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河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)1基于單片機(jī)控制的電子密碼鎖摘要:本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、矩陣鍵盤、LED顯示和報(bào)警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能完成開鎖、超時(shí)報(bào)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(chǔ)、聲光提示等功能,依據(jù)實(shí)際的情況還可以添加遙控功能。本系統(tǒng)成本低廉,功能實(shí)用關(guān)鍵詞:AT89S51,AT24C02,電子密碼鎖,矩陣鍵盤一、引言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(jiǎn)單,被撬的事件屢見不鮮,電子鎖由于其保密性高,使用靈活性好,安全系數(shù)高,受到了廣大用戶的親呢。設(shè)計(jì)本課題時(shí)構(gòu)思了兩種方案:一種是用以AT89s51為核心的單片機(jī)控制方案;另一種是用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案??紤]到數(shù)字電路方案原理過于簡(jiǎn)單,而且不能滿足現(xiàn)在的安全需求,所以本文采用前一種方案。二、方案論證與比較方案一:采用數(shù)字電路控制。其原理方框圖如圖11所示。圖21數(shù)字密碼鎖電路方案采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制,共設(shè)了9個(gè)用戶輸入鍵,其中只有4個(gè)是有效的密碼按鍵,其它的都是干擾按鍵,若按下干擾鍵,鍵盤輸入電路自動(dòng)清零,原先輸入的密碼無效,需要重新輸入;如果用戶輸入密碼的時(shí)間超過40秒(一般情況下,用戶不會(huì)超過40秒,若用戶覺得不便,還可以修改)電路將報(bào)警80秒,若電路連續(xù)報(bào)警三次,電路將鎖定鍵盤5分鐘,防止他人的非法操作。電路由兩大部分組成:密碼鎖電路和備用電源(UPS),其中設(shè)置UPS電源是為了防止因?yàn)橥k娫斐傻拿艽a鎖電路失效,使用戶免遭麻煩。密碼鎖電路包含:鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測(cè)、開鎖電路、執(zhí)行電路、報(bào)警電路、鍵盤輸河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)2入次數(shù)鎖定電路。方案二:采用一種是用以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的IO端口,及其控制的準(zhǔn)確性,不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能,還能添加調(diào)電存儲(chǔ)、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖12所示。圖22單片機(jī)控制方案通過比較以上兩種方案,單片機(jī)方案有較大的活動(dòng)空間,不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能,而且還可以方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),所以我們采用后一種方案。三、電路的功能單元設(shè)計(jì)1開鎖機(jī)構(gòu)通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu),電路驅(qū)動(dòng)電磁鎖吸合,從而達(dá)到開鎖的目的。其原理如圖21所示。圖31密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)示意圖當(dāng)用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時(shí)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(jī)便輸出開門信號(hào),送到開鎖驅(qū)動(dòng)電路,然后驅(qū)動(dòng)電磁鎖,達(dá)到開門的目的。其實(shí)際電路如圖22所示。電路驅(qū)動(dòng)和開鎖兩級(jí)組成。由D5、R1、T10組成驅(qū)動(dòng)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。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。單片機(jī)微控制器開鎖驅(qū)動(dòng)電路電磁鎖密碼正確?Y返回N開鎖控制電路89S51單片機(jī)AT24C02掉電存儲(chǔ)串口顯示電路矩陣鍵盤控制指示電路輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤延時(shí)報(bào)警控制電路河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)3在本次設(shè)計(jì)中,基于節(jié)省材料的原則,暫時(shí)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。T10T11D5GNDR13.3K電磁鎖C24VCC來自微控制器信號(hào)D6圖32密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)電路圖2按鍵電路設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求使用矩陣鍵盤,所以本設(shè)計(jì)就采用行列式鍵盤,同時(shí)也能減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O線的數(shù)目,在按鍵比較多的時(shí)候,通常采用這樣方法。其原理如圖23所示。圖33行列式鍵盤原理電路圖每一條水平(行線)與垂直線(列線)的交叉處不相通,而是通過一個(gè)按鍵來連通,利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要N條行線和M條列線,即可組成具有NM個(gè)按鍵的鍵盤。在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中,鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后,下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵按下。對(duì)鍵的識(shí)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。對(duì)照?qǐng)D23所示的44鍵盤,說明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。首先辨別鍵盤中有無鍵按下,有單片機(jī)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(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤中哪一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。方法是:依次給列線送低電平,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(diǎn)上的那個(gè)鍵。89s51D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D105.1KX45.1KX4VCC河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)4按鍵的操作面板如圖圖23所示。共計(jì)數(shù)字鍵10個(gè),功能鍵6個(gè)。鍵盤上還有3個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴器。圖34按鍵操作面板示意圖10個(gè)數(shù)字鍵用來輸入密碼,另外6個(gè)功能鍵分別是:CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤的時(shí)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(rèn)輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵,當(dāng)用戶不小心三次輸入密碼都沒有正確,鍵盤被鎖定,這個(gè)時(shí)候就可以啟動(dòng)管理模式,使用管理員的密碼來開門。F2是用來進(jìn)入修改密碼的狀態(tài)。F3用來關(guān)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。上面的3個(gè)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(dāng)鍵盤動(dòng)作的時(shí)候,L1燈開始閃動(dòng),當(dāng)鍵盤處于鎖定狀態(tài)時(shí),指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈,當(dāng)用戶在規(guī)定的時(shí)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(dāng)按下F1后,指示燈自動(dòng)點(diǎn)亮。面板上還有一個(gè)蜂鳴器,其中一個(gè)功能是用來指示操作的按鍵是否在成功的按下;另外一個(gè)功能是當(dāng)用戶輸入密碼錯(cuò)誤的次數(shù)超過了3次,鳴笛以示報(bào)警。3顯示電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示電路是為了給使用者以提示而設(shè)置的??紤]到為了節(jié)約單片機(jī)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(jī)的兩個(gè)串行口,就可以完成單片機(jī)的顯示功能,顯示電路的電路原理圖如圖25所示。電路設(shè)定:當(dāng)程序檢測(cè)在5分鐘內(nèi)沒有按鍵操作的時(shí)候,就關(guān)閉顯示。這個(gè)功能使用程序來實(shí)現(xiàn)的,一旦沒有按鍵動(dòng)作就啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器,檢測(cè)在5分鐘內(nèi)沒有按鍵動(dòng)作的時(shí)候,啟動(dòng)一個(gè)程序,關(guān)閉顯示,這樣可以達(dá)到節(jié)省電能的目的。從單片機(jī)串口輸出的信號(hào)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(dá)到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng),插頭1(header1)接電源,插頭2(header2)接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個(gè)整流管D1D3的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓,增加其使用壽命。CLR01EN69F448F337F226F1L1L2L3河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)5A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC1A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC2A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC3A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC4A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC5A1B2Q03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713CLK8MR9IC612HEADER212HEADER1vccabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED0abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED1abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED2abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED3abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED4abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp9LED5Cd1d2d3圖35顯示器原理圖顯示器主顯示幾個(gè)字符,給用戶提供指示見圖26所示。圖36a關(guān)閉狀態(tài)圖36b開鎖狀態(tài)圖36c密碼輸入及修改狀態(tài)圖36d密碼輸入錯(cuò)誤后的提示圖36e密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)OFF-2888-1-ERRORS-LOCK-河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)64AT24C02掉電存儲(chǔ)單元的設(shè)計(jì)掉電存儲(chǔ)單元的作用是在電源斷開的時(shí)候,存儲(chǔ)當(dāng)前設(shè)定的單價(jià)信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲(chǔ)芯片,采用兩線串行的總線和單片機(jī)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25所示。NC1NC2NC3GND4SDA5SCL6WP7VCC8U4AT24C02AGNDVCC串行存儲(chǔ)模塊R85.1kR105.1k接P2.5接P2.6圖37掉電存儲(chǔ)電路原理圖圖中R8、R10是上拉電阻,其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗,由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)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(jī)傳送數(shù)據(jù)。每當(dāng)設(shè)定一次單價(jià),系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)用存儲(chǔ)程序,將單價(jià)信息保存在芯片內(nèi);當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候,自動(dòng)調(diào)用讀存儲(chǔ)器程序,將存儲(chǔ)器內(nèi)的單價(jià)等信息,讀到緩存單元中,供主程序使用。5密碼鎖的電源電路設(shè)計(jì)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(cè)電路,電子開關(guān)切換電路,蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如圖28所示。12JP112JP2D1D2D3D4D5R11KC13300C20.1C333001237805圖38市電供電電路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,所以選用10W的小型變壓器。由R8,R9,R6,R7及IC14構(gòu)成電壓比較器,正常情況下,V+V-IC14輸出高電平,由T3,T4構(gòu)成的達(dá)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(shí)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(shí)間)。其電路圖如下圖6所示:河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院?jiǎn)纹瑱C(jī)課程設(shè)計(jì)7R850KR940KR730KR620KT39018R105.1KT49014123IC14741繼電器蓄電池供電5V直流電源A1蓄電池A25V直流電源A1蓄電池A2VCC常閉常開圖39停電檢測(cè)及電子開關(guān)切換電路T1,T2構(gòu)成的蓄電池自動(dòng)充電電路,它在電池充滿后自動(dòng)停止充電,其中D1亮為正在充電,D2為工作指示。由R4,R
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