電子密碼鎖實驗報告

1、1方案設計說明1.1采用以單片機為核心的控制方案采用一種是用以AT89S51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設計和豐富的IO端口，及其控制的準確性，能實現(xiàn)基本的密碼鎖功能。設計思路如下：輸入密碼用矩形鍵盤，包括數(shù)字鍵和功能鍵。LED數(shù)碼管顯示輸入密碼，用74JS247驅動數(shù)碼管發(fā)光顯示數(shù)碼，用74LS138控制各位顯示器分時進行顯示。用發(fā)光二極管代替開鎖的電路，發(fā)光表示開鎖。輸入密碼錯誤次數(shù)超過3次，系統(tǒng)報警。打開電源后，顯示器顯示“000000”，設原始密碼為“123456”，只要輸入此密碼便了開門。這樣可預防停電后再來電時無密碼可用。按“C”鍵，清除顯示器為“000000”。欲

2、重新設定密碼，先輸入密碼再按“*”。輸入密碼，再按“#”鍵。若密碼與設定密碼相同，則開門。否則顯示器清為“000000”。1.2 主要元器件介紹1.2.1 主控芯片AT89C51AT89C51是一種低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產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

3、存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100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)提供了一種靈活性高且價廉的方案6。芯片引腳如圖1.1所示。圖1.1 AT89C51芯片引腳圖1.AT89C51性能簡介AT89C51具有如下特點：40個引腳，4K字節(jié)可編程FLASH片內程序存儲器，128×8位隨即存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷

4、源，兩個16位可編程定時計數(shù)器，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內振蕩器和時鐘電路7。2.AT89C51引腳功能說明Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口，作為輸出口用時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收

5、或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流I。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表1.2。 表1.2 P3口的第二功能端口功能第二功能端口引腳第二功能RXD（P3.0）串行輸入口T0（P3.4）定時/計數(shù)器0外部輸入TXD（P3.1）串行輸出口T1（P3.5）定時/計數(shù)器1外部輸入INT0（P3.2）外中斷0WR（P3.6）外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通INT1（P3.3）外中斷1RD（P3.7）外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通RST：復位輸入。當振蕩工作時，RS

6、T引腳出現(xiàn)兩個機器周期上高電平將使單片機復位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設置SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址8EH）可打開或關閉該功能。DISRTO 位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)9。EA/Vpp：外部訪問允許。欲使CPU公訪問外部程序存儲器（地址0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時,該引腳加上12V的編程電壓Vpp11。XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大

7、器的輸出端。3. AT89C51芯片內部結構特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片內空間分存如下圖3-2所示。這些地址并沒有全部占用，沒有占用的地址不可使用，讀這些地址將得到一個隨意的數(shù)值。而寫這些地址單元將不能得到預期的結果。中斷寄存器：各中斷允許控制位于IE寄存器，5個中斷源的中斷優(yōu)先級控制位于IP寄存器12。圖1.3為AUXR輔助寄存器。圖1.3 AUXR輔助寄存器雙時鐘指針寄存器：為方便地訪問內部和外部數(shù)據(jù)存儲器，提供了兩個16位數(shù)據(jù)指針寄存儲器：PD0位于SFR區(qū)塊中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H，當SFR中的位DPS=0時選擇DP0,而DPS=1時選擇DP1。在使用

8、前初始化DPS。圖1.4為雙時鐘指針寄存器。圖1.4 雙時鐘指針寄存器電源空閑標志：電源空閑標志（POF）在特殊功能寄存儲器SFR中PCON的第4位（PCON.4）,電源打開時POF置“1”,它可由軟件設置睡眠狀態(tài)并不為復位所影響。1.3晶體振蕩器晶體振蕩器，簡稱晶振，其作用在于產生原始的時鐘頻率，這個頻率經過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。以聲卡為例，要實現(xiàn)對模擬信號44.1kHz或48kHz的采樣，頻率發(fā)生器就必須提供一個44.1kHz或48kHz的時鐘頻率。如果需要對這兩種音頻同時支持的話，聲卡就需要有兩顆晶振。但是現(xiàn)在的娛樂級聲卡為了降低成本，通常都采用SCR將

9、輸出的采樣頻率固定在48kHz，但是SRC會對音質帶來損害，而且現(xiàn)在的娛樂級聲卡都沒有很好地解決這個問題?，F(xiàn)在應用最廣泛的是石英晶體振蕩器。1.4電源的選擇 密碼鎖主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖1.5所示，把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉換成穩(wěn)定的直流電壓15。由于輸入電壓為電網電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉換成直流電壓。由于經整流電路整流后

10、的電壓含有較大的交流分量，會影響到負載電路的正常工作。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓問題。 圖1.5電源輸入電路原理圖2 系統(tǒng)硬件設計說明2.1 設計原理本設計主要由單片機、矩陣鍵盤、LED顯示電路和密碼存儲等部分組成。其中矩陣鍵盤用于輸入數(shù)字密碼和進行各種功能的實現(xiàn)。由用戶通過連接單片機的矩陣鍵盤輸入密碼，后經過單片機對用戶輸入的密碼與自己保存的密碼進行對比，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警電路控制開鎖還

11、是報警。本系統(tǒng)共有兩部分構成，即硬件部分與軟件部分。其中硬件部分由鍵盤輸入部分、復位部分、晶振部分、顯示部分、報警部分、開鎖部分組成，軟件部分對應的由主程序、初始化程序、鍵盤掃描程序、LED顯示程序、密碼設置程序等組成。其原理框圖如圖2.1所示。報警控制電路矩陣鍵盤輸入AT89C51單片機開鎖控制電路復位電路顯示電路晶振電路圖2.1 電子密碼鎖原理框圖 2.2 電路總體構成在確定了選用什么型號的單片機后，就要確定在外圍電路，其外圍電路包括鍵盤輸入部分、復位部分、晶振部分、顯示部分、報警部分、開鎖部分組成，根據(jù)實際情況鍵盤輸入部分選擇4*4矩陣鍵盤，顯示部分選擇LED顯示電路。其線路圖2.2 電

12、路線路圖2.3 復位部位電路 單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后PC0000H，使單片機從0000H取指令16。系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。圖2.3所示RC復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。圖2.3 復位電路線路圖2.4 晶振部分電路AT89S51引腳XTAL1和XTAL2與晶體振蕩器及電容C2、C1按圖2.4所示方式連接。晶振、電容C1C2及片內與非門（作為反饋、放大元件）構成了電容三點式振蕩

13、器，振蕩信號頻率與晶振頻率及電容C1、C2的容量有關，但主要由晶振頻率決定，范圍在033MHz之間，電容C1、C2取值范圍在2030pF之間。根據(jù)實際情況，本設計中采用12MHZ作為系統(tǒng)的外部晶振17。電容取值為30pF。圖2.4為晶振電路圖。圖2.4 晶振電路線路圖2.5 鍵盤電路設計使用矩陣鍵盤，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18。其原理如2.5。圖2.5 矩陣鍵盤線路圖每一條水平（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

14、N×M個按鍵的鍵盤。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。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法。對照表2.6所示的4×4鍵盤，說明線反轉個工作原理。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。判斷鍵盤中哪一個鍵被按下使通過將

15、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，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。判斷哪個鍵被按下：將P1.0P1.3都置低，檢測P1.4P1.7是否有低的，若有，則證明有鍵按下，記下低的端口。然后，將P1.4P1.7置低，檢測P1.0P1.3是否有低的端口，如有，則證明端口與上次的一個為地的端口交叉位置的鍵被按下。 鍵盤16個鍵布局如表2.7，09，ON,OFF,LOCK，#,C,*。其中ON為開啟鍵盤鍵，按下此鍵后鍵盤開啟；OFF為關閉鍵盤鍵，按下此鍵后鍵盤關閉；09為

16、數(shù)字鍵，進行密碼輸入以及更改密碼時的輸入鍵；*鍵用來設置密碼，當鎖被打開后，此鍵方可有效工作，按下此鍵后，可以設置新密碼；C為清除鍵，當輸入密碼按鍵錯誤時可以按此鍵后退并清除當前字符；#鍵作為確定鍵，開鎖時，按下此鍵后進行密碼比對，設置密碼時，按下此鍵確定所輸入的數(shù)字。表2.6 鍵盤布局123ON456OFF789LOCK*0C#具體的功能設計如表2.7：表2.7按鍵功能按 鍵鍵 名功 能 說 明09鍵數(shù) 字 鍵輸 入 密 碼* 鍵重 設 密 碼 鍵設 定 新 密 碼#鍵確 定 鍵比 較 密 碼C 鍵清 除 鍵使 顯 示 器 清 零ON鍵開鎖鍵鍵盤開啟OFF鍵閉鎖鍵鍵盤關閉LOCK鍵上鎖鍵系統(tǒng)

17、上鎖2.6 LED顯示電路本系統(tǒng)設計的顯示電路是為了給使用者以提示而設置的。本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機的一個串行口，利用74LS247驅動數(shù)碼管發(fā)光顯示數(shù)碼和74LS138控制位選信號，就可以完成單片機的顯示功能18。顯示電路的電路原理圖如圖2.8所示。用P0.0P0.3接74LS247的A，B，C，D四端口，74LS247的輸出口接LED的七段顯示。 圖2.8 LED顯示電路用74LS247可以控制輸出什么字型。74LS247的邏輯功能表如表2.9：表2.9 74LS247的邏輯功能表十進制數(shù)輸 入輸 出字型A3A2A1A0QAQBQCQDQEQFQG00000000000

18、001000110011111200100010010230011000011034010010011004501010101100560110010000067011100011117810000000000891001000010092.7 開鎖電路在本次設計中，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。電路圖如3.1所示。當P2.0口輸出低電平時，二極管發(fā)光，表示開鎖。圖3.1 開鎖電路線路圖2.8 報警電路報警模塊由紅色發(fā)光二極管和單片機組成。當AT89C51的P2.1口輸出為低電平時，發(fā)光二極管發(fā)出紅光。圖3.2 報警電路線路圖3 系統(tǒng)軟件

19、設計31 軟件設計思路電子密碼鎖工作的主要過程是LED數(shù)碼管提示開始輸入密碼，通過鍵盤輸入密碼，同時LED顯示密碼輸入情況，按下確認鍵后判斷密碼的正確性，做出開鎖或報警處理。當輸入密碼連續(xù)輸入錯誤3次時，系統(tǒng)報警。密碼的設定，在此程序中密碼是固定40H45H中，假設預設的密碼為"123456"共6位密碼。主要程序設計流程圖圖3.3所示。開始初始化鍵盤掃描啟動程序鍵功能程序N比較密碼>3次N密碼正確Y報 警開鎖結束圖3.3 主程序流程圖3.2 各子程序設計3.2.1 鍵盤掃描子程序鍵盤掃描流程圖如圖圖3.2.1 鍵盤掃描流程圖3.2.2 LED顯示子程序LED顯示流程圖

20、如圖3.2.2開始輸入鍵值74LS247芯片送p0口輸出圖3.2.2 LED顯示流 3.2.3 密碼比較和報警程序密碼比較和報警流程圖如3.2.3圖3.2.3 密碼比較和報警流程4、制作調試說明4.1 建立工程文件點擊“Project->New Project ”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，在編輯框中輸入exam1，不需要擴展名。點擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個對話框，如圖4.1所示。圖4.1 選擇目標CPU這個對話框要求選擇目標CPU（即你所用芯片的型號），Keil 支持的CPU很多，選擇Atmel 公司的89C51 芯片。點擊ATMEL 前面的“+”號，展開該層

21、，點擊其中的89C51，然后再點擊“確定”按鈕，回到主界面。4.1 源文件的建立使用菜單“File->New”或者點擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目窗口的右側打開一個新的文本編緝窗口，在該窗口中輸入?yún)R編語言源程序。4.2 工程的詳細設置工程建立好以后，還要對工程進行進一步的設置，以滿足要求。首先點擊左邊 Project 窗口的Target 1，然后使用菜單“Project->Option for target target1”即出現(xiàn)對工程設置的對話框，這個對話框共有8 個頁面。設置對話框中的 Target 頁面，如圖4.1 所示。圖4.1 對目標進行設置設置對話框中的 Outpu

22、t 頁面，如圖4.2 所示。圖4.2 對輸出進行控制此時，在工程窗口的文件頁中，出現(xiàn)了“Target1”，前面有“+”號，點擊“+”號展開，可以看到下一層的“ Source Group1”，這時的工程還是一個空的工程，里面什么文件也沒有，需要手動把剛才編寫好的源程序加入，點擊“Source Group1”使其反白顯示，然后，點擊鼠標右鍵，出現(xiàn)一個下拉菜單，如圖4.3 所示。圖4.3 加入文件選中其中的“Add file to Group” Source Group1”，出現(xiàn)一個對話框，要求尋找源文件，點擊對話框中“文件類型”后的下拉列表，找到并選中“Asm Source File(*.a51,

23、*.asm)，找到exam1.asm 文件了。雙擊exam1.asm 文件，將文件加入項目。4.3 編譯、連接選擇菜單 Project->Build target，對當前工程進行連接，如果當前文件已修改，軟件會先對該文件進行編譯，然后再連接以產生目標代碼；如果選擇Rebuild All target files將會對當前工程中的所有文件重新進行編譯然后再連接，確保最終生產的目標代碼是最新的，而Translate .項則僅對該文件進行編譯，不進行連接。以上操作也可以通過工具欄按鈕直接進行。圖4.4是有關編譯、設置的工具欄按鈕，從左到右分別是：編譯、編譯連接、全部重建、停止編譯和對工程進行設

24、置。圖4.4有關編譯、連接、項目設置的工具條編譯過程中的信息將出現(xiàn)在輸出窗口中的Build 頁中，如果源程序中有語法錯誤，會有錯誤報告出現(xiàn)，雙擊該行，可以定位到出錯的位置，對源程序反復修改之后，最終會得到如圖4.5所示的結果，提示獲得了名為exam1.hex 的文件，該文件即可被編程器讀入并寫到芯片中，同時還產生了一些其它相關的文件，可被用于Keil 的仿真與調試，這時可以進入下一步調試的工作。圖4.5正確編譯、連接之后的結果4.4調試過程中出現(xiàn)的問題：1.當三次輸入錯誤密碼不能報警，后來在老師的幫助下在密碼比較的地方加上一段延時程序解決。2由于試驗箱上的數(shù)碼管是共陽極的，所以將原來用74LS

25、138芯片用軟件實現(xiàn)了。5、作品操作說明書打開電源后，顯示器顯示“000000”，設原始密碼為“123456”，只要輸入此密碼便了開門。這樣可預防停電后再來電時無密碼可用。按“C”鍵，清除顯示器為“000000”。欲重新設定密碼，先輸入密碼再按“*”。輸入密碼，再按“#”鍵。若密碼與設定密碼相同，則開門。否則顯示器清為“000000”。6、小結以上為電子密碼鎖的設計，它經過多次修改和整理，可以滿足設計的基本要求。輸入密碼時，如三次輸入錯誤，則進行報警，輸入正確時，電子鎖打開。電子鎖打開時可以進行修改密碼，輸入錯誤時可以清除該密碼等功能。但因為我的水平有限，此電路中也存在一定的問題。譬如說電路修

26、改后的密碼不能斷電，一旦斷電，就是初始密碼。在此次課程設計中老師提供了許多幫助，非常感謝老師！附 錄源程序清單:numequ4fh ORG 0000H movsp,#60h movnum,#0 MOV R5,#00H MOV R7,#00H DJNZ R7,$ MOV R7,#10H MOV R6,#06H MOV R1,#35HL1: MOV A,R7 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV R1,A DEC R1 INC R7 DJNZ R6,L1START: ;ORL P2,#0FFH MOV R4,#06H MOV R0,#40HCLEAR: MOV R0,

27、#00H INC R0 DJNZ R4,CLEARL2: MOV R3,#0F7H MOV R1,#00HL3: MOV A,R3 MOV P1,A MOV A,P1 MOV R4,A SETB C MOV R5,#04HL4: RLC A JNC KEYIN INC R1 DJNZ R5,L4 CALL DISP MOV A,R3 SETB C RRC A MOV R3,A JC L3 JMP L2KEYIN: MOV A,R1 XRL A,#0BH JZ X3 MOV A,R1 XRL A,#0FH JZ X4 MOV R7,#10D1: MOV R6,#24 DJNZ R6,$ DJNZ

28、 R7,D1D2: MOV A,P1 XRL A,R4 JZ D2 MOV A,R1 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV R7,A XRL A,#0AH JZ SET0 MOV A,R7 XRL A,#0BH JZ START MOV A,R7 XRL A,#0CH JZ L2 MOV A,R7 XRL A,#0DH JZ L2 MOV A,R7 XCH A,40H XCH A,41H XCH A,42H XCH A,43H XCH A,44H XCH A,45H CALL DISP JMP L2X3: JMP DISP2X4: JMP COMPDISP:MOV R0,#40HDISP1: MOV A,R0 ;ADD A,#50H MOV P0,A MOVP2,#80H CALL DELAY MOVP2,#00H INC R0 MOV A,R0 ADD A,#40H MOV P0,A MOVP2,#40H CALL DELAY MOVP2,#00H INC R0 MOV A,R0 ADD A,#30H MOV P0,A MOVP2,#20H CALL DELAY MOVP2,#00H INC R0 MOV A,R0 ADD A,#20H MOV P0,A MOVP2,#10H CALL DELAY MOVP2,