基于单片机的智能密码锁的设计

沈阳理工大学学士学位论文 摘 要 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 用密码代替钥匙的密码锁应运而生 密 码锁具具有安全性高 成本低 功耗低 易操作等优点 本次设计使用 STC89C52 单片机为主体芯片 设计了一款可以多次修改密码 具 有密码错误报警功能和无线开锁功能的无线遥控密码锁 本系统主要包括 矩阵键盘 输入模块 LCD 液晶显示模块 错误报警模块 无线开锁模块 所采用的编程语言是 C 语言 整机电路稳定性高 成本低 还能扩展很多功能 整个设计在 Keil 开发环境 下 用 C 语言编写主控芯片的控制程序来实现具有多功能的电子密码锁 电子密码锁设计的关键问题是实现密码的输入 清除 开锁 更改等功能 同时 该密码锁具有设计方法合理 简单易行 成本低 安全实用等特点 符合住宅 办公 室等场所的用锁要求 具有推广价值 关键词 单片机 电子密码锁 矩阵键盘 无线收发模块 沈阳理工大学学士学位论文 I Abstract With the continuous development of science and technology people s demands for safe and secured devices increase highly in daily life In order to meet the requirements of the lock and to increase the security of it the key with passwords instead of the lock comes into being The key with passwords has the advantage of safety low cost low power consumption and easy operation The design use STC89C52 MCU for the main chip A wireless remote control lock was designed which can repeatedly change the password also enjoy password error alarm functions and wireless unlock function The system includes matrix keyboard input module LCD display module error alarm modules wireless input module The whole circuit not only pocesses high stability and low cost but also extends a lot of functions The whole design in the KEIL development environment using C language master control chip control procedures to achieve multifunctional electronic cipher lock The key question of the electronic lock designing is the realization of functions such as the input password clear password unlock change password and other functions And the designed cipher lock is characterized by its reasonable designing methods simple operation low cost and property of safety and practicality Besides it works well as a residence lock and has great potential for commercial development Keywords Singlechip Electronic code lock Matrix keyboard Wireless transceiver module 沈阳理工大学学士学位论文 II 目 录 1 绪论 1 1 1 电子密码锁的概述 1 1 2 电子密码锁的现状及其发展 1 1 3 课题研究的设计方案 2 2 系统芯片介绍 3 2 1 STC89C52 单片机 3 2 1 1 STC89C52 产品 3 2 1 2 STC89C52 引脚 3 2 1 3 STC89C52 系列单片机命名规则 5 2 2 无线收发芯片 CC1101 5 2 2 1 CC1101 芯片 5 2 2 2 CC1101 主要特性 5 2 2 3 CC1101 主要参数 7 2 2 4 CC1101 芯片引脚 7 3 系统硬件电路 9 3 1 单片机最小系统 9 3 1 1 系统供电电路 9 3 1 2 复位电路 10 3 1 3 时钟电路 11 3 2 单片机外围电路 12 3 2 1 矩阵键盘电路 12 3 3 2 LCD1602 液晶显示电路 13 3 3 3 报警和门铃电路 17 3 3 4 CC1101 模块电路 19 3 3 5 直流电机驱动电路 21 3 3 6 步进电机工作原理及驱动电路 22 4 系统软件的设计 25 4 1 主程序流程图设计 25 4 2 液晶显示器控制子程序 27 沈阳理工大学学士学位论文 III 4 3 步进电机控制子程序 28 3 4 矩阵键盘子程序 29 3 5 无线收发芯片控制子程序 33 5 辅助软件和电路 40 5 1 编程和绘图软件 40 5 1 1 Keil C51 软件 40 5 1 2 Altium Designer6 9 软件 40 5 2 程序烧写芯片和电路 43 结 论 45 致 谢 46 参考文献 47 附录 A 英文原文 48 附录 B 汉语翻译 56 附录 C 焊接实物图 61 附录 D 主系统电路图 62 附录 E 收发系统电路图 63 沈阳理工大学学士学位论文 0 1 绪论 1 1 电子密码锁的概述 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 其性能和安全性已大大超过了机械锁 其特点如下 1 保密性好 编码量多 远远大于弹子锁 随机开锁成功率几乎为零 2 密码可变 用户可以随时更改密码 防止密码被盗 同时也可以避免因人员的 更 替而使锁的密级下降 3 误码输入保护 当输入密码多次错误时 报警系统自动启动 4 使用灵活性好 不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁 5 电子密码锁操作简单易行 一学即会 1 2 电子密码锁的现状及其发展 在日常生活和工作中 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 目前门锁主要用弹子锁 其钥匙容易丢失 保险箱主要用机械密码锁 其结构较为复杂 制造精度要求高 成本高 且易出现故 障 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 针对 这些锁具给人们带来的不便若使用机械式钥匙开锁 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 它的出现为人们的生活带来了很大 的方便 有很广阔的市场前景 由于电子器件所限 以前开发的电子密码锁 其种类 不多 保密性差 最基本的就是只依靠最简单的模拟电子开关来实现的 制作简单但 很不安全 在后为多是基于 EDA 来实现的 其电路结构复杂 电子元件繁多 也有使 用早先的 20 引脚的 2051 系列单片机来实现的 但密码简单 易破解 随着电子元件 的进一步发展 电子密码锁也出现了很多的种类 功能日益强大 使用更加方便 安 全保密性更强 由以前的单密码输入发展到现在的 密码加感应元件 实现了真实的 电子加密 用户只有密码或电子钥匙中的一样 是打不开锁的 随着电子元件的发展 及人们对保密性需求的提高出现了越来越多的电子密码锁 并且这种发展趋势会跟随 沈阳理工大学学士学位论文 1 当今社会的发展趋势 即智能化和信息化 1 3 课题研究的设计方案 本课题以宏晶公司的 51 系列单片机为控制核心 LCD1602 液晶显示屏和 4 4 矩阵 键盘作为密码锁与人之间的信息交换模块 无线收发模块实现无线报警 通过对门 锁和主人状态的判断来作出相应的动作 以确保财产的安全 设计思路如下 1 当门开着时判断主人是否在家 主人在家则判断是否进行密码设置 当主人 不在家则执行关门 锁门 报警一系列功能 2 当门关着时判断门是否被锁 当没锁时判断主人是否在家 没在家执行锁门 功能子程序并且报警 主人在家则判断是否进行密码设置 当门锁着的时候扫描键盘 判断是否执行开锁 门铃 键盘输入密码解锁和无线解锁 消除警报三种功能 沈阳理工大学学士学位论文 2 2 系统芯片介绍系统芯片介绍 2 1 STC89C52 单片机 2 1 1 STC89C52 产品产品 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机 不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 具有以下标 准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计数器 4 个外部中断 一个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构 全双工串行口 最高运作频率 35MHz 6T 12T 可选 2 1 2 STC89C52 引脚引脚 STC89C52 引脚如图 2 1 所示 沈阳理工大学学士学位论文 3 图 2 1 STC89C52 引脚图 STC89C52 引脚功能介绍 11 1 电源供应引脚为 20 脚 GND 和 40 脚 VCC 工作接受电压为 5V 3 3V 2 32 脚到 39 脚为单片机 P0 口 P0 口内置电路无上拉电阻 适用于 AD 变换 数据的输入 对外输出驱动需要外加上拉电阻 3 1 脚到 8 脚为单片机 P1 口 此外 P1 0 和 P1 1 还可以作为定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 4 第 9 引脚 即 RST VPD 为单片机复位输入脚 此外当外接电源下降到下限 值时 备用电源就会经第二功能的方式由第 9 脚引入 保护内部 RAM 信息不丢失 5 第 10 到第 17 引脚位单片机的 P3 口 此外 P3 口每个引脚都有第二功能 其 中 10 和 11 引脚 RXD 和 TXD 是单片机串行通讯口读写口 12 和 13 引脚 INT0 和 INT1 为外部中断源中断请求信号输入端 14 和 15 引脚 T0 和 T1 为计数器 0 1 的计数脉冲输入端 16 和 17 引脚 WR 和 RD 为外部 RAM 写 读选通信号 6 第 29 引脚 PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部 ROM 时 PSEN 低电 平有效 以实现外部 ROM 单元的读操作 7 第 30 引脚 ALE PROG 地址锁存控制信号 在系统扩展时 ALE 用于控制把 P0 口的输出低 8 位地址送锁存器锁存起来 以实现低位地址和数据的隔离 在没有访 问外部存储器期间 ALE 以 1 6 振荡周期频率输出 即 6 分频 当访问外部存储器以 1 12 振荡周期输出 12 分频 8 第 31 引脚 EA VPP 为访问和序存储器控制信号 接高电平时 CPU 优先读取 内部程序存储器 ROM 当内部程序存储器不够用时会自动读取外部的 接低电平时 CPU 读取外部程序存储器 ROM 9 第 18 和 19 引脚为 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振引脚 当使用芯片内部时钟 时 此二引脚用于外接石英晶体和微调电容 当使用外部时钟时 用于接外部时钟脉 冲信号 10 第 21 到 28 脚为单片机 P2 口 P2 口有两个功能 扩展外部存储器时 当作 地址总线使用 做一般 I O 口使用 其内部有上拉电阻 11 STC89C52 所特有的两个外部中断 INT2 和 INT3 只有在四方引脚扁平封装 LQFP 的芯片才会引出这两个引脚 另外 DIP 40 封装 STC89C52 单片机的 29 30 31 引脚为 P4 口的 P4 4 P4 5 P4 6 引脚 沈阳理工大学学士学位论文 4 2 1 3 STC89C52 系列单片机命名规则系列单片机命名规则 例如 STC89C52RC 40CPDIP40 STC 表示生产厂商 89 表示产品所属系列 C 表示 CMOS 工艺 52 表示 ROM 大小为 8K 其他数字表示 51 为 4K 53 为 13K 54 为 16K 58 为 32K 516 为 64K RC 表示内部 RAM 的大小为 512 字节 如果是 RD 则表示内部 RAM 为 1024 字 节 40 表示最大工作频率为 40MHz 其他数值还有 25 和 50 均表示最大工作频率 C 表示工作温度范围为商业级 0 70 如果为 I 则表示为工业级 45 85 PDIP 表示封装为双列直插封装 还可以是 LQFP PLCC PQFP 最后的 40 表示封装 的引脚数为 40 引脚 还可以是 44 表示引脚数为 44 个 2 2 无线收发芯片 CC1101 2 2 1 CC1101 芯片芯片 CC1101 是在 CC1100 的基础上增加了两个 CC1100 中未使用的输入信号衰减位 CC1101 可以在最佳灵敏度的低数据速率用 ADC Analog to Digital Converter 配置唤醒 而不用编写任何寄存器 为了做到这点 CC1100 在唤醒后需要编写 TEST 寄存器 CC1101 增加了频率范围 除了在 CC1100 中所支持的频段外 CC1101 还可以工作在 387 400MHz 和 799 800MHz 频段 是一种低成本真正单片的 UHF UltraHigh Frequency 收 发器 为低功耗无线应用而设计 电路主要设定为在 315 433 868 和 915MHz 的 ISM 工业 科学和医学 和 SRD 短距离设备 频率波段 也可以容易地设置为 300 348 MHz 400 464 MHz 和 800 928 MHz 的其他频率 CC1101 在代码 封装和外 引脚方面均与 CC1100 兼容 可用于全球最为常用的开放式低于 1GHz 频率的 RF 设计 CC1100 系列 RF Radio Freqency 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器 这个调 制解调器支持不同的调制格式 其数据传输率可达 500kbps 通过开启集成在调制解调 器上的前向误差校正选项 能使性能得到提升 CC1100 系列 RF 为数据包处理 数 据缓冲 突发数据传输 清晰信道评估 连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件 支持 沈阳理工大学学士学位论文 5 2 2 2 CC1101 主要特性主要特性 CC1101 芯片的主要特性如下 9 1 体积小 QLP 4 4mm 封装 20 脚 2 真正的单片 UHF RF 收发器 3 频率波段 300 348 MHz 400 464 MHz 和 800 928 MHz 4 高灵敏度 1 2kbps 下 110dBm 1 数据包误差率 5 可编程控制的数据传输率 可达 500kbps 6 较低的电流消耗 RX 中 15 6mA 2 4kbps 433MHz 7 可编程控制的输出功率 对所有的支持频率可达 10dBm 8 优秀的接收器选择性和模块化性能 9 极少的外部元件 芯片内频率合成器 不需要外部滤波器或 RF 转换 10 可编程控制的基带调制解调器 11 理想的多路操作特性 12 可控的数据包处理硬件 13 快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统 14 可选的带交错的前向误差校正 15 单独的 64 字节 RX 和 TX 数据 FIFO 16 高效的 SPI 接口 所有的寄存器能用一个 突发 转换器控制 17 数字 RSSI 输出 18 与遵照 EN 300 220 欧洲 和 FCC CFR47 Part 15 美国 标准的系统相配 19 自动低功率 RX 拉电路的电磁波激活功能 20 许多强大的数字特征 使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的 RF 系统 21 集成模拟温度传感器 22 自由引导的 绿色 数据包 23 对数据包导向系统的灵活支持 对同步词汇侦测的芯片支持 地址检查 灵活 的 数据包长度及自动 CRC 处理 24 可编程信道滤波带宽 25 OOK 和灵活的 ASK 整型支持 26 2 FSK GFSK 和 MSK 支持 27 自动频率补偿可用来调整频率合成器到接收中间频率 沈阳理工大学学士学位论文 6 28 对数据的可选自动白化处理 29 对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收 传输模式的支持 30 可编程的载波感应指示器 31 可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护 32 支持传输前自动清理信道访问 CCA 即载波侦听系统 33 支持每个数据包连接质量指示 2 2 3 CC1101CC1101 主要参数主要参数 CC1101 的主要参数如下 1 供给电压 最小 0 3V 最大 3 6V 超过 3 6V 芯片会被烧毁 2 工作电压 1 8V 3 6V 3 频率范围 300 348MHz 400 464MHz 800 928MHz 三个频率段 4 数据率范围 1 2 500Kbps 2 2 4 CC1101 芯片引脚芯片引脚 CC1101 芯片引脚图如图 2 2 SCLK 1 SO GDO1 2 GDO2 3 DVDD 4 DCOUPL 5 GDO0 6 CSN 7 XOSC Q1 8 XOSC Q2 10 AVDD 9 AVDD 11 RF P 12 RF N 13 VADD 14 VADD 15 GND 16 RBALS 17 DGUARD 18 GND 19 SI 20 CC1101 图 2 2 CC1101 芯片引脚图 引脚功能介绍如表 2 1 沈阳理工大学学士学位论文 7 表 2 1 CC1101 引脚介绍 引脚编号引脚名引脚类型描述 1SCLK数字输入 连续配置接口 时钟输入 2SO GDO1 数字输出 连续配置接口 数据输出 当 CSn 为高时为可选的一般输出脚 3GDO2数字输出 一般用途的数字输出脚 1 测试信号 2 FIFO 状态信号 3 时钟输出 从 XOSC 向下分割 4 连续输入 TX 数据 4DVDD功率 数字 数字 I O 和数字中心电压调节器的 1 8V 3 6V 数字功率供给输出 5DCOUPL功率 数字 对退耦的 1 6V 2 0V 数字功率供给输出 注意 这个引脚只对 CC2500 使用 不能用 来对其他设备提供供给电压 6GDO0 ATEST 数字 I O 一般用途的数字输出脚 1 测试信号 2 FIFO 状态信号 3 时钟输出 从 XOSC 向下分割 4 连续输入 TX 数据 也用作原型 产品测试的模拟测试 I O 7CSn数字输入 连续配置接口 芯片选择 8XOSC Q1模拟 I O 晶体振荡器脚 1 或外部时钟输入 9AVDD功率 模拟 1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 10XOSC Q2模拟 I O 晶体振荡器脚 11AVDD功率 模拟 1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 12RF PRF I O 接收模式下对 LNA 的正 RF 输入信号 发送模式下对 LNA 的正 RF 输出信号 13RF NRF I O 接收模式下对 LNA 的负 RF 输入信号 发送模式下对 LNA 的负 RF 输出信号 14AVDD功率 模拟 1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 15AVDD功率 模拟 1 8V 3 6V 模拟功率供给连接 16GDN地 模拟 模拟接地 17RBALS模拟 I O 参考电流的外部偏阻器 沈阳理工大学学士学位论文 8 18DGUARD功率 数字 对数字噪声隔离的功率供给连接 19GND地 数字 数字噪声隔离的接地 20SI数字输入 连续配置接口 数据输入 3 系统硬件电路系统硬件电路 3 1 单片机最小系统 3 1 1 系统供电电路系统供电电路 本系统所需最大电压为 5V 所以我们利用变压器将我们生活用电 220V 整流 变 换便可实现给系统供电 但电源的稳定性直接影响着系统的工作性能 所以设计时在 系统电路的入口处得接入直流 5V 稳压芯片 78L05 78L05 的引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 7805 引脚 78L05 是常用的 7805 三端稳压集成电路 理想输入电压为 7V 20V 直流电 输出 的典型值为 5V 实际值为 4 8V 5 2V 之间 短路电流为 230mA 峰值电流可达 2 2A 供电电路图如图 3 2 所示 在稳压芯片的输出正负端串接 10K 电阻和 3mmLED 小一个作为电源指示灯 电路板的电源接口为直径 3mm 圆形借口 在对电源稳定性要 求比较高的场合可以在 7805 芯片的输入输出引脚接入滤波电容 一般输入端电容 0 33uF 输出端的为 0 1uF 沈阳理工大学学士学位论文 9 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U2 STC89C52 D6 D51N5401 10K R6 GND13 2 VV GND INOUT U4 78L05 P2 SM B VCC 图 3 2 系统供电电路 3 1 2 复位电路复位电路 系统复位是任何微机系统执行的第一步 使整个控制芯片回到默认的硬件状态下 STC89C51 系列单片机的复位方式有 5 种 分别为外部引脚 RST 复位 软件复位 上 电复位 看门狗复位和冷启动复位 7 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 引脚转为低电平后 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 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 PC 0000H 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 详见表 3 1 表 3 1 复位后内部寄存器复位状态 寄存器名内容寄存器名内容 PC0000HTCON00H ACC00HTH000H B00HTL000H PSW00HTH100H SP07HTL100H DPTR0000HTH200H P0 P3FFHTL200H IPXXX00000BRCAP2H00H IE0XBRCAP2L00H SBUF不定SCON00H 沈阳理工大学学士学位论文 10 TMOD00H 外部 RST 引脚复位电路连接图如图 3 3 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U2 STC89C52 VCC 1K R2 1uF C2 GND S 图 3 3 外部 RST 引脚复位电路 3 1 3 时钟电路时钟电路 在 51 单片机片内有一个高增益的反相放大器 反相放大器的输入端为 XTAL1 输 出端为 XTAL2 由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式 根据硬件电路的不同 单片机的时钟连接方式可分为外部时钟方式和内部时钟方式 外部时钟方式原理图如图 3 4 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U2 STC89C52 1K R 12 U A 74LS04 位位位位 VCC 沈阳理工大学学士学位论文 11 图 3 4 外部时钟方式原理图 在内部方式时钟电路中 必须在 XTAL1 和 XTAL2 引脚两端跨接石英晶体振荡器 和两个微调电容构成振荡电路 通常 C1 和 C2 一般取 30pF 晶振的频率取值在 1 2MHz 12MHz 之间 对于外接时钟电路 要求 XTAL1 接地 XTAL2 脚接外部时钟 对于外部时钟信号并无特殊要求 只要保证一定的脉冲宽度 时钟频率低于 12MHz 即 可 晶体振荡器的振荡信号从 XTAL2 端送入内部时钟电路 它将该振荡信号二分频 产生一个两相时钟信号 P1 和 P2 供单片机使用 时钟信号的周期称为状态时间 S 它 是振荡周期的 2 倍 P1 信号在每个状态的前半周期有效 在每个状态的后半周期 P2 信号有效 CPU 就是以两相时钟 P1 和 P2 为基本节拍协调单片机各部分有效工作的 内部时钟方式原理图如图 3 5 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U2 STC89C52 12 Y1 30pF C1 30pF C3 图 3 5 内部时钟方式原理图 3 2 单片机外围电路 3 2 1 矩阵键盘电路矩阵键盘电路 矩阵键盘又称为行列式键盘 它是用 4 条 I O 线作为行线 4 条 I O 线作为列线组 成的键盘 在行线和列线的每一个交叉点上 设置一个按键 这样键盘中按键的个数 是 4 4 个 按键数据的读取只需在先后给 P 口给数据 F0H 和 0FH 当某一个按键按 下时 其所在的行线和列线便会联通 低电位的一端会把高电位的一端拉至低电位 单片机在读取 P 口之后经过相应运算得到相应数据 矩阵键盘原理图如图 3 6 沈阳理工大学学士学位论文 12 123位位位位 456位位 789位位 位位0位位位位 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U3 STC89C52 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 图 3 6 4 乘 4 矩阵键盘原理图 3 3 2 LCD1602 液晶显示电路液晶显示电路 一 液晶显示原理 点阵图形式液晶由 M N 个显示单元组成 假设 LCD 显示屏有 64 行 每行有 128 列 每 8 列对应 1 字节的 8 位 即每行由 16 字节 共 16 8 128 个点组成 屏上 64 16 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应 每一字节的内容和显示屏上相应 位置的亮暗对应 由此可知我们所用的 LCD1602 则有两行 每行 16 个 5 7 点阵 用 于存放字型的字符发生器 CGROM 有 192 个 160 个不同的点阵字符图形 这些字符 有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和日文假名等 用于存放用户所 给显示数据的显示数据存储器 DDRAM 有 80 个字节 但我们十几只用到 32 个 第一 行 16 个点阵的对应 DDRAM 地址为 00H 到 0FH 第二行为 40H 到 4FH 为了便于对液晶 显示屏的使用 其所存储的字形在 CGROM 区的地址和字符的 ASCII 码相同 我们在 控制液晶显示对应字符时只需向对应显示点阵的 DDRAM 中写入字符的 ASCII 码 6 LCD1602 的引脚图如图 3 7 实物图如图 3 8 沈阳理工大学学士学位论文 13 图 3 7 LCD1602 引脚图 图 3 8 LCD1602 实物图 引脚介绍如表 3 2 表 3 2 LCD1602 引脚介绍 引脚号引脚名称电平说明 1VSS 接 GDN 2VCC 接 VCC 3VEE 接对比调整电压 4RS0 1 0 输入指令 1 输入数据 5R W0 1 0 向 LCD 写数据或者指令 1 从 LCD 度数据 6E 1 1 0 使能信号 1 读取信息 1 0 执行指令 7DB00 1 输入 输出 数据总线 8DB10 1 输入 输出 数据总线 9DB20 1 输入 输出 数据总线 10DB30 1 输入 输出 数据总线 11DB40 1 输入 输出 数据总线 12DB50 1 输入 输出 数据总线 13DB60 1 输入 输出 数据总线 14DB70 1 输入 输出 数据总线 15AVCC LCD 背光电源正 16KGND LCD 背光电源负 沈阳理工大学学士学位论文 14 二 LCD1602 指令介绍 1 清屏指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 00000000011 64ms 功能说明 DDRAM 的内容全部写入 空白 的 ASCII 码 20H 光标归位 回到左上方 地址计数器的值归零 2 光标归为指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 000000001X1 64ms 功能说明 DDRAM 的内容不变 光标归位 回到左上方 地址计数器的值归零 3 进入模式设置指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 00000001I DS40us 功能说明 设定每次定入 1 位数据后光标的移位方向 并且设定每次写入的一个 字符是否移动 参数设定的情况如下 I D 0 写入新数据后光标左移 1 写入新数据后光标右移 S 0 写入新数据后显示屏不移动 1 写入新数据后显示屏整体右移一个字符 4 显示开关控制指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 0000001DCB40us 功能说明 控制显示器开 关 光标显示 关闭以及光标是否闪烁 参数设定的情 况如下 D 0 显示功能关 1 显示功能开 C 0 无光标 1 有光标 B 0 光标闪烁 1 光标不闪烁 5 设定显示屏或者光标移动指令 沈阳理工大学学士学位论文 15 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 000001S CR LXX40us 功能说明 使光标移位或使整个显示屏幕移位 参数设定的情况如下 S C R L 0 0 光标左移一格且 AC 值减一 S C R L 0 1 光标右移一格且 AC 值加一 S C R L 1 0 显示器上字符全部左移一格 但光标不动 S C R L 1 1 显示器上字符全部右移一格 但光标不动 6 功能设定指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 00001DLNFXX40us 功能说明 设定数据总线位数 显示的行数及字型 参数设定的情况如下 DL 0 4 位数据总线 1 8 位数据总线 N 0 显示一行 1 显示两行 F 0 5 7 点阵 字符 1 5 10 点阵 字符 7 设定 CGRAM 地址指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 0001 CGRAM 的地址 6 位 40us 功能说明 设定下一个要存入数据的 CGRAM 的地址 DB5 DB4 DB3 为字符号 也就是你将来要显示该字符时要用到的字符 地址 DB2 DB1 DB0 为行号 8 DDRAM 地址指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 001 CGRAM 的地址 7 位 40us 功能说明 设定下一个要存入数据的 DDRAM 的地址 9 读取忙信号或 AC 地址指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 01FB AC 内容 7 位 40us 沈阳理工大学学士学位论文 16 功能说明 读取忙碌信号 BF 的内容 BF 1 表示液晶显示器忙 暂时无法接收单 片机送来的数据或指令 当 BF 0 时 液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令 也 可以读取地址计数器 AC 的内容 10 数据写入 DDRAM CGRAM 的指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 10 要写入的数据 40us 功能说明 将字符码写入 DDRAM 以使液晶显示屏显示出相对应的字符 将使用者 自己 设计的图形存入 CGRAM 11 从 DDRAM 或者 CGRAM 读出数据指令 指令编码 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 执行时间 11 要读出的数据 40us 功能说明 读取 DDRAM 或 CGRAM 中的内容 LCD1602 与单片机 STC89C52 的接线图如图 3 9 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U3 STC89C52 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P1LCD 1602 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 1 2 3 P2 位位位位位位 GND VCC 0 47k R5 VCC P25 P26 P27 RS RW E P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P25 P26 P27 图 3 9 LCD1602 与 STC89C52 的接线图 3 3 3 报警和门铃电路报警和门铃电路 一 门铃电路 门铃电路采用 TQ33G 音乐芯片和一个 PNP 三极管共同驱动喇叭产生音乐 TQ33G 它是包含三种音乐的音乐片 有三种声音可选择 双音叮咚 西敏寺 爱丽斯 如图 3 10 所示管脚从右到左依次是 1 2 3 4 9 9 8 7 脚为三种声的触发 沈阳理工大学学士学位论文 17 端 6 脚负极 5 脚正极 4 3 脚为 8 欧的喇叭输出 2 1 脚接不同的电阻可改变音 乐间隔速度 设计只是用一种音乐作为门铃提示声 双音叮咚 PNP 三极管及相关 电路用于驱动喇叭 当 TQ33G 驱动喇叭时 第 4 引脚电平为低电平 使三级管导通并 有电流从三极管基极流向喇叭回路 使驱动喇叭的电流增大 图 3 10 TQ33G 引脚图 TQ33G 的接线图如图 3 11 所示 当单片机 P2 4 口产生一定宽度的低电平后会激发 音乐芯片驱动喇叭发出一次音乐 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U3 STC89C52 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P25 P26 P27 TQ33G 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 U5TQ33G 10K R11 0 1uF C18 LS1 4K7 R12 Q11100R R17 D7 P24 P20 P21 P22 P23 P24 图 3 11 TQ33G 驱动电路图 二 报警电路 报警系统采用单片机控制有源蜂鸣器发出报警响声 有源蜂鸣器工作的理想信号是 直流电 通常标示为 VDC VDD 等 因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路 能将恒定 的直流电转化成一定频率的脉冲信号 从而实现磁场交变 带动钼片振动发音 但是 在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作 只是对交流信号的电压和频率要 求很高 此种工作方式一般不采用 在连接单片机与蜂鸣器时为了给准确的控制蜂鸣 器 一般用一个三极管驱动蜂鸣器 这个三极管可以是 NPN 或者 PNP 但接线会有所 沈阳理工大学学士学位论文 18 不同 本设计采用 NPN 型三极管驱动 蜂鸣器正引脚接高电平 VCC 负引脚连接三 极管集电极 接线图如图 3 12 所示 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 3