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一、设计目的1.1课题简介如何实现防盗是很多人关心的问题，传统的机械锁由于其构造简单，被撬的事件屡见不鲜，使人们的人身及财产安全受到很大威胁。电子密码锁是一种依靠电子电路来控制电磁锁的开与闭的装置，开锁需要输入正确密码，若密码泄露，用户可以随时更改密码。因此其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，可以满足广大用户的需要，现在广泛使用的有红外遥控电子密码锁，声控密码锁，按键密码锁等。1.2课题研究目的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，同时对单片机的型号选择、硬件设计、软件流程图、单片机存储单元的分配等都有注释。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。本次设计的密码锁具备的功能：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”，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”。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。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。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”。本次设计中硬件主要由我完成，软件主要由张振完成。1二、硬件设计2.1概述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:图1系统框图2.2最小系统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：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2图2AT89C51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·128×8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.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30pF±10pF,这里使用30pF的独石电容。3因此晶振电路中使用12M晶振，30pF独石电容。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10μF电容、10KΩ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0.7VccV1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=V1×[1-exp(-t/RC)]即，t=RC×Ln[V1/(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=Vcc×[1-exp(-t/RC)]即[1-exp(-t/RC)]=0.3；∴exp(-t/RC）=0.74∴-t/RC=ln(0.7)∴t/RC=ln(1.43)ln（1.43）≈0.35也就是t=0.35RC。带入R=10KC=10μF得。t=0.35×10K×10uf=35ms∵时钟周期T=1／f=1／12M=1μs∴2个机器周期=2T=4μs∴t＞＞2μs所以复位电路中电容选10μF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。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2.3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。5图6LM7805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。2.4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N×M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、12JP112JP2D1D2D3D4D5R11KC1100C20.1C31001237805622H、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0～9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2.5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1074LS164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（QA－QH）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174LS164真值表774LS164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：0°Cto70°CVcc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11LED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8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10～20mA为宜若电流为10mAR=(5-1.7)/10=330欧姆9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6×8=48只220欧姆的电阻。2.6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。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