电压、噪声等。在电阻器使用时要注意：对较大功率的电阻器应利用螺钉和支架将其固定，以防其引线折断或造成短路；电阻器的功率大于 10W 时，应保证有足够散热空间；电阻器焊接时引线不要从根部打弯，否则容易折断；电阻器在存放和使用过程中，要保持漆膜的完整，电阻器的漆膜脱落后，防潮性变差，无法保证正常工作；焊接电阻器时动作要快，不要使电阻器长期受热，以免阻值产生变化。2.1.3 电容的选择电容器是一种存储电能的元件，具有冲放电特性和隔直流通交流的能力。它由两个金属电极中间夹一层绝缘电介质所构成。在选择电容器时，要考虑的的主要参数有：标称容量与允许误差；额定电压；绝缘电阻；电容器的损耗。由于电容器具有隔直通交、端电压不突变、能冲放电等特性。因此电容器被广泛地用于隔之、耦合、旁路、滤波、调谐、延时以及定时控制等。一般电容器的选用遵从以下标准：低频、低阻抗耦合电路、旁路电路、去耦电路、电源滤波电路应选用几微法以上大容量电容器（电解电容器等） ；要求较高的电路，如长延时电路，常选用钽或铌为介质的优质电容器；根据电容器的额定电压和标称容量适当选取。小容量电容器的选用标准：小容量电容器指小于几微法至几皮法的电容器，品种多、用途广，多数用于高频电路。在电源滤波电路中，常用大电容与小电容并联组成滤波电路，这是由于电解电容（大电容）的卷绕结构，使其含有感抗特性，对高频干扰信号不能起很好的滤波效果，这时需要并上一只小容量的电容。由于容量小，无感抗，对高频干扰信号呈通路，这样大电容将低频交流成分滤除，小电容将高频交流成分滤除。2.2 节 数字电磁锁系统电源的设计与分析在设计整个数字电磁锁的整个系统之前，我们应该先设计一个高精度的电源，而我们首先对整流，滤波与稳压电路的工作原理及其一些基本的参数进行分析。再根据其性质对数字电磁锁的电源进行精心设计。2.2.1 直流稳压电源的主要技术指标 稳压电源的输出电压 UO（或电压可调范围 UOmin UOmax）和最大输出电流 IOmax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。图 2.1 稳压电源原理图因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压是十分重要的，所以我们设计了一个稳压电源，如图 2.1 所示，使数字电磁锁能在各种特殊的环境都能正常工作。为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容 C4；在其输出端加接电容C5，C8，目的是为了改善负载的瞬态响应、防止自激振荡和减少高频噪声。电路中加入一个发光二极管（图上未标出）是为了对输出的电压进行稳压保护，于电压小于额定电压或对地短路的时候的保护。三脚稳压块选择：该装置中的稳压块选用 LM7805 集成稳压块。LM7805 系列集成稳压块主要技术参数：输入电压：DC3V35V；最大输出电流：1.5A。LM7805 系列稳压块封装：1 脚为输入端 ，2 脚为公共端 ，3 脚为输出端。注意事项：引脚不能接错，公共端不能悬空；为防止过热应安装散热片，其内部原理图如图 2.2 所示，按图我们来分析其原理：在本设计中应输出电压为Vo=5V，则当 Vo5V 时，T2 的 b 极电压上升，进而 T2 的 c 极电压下降，进而 T1的 b 极电压下降,进而 T1 的 Vce 极电压上升，进而 Vo 趋于 5V；反之当 Vo5V 时亦然。2.2 三端稳压电源内部图2.3 节 中央控制器 AT89C51 及其外围电路的设计与分析2.3.1 芯片 AT89C51 的介绍AT89C51 是由美国 Atmel 公司生产的世界上较新型的低功耗、高性能八位单片机。该芯片采用 FLASH 存储技术，内部具有 2KB 字节快闪存存储器，采用 DIP 封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。1、 AT89C51 的特点功能特性：AT89C51 与 MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有 4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288 位内部 RAM；32 位双向输入输出线；3 个 16 位可编程定时/计数器五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。、AT89C51 的功能描述AT89C51 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器，片内有 4k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除 1000 次，数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能。AT89C51 只要程序长度小于 4K，四个 I/O 口全部提供给用户。可用 5V 电压编程,而且擦写时间仅需 10 毫秒，仅为 8751/87C51 的擦除时间的百分之一,与8751/87C51 的 12V 电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V） ，全静态工作，工作频率宽在 0Hz24MHz 之间，比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。AT89C51 芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0 口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。、 AT89C51 引脚功能AT89C51 单片机为 20 引脚芯片如图 2.3 所示：图 2.3 AT89C51 引脚分布图、口线：P1 、P3 共 2 个八位口。 P1 口是专门供用户使用的 I/O 口,是准双向口，其中 P1.0 和 P1.1 除作为普通 I/O 用外，还可作为电压比较器输入端。 P3 口是双功能口 ,该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O 功能或第二I/O 功能。作为第一功能使用时操作同 P1 口。P3 口的第二功能如表 2.1所示，第 6 脚不引出。 VCC： 工作电源 +5V GND ：电源地。 VPP： 访问外部程序存储器允许信号。 RST：复位信号输入端。 XTAL1：片内振荡器输入端。在采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端必须接地，对于 CHMOS 单片机，此引脚用为驱动器。 XTAL2：片内振荡器输出端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率，若需采用外部时钟电路，对于HMOS 单片机，该引脚输入外部时钟脉冲，对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。 RXD：串行口输入。 TXD：串行口输出。 ALE：访问片外存储器时，它作为锁存扩展地址低字节的控制信号的输入。控制口线:PSEN( 片外选取控制 )、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制);电源及时钟：VCC 、 VSS、XTAL1 、XTAL2操作方法。、总结其主要的功能特性如下表 2.2 所示：表 2.1 P3 口的第二功能端口引脚 各个功能P3.0 RXD (串行口输入端)P3.1 TXD (串行口输出端)P3.2 TNT0 (外部中断 0 请求输入端，低电平有效)P3.3 TNT1 （外部中断 1 请求输入端，低电平有效）P3.4 T0 （定时器/计数器 0 脉冲输入端）P3.5 T1 （定时器/计数器 1 脉冲输入端）P3.6 WR （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7 RD （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）表 2.2 AT89C51 的主要功能特性兼容 MCS51 指令系统 2K 可反复擦写(1000 次)Flash Rom15 个双向 I/O 口 6 个中断源两个 16 位可编程定时计数器 2.7-6.0V 的宽工作电压范围时钟频率 0-24MHz 128 X8bit 内部 RAM两个外部中断源 两个串行中断可直接驱动 LED 两级加密位低功耗睡眠功能 内置一个模拟比较放大器可编程 UARL 通道 软件设置睡眠和唤醒功能2.3.2 时钟电路的设计与工作原理分析8031/8051 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图 2.3 所示。图中，电容器 Cl，C 2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在 5-30pF。晶振频率的典型值为 12MHz，采用 6MHz 的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式的外部电路如下图 2.4 所示。图 2.4 时钟内部外部振荡方式图由上图可见，XTAL1 接地，外部振荡信号由 XTAL2 引入。为了提高输入电路的驱动能力，通常将外部信号经过一个带有上拉电阻的 TTL 反相门后接入 XTAL2。2.3.3、单片机的基本时序单位单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称 s 周期，所以，1 个状态周期包含有 2 个振荡周期。振荡频率 foscl2 分频后形成机器周期 MC。所以，1 个机器周期包含有 6个状态周期或 12 个振荡周期。1 个到 4 个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8031 单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在 1 个到 4 个机器周期之间。4 种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。单片机外接晶振频率 12MHZ 时的时序单位的大小：振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833us2.3.4、单片机复位电路的设计与分析当 MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(全称 RESET)出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。如图 2.5 显示,上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图 A 中左图所示。图中电容 C1 和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路。上电后，保持 RST 一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻 R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图(A)中右图所示。图 2.5 复位电路的分析上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图(B)所示。上电后，由于电容 C3 的充电和反相门的作用，使 RST 持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 K 后松开，也能使 RST 为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。上图(A)中：Cl10-30uF，R11k上图(B)中：C：1uF，Rllk，R210k2.3.5、单片机复位后的状态的分析单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从 0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内 RAM 为随机值，运行中的复位操作不改变片内 RAM 区中的内容，21 个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表 2.3。值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。说明：表中符号*为随机状态；表 2.3 特殊功能寄存器与初始状态表特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态PSW 00H TH0 00HP0P3 FFH SBUF 不定IP *00000B SCON 00HIE 0*00000B PCON 0*BA 00H TMOD 00HB 00H TCON 00HSP 07H TL0 00HDPL 00H TH1 00HDPH 00H TL1 00HPSW00H，表明选寄存器 0 组为工作寄存器组；SP07H，表明堆栈指针指向片内 RAM 07H 字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到 08H 单元中；PoP3FFH，表明已向各端口线写入 1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出；IP*00000B，表明各个中断源处于低优先级；IE0*00000B，表明各个中断均被关断；A00H，表明累加器已被清零；51 单片机的复位是由 RESET 引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过 24 个振荡周期后，51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET 引脚转成低电平后，才检查 EA 引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51 单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，（在特殊寄存器介绍时再做详细说明）至于内部 RAM 内部的数据则不变。24 节 数码管显示电路的设计与分析2.4.1 数码管显示电路在该设计中，数码显示电路是采用四位一体共阳级数码管，如下图 2.6 示。其中，字段位 a、b、c、d、e、f 和 g 分别连接在单片机 P1.0 至 P1.7 口引脚，而位于下面的引脚端口 9、10、11 和 12 脚分别接单片机的 IO10 至 IO13 口，当位选端某一位对应的 IO 口有电平输入时，对应的三极管导通，从而选通该数码管显示该位要显示的数字。图 2.6 数码显示电路单片机 I/O 的应用最典型的是通过 I/O 口与 7 段 LED 数码管构成显示电路，我们知道 LED 的发光原理， 7 段 LED 数码管，是在一定形状的绝缘材料上，利用单只 LED 组合排列成 “8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出 0-9 的数字。LED 数码管根据 LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，不同 LED 接法的数码管，编程方法是不同的。但共阴和共阳极数码管的内部电路及发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同。2.4.2 共阳级四位一体数码管工作原理介绍共阳级四位一体数码管采用静态扫描工作方式，在数码管中每一位的字段位a、b、c、d、e、f 和 g 与 DP 分别接在一起，当要在某一位显示数字时，对应数字的字段位选通，同时该位的位选端也选通从而显示该数字。当要在两位或多位上同时显示数字时，字段位将按照数字显示的先后秩序轮流选通字段数码管，同时，位选项段也根据数字显示的秩序轮流导通。由于扫描的频率极快，所以将看不到的数字程闪烁现象，如要在数码管上显示“1997”时，先在字段位上选通 f 和 e 端，在选通 f 和 e 端的同时该位的位选端 9 脚选通，在数码管上面显示“1” ，然后系统又以极快的速度中止对 9 脚的选通，同时将要显示的“9”对应的字段位a、b、c、d、e、f 和 g 与位选端 10 脚选通，显示“9”字，如此同理，又显示 7 然后又开始循环导通。由于我们人眼的视觉停留效果在数码管上看到的将会是一个静态的“1997” 。2.5 节 外围电路 34 式键盘电路的设计2.5.1 键盘电路在密码自动检测、控制与报警系统中我们采用的是 34 式行列式键盘，如下图所示，键盘列线与 P0 口的低 4 位相接，行线与 P1 口高 4 位相接，采用动态扫描方式，实现人机对话。详细电路图如图 2.7 所示。P0.0P0.7图 2.7 34 式行列式键盘结构图图中 12 个按钮组成行列式键盘，分别是 09 十个数字和#、 *字符。#和*号字符分别是用来校对与确认密码的输入。2.5.2 键盘的工作原理行列式键盘又称矩阵式键盘。用 I/O 口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。键盘中有无按键被按下是由列线送入扫描字，行线读入其输入状态来判断的，其方法是：按键被按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为 1。键盘中哪一个键按下是由列线逐列受低电平后，检查行输入状态，其方法是：依次送低电平，然后查所有行线状态，如果全为 1，则所按下之键盘不在此列，如果不全为 1 则按下的键必在此列，而且是在与 0 电平行线相关的交点上的那个键。键盘上的每键都有一个键值，键值赋值的最直接办法就是将行，列线按二进制顺序排列当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置 0 电平，读出各行状态为非全1 的状态，这时的行、列，数据组合成键值。无论是正逻辑还是负逻辑，我们都可以做到键值与键号一致。2.5.3 键盘扫描方式当键盘有键按下时，要逐行或逐列扫描，以判定是哪一个按键按下。下面介绍的是一种最普通的扫描法键盘扫描方式。扫描法是在判定有键按下后逐列（或行）置低电平，同时读入行（或列）状态，如果行（或列）状态出现非全 1 状态，这是 0 状态的行、列交点的键就是所按下的键。扫描法的特点就是逐行（或列）扫描查询，这时，相应的行（或列）应有上拉电阻接高电平，如上图所示的电路图，行列式键盘扫描程序就是采用扫描法来确定哪个键按下的，图中的行线上拉电阻要接+5V 电源，才能列线逐列扫描。2.6 节 数字电磁锁的整体控制输出部分与贮存器的分析与设计 经过上面的分析我们对其系统的简单的外围电路，电源电路及单片机等一些大体上有了一个了解了，现在我们对数字电磁锁的控制输出部分与防掉电信号贮存器的作用作一个进一步的分析。2.6.1 数字电磁锁的整体控制输出部分的分析与设计我们知道，数字电磁锁，虽然键盘手动输入与密码校对是比较重要的一点,但是如何在处理成功或者是处理不对的情况下进行什么样的操作也是很重要的。为此，我们设计了一个可靠的整体控制输出电路。如图 2.8 所示。图 2.8 系统控制输出总体电路图如图所示就是控制输出部分的电路图。SP 是蜂鸣器，用来发出按键发出的声音和报警声音。9300 是用一种音乐片，音乐片是一种 COMS 电路，语音声集成电路是指能发出中文或外文语句的语音器件，这种器件内的“语言存贮器”容量一般不大，只能发出简单的语句，如“欢迎光临” ， “祝你生日快乐” ， “早晨好，快起床” ，“高压危险，请勿靠近” ，等等，而音乐集成电路内部存贮的是音乐信号，有各种中外歌曲，有模拟各种动物的叫声，有各种汽车的声音等等，虽然语句和音乐不复杂，但具有价格低廉、使用方便及电路简单的特点，所以被广泛地运用于各个领域。9300 是一种模拟音乐片，通过三极管 VT19013，用来驱动喇叭发出美妙的音乐声。而另外一端，IO 口，单片机通过输出一个高电平或者低电平来导通三极管VT39012 三极管，用来驱动继电器导通，来达到电磁锁的通与断。图 2.8 中右图为继电器，继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关” ，帮在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性：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接力吸向铁芯，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）吸全。在 IO 口端，单片机通过输出一个高电平或者低电平来导通三极管 VT39012 三极管，用来驱动继电器导通，来达到电磁锁的通与断。2.6.2 数据存储器 24C02 分析与设计在一般情况下，如果程序在断电的情况下，如果不加存储器，那么断电数据就会丢失。然而，在这个情况下，因为整个设计的是密码锁，其数据数码等不能完全丢失，在使用中，我们加了外部存储器 24C02，用来贮存密码的数据，无论其断电与否，数据都不会丢失，即密码永久保留。这样进一步提高密码锁的安全性。如下图 2.9 所示为 24C02 的管脚说明图，其中左图为引脚分布；图 2.10 为 24C02 的接线图。图中 AT24C02 的 1、2、3 脚即 E0、E1、E2 是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在本设计它们都接地，第 8 （VCC）脚和第 4（VSS）脚分别为正、负电源，在本设计中 VSS 接地， 。第 5 脚 SDA 为串行数据输入/输出，数据通过这条双向 I2C总线串行传送，在本设计中与单片机的 P3.6 连接。第 6 脚 SCL 为串行时钟输入线，在本设计中与单片机的 P3.7 连接。