電子密碼鎖仿真原理圖如下(proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載)
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1.設(shè)計任務與設(shè)計思路
1.1 設(shè)計任務
1.系統(tǒng)通過4×4的矩陣鍵盤輸入或設(shè)定開鎖密碼,用24WC04保存密碼
2.可以通過LCD查看已輸入的字符個數(shù)[顯示為*****]
3. 通過單片機控制繼電器通斷(可以指示燈亮滅替代)
4、當密碼輸入正確時,繼電器通,綠燈亮;當密碼輸入錯誤時,繼電器斷,紅燈亮,控制蜂鳴器報警;
1.2 設(shè)計思路
本設(shè)計由主控芯片52單片機,24C04斷電存儲電路、單片機時鐘電路,LCD1602顯示電路、矩陣按鍵和蜂鳴器電路組成。單片機負責控制整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程。
2.硬件電路設(shè)計 為了達到系統(tǒng)要求,硬件應該包括如下部分: 單片機最小系統(tǒng),最小系統(tǒng)主要包括時鐘電路和復位電路; LCD電路,為了能直觀的看到生成的密碼,以及用戶輸入的密碼,就需要一個顯示設(shè)備,而在單片機系統(tǒng)中,比較常見的顯示設(shè)備就是LED和LCD,相比較于LED來說,LCD顯示效果更加美觀,更加真實; 按鍵電路,為了做到密碼的提取以及校驗,就需要有人機交互的操作,本設(shè)計采用了機械按鍵充當此功能。 LED電路,本設(shè)計有紅綠兩個LED,當密碼校驗正確時,綠燈亮;相反當密碼校驗錯誤時,紅燈亮。 繼電器電路,為了模擬鎖的開和關(guān),用到了繼電器的開關(guān)來模擬。
2.1 單片機最小系統(tǒng) 本次選用的主控芯片為單片機STC89C52。其引腳圖如圖2.1-1所示。

圖2.1-1 STC89C52引腳圖
目前,不管是在工業(yè),農(nóng)業(yè)還是消費電子領(lǐng)域,51系列單片機的身影隨處可見,例如,我們可以利用單片機來檢測溫濕度,來檢測空氣質(zhì)量,我們?nèi)粘J褂玫碾娮訒r鐘等等都能很方便的使用51單片機來實現(xiàn)。STC89C52單片機是深圳宏晶科技有限公司生產(chǎn)的一種單片機,它是在一小塊很小的集成電路上集成了一個微型計算機。每一個單片機的組成都離不開如下幾種組成成分: CPU:51系列單片機內(nèi)部集成的CPU都是8位的; IO口;數(shù)據(jù)輸入輸出的并行口,51單片機有32個IO口,分別是P0,P1,P2,P3,每種有8條數(shù)據(jù)線; ROM:片內(nèi)程序存儲器,它主要用來存儲程序的,一般大小為4K; RAM:片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,它主要用來存儲臨時數(shù)據(jù),一般大小為512K; 中斷源;它主要用來引發(fā)中斷的,有5個中斷源; 定時器:它主要用來計數(shù)定時用,51單片機有2個,分別是定時器0和定時器1; 
圖2.1-2 STC89C52最小系統(tǒng)
2.2 液晶顯示電路 隨著人機界面的越來越人性化,液晶屏應運而生,十九世紀八十年代,奧地利科學家賴倪次在一種植物身上提取出了看起來很奇怪的物質(zhì),它既不是液態(tài)的,也不是固態(tài)的,徘徊于兩者之間,但是他即具有固態(tài)的特征,也有液態(tài)的特征,所以,當時的人們就把它叫做成液態(tài)的晶體,這就是當今液晶的前身。 市面上的LCD顯示屏可謂是林林總總,大型的有拼接墻,數(shù)十寸的等等,從才子上來分,有TFT、LED等等,但對于單片機系統(tǒng)來說,常用的LCD有兩種:分別是1602和12864型號。 12864的意思就是該LCD的點陣是128行*64列,總共有8192個像素點, 控制器AIP31020�?娠@示漢字及圖形, 內(nèi)置8192 個中文漢字 (16X16 點陣)、 128 個字符 (8X16點陣)及64X256點陣顯示RAM(GDRAM)�?膳cCPU 直接接口,提供兩種界面來連接微處理機:8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能:光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。而1602的意思就是該LCD的點陣是16行*2列,總共有32個像素點,1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種,帶背光的用起來就比較方便,但缺點就是比較厚,而不帶背光的需要自己加一個背光片,不方便使用,但他比較輕薄。 本次設(shè)計采用了LCD1602液晶顯示器,本次設(shè)計采用了LCD1602液晶顯示器。

圖2.2-1 液晶顯示電路
1602型液晶接口信號說明如表2.2-1所示。
2.3 矩陣按鍵模塊 本實驗選用矩陣按鍵來輸入密碼值。矩陣按鍵電路如下圖2.3-1所示:

圖2.3-1 矩陣按鍵電路 為了滿足輸入功能的需要,本設(shè)計采用了14個按鍵,如果全部接成獨立式按鍵,那么就需要14個IO口,資源占用過多,所以這里采用了矩陣式4*4規(guī)格的鍵盤,多余兩個按鍵做備用。它總共占用8個IO口,分別接到了P0口上,由于P0口的特殊結(jié)構(gòu),必須接一個上拉電阻,才能輸出高電平。 其按鍵功能如下所示: 0-9的數(shù)字按鍵用來輸入密碼; “存包”按鍵 -- 按下此鍵生成四位隨機數(shù)密碼 “取包”按鍵 -- 按下此按鍵,提示輸入密碼 “清空”按鍵 -- 在輸入密碼過程中,按下此鍵清掉剛才輸入的數(shù)字 “確認”按鍵 -- 密碼輸入完畢后,按下此鍵進行密碼的校驗。 2.4 i2C 24C02模塊 串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存儲器件,遵循二線制協(xié)議,由于其具有接口方便,體積小,數(shù)據(jù)掉電不丟失等特點,在儀器儀表及工業(yè)自動化控制中得到大量的應用。 24C02與單片機的接口非常簡單,如下圖2.4-1所示 
圖2.4-1 24C02電路
E0,E1,E2為器件地址線,WP為寫保護引腳,SCL,SDA為二線串行接口,符合I2C總線協(xié)議。在一般單片機系統(tǒng)中,24C02 數(shù)據(jù)受到干擾的情況是很少的。 本實驗采用AT24C02。AT24WC02是一個2K位串行CMOS,EEPROM內(nèi)部含有256個8位字節(jié)CATALYST公司的先進CMOS技術(shù)實質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24WC02有一個16字節(jié)頁寫緩沖器,該器件通過I2C總線接口進行操作有一個專門的寫保護功能。
其引腳說明如表2.4-1: 表2.4-1 AT24C02引腳說明 
2.5.蜂鳴器電路 在單片機應用的設(shè)計上,很多方案都會用到蜂鳴器,大部分都是使用蜂鳴器來做提示或報警,比如按鍵按下、開始工作、工作結(jié)束或是故障等等。 蜂鳴器電路如圖2.5-1所示。 
圖2.5-1 蜂鳴器電路
本次設(shè)計使用了ULN2003D來驅(qū)動蜂鳴器。其電路如圖2.5-2所示 
圖2.5-2 蜂鳴器驅(qū)動電路
本設(shè)計 用到了一個紅色LED和一個綠色LED來指示輸入密碼的正確與否。每個LED的正極通過一個限流電阻接到電源正極,然后負極分別接到P33和P34,當IO口為高電平時,燈熄滅,當LED為低電平時,燈亮起來。圖2.5-3是其連線圖。 
圖2.5-3 LED提示燈電路 2.6 繼電器電路本設(shè)計用繼電器來模擬鎖的動作,當繼電器吸合表示開始鎖關(guān)閉,當繼電器斷開表示斷開,繼電器的控制引腳接在單片機的P37口,高電平讓其吸合,低電平讓其斷開,圖2-6是其連接圖。

主程序里面首先對單片機的硬件資源進行初始化,硬件資源的初始化包括: - IO口的初始化,本設(shè)計所采用的51單片機有32個IO口,并且單片機復位后,所有IO口被默認賦值為高電平(1),這就給一些功能帶來了一些不必要的麻煩,所以就需要對某些上電需要置低電平的IO口置低電平(比如本設(shè)計中的LCD某些管腳);
- 定時器的初始化,定時器是單片機中的一個非常重要的資源,有了它,單片機就能“并行”的處理多個事情了,不然為了做到定時,只能用死等來實現(xiàn),那樣會造成單片機資源大量的浪費,更嚴重的是,單片機運行會相當不流暢;
- 串口的初始化,串口的存在使得單片機跟外界的通訊帶來了很大的方便,因為它遵循標準的RS232協(xié)議,所以可以跟任何具有RS232接口的設(shè)備通信,
基本的資源初始化完畢后,程序然后進入了一個while(1)死循環(huán),這樣保證了程序不斷的運行,在該循環(huán)中,多個任務逐一按順序的執(zhí)行。
3.2 LCD顯示子程序
LCD1602的讀時序如圖3-2-1所示。 
圖3-2-1 LCD1602讀時序
LCD1602的寫時序如圖3-2-2 所示。 
圖3-2-3 LCD2602寫時序
從時序圖可以看出,首先判斷RS和RW,從硬件那一章我們得知,RS代表了是指令的操作(高電平)還是數(shù)據(jù)的操作(低電平),而RW代表了是往LCD里面寫數(shù)據(jù)(高電平)還是從LCD里面讀出數(shù)據(jù)(低電平)。 然后再通過控制器把使能端拉低(通過上面一章,我們知道此管腳為高表示禁用該芯片,此管腳為低表示使能該芯片),拉低后需要延時一段時間,至于要不要 延時,延時的時間多長,對于51單片機來說,其實關(guān)系都不大,不影響其使用。 以上兩步準備操作完成后,就可以開始讀和寫了,也就是從這時候開始數(shù)據(jù)或地址信號就被送上了數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)送完之后,然后又將使能端拉高(禁止芯片),當然,這中間需要一個建立時間的延遲,改時間最短為40納秒。然后再將使能端拉低(啟用),就可以將剛才數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)送入LCD了。 1602液晶顯示子程序主要是對內(nèi)部控制指令進行指定如液晶初始化,顯示空白,讀,寫,判斷液晶是否忙及指定字符的位置等函數(shù)構(gòu)成。液晶顯示子程序流程圖如圖所示。首先進行液晶初始化,再寫地址命令到LCD,然后放發(fā)送字符串,最終液晶顯示。 根據(jù)上面描述的時序,可以得出如圖3-2-4所示的流程圖
3.3 矩陣按鍵子程序
16個按鍵接在了P0的8個口,其中P00-P03為四行,P04-P07為四列,本設(shè)計采用的是行掃描法,也就是說每次給四行當中的一行輸出低電平(其他三行為高電平),然后再讀取四列的值,如果發(fā)現(xiàn)四列全部為高電平,那么就表示沒有按鍵按下,如果有某一列為低電平,就表示有按鍵按下了。
3.4 密碼比對子程序 密碼比對過程主要是將按鍵輸入的密碼與正確密碼進行比較的過程。該過程要求把密碼放入24C02芯片中存儲,每按下一個按鍵則與芯片中相應位進行比較。流程如圖3.4-1所示
4.系統(tǒng)調(diào)試 整個系統(tǒng)設(shè)計完成后,要進行運行調(diào)試,排除軟件和硬件的故障,同時驗證系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性,使系統(tǒng)符合設(shè)計要求。本系統(tǒng)的調(diào)試主要分兩個步驟:單片機系統(tǒng)調(diào)試(硬件調(diào)試和軟件調(diào)試)及整個控制系統(tǒng)試運行調(diào)試。 單片機系統(tǒng)的調(diào)試應包括硬件及軟件兩部分,主要是通過調(diào)試發(fā)現(xiàn)硬件及軟件中存在的問題,查看其運行結(jié)果是否符合設(shè)計要求。 系統(tǒng)硬件和軟件的研制可以相互獨立的平行進行,軟件調(diào)試可以在硬件完成之前,硬件也可以在無完整應用軟件的情況下進行調(diào)試,但它們需要借助另外的工具提供調(diào)試環(huán)境。硬件和軟件分調(diào)完成之后,還要再進行軟件和硬件的聯(lián)調(diào),在調(diào)試中找出問題,判斷故障源,修改軟硬件。
4.1 硬件調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試主要是排除明顯的硬件故障。在電路搭建好后,對其進行仔細檢查,查看端口是否正確連接,連接是否可靠。同時還應當用萬用表檢查電路,看應當開路的地方是否開路,應當短路的地方是否短路,電源地線連接是否可靠。在焊接后,查看焊接是否牢固,有無虛焊或短路等。在將芯片、傳感器等元件插到電路板上時,要保證各處電源極性、電壓正確,以防止因電源極性接反或電壓過高損壞芯片或傳感器。此外,插入芯片必須在斷電的情況下進行,特別注意芯片的方向不要插反。
4.2 軟件調(diào)試 系統(tǒng)軟件程序在編制好以后,可通過匯編軟件對源程序進行匯編,變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標代碼,在匯編過程中出現(xiàn)的錯誤,要及時糾正。在軟件調(diào)試時采用軟件模擬開發(fā)系統(tǒng)對程序進行調(diào)試,這種模擬開發(fā)系統(tǒng)是在計算機上利用模擬軟件實現(xiàn)對單片機的硬件模擬、指令模擬及運行狀態(tài)模擬,從而完成應用軟件開發(fā)的全過程。調(diào)試過程中的運行狀態(tài)、各寄存器狀態(tài)、端口狀態(tài)等都可以在指定的窗口區(qū)域顯示出來,通過這些顯示結(jié)果隨時跟蹤程序運行狀態(tài),以確定程序運行無誤。 4.3動態(tài)調(diào)試 控制系統(tǒng)的軟件和硬件是密切相關(guān)的,軟件模擬開發(fā)系統(tǒng)不能對硬件部分進行診斷,同時也不能實時在線仿真,所以用戶程序還需跟硬件連接起來進行聯(lián)調(diào),同時對軟件和硬件進行檢查和診斷。整個單片機系統(tǒng)進行在線調(diào)試時,需借助仿真開發(fā)工具來對用戶軟件及硬件電路進行診斷、調(diào)試。在應用系統(tǒng)各電路板調(diào)試成功后,將用戶程序加載到在線仿真器上,這時就能單步、多步或連續(xù)地執(zhí)行目標程序,同時也可以根據(jù)需要分段設(shè)置斷點執(zhí)行用戶程序。系統(tǒng)中的硬件故障(如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤)主要是靠聯(lián)機仿真來排除的。對于與硬件無聯(lián)系的用戶程序,例如定時標志等,雖然已經(jīng)沒有語法錯誤,但可能存在邏輯錯誤,這時,就借助于動態(tài)在線調(diào)試手段發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤,直至邏輯錯誤糾正為止。而對于一些與硬件相關(guān)的用戶程序,如接口驅(qū)動程序等,則需要配合硬件,進行在線調(diào)試,如果有邏輯錯誤,也要及時糾正修改。程序調(diào)試完畢后,利用在線編程器將程序固化到單片機中,使整個系統(tǒng)運行起來。
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4.4 實驗圖
按下取包鍵,獲取密碼,得到密碼為2392,此時繼電器為關(guān)閉狀態(tài):
調(diào)試圖a:  
調(diào)試圖a
當輸入密碼錯誤時紅燈亮,即D1燈亮,此時繼電器為關(guān)閉狀態(tài):
調(diào)試圖b:
 
調(diào)試圖b
當輸入密碼正確是綠燈亮,即D2燈亮,此時繼電器為打開狀態(tài):
結(jié)果圖:
  結(jié)果圖
附錄 附錄1:電路原理圖 
單片機源程序如下:
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