單片機設計電子密碼鎖課程設計報告

1、<p>　　基于單片機控制的電子密碼鎖</p><p>　　摘要：本系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、矩陣鍵盤、LED顯示和報警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能完成開鎖、超時報警、超次鎖定、管理員解密、修改用戶密碼基本的密碼鎖的功能。除上述基本的密碼鎖功能外，還具有調(diào)電存儲、聲光提示等功能，依據(jù)實際的情況還可以添加遙控功能。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用</p><p>　　關鍵詞：AT89S51，AT24C02,

2、電子密碼鎖，矩陣鍵盤</p><p>　　一、電路的功能單元設計</p><p><b>　　1．開鎖機構</b></p><p>　　通過單片機送給開鎖執(zhí)行機構，電路驅(qū)動電磁鎖吸合，從而達到開鎖的目的。其原理如圖3－1所示。</p><p>　　圖3－1密碼鎖開鎖機構示意圖</p><p>　　

3、當用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時間（普通用戶要求在12s內(nèi)輸入正確的密碼，管理員要求在5s輸入正確的密碼）輸入的話，單片機便輸出開門信號，送到開鎖驅(qū)動電路，然后驅(qū)動電磁鎖，達到開門的目的。其實際電路如圖2－2所示。</p><p>　　電路驅(qū)動和開鎖兩級組成。由D5、R1、T10組成驅(qū)動電路，其中T10可以選擇普通的小功率三極管如9014、9018都可以滿足要求。D5作為開鎖的提示；由D6、C24、T11組成

4、。其中D6、C24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。T11可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。</p><p>　　在本次設計中，基于節(jié)省材料的原則，暫時用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。</p><p>　　圖3－2密碼鎖開鎖機構電路圖</p><p>&

5、lt;b>　　2．按鍵電路設計</b></p><p>　　由于設計要求使用矩陣鍵盤，所以本設計就采用行列式鍵盤，同時也能減少鍵盤與單片機接口時所占用的I/O線的數(shù)目，在按鍵比較多的時候，通常采用這樣方法。其原理如圖3－3所示。</p><p>　　圖3－3 行列式鍵盤原理電路圖</p><p>　　每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通

6、，而是通過一個按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結構只需要N條行線和M條列線，即可組成具有N×M個按鍵的鍵盤。</p><p>　　在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認有無按鍵按下的程序段。</p><p>　　當確認有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法

7、。</p><p>　　首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。</p><p>　　判斷鍵盤中哪一個鍵被按下使通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，

8、然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點上的那個鍵。</p><p>　　按鍵的操作面板如圖圖2－3所示。共計數(shù)字鍵10個，功能鍵6個。鍵盤上還有3個指示燈和一個蜂鳴器。</p><p>　　圖3－4 按鍵操作面板示意圖</p><p>　　10個數(shù)字鍵用來輸入密碼，另外6個功能鍵分別是

9、：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當輸入密碼錯誤的時候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。EN鍵的功能是確認輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵，當用戶不小心三次輸入密碼都沒有正確，鍵盤被鎖定，這個時候就可以啟動管理模式，使用管理員的密碼來開門。F2是用來進入修改密碼的狀態(tài)。F3用來關閉顯示器，一來可以節(jié)省電量，另外也可以防止不法分子偷窺密碼。F4用來作電鈴。</p><p>　　上面的3個

10、指示燈L1、L2、L3是用來指示操作的狀態(tài)：L1鎖定及輸入指示狀態(tài)燈，正常的情況下顯示紅色，當鍵盤動作的時候，L1燈開始閃動，當鍵盤處于鎖定狀態(tài)時，指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈，當用戶在規(guī)定的時間內(nèi)正確的輸入了密碼，此燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，表示開門，否則不顯示。L3是管理員狀態(tài)指示燈，當按下F1后，指示燈自動點亮。</p><p>　　面板上還有一個蜂鳴器，其中一個功能是用來指示操作的按鍵是否在成功的按下；另外一個功

11、能是當用戶輸入密碼錯誤的次數(shù)超過了3次，鳴笛以示報警。</p><p><b>　　3．顯示電路設計</b></p><p>　　本系統(tǒng)設計的顯示電路是為了給使用者以提示而設置的?？紤]到為了節(jié)約單片機的口資源，本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機的兩個串行口，就可以完成單片機的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖2－5所示。</p><p&g

12、t;　　電路設定：當程序檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵操作的時候，就關閉顯示。這個功能使用程序來實現(xiàn)的，一旦沒有按鍵動作就啟動一個定時器，檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵動作的時候，啟動一個程序，關閉顯示，這樣可以達到節(jié)省電能的目的。</p><p>　　從單片機串口輸出的信號先送到左邊的移位寄存器（74HC164）,由于移位脈沖的作用，使數(shù)據(jù)向右移，達到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動，插頭1（header

13、1）接電源，插頭2（header2）接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個整流管D1~D3的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓，增加其使用壽命。</p><p>　　圖3－5 顯示器原理圖</p><p>　　顯示器主顯示幾個字符，給用戶提供指示見圖3－6所示。</p><p>　　圖3－6 a關閉狀態(tài)</p><p>　　圖3－6 b 開鎖狀態(tài) &

14、lt;/p><p>　　圖3－6 c 密碼輸入及修改狀態(tài)</p><p>　　圖3－6 d 密碼輸入錯誤后的提示</p><p>　　圖3－6 e密碼在規(guī)定的時間內(nèi)輸入錯誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)</p><p>　　4．AT24C02掉電存儲單元的設計</p><p>　　掉電存儲單元的作用是在電源斷開的時候，存儲當前設

15、定的單價信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10Ua(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其電路如圖3－7所示。</p><p>　　圖3－7 掉電存儲電路原理圖</p><p>　　圖中R8、R10是上拉電阻，其作用是

16、減少AT24C02的靜態(tài)功耗，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機傳送數(shù)據(jù)。</p><p>　　每當設定一次單價，系統(tǒng)就自動調(diào)用存儲程序，將單價信息保存在芯片內(nèi)；當系統(tǒng)重新上電的時候，自動調(diào)用讀存儲器程序，將存儲器內(nèi)的單價等信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。</p><p>　　5．密碼鎖的電

17、源電路設計</p><p>　　為了防止停電情況的發(fā)生，本電路后備了UPS電源，它包括市電供電電路，停電檢測電路，電子開關切換電路，蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如圖3－8所示。</p><p>　　圖3－8 市電供電電路</p><p>　　220V市電通過變壓器降壓成12V的交流電,再經(jīng)過整流橋整流,7805穩(wěn)壓到5V送往電子切換電路，由于本電路功耗較少

18、，所以選用10W的小型變壓器。</p><p>　　由R8，R9，R6，R7及IC14構成電壓比較器，正常情況下，V+<V- IC14輸出高電平，繼電器的常閉觸點和市電相連；當市電斷開，V+>V- IC14輸出高電平，由T3，T4構成的達林頓管使繼電器J開啟，將其常開觸電將蓄電池和電路相連，實現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證電子密碼鎖的正常工作（視電池容量而定持續(xù)時間）。其電路圖如下圖3－9所示：<

19、;/p><p>　　圖3－9 停電檢測及電子開關切換電路</p><p>　　T1，T2構成的蓄電池自動充電電路，它在電池充滿后自動停止充電，其中D1亮為正在充電，D2為工作指示。由R4，R5，T1構成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則T1，T2導通，實現(xiàn)對其充電；充滿后，T1，T2截止，停止充電，同時D1熄滅，電路中C4的作用是濾除干擾信號。其電路圖如圖3－10所示：</p>&l

20、t;p>　　圖3－10 蓄電池自動充電電路</p><p><b>　　6．設計總框圖</b></p><p>　　圖3－11總體設計框圖</p><p><b>　　7．設計總體電路圖</b></p><p>　　圖3－12 總體電路圖</p><p><b&g

21、t;　　二、程序設計</b></p><p><b>　　1．模塊介紹</b></p><p>　　該計程計價系統(tǒng)的軟件設計分為以下幾個模塊：</p><p><b>　　(1)主程序模塊</b></p><p>　　主程序主要完成初始化、設置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等

22、。主程序的流程圖如下所示。</p><p>　　(2)鍵盤掃描及識別子程序</p><p>　　鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當沒有按鍵按下的時候，單片機循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應的子程序處理，處理結束再返回。其程序流程如圖 所示.</p><p>　　(3)調(diào)電存儲服務程序</p><p>　　當比較密碼的時候，需要讀AT2

23、4C02程序，將存儲在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。當修改密碼的時候，需要把輸入的密碼保存到AT24C02中，其程序流程如圖 所示.</p><p><b>　　(4)顯示子程序</b></p><p>　　由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到5個顯示子程序，分別是：關閉狀態(tài)顯示子程序（DIS_A）、開鎖狀態(tài)顯示子程序（DIS_B）、密碼輸入及修改狀態(tài)

24、顯示子程序(DIS_C)、密碼輸入錯誤后的提示子程序(DIS_D)。密碼在規(guī)定的時間內(nèi)輸入錯誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)顯示子程序(DIS_E).</p><p><b>　　2.程序流程圖</b></p><p>　?。?）主程序流程圖如圖4－1所示。</p><p><b>　　三、系統(tǒng)調(diào)試與測試</b></p&g

25、t;<p>　　系統(tǒng)的軟硬件設計都完成后，還不能直接上電運行；需要對系統(tǒng)進行詳細的調(diào)試，以消除在設計過程中出現(xiàn)的各種錯誤。單片機系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，很多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結合起來調(diào)試以進一步排除故障。所以硬件的調(diào)試是基礎，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設計則是無從做起。</p><p>　　當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后，

26、就開始進入硬件調(diào)試階段。首先應該確認電源電壓是否正常，用電壓表測量接地引腳跟電源引腳之間的電壓，看是否是電源電壓。接下來就是檢查復位引腳電壓是否正常。分別測量按下復位按鈕和放開復位按鈕的電壓值，看是否正確。然后再檢查晶振是否起振了，一般用示波器來看晶振引腳的波形，注意應該使用示波器探頭的“X10”檔。另一個辦法是測量復位狀態(tài)下的IO口電平，按住復位鍵不放，然后測量IO口(沒接外部上拉的P0口除外)的電壓，看是否是高電平，如果不是高電平，

27、則多半是因為晶振沒有起振。另外還要注意的地方是，如果使用片內(nèi)ROM的話，一定要將EA引腳拉高，否則會出現(xiàn)程序亂跑的情況。如果系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的話，有時是因為電源濾波不好導致的。在單片機的電源引腳跟地引腳之間接上一個0.1uF的電容會有所改善。如果電源沒有濾波電容的話，則需要再接一個更大濾波電容，例如220uF的。遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定時，就可以并上電容，越靠近芯片越好。</p><p>　　系統(tǒng)的鍵盤輸入電路，蜂鳴器發(fā)聲電

28、路，液晶顯示電路，這幾個部分在檢查硬件無誤后，需要結合軟件調(diào)試?？删帉憜为毧刂颇骋徊糠值某绦?，運行看是否可以正確控制。如蜂鳴器發(fā)聲電路，可編寫程序控制單片機P3.7口電平，上電運行看是否正常發(fā)聲。一些無法直接觀測出運行效果的電路，如鍵盤輸入電路和密碼存儲電路，則需結合液晶顯示器調(diào)試。如鍵盤輸入電路，需加上按鍵顯示程序顯示被按下按鍵的BUFF值。</p><p>　　當電池安裝后，電路開始工作。當輸入密碼時，蜂鳴器

29、發(fā)出聲音，液晶顯示器并顯示按下的數(shù)字。當輸入錯誤密碼時，液晶顯示器提示錯誤，當連續(xù)輸入錯誤密碼三次時，蜂鳴器報警10S.當輸入正確密碼時，液晶顯示器提示密碼正確，進入開鎖程序。</p><p><b>　　三、總結</b></p><p>　　由于使用的是單片機作為核心的控制元件，以及靈敏的霍爾開關型器件，是本出租車計價器具有功能強、性能可靠、電路簡單、成本低的特點，