89C51單片機控制的密碼鎖硬件課程設計說明書

ID:268577 · 發表于 2017-12-28 20:38

機電工程學院課程設計說明書

（2017/2018學年第 1 學期）

課程名稱：微機原理課設

題目：單片機的密碼鎖設計

專業班級：機械電子工程2班

學生姓名：楊*

學號： 140*07

指導教師：楊*

設計周數：

設計成績：

1引言

目前，最常用的鎖是20世紀50年代意大利人設計的機械鎖，其機構簡單、使用方便、價格便宜。但在使用中暴露了很多缺點：一是機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。據統計，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。三是機械鎖的材料大多為黃銅，質地較軟，容易損壞。四是機械鎖鑰匙易于復制，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，但這類產品的特點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。隨著人們生活水平的提高，如何實現家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統的機械鎖由于其構造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，機械鎖的這些弊端為一種新型的鎖---電子密碼鎖，提供了發展的空間。

隨著人們對安全的重視和科技的發展，許多電子智能鎖已在國內外相繼面世。但是這些產品的特點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械損壞，IC卡還存在容易丟失、損壞等特點。加上其成本較高，一定程度上限制了這類產品的普及和推廣。電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數高，受到了廣大用戶的歡迎。鑒于目前的技術水平與市場的接收程度，電子密碼鎖是這類電子防盜產品的主流。

2設計方案及原理

2.1系統設計要求

本次電子密碼鎖設計的主要是以下幾個部分：4x3矩陣鍵盤設計、LCD信息顯示和密碼的比較和處理，還有報警等功能模塊。其中矩陣鍵盤用于輸入數字密碼和進行各種功能的實現。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是報警。系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

2.2設計硬件資源分配

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硬件設計

3.1芯片選擇

本次設計采用AT89C51貼片芯片，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業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可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統可編程Flash,使得AT89SC51為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活，超有效地解決方案。AT89C51是一種帶2K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。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提供了一種靈活性高且價廉的方案，通過用Keil軟件編寫程序，然后裝到單片機里面去，然后讓它對整個系統進行信息的處理，如可以讓它處理矩陣鍵盤傳過來的信息，并根據編好的程序來確定哪個按鍵按下，并處理相應按鍵對應的功能，然后把相應的信息反應到單片機的各個引腳，來實現按鍵實現的現象，如：顯示是否開啟鎖，報警等。AT89C51 提供以下標準功能：4k字節Flash閃速存儲器128字節內部RAM，32 個I/O 口線兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。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、旁路及信號調諧。

1、應用于電源電路，實現旁路、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，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負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的電壓降。

2）去藕

去藕，又稱解藕。從電路來說，總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會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，會產生反彈），這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作。這就是耦合。

去藕電容就是起到一個電池的作用，滿足驅動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的，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，依據電路中分布參數，以及驅動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。這應該是他們的本質區別。

3）濾波

從理論上（即假設電容為純電容）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增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容，這時大電容通低頻，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。曾有網友將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變，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水塘，不會因幾滴水的加入或蒸發而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化，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。根據不同的電源要求，器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式，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、應用于信號電路，主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用。

1）耦合

舉個例子來講，晶體管放大器發射極有一個自給偏壓電阻，它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合，這個電阻就是產生了耦合的元件，如果在這個電阻兩端并聯一個電容，由于適當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生的耦合效應，故稱此電容為去耦電容。

2）振蕩/同步

包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。

3）時間常數

這就是常見的R、C串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時，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，而揚聲器分頻LC網絡一般采用1μF～數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。小容量時宜采用云母，苯乙烯電容。而LC網絡使用的電容，容量較大，應使用金屬化塑料薄膜或無極性電解電容器，其中無機性電解電容如采用非蝕刻式，則更能獲取極佳音質。

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，其值應為10000μF以上，用于前置放大器時，容量為1000μF左右即可。當電源濾波電路直接供給放大器工作時，其容量越大音質越好。但大容量的電容將使阻抗從10KHz附近開始上升。這時應采取幾個稍小電容并聯成大電容同時也應并聯幾個薄膜電容，在大電容旁以抑制高頻阻抗的上升。

3.2單片機最小系統設計

單片機最小系統就是指能使單片機工作的最少的器件構成的系統。因為單片機已經包含了數據存儲器和程序存儲器，所以只要在其外部加上時鐘電路和復位電路就可以構成單片機最小系統。

晶振電路的作用是產生單片機所必須的時鐘頻率。單片機工作所需的同步時鐘信號由由以下兩種方法獲得，第一：由單片機片內時鐘電路結合外部晶振、電容產生；第二：直接從單片機外部引入脈沖信號。設計中用第一方法，有石英晶體和微調電容（一般取值30pF左右）組成，石英晶體產生震蕩，單片機振蕩電路產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工作所需的時鐘信號，時鐘信號必須由振蕩脈沖信號經單片機片內時鐘電路的處理后才能產生。課程設計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外接的石英晶體和電容構成產生振蕩脈沖。而分頻電路則用于把振蕩脈沖分頻，已得到所需的時鐘信號。振蕩電路由單片機芯片的XTAL1端輸入，XTAL2端輸出。此時同時并接一個石英晶體振蕩器以及兩個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行分頻。晶振頻率是12MHz。

單片機工作需要晶振給CPU提供頻率，時鐘電路就是給單片機提供晶振頻率的電路。圖3是時鐘電路的PROTEUS仿真圖。單片機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時鐘電路

（2）計算機每次開始工作，CPU和系統中的其他部件都必須要有一個確定

的初值，即復位狀態。圖4是單片機復位電路仿真圖。

圖4單片機復位電路仿真圖。

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

3.3 矩陣鍵盤設計

一組鍵或者一個鍵盤，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，并檢查是哪個鍵被按下。無論是查詢方式還是中斷方式都要用到單片機的I/O口。由于單片機I/O口較少的原因，當系統中需要用到較多按鍵時，為了能夠更合理更有效地利用單片機的I/O口，一般采用矩陣鍵盤的方式來實現多按鍵的功能。

矩陣鍵盤又叫做行列式鍵盤。行列式鍵盤的硬件結構比較簡單，由行輸出口和列輸出口構成行列式鍵盤，按鍵設置在行、列交點上。只有當鍵被按下時相應的行和列才能相連。如此，只要檢測行和列是否相連就可以知道是否有鍵按下。

由于按鍵設置在行、列線交點上，行、列分別連接到按鍵開關的兩端，平時無鍵按下時，行線處于高電平，假設列線為低電平，當有鍵按下時，按下的鍵就會將相應的行和列連通，使得對應的行線被列線拉低，也變為低電平。這就是識別矩陣鍵盤是否有鍵被按下的關鍵。

當確定有鍵被按下時，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，由于每個鍵都有它的行值和列值，行值和列值得組合就是這個按鍵的編碼，當算法一定時，每個按鍵的編碼是固定的，且各個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鍵被按下，這樣就實現了鍵盤的識別。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顯示模塊設計

LCD1602是一種字符型液晶顯示器，是一種專門用于顯示字母、數字、符號等的點陣式液晶顯示器。LCD1602的顯示容量為16x2個字符（可以顯示2行，每行顯示16個字符），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個引腳。在LCD1602的有關設計中，主要是通過編寫程序控制LCD1602的4、5、6引腳來實現數據或者指令的寫入和執行，再通過數據或者指令的寫入和執行來進一步實現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，因此在實際應用為了保證顯示器能夠正常工作，應在數據端口接一上拉電阻，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報警模塊、開鎖模塊以及表示模塊

開鎖模塊用繼電器帶一個LED管代替電磁鎖。電路如圖7所示，報警模塊用蜂鳴器表示，電路如圖8所示，表示模塊用發光二極管表示開鎖與否。采用蜂鳴器控制開鎖顯示，當輸入正確密碼時，單片機向蜂鳴器送出低電平，驅動蜂鳴器響鈴。采用蜂鳴器鬧鈴結構簡單，只需要單路信號控制，發出的鬧鈴聲音可以根據響和不響的不同的軟件延時時間來控制，若加上LM386放大電路的話，當然也能發出清脆的音樂聲音。當輸入密碼錯誤時，該模塊發出報警聲音，密碼的按鍵音是通過聲音模塊發出的。用戶輸入六位正確密碼時按再ENTEER鍵，藍燈D1亮，表示開鎖成功。按CLEAR鍵清除六位密碼。

圖7開鎖電路