基于protues的電子密碼鎖設計

1、本科生學年論文（設計）(2011級)論文（設計）題目 基于protues的電子密碼鎖設計 作 者 姚曉強 系 專業(yè) 電氣信息工程 班 級 電子1102 指導教師（職稱） 孫亞萍(講師) 字 數(shù) 6280 成果完成時間 2013-12-26 杭州師范大學錢江學院教學部制基于protues的電子密碼鎖設計電氣信息專業(yè)1102班姚曉強 指導教師孫亞萍摘 要：本文以AT89C51單片機為核心器件，結合按鍵電路、LED數(shù)碼管顯示電路、報警指示電路和開鎖機構，利用單片機靈活的編程設計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性通過軟件程序來控制整個系統(tǒng)實現(xiàn)電子密碼鎖的基本功能,其主要具有如下功能：密碼通過鍵盤輸入

2、，若密碼正確，則將鎖打開密碼輸入錯誤，蜂鳴器將報警提示用戶可以自由設定密碼本密碼鎖具有設計方法合理，簡單易行成本低，安全實用等特點，具有一定的推廣價值。關鍵詞：AT89C51；電子密碼鎖；功能The design of electroniclock on the ProtuesYao Xiaoqiang Instructor: Sun YapingAbstract: Based on the AT89C51 single-chip microcomputer as the core device, combining with the key circuit, LED digital tube

3、 display circuit, an alarm circuit and unlocking mechanism, design the whole system to achieve the basic functions of electronic cipher lock by its flexible programming , rich I / O port, and accuracy basing on the software program . With the following functions :Input password through the keyboard,

4、 if the password is correct, lock will open If the password is error, the buzzer will alarm Users can freely set the password The lock has some features like a reasonable design methods，simple to work，low cost and security，it also has some promotion value.Key words: AT89C51 ; Electronic lock ; Funct

5、ion目錄第一章 引言11.1 研究背景11.2 應用現(xiàn)狀12.1 Protues軟件概述22.2 Protues軟件的功能和特點2第三章 電子密碼鎖電路的設計23.1 電子密碼鎖的工作原理23.2系統(tǒng)的總體思路設計33.3主要元器件介紹33.3.1 AT89C51介紹33.3.2 LED數(shù)碼管介紹53.3.3 LED矩陣鍵盤介紹6第四章 電子密碼鎖的仿真分析64.1 Protues原理圖設計64.1.1單片機主控制模塊（含晶振、復位基本工作電路）74.1.2鍵盤輸入模塊74.1.3顯示模塊84.1.4報警模塊和開鎖模塊94.2仿真效果總圖10總結10參考文獻10附錄11基于protues的電

6、子密碼鎖設計電子信息專業(yè)1102班姚曉強 指導教師孫亞萍第一章 引言1.1 研究背景電子線路的設計需要經過設計方案提出、方案驗證和修改三個階段，有時甚至需要經過多次的反復。傳統(tǒng)的設計方法一般是采用搭接實驗電路的方法進行，這種方法費時、費用高、效率低。隨著計算機技術水平的不斷提高，電子線路設計仿真軟件迅速發(fā)展起來，EDA1（Electronic Design Automation 電子設計自動化）技術應運而起，功能日益強大，運行速度快，使得電子線路設計人員能在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析等等。Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具

7、軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。1.2 應用現(xiàn)狀現(xiàn)今常見的密碼鎖設計主要有兩種方案，一種是中規(guī)模集成電路控制的方案，另一種是單片機控制的方案。對于采用集成電路控制的方案，其中的編碼電子鎖電路分為編碼電路、控制電路、復位電路、解碼電路、防盜報警電路、門鈴電路，而電子鎖主要由輸入元件、電路(包括電源)以及鎖體三部分組成。顯然此種方案的物理實現(xiàn)結構較為復雜且重新設置密碼、輸入密碼的操作過程也會給用戶帶來一定的不方

8、便；而利用單片機控制的方案，由于單片機靈活的編程設計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性，不但能實現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加掉電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能，但其也有一定的局限性，就在于其控制原理的復雜以及要求設計人員具有更加良好的程序設計能力，調試較為繁瑣，否則程序一旦跑飛將造成意想不到的損失。通過對這兩種方案的優(yōu)缺點比較，再考慮到本人自己對單片機設計具有一定的基礎，所以此次選擇利用單片機來進行密碼鎖的設計。第二章 Protues軟件包介紹2.1 Protues軟件概述Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PC

9、B設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。迄今為止是世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯。2.2 Protues軟件的功能和特點Protues軟件具有其它EDA工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：（1）原理布圖（2）PCB自動或人工布線（3）SPICE電路仿真第三章

10、電子密碼鎖電路的設計3.1 電子密碼鎖的工作原理以AT89C51單片機為主控制單元，鍵盤為主要輸入單元，結合開鎖裝置、報警器和顯示器完成整個系統(tǒng)設計。它的系統(tǒng)結構圖如圖.3.1所示:圖.3.1系統(tǒng)結構圖3.2系統(tǒng)的總體思路設計系統(tǒng)的運行過程大致如下：假設初始狀態(tài)為閉鎖，此時整個系統(tǒng)只等待按鍵輸入，數(shù)碼管也不顯示。先按除號鍵修改密碼，每按下一個數(shù)據(jù)鍵（即每輸入一個密碼），數(shù)碼管相應的顯示一個“-”標志，當密碼全部輸入完成后，需按下確認鍵“ON/C”。設置密碼后，先按“+”復位，然后輸入密碼，輸入完畢后按下確認鍵“ON/C”，此時系統(tǒng)判斷密碼是否正確，正確則開鎖（仿真中以數(shù)碼管顯示全8、綠色LED

11、燈亮為標志），錯誤則報警，此后數(shù)碼管熄滅繼續(xù)等待按鍵。3.3主要元器件介紹3.3.1 AT89C51介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的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芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)

12、提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖3.3.1.1 AT89C51封裝圖 圖3.3.1.2 AT89C51引腳圖 AT89C51主要特性： 1. 與MCS-51 兼容2. 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器3. 壽命：1000寫/擦循環(huán)4. 數(shù)據(jù)保留時間：10年5. 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz6. 三級程序存儲器鎖定7. 1288位內部RAM832可編程I/O線9. 兩個16位定時器/計數(shù)器105個中斷源11可編程串行通道12. 低功耗的閑置和掉電模式13. 片內振蕩器和時鐘電路AT89C51單片機引腳： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可

13、吸收8TTL門電流。當P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須接上拉電阻。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當

14、P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是

15、由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)

16、。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當/

17、EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要

18、求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.3.2 LED數(shù)碼管介紹圖3.3.2數(shù)碼管LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。當數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定段就會發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的樣子。 以“2”為例，應當是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成，而大尺寸的數(shù)碼管由二個或多個發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接

19、到一起連接到電源正極的稱為共陽數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數(shù)碼管。常用LED數(shù)碼管顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。3.3.3 LED矩陣鍵盤介紹在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需

20、要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。本設計采用Protues庫中KEYPAD-SMALLCALC作為鍵盤。第四章 電子密碼鎖的仿真分析4.1 Protues原理圖設計4.1.1單片機主控制模塊（含晶振、復位基本工作電路）圖4.1.1主控制模塊4.1.2鍵盤輸入模塊

21、本設計中采用Protues庫中KEYPAD-SMALLCALC作為鍵盤，與AT89C51的P3口相連，提供按鍵輸入，如圖4.1.2：圖4.1.2 鍵盤輸入模塊按鍵鍵名功能說明19鍵數(shù)字鍵輸入密碼鍵重設密碼鍵設定新密碼+鍵復位鍵密碼全部一次刪除=鍵密碼刪除鍵一次刪除一位密碼ON/C鍵確定鍵確認密碼輸入完畢表4.1.2按鍵功能4.1.3顯示模塊圖4.1.3 顯示模塊此設計中，使用了四個共陽極數(shù)碼管，使用動態(tài)顯示技術控制數(shù)碼管。其6個位選信號與P2.0-P2.5相連，當其中某位為低電平時表示選中該位；8段段選信號與P0口相連，當其中某段為高電平時導通該段，特殊的，由于AT89C51的P0口的驅動能力

22、較弱，不足以驅動數(shù)碼管點亮，故在此又引入上拉電阻以驅動數(shù)碼管。關于上拉電阻有如下介紹：1、當TTL電路驅動CMOS電路時，如果電路輸出的高電平低于CMOS電路的最低高電平（一般為3.5V）， 這時就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。 2、OC門電路必須加上拉電阻，以提高輸出的高電平值。3、為加大輸出引腳的驅動能力，有的單片機管腳上也常使用上拉電阻。4、在CMOS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻產生降低輸入阻抗， 提供泄荷通路。5、芯片的管腳加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限增強抗干擾能力。6、提高總線的抗電磁干擾能力。管

23、腳懸空就比較容易接受外界的電磁干擾 。7、長線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加上下拉電阻是電阻匹配，有效的抑制反射波干擾。4.1.4報警模塊和開鎖模塊圖4.1.4 報警和開鎖模塊4.2仿真效果總圖圖4.2輸入正確密碼時仿真效果總圖總結通過上述設計電路的仿真分析，不難發(fā)現(xiàn)使用單片機制作的電子密碼鎖具有軟硬件設計簡單，易于開發(fā)，成本較低，安全可靠，操作方便等特點。正是由于單片機的眾多優(yōu)良特性的吸引，最終從經濟實用的角度出發(fā)，采用單片機AT89C51作為主控芯片，結合外圍的鍵盤輸入、顯示、報警、開鎖等電路，用C語言編寫主控芯片的控制程序，設計了一款可以多次更改密碼具有報警功能的電子密碼鎖。參考

24、文獻1 于殿泓，王新年.單片機原理與程序設計實驗教程M.西安電子科技大學出版社，2007.127-151頁.2 趙文博，劉文濤.單片機語言C51程序設計M人民郵電出版社，2005.258-294頁.附錄#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint num=10;/開始讓數(shù)碼管什么都顯示bit set=0;/定義設置密碼的位char count=-1;/開始讓COUNT=-1,方便后面顯示數(shù)碼管sbit Beep=P12; /蜂鳴器uchar temp;uchar pws6=8,8,8,8,8,8;/原始密碼uc

25、har pwx6;/按下的數(shù)字存儲區(qū)bit rightflag;/密碼正確標志位uchar workbuf6;uchar code tabledu=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40;/段選碼,共陰極uchar code tablewe=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;/位選碼uint keyscan();void delay(uchar z)/延時,ms級uchar y;for(;z0;z-)for(y=120;y0;y-);void setpw()/設置密碼函數(shù)keyscan()

26、;uint keyscan()/鍵盤掃描函數(shù)P3=0xfe;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(5);/鍵盤去抖,最好20ms以上,這里用了5mstemp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)count+;/按鍵計數(shù)加1temp=P3;switch(temp)case 0xee: num=7;if(count6)/六位密碼,所以COUNT6if(set=0)/設置密碼鍵沒有按下時pwxcount=num; /存儲按下的數(shù)字elsepwscount=num; /設置密碼鍵按下時,設置新密碼workbufcount=ta

27、bledu11; /相應位的數(shù)碼管顯示-,不顯示相應的數(shù)字,密碼是保密的break;case 0xde: num=8;if(count6)/以下掃描鍵盤的原理差不多同上if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xbe: num=9;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11; break;case 0x7e:/設置密碼鍵按下set=1;/設置密碼標志位置1P1_3=0;/設置密碼指示燈亮wo

28、rkbuf0=0x00;/數(shù)碼管第一位不顯示workbuf1=0x00;/.workbuf2=0x00;/.workbuf3=0x00;workbuf4=0x00;workbuf5=0x00;/.count=-1;/按鍵計數(shù)復位為-1if(count6)/密碼沒有設置完,繼續(xù)設置密碼setpw();/設置密碼break;while(temp!=0xf0) /按鍵抬起檢測temp=P3;temp=temp&0xf0;P3=0xfd;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)

29、count+;temp=P3;switch(temp)case 0xed: num=4;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xdd: num=5;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xbd:num=6;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=table

30、du11;break;while(temp!=0xf0)temp=P3;temp=temp&0xf0;P3=0xfb;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)count+;temp=P3;switch(temp)case 0xeb: num=1;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xdb: num=2;if(count6)if(set=0)

31、pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xbb: num=3;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;while(temp!=0xf0)temp=P3;temp=temp&0xf0;P3=0xf7;temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)delay(5);temp=P3;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)count+;temp=P3;

32、switch(temp)case 0xd7:num=0;if(count6)if(set=0)pwxcount=num;elsepwscount=num;workbufcount=tabledu11;break;case 0xe7: num=20;break;/確定鍵按下檢測case 0x77: /復位鍵或者輸入密碼全部一次刪除P1_1=0;/鎖關P1_3=1;/密碼設置指示燈滅set=0;/不設置密碼num=10;/num復位count=-1;/COUNT復位workbuf0=tabledu10;/第一位數(shù)碼管不顯示workbuf1=tabledu10;/第二位數(shù)碼管不顯示workbuf2=

33、tabledu10;workbuf3=tabledu10;workbuf4=tabledu10;workbuf5=tabledu10;/.P1_0=1;/鎖關break;case 0xb7:/輸入密碼刪除鍵(一位一位刪除)count-;workbufcount=0x00;/因確定鍵按下時,COUNT也會加1,而確定鍵不是密碼,所以這里是COUNT,而不是COUNT+1count-;/因確定鍵按下時,確定鍵不是密碼,COUNT也會加1,這里COUNT再自減1if(count=-1)count=-1;break;while(temp!=0xf0)temp=P3;temp=temp&0xf0;return(n