89C51單片機(jī)控制的密碼鎖硬件課程設(shè)計(jì)說明書

ID:268577 · 發(fā)表于 2017-12-28 20:38

機(jī)電工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書

（2017/2018學(xué)年第 1 學(xué)期）

課程名稱：微機(jī)原理課設(shè)

題目：單片機(jī)的密碼鎖設(shè)計(jì)

專業(yè)班級：機(jī)械電子工程2班

學(xué)生姓名：楊*

學(xué) 號： 140*07

指導(dǎo)教師：楊*

設(shè)計(jì)周數(shù) ：

設(shè)計(jì)成績：

1引言

目前，最常用的鎖是20世紀(jì)50年代意大利人設(shè)計(jì)的機(jī)械鎖，其機(jī)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格便宜。但在使用中暴露了很多缺點(diǎn)：一是機(jī)械鎖是靠金屬制成的鑰匙上的不同齒形與鎖芯的配合來工作的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每4000把鎖中就有兩把鎖的鑰匙齒牙相同或類似，故安全性低。二是鑰匙一旦丟失，無論誰撿到都可以將鎖打開。三是機(jī)械鎖的材料大多為黃銅，質(zhì)地較軟，容易損壞。四是機(jī)械鎖鑰匙易于復(fù)制，不適于諸如賓館等公共場所使用。由于人們對鎖的安全性，方便性等性能有更高的要求，許多智能鎖也相繼問世，但這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是針對特定指紋或有效卡，但能適用于保密要求高且僅供個(gè)別人使用的箱、柜、房間，其成本一般較高，在一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。

隨著人們生活水平的提高，電子密碼防盜鎖作為防盜衛(wèi)士的作用日趨重要。電子密碼防盜鎖用密碼代替鑰匙，不但省去了佩戴鑰匙的煩惱，也從根本上解決了普通門鎖保密性差的缺點(diǎn)。隨著人們生活水平的提高，如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，機(jī)械鎖的這些弊端為一種新型的鎖---電子密碼鎖，提供了發(fā)展的空間。

隨著人們對安全的重視和科技的發(fā)展，許多電子智能鎖已在國內(nèi)外相繼面世。但是這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是針對特定的指紋和有效卡，只能適用于保密要求的箱、柜、門等。而且指紋識識別器若在公共場所使用存在容易機(jī)械損壞，IC卡還存在容易丟失、損壞等特點(diǎn)。加上其成本較高，一定程度上限制了這類產(chǎn)品的普及和推廣。電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的歡迎。鑒于目前的技術(shù)水平與市場的接收程度，電子密碼鎖是這類電子防盜產(chǎn)品的主流。

2設(shè)計(jì)方案及原理

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本次電子密碼鎖設(shè)計(jì)的主要是以下幾個(gè)部分：4x3矩陣鍵盤設(shè)計(jì)、LCD信息顯示和密碼的比較和處理，還有報(bào)警等功能模塊。其中矩陣鍵盤用于輸入數(shù)字密碼和進(jìn)行各種功能的實(shí)現(xiàn)。由用戶通過連接單片機(jī)的矩陣鍵盤輸入密碼，后經(jīng)過單片機(jī)對用戶輸入的密碼與自己保存的密碼進(jìn)行對比，從而判斷密碼是否正確，然后控制引腳的高低電平傳到開鎖電路或者報(bào)警電路是報(bào)警。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2設(shè)計(jì)硬件資源分配

P3.0～P3.7用于LCD液晶顯示作用。

P1.6、P1.7用于蜂鳴器和報(bào)警燈的控制。

P1.4用于開鎖電路的控制。

P2.0～P2.7用于鍵盤電路的控制。

P1.0～P1.2用于LCD顯示模塊的控制端口的控制。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1芯片選擇

本次設(shè)計(jì)采用AT89C51貼片芯片，AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89SC51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活，超有效地解決方案。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器， AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案，通過用Keil軟件編寫程序，然后裝到單片機(jī)里面去，然后讓它對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息的處理，如可以讓它處理矩陣鍵盤傳過來的信息，并根據(jù)編好的程序來確定哪個(gè)按鍵按下，并處理相應(yīng)按鍵對應(yīng)的功能，然后把相應(yīng)的信息反應(yīng)到單片機(jī)的各個(gè)引腳，來實(shí)現(xiàn)按鍵實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，如：顯示是否開啟鎖，報(bào)警等。AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89C51的引腳圖如圖2所示。

圖2 AT89C51

3.1.1電容的作用及分類

電容在電路中具有隔斷直流電，通過交流電的作用，因此常用于級間耦合、濾波、去耦、旁路及信號調(diào)諧。

1、應(yīng)用于電源電路，實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲能的作用，下面分類詳述之：

1）旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。

2）去藕

去藕，又稱解藕。從電路來說，總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大，驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大，這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級的正常工作。這就是耦合。

去藕電容就是起到一個(gè)電池的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去藕合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合電容一般比較大，是10uF或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng) 電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象，而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象，防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

3）濾波

從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000uF)濾低頻，小電容(20pF)濾高頻。曾有網(wǎng)友將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。

4）儲能

儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000uF之間的鋁電解電容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式，對于功率級超過10KW的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2、應(yīng)用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用。

1）耦合

舉個(gè)例子來講，晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻，它同時(shí)又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件，如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容，由于適當(dāng)容量的電容器對交流信號較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng)，故稱此電容為去耦電容。

2）振蕩/同步

包括RC、LC振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

3）時(shí)間常數(shù)

這就是常見的R、C串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時(shí)，電容（C）上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻（R）、電容（C）的特性通過下面的公式描述：

i = (V/R)e-(t/CR)

通常音頻電路中包括濾波、耦合、旁路、分頻等電容，如何在電路中更有效地選擇使用各種不同類型的電容器對音響音質(zhì)的改善具有較大的影響。

耦合電容

耦合電容的容量一般在0.1μF～1μF之間，以使用云母、丙烯、陶瓷等損耗較小的電容音質(zhì)效果較好。

2.前置放大器、分頻器等

　前置放大器、音頻控制器、分頻器上使用的電容，其容量在100pF～0.1μF之間，而揚(yáng)聲器分頻LC網(wǎng)絡(luò)一般采用1μF～數(shù)10μF之間容量較大的電容，目前高檔分頻器中采用CBB電容居多。小容量時(shí)宜采用云母，苯乙烯電容。而LC網(wǎng)絡(luò)使用的電容，容量較大，應(yīng)使用金屬化塑料薄膜或無極性電解電容器，其中無機(jī)性電解電容如采用非蝕刻式，則更能獲取極佳音質(zhì)。

3.濾波電容

　整流后由于濾波用的電容器容量較大，故必須使用電解電容。濾波電容用于功率放大器時(shí)，其值應(yīng)為10000μF以上，用于前置放大器時(shí)，容量為1000μF左右即可。當(dāng)電源濾波電路直接供給放大器工作時(shí)，其容量越大音質(zhì)越好。但大容量的電容將使阻抗從10KHz附近開始上升。這時(shí)應(yīng)采取幾個(gè)稍小電容并聯(lián)成大電容同時(shí)也應(yīng)并聯(lián)幾個(gè)薄膜電容，在大電容旁以抑制高頻阻抗的上升。

3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)就是指能使單片機(jī)工作的最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)已經(jīng)包含了數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，所以只要在其外部加上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就可以構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。

晶振電路的作用是產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)工作所需的同步時(shí)鐘信號由由以下兩種方法獲得，第一：由單片機(jī)片內(nèi)時(shí)鐘電路結(jié)合外部晶振、電容產(chǎn)生；第二：直接從單片機(jī)外部引入脈沖信號。設(shè)計(jì)中用第一方法，有石英晶體和微調(diào)電容（一般取值30pF左右）組成，石英晶體產(chǎn)生震蕩，單片機(jī)振蕩電路產(chǎn)生的脈沖信號稱振蕩信號，它的頻率等于石英晶體的振蕩頻率（fosc）,簡稱晶振頻率，振蕩脈沖信號還不是單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號，時(shí)鐘信號必須由振蕩脈沖信號經(jīng)單片機(jī)片內(nèi)時(shí)鐘電路的處理后才能產(chǎn)生。課程設(shè)計(jì)晶振電路主要由振蕩電路和分頻電路組成。其中振蕩電路由高增益反相器以及并聯(lián)外接的石英晶體和電容構(gòu)成產(chǎn)生振蕩脈沖。而分頻電路則用于把振蕩脈沖分頻，已得到所需的時(shí)鐘信號。振蕩電路由單片機(jī)芯片的XTAL1端輸入，XTAL2端輸出。此時(shí)同時(shí)并接一個(gè)石英晶體振蕩器以及兩個(gè)22pF電容。而AT89C51中自帶有分頻電路所以不需要外接電路對脈沖信號進(jìn)行分頻。晶振頻率是12MHz。

單片機(jī)工作需要晶振給CPU提供頻率，時(shí)鐘電路就是給單片機(jī)提供晶振頻率的電路。圖3是時(shí)鐘電路的PROTEUS仿真圖。單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2～24MHz之間選擇，一般為11.0592MHz，電容C1，C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有一定的影響，可在20～100pF之間選擇，典型值30pF

圖3時(shí)鐘電路

（2）計(jì)算機(jī)每次開始工作，CPU和系統(tǒng)中的其他部件都必須要有一個(gè)確定

的初值，即復(fù)位狀態(tài)。圖4是單片機(jī)復(fù)位電路仿真圖。

圖4單片機(jī)復(fù)位電路仿真圖。

單片機(jī)RST引腳是高電平有效。單片機(jī)在上電瞬間C1充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST斷保持兩個(gè)機(jī)械周期（大約10ms）以上的高電平，單片機(jī)就能復(fù)位。在單片機(jī)工作后，如果還想再次復(fù)位，只需按下開關(guān)，單片機(jī)就能重新變成復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時(shí)，RC的典型值為C=10μF，R=8.2KΩ。

3.3 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)

一組鍵或者一個(gè)鍵盤，需要通過接口電路和CPU相連接，CPU可以采用查詢接口或者中斷的方式了解有沒有鍵被按下，并檢查是哪個(gè)鍵被按下。無論是查詢方式還是中斷方式都要用到單片機(jī)的I/O口。由于單片機(jī)I/O口較少的原因，當(dāng)系統(tǒng)中需要用到較多按鍵時(shí)，為了能夠更合理更有效地利用單片機(jī)的I/O口，一般采用矩陣鍵盤的方式來實(shí)現(xiàn)多按鍵的功能。

矩陣鍵盤又叫做行列式鍵盤。行列式鍵盤的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，由行輸出口和列輸出口構(gòu)成行列式鍵盤，按鍵設(shè)置在行、列交點(diǎn)上。只有當(dāng)鍵被按下時(shí)相應(yīng)的行和列才能相連。如此，只要檢測行和列是否相連就可以知道是否有鍵按下。

由于按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，平時(shí)無鍵按下時(shí)，行線處于高電平，假設(shè)列線為低電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)，按下的鍵就會(huì)將相應(yīng)的行和列連通，使得對應(yīng)的行線被列線拉低，也變?yōu)榈碗娖健＿@就是識別矩陣鍵盤是否有鍵被按下的關(guān)鍵。

當(dāng)確定有鍵被按下時(shí)，通過逐行掃描，讀出I/O口的值可以知道哪一行的值被改變了，被改變了的行即是被按下的按鍵所在行。同時(shí)，由于每個(gè)鍵都有它的行值和列值，行值和列值得組合就是這個(gè)按鍵的編碼，當(dāng)算法一定時(shí)，每個(gè)按鍵的編碼是固定的，且各個(gè)按鍵的編碼互不相同，所有通過讀I/O的值還能具體知道是哪一個(gè)鍵被按下，這樣就實(shí)現(xiàn)了鍵盤的識別。圖5是4x3矩陣鍵盤在PROTEUS中的電路原理仿真圖。

圖5矩陣鍵盤

3.4 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD1602是一種字符型液晶顯示器，是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣式液晶顯示器。LCD1602的顯示容量為16x2個(gè)字符（可以顯示2行，每行顯示16個(gè)字符），芯片工作電壓為4.5～5.5V，工作電流為2.0mA（5.0V），模塊最佳工作電壓是5.0V。

LCD1602具有16個(gè)引腳。在LCD1602的有關(guān)設(shè)計(jì)中，主要是通過編寫程序控制LCD1602的4、5、6引腳來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或者指令的寫入和執(zhí)行，再通過數(shù)據(jù)或者指令的寫入和執(zhí)行來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)LCD1602的顯示功能。查資料了解在仿真庫中用lm016l代替LCD602圖6是PROTEUS中顯示模塊的仿真圖。由于LCD要正常工作必須提供足夠的電流，因此在實(shí)際應(yīng)用為了保證顯示器能夠正常工作，應(yīng)在數(shù)據(jù)端口接一上拉電阻，不過此次仿真就沒有另外加上拉電阻。

圖6 LCD顯示電路

3.5報(bào)警模塊、開鎖模塊以及表示模塊

開鎖模塊用繼電器帶一個(gè)LED管代替電磁鎖。電路如圖7所示，報(bào)警模塊用蜂鳴器表示，電路如圖8所示，表示模塊用發(fā)光二極管表示開鎖與否。采用蜂鳴器控制開鎖顯示，當(dāng)輸入正確密碼時(shí)，單片機(jī)向蜂鳴器送出低電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響鈴。采用蜂鳴器鬧鈴結(jié)構(gòu)簡單，只需要單路信號控制，發(fā)出的鬧鈴聲音可以根據(jù)響和不響的不同的軟件延時(shí)時(shí)間來控制，若加上LM386放大電路的話，當(dāng)然也能發(fā)出清脆的音樂聲音。當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)，該模塊發(fā)出報(bào)警聲音，密碼的按鍵音是通過聲音模塊發(fā)出的。用戶輸入六位正確密碼時(shí)按再ENTEER鍵，藍(lán)燈D1亮，表示開鎖成功。按CLEAR鍵清除六位密碼。

圖7開鎖電路