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密码锁答辩
信息与电气工程学院
CDIO项目设计说明书
(2012/2013学年第二学期)
设计成绩:
2012年6月13日
1.CDIO设计目的
(1)学习并实践模拟仿真软件,了解基本构造并熟练掌握使用方法。
(2)更好的理解和运用有关密码锁的知识,使理论与实际相结合。
(3)通过计算,绘图,模拟仿真设计出能实际应用的密码锁电路板。
(4)密码锁设计要求如下:
1)能进行密码重置;
2)能进行自动开锁;
3)能有正确的显示(LED)用于提示;
4)具有抗干扰能量;
5)体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。
(5)系统软件的编写
1)软件的编写和编译检查;
2)基于Proteus的软件仿真。
2.CDIO设计
2.1基本元器件认识
2.1.1AT89C51
(1)引脚及其功能
图2-1单片机引脚图
单片机亦称单片机微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、输入/输出端口等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
本设计使用的就是单片机AT89C51。
单片机AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,并和工业标准的MCS—51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,AT89C51是一种高效微处理器。
在AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,其输出端为XTAL2。
而在芯片内部,XTAL1和XTAL2之间跨接了晶体振荡器和微调电容,从而构成了一个稳定的自激震荡器。
这就是单片机的时钟电路。
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流,这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,EA将内部锁定为RESET;当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.1.2液晶显示LCD1602
(1)LM1602字符型模块的性能
重量轻:
<100g;
体积小:
<11mm厚;
功耗低:
10—15mW;
显示内容:
192种字符(5×7点字型);
32种字符(5×10点字型);
可自编8(5×7)或许(5×10)种字符;
指令功能强:
可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求;
接口简单方便:
可与8位微处理器或微控制器相联;
工作温度宽:
0—50oC
可靠性高:
寿命为50,000小时(25oC)
(2)基本原理
1)液晶体
液晶板上排列着若干5×7或5×10点阵的字符显示位,每个显示位可显示1个字符,从规格上分为每行8、16、20、24、32、40位,有一行、两行及四行三类。
2)工作电路
它由KS0066、KS0065及几个电阻电容组成。
KS0065是扩展显示字符用的(例如:
16个字符×1行模块就可不用KS0065,16个字符×2行模块就要用1片KS0065)。
接口方面,有8条数据,三条控线。
可与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令,就可使模块正常工作。
3)LCD驱动器和控制器
ALCD驱动器KS0065
KS0065是用低功耗CMOS技术制造的大规模LCD驱动IC。
它既可当行驱动用,也可以当列驱动用,由20×2Bin二进制移位寄存器、20×2Bin数据锁存器和20×2Bin驱动器组成
功能:
a.40通道点阵LCD驱动;
b.可选择当做行驱动或列驱动;
c.输入/输出信号:
输出,能产生20×2个LCD驱动波型;输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压(V1—V6);
特性:
a.显示驱动偏压低:
静态~1/5;
b.电源电压:
+5V+10%;
c.显示驱动电源:
-5V;
d.CMOS处理;
e.60引脚、塑封;
BLCD控制器KS0066
KS0066是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器(兼带驱动器),和4Bin/8Bin微处理器相连连,它能使点阵LCD显示大小英文字母、符号。
应用KS0066,用户能有少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统。
特性:
a.容易和Bin/8BinMpu相连;
b.可选择5×7或5×10点字符;
c.显示数据RAM容量:
80×8Bin(80字符);
d.字符发生器ROM能提供户所需字符库或标准库;字符容量:
192个字符(5×7点字符);32个字符(5×10点字符);
e.DDRAM和CGRAM都能从Mpu读取数据;
f.输出信号:
16个行扫信号(commonsingnal),40个列扫信号(sengmentsingnal)
g.电源复位电路;
h.显示占空比:
1/8duty(1Line,5×7dots+Cursor);1/11duty(1Line,5×10dote+Cuesor);1/16duty(2Line,5×7dots+Cuesir);
i.振荡电路;
j.指令:
11种;
k.80引脚、塑封。
4)技术参数
a.极限参数
b.电参数
2.2硬件电路的设计
本设计单片机硬件资源的分配:
P0.0~P0.7用于LCD液晶显示作用。
P2.6、P2.7用于蜂鸣器和报警灯的控制。
P2.0用于开锁电路的控制。
P1.0~P1.7用于键盘电路的控制。
P3.3~P3.5用于LCD显示模块的控制端口的控制。
2.2.1最小系统的设计
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式:
上电复位和开关复位。
图2-2即为手动(开关)复位电路。
图2-2手动复位电路
(1)复位后的状态
a.复位后PC值为0000H,表明复位后的程序从0000H开始执行。
b.SP值为07H,表明堆栈底部在07H,一般需要重新设置SP值。
c.P0~P3口值为FFH。
P0~P3口用作输入口时,必须先写入“1”。
单片机在复位后,已使P0~P3口每一端线为“1”,为这些端线用作输入口做好了准备。
(2)WDT溢出将使该引脚输出高电平,所以本设计采用图2-3的手动复位电路:
图2-3手动复位电路
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器,振荡电路参见图3.5。
外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容Cl、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容Cl、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体,我们推荐电容使用30pF±10pF,而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。
用户也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如图1所示。
这种情况下,外部时钟脉冲接到XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端,XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
图2-4单片机自激震荡电路
由于单片机有内部振荡器,所以本设计采用图2-5的晶振电路:
图2-5晶振电路
2.2.2开锁部分
用户通过LCD提示信息,用键盘输入正确密码,从而达到开锁的目的。
当用户输入的密码正确并且是在按下确定键的话,单片机便输出开门信号,送到开锁驱动电路,然后驱动电磁锁,达到开门的目的。
电路驱动和开锁两级组成。
由D5、R1、T10组成驱动电路,其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018都可以满足要求。
D5作为开锁的提示;由D6、C24、T11组成。
其中D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。
T11可选用中功率的三极管如8050,电磁锁的选用要视情况而定,但是吸合力要足够且由一定的余量。
在本次设计中,基于节省材料的原则,暂时用发光二极管代替电磁锁,发光管亮,表示开锁;灭,表示没有开锁。
2.2.3键盘设计
本设计采用行列式键盘,同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O线的数目,在按键比较多的时候,通常采用这样方法。
每一条水平(行线)与垂直线(列线)的交叉处不相通,而是通过一个按键来连通,利用这种行列式矩阵结构只需要N条行线和M条列线,即可组成具有N×M个按键的键盘。
在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中,键盘处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。
4×4矩阵键盘的工作原理:
在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。
在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。
这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。
由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。
扫描原理:
把每个键都分成水平和垂直的两端接入,比如说扫描码是从垂直的入,那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit,而读入扫描码的则是水平,扫描的动作是先输入扫描码,再去读取输入的值,经过比对之后就可知道是哪个键被按下。
比如说扫描码送入01111111,前面的0111是代表此时扫描第一行P1.0列,而后面的1111是让读取的4行接脚先设为VDD,若此时第一行的第三列按键被按下,那读取的结果就会变成01111101(注意1111变成1101),其中LSB的第三个bit会由1变成0,这是因为这个按键被按下之后,会被垂直的扫描码电位short,而把读取的LSB的bit电位拉到0,此即为扫描原理。
由于这种按键是机械式的开关,当按键被按下时,键会震动一小段时间才稳定,为了避免让8051误判为多次输入同一按键,我们必须在侦测到有按键被按下,就Delay一小段时间,使键盘以达稳定状态,再去判读所按下的键,就可以让键盘的输入稳定。
图2-6为键盘整体模框图:
图2-6键盘整体模框图
2.2.4显示电路设计
显示设计采用字符型液晶屏设计,由单片机的P0口控制显示,由P3.3~P3.5控制LCD的控制端口。
本设计采用以下液晶显示设计:
图2-7液晶显示
2.3电路设计总图
本密码锁采用Proteus进行电路图设计,经过元件选型,用万能实验版进行硬件焊接,以实现硬件部分。
下图为Proteus设计的密码锁电路图整体抓图。
2.4系统软件设计
因设计主要是作用汇编语言来开发的51单片机项目程序,所以首先必须有一个可以在WindowsXP或Windowsvista操作系统下执行的汇编语言编译器,本设计采用Keil编译器进行编程,因为它可以支持一系列的51单片机。
2.4.1主程序设计
图2-8主程序的流程图
主程序主要是完成系统初始化、设置中断向量、检查有无键按下、以及调用显示等等。
主程序部分如下所示:
enbitp3.5;将lcd的en管脚连接到单片机的p3.5口
rwbitp3.4;将lcd的rw管脚连接到单片机的p3.4口
rsbitp3.3;将lcd的rs管脚连接到单片机的p3.3口
displayequp0;将lcd的显示端口连接到p0口上
speakerbitp2.6;蜂鸣器连接到p2.6口
ledbitp2.7;与蜂鸣器共同作用的led灯连到p2.7口
openbitp2.0;开锁电路的控制端连接到p2.0口
returnbitbit20h.1;
ORG0000h;程序开始地址
LJMPstart;
ORG000bh;
LJMPintermit_t0;
ORG001bh;
LJMPintermit_t1;
ORG0030h;
start:
MOVsp,#60h;
lcallsys_initialization;调用子程序sys_initialization
2.4.2键盘扫描及识别子程序的设计
键盘采用查询的方式,放在主程序中,当没有按键按下的时候,单片机循环主程序,一旦有按键按下,便转向相应的子程序处理,处理结束再返回。
其程序流程如图2-8所示
键盘部分程序如下:
key:
;键盘程序名称
callks;调用子程序ks
jnzk1;判断是否有键按下
jmpkey;跳回键盘程序
ks:
movp1,#0f0h;
mova,p1;
xrla,#0f0h;
ret;
图2-9键盘扫描程序流程图
2.4.3密码设置子程序的设计
由于设计是分模块化进行,所以子程序是整体软件系统的组成部分,子程序不但可以使程序化整为零,使其复杂简单化,同时也方便阅读,修改等,每个功能模块都有它自己的子程序,在本设计中是用LCD显示数据,所以就要用到显示子程序,设计中用的是矩阵键盘,所以就用到键盘扫描子程序,例如还有显示初始化子程序、LCD忙检测子程序、关闭状态显示子程序、开锁状态显示子程序、密码输入及修改状态显示子程序、密码输入错误后的提示子程序等。
如下图为密码修改子程序流程图:
图2-10设置密码子程序
2.5系统调试
图2-11仿真成功密码正确
图2-12密码正确绿灯亮
3.CDIO设计总结:
通过此次CDIO设计,我学会了如何设计密码锁电路。
此次设计将课本上的理论与实际结合起来,亲自动手设计,使我更深刻的理解和掌握了密码锁的设计原理。
同时还学会了如何使用仿真软件进行仿真。
系统充分利用了51单片机系统,主要通过软件程序来控制硬件电路实现一些基本的电子密码锁的功能,具有软硬件设计简单,易于开发,成本较低,安全可靠,操作方便等特点,增强了系统的可靠性和安全性,可应用于住宅、办公室的保险箱及档案柜等需要防盗的场所,有较强的实用性。
在金融、保险、军事重地及其它安全防范领域具有广泛的前景。
随着科学技术发展的日新月异,单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域,在生活中可以说是无处不在。
因此作为一名大学生来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
通过以上的设计过程,我们不但在知识上收获了,而且发现了自己的一些不足之处;同时,我们也对自己的动手能力有所锻炼,而且一次成功的经历给我增添了不少的信心。
4、参考文献
[1]叶启明.单片机制作的新型安全密码锁[J].家庭电子,2000,(6):
24-27.
[2]李明喜.新型电子密码锁的设计[J].机电产品开发与创新,2004,(8):
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[3]周荷琴,吴秀清.微型计算机原理与接口技术.合肥:
中国科学技术大学出版社,2004.12,339-342.
[4]瞿贵荣.实用电子密码锁[J].家庭电子,2000,(3):
77-82.
[5]董继成.一种新型安全的单片机密码锁[J].电子技术,2005,(3):
55-60.
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