电子密码锁设计.doc

四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告前言在技术高度发展的今天，在经济面向全球化的今天，如果没有高新的技术是不能向世界展现的，所以很多行业的都需要有一个安全系统，为人们提供方便.人们在日常生活、工作过程中越来越离不开密码的使用，比如新型小区单元门的电子密码锁、超市的存储柜、智能取款机、公司转账交易等，这些时候人们接触到的都是一种使用电子密码锁的装置。随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，被撬的事件屡见不鲜，电子密码锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，越来越受到了广大用户的亲呢。一个简单的电子密码锁就是一个小型的单片机系统。它应该有输入设备，用户可以输入密码并确认或取消;应该有输出设备，用户可以看到显示自己输入正确与否的提示，输出设备还应该包括告警提示。电子密码锁内部的单片机是核心处理设备，它负责获取用户输入的密码，将其和正确的预置密码比较，产生相应的输出。 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。1.总体设计方案1.1 电子密码锁总体结构图1 电子密码锁总体结构图1.2 电子密码锁系统设计方案 图2 电子密码锁系统设计方案图本设计实现一个简单的电子密码锁，用44键盘组成09输入键以及设置密码、清除密码、开锁、确认、退出和F1功能键，1602液晶显示器组成显示电路提示信息，其工作过程如下:输入密码时，只逐位显示“*”，以防止密码泄露。当需要更改密码时按下“设置密码”键，输入新密码，按下“确认”键结束。开锁时当密码输入完毕按下“确认”键后，单片机将输入的密码与设定的密码比较，若密码正确，则锁码打开；若密码不正确，则提示密码错误。2.单元模块设计2.1 电子密码锁电路设计2.1.1 电源电路图3 外接电源供电电路图此电路为单片机外接电源供电电路，这个电源电路具备两种电源供电方式：一种是直接采用PC的USB接口5V直流电源供电，然后在电源电路中加入一个500mA电流限制的自恢复保险丝给PC的USB电源提供保护的作用；另一种是采用小型号直流稳压电源供电，输出的9V直流电源加入到电源电路中，通过LM7805稳压芯片的降压作用，给电路提供工作所需的5V电源。为了显示外接电源供电，在系统中增加了电源指示灯电路，如图4。发光二极管工作在正常状态时，流过LED的电路只需要5mA到10mA左右就行，故连接LED的限流电阻值可采用680。图4 电源指示灯电路图2.1.2 矩阵键盘电路图5 矩阵键盘电路图键盘是一组按键的集合，它是最常用的单片机输入设备。1 矩阵式键盘，也即通常所讲的行列式键盘，由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上， 行、列分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到高电平。无按键动作时，行线处于高电平状态;有按键按下时，交点的行线和列线接通，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低电平，则行线电平为低电平; 列线电平如果为高电平，则行线电平也为高电平。这一点是识别矩阵式键盘的按键是否被按下的关键所在。由于矩阵式键盘中行、列线为多键公用，各按键均影响该键所在的行和列的电平，所以必须将行、列线信号配合起来作适当的处理，才能确定闭合键所在的位置。 矩阵式键盘节省了好多的I/O口，适用于按键较多的场合。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。通过行列键盘扫描的方法可获取键盘输入的键值，从而得知按下的是哪个按键，具体过程如下: 查询是否有键按下。单片机向行扫描口输出全为“0”的扫描码，然后从列检测口检测信号，只要有一列信号不为“1”，则表示有键按下，且不为“1”的列即对应为按下的键所在的列。 查询按下键所在的行、列位置。前面已经取得了按下键的列号，接下来要确定键所在的行，这需要进行逐行扫描。单片机首先使第1行为“0”，其余各行为“1”，接着进行列检测，若为全“1”，表示不在第1行，否则即在第1行;然后使第2行全为“0”，其余各行为“1”，再进行列检测， 若为全“1”，表示不在第2行，否则即在第2行;这样逐行检测，直到找到按下键所在的行。当各行都扫描以后仍没有找到，则放弃扫描，认为是键的误动作。 对得到的行号和列号译码，得到键值。对于44的行列式键盘，因为按键的位置由行号和列号惟一确定，且行列各4位，所以用一个字节(8位)来对键值编码是很合适的。本设计中，将字节的高4位(D7、D6、D5、D4)表示列号(4、3、2、1)，低4位(D3、D2、D1、D0)表示行号(4、3、2、1)，比如11H(00010001)表示第1行第1列，21H(00100001) 表示第1行第2列，24H(00100100)表示第3行第2列。在扫描键盘过程中，应注意以下问题: 当操作者按下或松开按键时，按键会产生机械抖动。这种抖动经常发生在按下或松开的瞬间，一般持续几到十几毫秒，抖动时间随按键的结构不同而不同。在扫描键盘过程中，必须想办法消除按键抖动，否则会引起错误。消除按键抖动可以用硬件电路来实现，也可以利用现成的专用消抖电路。较为简单的方法是用软件延时方法来消除按键的抖动，也就是说，一旦发现有键按下，就延时20ms以后再测按键的状态。这样就避开按键发生抖动的那一段时间，使CPU能可靠地读按键状态。在编制键盘扫描程序时，只要发现按键状态有变化，即无论是按下还是松开，程序都应延时20ms毫秒以后再进行其他操作。 在键盘扫描中，应防止按一次键而有多个对应键值输入的情况。这种情况的发生是由于键扫描速度和键处理速度较快，当某一个按下的键还未松开时，键扫描程序和键处理程序已执行了多遍。这样，由于程序执行和按键动作不同步而造成按一次键有多个键值输入的错误状态。为避免发生这种情况，必须保证按一次键，CPU只对该键作一次处理。为此，在键扫描程序中不仅要检测是否有按键按下，在有键按下的情况，作一次键处理，而且在键处理完毕后，还应检测按下的键是否松开，只有当按下的键松开以后，程序才往下执行。这样每按下一个键，只作一个键处理，使两者达到同步，消除按一次按键有多次键值输入的错误情况。本设计通过4*4矩阵键盘，构成了电子密码锁的密码输入操作键盘，如图6。通过对键盘的操作，达到控制密码锁的目的。图6 操作键盘图2.1.3 单片机震荡电路图7 震荡电路图震荡电路是单片机正常工作不可缺少的最小系统之一，在单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端引脚为XTL1，输出端为引脚XTL2。而在其内部，XTL1和XTL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激震荡器。时钟电路产生的震荡脉冲经过触发器进行二分频之后，成为单片机的时钟脉冲信号。2.1.4 单片机复位电路图8 复位电路图复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从用的0000H单元开始执行程序，并使其他功能单元处于一个确定的初始状态。本复位电路采用的是按键复位，它是通过复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，它兼具上电自动复位功能。2.1.5 电子密码锁主要元件介绍AT89S51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89S51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。单片机主控电路的主要元件是AT89S51，其外型如图9。图9 单片机AT89S51结构图单片机AT89S51管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.1.6 电子密码锁运用的元器件 任何一种电子产品都需要大量的电子元器件，本设计电子密码锁所需的电子元器件如表1.表1 电子密码锁元件清单元件名称型号数量（个）备注单片机AT89S511无液晶显示器16021无电解电容10uf1无瓷片电容30pf2无电阻1K1无电阻10K1无电阻10欧1无轻触开关17无电位器10K1无晶振12MHz1无排阻1031无2.2 电子密码锁实物图10 电子密码锁实物正面图图11 电子密码锁实物背面图2.3 电子密码锁系统程序设计本设计采用程序查询的方式进行键盘扫描，根据键值采用查表方式按序号进行编码，再根据编码散转，分别执行输入密码、核对密码、开锁、及相应提示、清零等操作，同时用数码液晶显示器显示密码状态。设置三个存贮空间存储原始密码、新密码、及用户输入密码。采用用户密码与原始密码或新密码一一对应的方式进行对比，以判断密码的正确性。通过随机写入AT24C02数据的方式进行重新密码的设置。参考程序流程如图12所示。图12 电子密码锁实物背面图2.4 电子密码锁Proteus调试图13 键盘扫描LCD开锁图图14 输入密码图图15 输入密码正确图图16 输入密码错误图3.系统功能我们本次课程设计使用 ATMEL公司的 AT89S51 实现一基于单片机的电子密码锁的设计，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)锁定键盘功能。密码输入错误LCD会出现错误提示，若密码输入错误次数超过 3 次，系统就会自动锁定键盘，一天过后系统将自动解锁键盘。 电子密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LCD显示电路。 密码锁设计的关键问题是实现密码的输入、清除、更改、开锁等功能： (1)密码输入功能：按下一个数字键，一个“*”就显示在LCD的最右边，同时将先前输入的所有“*”向左移动一位。 (2)密码清除功能：当按下清除键时，清除前面输入的所有值，并清除所有显示。(3)开锁功能：当按下开锁键，系统将输入与密码进行检查核对，如果正确锁打开，否则不打开。4.设计总结通过本次课程设计的学习，我深深的体会到设计课的重要性和目的性所在。本次设计课不仅仅培养了我们实际操作能力，也培养了我们灵活运用课本知识，理论联系实际，独立自主的进行设计的能力。作为学习汽车电子技术专业的学生，应该熟练掌握各种电路编辑软件，作为专业必需的技能，即将踏入社会的时候，更加要求我们有这方面的基础。随着电子技术的飞速发展，各种新型电子器件和集成电路应用越来越广泛，电子系统的功能越来越强大，电路图也越来越复杂，印刷电路板的走线越来越复杂和精密。计算机的应用使得我们对各种复杂的电路设计工作变得简单一些，使得更好更复杂的电路得以实现。电子设计自动化（Electronics Design Automates,即EDA）工具的集成设计环境，电子设计软件Max + PLUS II 软件等的运用使得设计电路更加方便。通过这次课程设计，我感觉到不会的知识还有很多，还有很多软件、硬件知识需要去学习，在今后的学习生活中，一定充分利用时间，不断充实自己。目前中国是世界上汽车生产最大的国家，是汽车生产大国，但不是汽车生产强国