引 言隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機發(fā)展十分迅速，一個以微機應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到冶金、電力、建材、化工、機械、石油、食品等各個行業(yè)。單片機控制無疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人們帶來的方便也是不可否認(rèn)的其中單片機控制就是一個典型的例子。MCS-51系列單片機應(yīng)用廣泛，是學(xué)習(xí)單片機技術(shù)較好的系統(tǒng)平臺，同時也是單片機微型計算機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的一個重要系列。目前，單片機原理與應(yīng)用教材大都采用匯編語言講解和設(shè)計程序?qū)嵗�，但匯編語言學(xué)習(xí)困難。在實際應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試中，特別是開發(fā)比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)時，為了提高開發(fā)效率和使程序便于移植，現(xiàn)在多用C語言。
在信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的今天，我們生活中必不可需的設(shè)備都向著小型化、便攜化、智能化、自動化的方向發(fā)展。所以電子密碼鎖隨著快節(jié)奏的生活應(yīng)運而生。在我國六七十年代還是傳統(tǒng)的一把鑰匙配一把鎖，不管是單位還是個人每天都要認(rèn)真檢查是否鎖上了門，而且鑰匙還不能隨便亂放，一旦不小心忘記放在哪里很可能就打不開門了。傳統(tǒng)的鎖也相當(dāng)?shù)牟话踩瑫幸恍┎环ǚ肿酉氡M辦法打開你的房鎖去偷盜東西。電子密碼鎖的產(chǎn)生使得這些問題都不再是問題，我們只需簡單的記住六位密碼即可。
1 概述
1.1 課題背景和意義人們從前使用的鎖不但不方便，而且安全系數(shù)也比較低。隨著社會的進(jìn)步和人們生活水平的提高，老式的鎖已經(jīng)跟不上人們的要求，況且人們對防盜的要求越來越高，特別是對使用的便捷性也有了更高的需求。因此近幾年一種新型的電子密碼鎖應(yīng)運而生，受到了人們的青睞。有報警功能的密碼鎖這時正為人們解決了不少問題。但是市場上的密碼鎖大部分都是用于一些大公司財政機構(gòu)、價格高昂，一般人們難以接受。如果再設(shè)計和生產(chǎn)一種價格低廉、性能靈敏可靠的密碼鎖，必將在防盜和保證財政安全方面發(fā)揮更加有效的作用。
密碼鎖是現(xiàn)代生活中經(jīng)常用到的工具之一，廣泛應(yīng)用于保險柜、房門、賓館、車庫等。電子密碼鎖克服了機械式密碼鎖量少、安全性能差的缺點，特別是使用單片機控制的智能電子密碼鎖，不但功能全，而且具有更高的安全性和可靠性。并且電子密碼鎖只需記住一組密碼，無需攜帶鑰匙，免除了人們攜帶鑰匙的煩惱，被越來越多的人所喜歡。隨著我國第三產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子密碼鎖會在不久的將來得到廣泛的應(yīng)用，方便社會和個人。
1.2電子密碼鎖的發(fā)展趨勢20世紀(jì)80年代后，隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn)，電子鎖的體積縮小，同時可靠性提高，成本也相對提高，所以只適合使用在安全性要求較高的場合，且需要有電源提供能量，使用還局限在一定范圍，難以普及，所以對密碼鎖的研究一直沒有明顯進(jìn)展。到了90年代，美國、意大利、德國、日本、加拿大、韓國以及我國的臺灣、香港等地的微電子技術(shù)的進(jìn)步和通信技術(shù)的發(fā)展為密碼鎖提供了技術(shù)上的支持，從而推動密碼鎖走向?qū)嶋H應(yīng)用的階段。目前，在西方國家，電子密碼鎖技術(shù)相對先進(jìn)，種類齊全，電子密碼鎖已被廣泛應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)中，使之更加安全更加可靠實現(xiàn)大門的管理。我國于90年代初期開始對密碼鎖進(jìn)行初步的探索。到目前為止，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，電子密碼鎖的技術(shù)領(lǐng)域已發(fā)展的十分成熟。從目前的技術(shù)水平和市場認(rèn)可程度看，使用最為廣泛的是鍵盤式電子密碼鎖，該產(chǎn)品主要應(yīng)用于保險箱、保險柜和金庫，還有一部分應(yīng)用于保管箱和運鈔車。在其他技術(shù)領(lǐng)域還有遙控式電子密碼鎖以及卡片式密碼鎖等。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路
2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求單片機密碼鎖主要內(nèi)容：用戶可以自由設(shè)定密碼、具有報警提示功能、可設(shè)置萬用密碼、具有掉電存儲密碼功能。
2.2系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)采用以單片機為核心元件的控制方案。由于單片機種類繁多，各種型號都有其一定的應(yīng)用環(huán)境，因此在選用時要多加比較，合理選擇，以獲得最佳的性價比。一般來說在選取單片機時從下面幾個方面考慮：性能、存儲器、運行速度、I/O口、定時/計數(shù)器、串行接口、模擬電路功能、工作電壓、功耗、封裝形式、抗干擾性、保密性，除了以上的一些方面外，還有一些最基本的條件，比如：中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級、工作溫度范圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機內(nèi)有無時鐘振蕩器、有無上電復(fù)位功能等。在開發(fā)過程中還要考慮開發(fā)工具、編程器、開發(fā)成本、開發(fā)人員的適應(yīng)性、技術(shù)支持和服務(wù)等因素。基于以上因素本設(shè)計選用單片機AT89S51作為本設(shè)計的核心元件，利用單片機靈活的編程設(shè)計和豐富的I/O端口，及其控制的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)基本的密碼鎖功能。在單片機的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密碼的存儲，外接LCD1602顯示器用于顯示作用。其原理如下圖1所示。
AT89S51
圖1單片機控制方案
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
3.1主控芯片AT89S51在本設(shè)計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51單片機作為主控芯片。它是一款低功耗，AT89S51就是一款廣泛應(yīng)用的，高性能CMOS 8位單片機，由于系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)量也不大，考慮到電路的簡單和成本等因素，因此在本設(shè)計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51單片機作為主控芯片。主控模塊采用單片機最小系統(tǒng)是由于 AT89S51芯片內(nèi)含有8 B的 E2PROM ，無需外擴存儲器，電路簡單可靠，其時鐘頻率為 0～24 MHz，并且價格低廉，批量價在 10元以內(nèi)。AT89S51是一款功能強大的微型計算機，它可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比。
單片機的最小系統(tǒng)是由復(fù)位電路、時鐘電路和電源組成。復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位和外部脈沖復(fù)位3種方法。本文采用的是上電復(fù)位它是通過系統(tǒng)外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。根據(jù)電路原理可知電容兩極板間的電壓不能突變當(dāng)單片機電源接通電源的瞬間單片機的9管腳會產(chǎn)生一個階躍信號，所以RTS端維持高電平由于這個充電時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1ms，一般就可以實現(xiàn)對單片機的上電自動復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化。
初始化是為了讓單片機從地址0000H開始執(zhí)行, 除此之外單片機要想正常工作還必須有時鐘電路，時鐘電路是產(chǎn)生時序的基礎(chǔ)，單片機每執(zhí)行一條指令都是建立在時序電路上的，為了能保證單片機執(zhí)行指令的同步，電路就要在唯一的時鐘信號控制下按時序的先后進(jìn)行工作。它分為內(nèi)部時鐘電路和外部時鐘電路。本文采用的是內(nèi)部時鐘電路，在MCS—51單片機的內(nèi)部有一個高增益的反向放大器，其輸入端為引腳XTAL1，輸出端為XTAL2，只要在外部接上兩個電容和一個晶振，就能夠成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。
這里主要看一下電容和晶振的選擇，晶振的大小與單片機的振蕩頻率有關(guān)，電容的大小影響著振蕩器振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇10~30pF的瓷片電容。本系統(tǒng)電容選擇為33pF，晶振為12MHz之所以選擇這一頻率的晶振是為了在進(jìn)行單片機與電腦進(jìn)行串口通信時容易產(chǎn)生和電腦時鐘同步的波特率，另外在設(shè)計電路時，晶振和電容應(yīng)盡可能的靠近芯片，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，電源部分，電源與地之間可以接一個0.1uF的電容，它用來濾除電源的紋波，使單片機穩(wěn)定工作，單片機最小系統(tǒng)如圖3-1所示。
圖3-1 單片機最小系統(tǒng)
單片機引腳說明：
VCC：電源電壓輸入端。
GND：電源地。
P0口：P0口是一個8位漏極開路雙向I/O端口，每個引腳可以吸收8TTL門電流。P0口當(dāng)作數(shù)據(jù)輸出時需要加上拉電阻，當(dāng)P0口的I/O口被寫“1”后，被定義為高阻抗輸入狀態(tài)。P0可以用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，P0口可以是地址的低八位以及數(shù)據(jù)輸出口。
P1口：P1口是一個8位雙向的I/O端口單片機內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P1口緩沖器可接收的4TTL柵極電流輸出。P1口的I/O口被寫 “1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入，P1口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。
P2口：P2口是一個8位雙向的I/O端口單片機內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P2口緩沖器可接收的4TTL柵極電流輸出。當(dāng)P2口的I/O口被寫“1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入，P2口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。當(dāng)P2口用于外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器時P2口是地址高八位輸出。
P3口：P3口是一個8位雙向的I/O端口單片機內(nèi)部加上了上拉電阻的端口，P3口緩沖器可接收的4TTL柵極電流輸出。P3口的I/O口被寫“1”后，內(nèi)部上拉的是高的，可以作為輸入，P3口外部下拉低時輸出電流，這是因為有內(nèi)部上拉的緣故。P3口除了普通I/O口功能，還有其第二功能
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（T0定時器的外部計數(shù)輸入）
P3.5 T1（T1定時器的外部計數(shù)輸入）
P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通）
P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）
RST：復(fù)位引腳高電平時MCU復(fù)位，復(fù)位信號輸入端口，當(dāng)MCU要復(fù)位時，給與此引腳高電平，高電平持續(xù)時間是不少于兩個機器周期的時間。
ALE/PROG：地址鎖存使能以及編程脈沖信號端口。當(dāng)單片機訪問外部的存儲器時，地址鎖存使能鎖存地址低八位。通常情況下，ALE引腳輸出單片機外部振蕩器的頻率的1/6的頻率輸出。應(yīng)該注意到的是：當(dāng)用于單片機擴展外部的數(shù)據(jù)存儲器時，它會少一個ALE脈沖。如果你想禁止ALE輸出可以設(shè)置為0在SFR8EH地址。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。此外，ALE引腳倍稍微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE的禁令，設(shè)置無效。
PSEN：程序存儲器允許輸出控制端，在讀外部程序存儲器時PSEN低電平有效，以實現(xiàn)外部程序存儲器單元的讀操作。
EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當(dāng)/EA接高電平時，單片機讀取內(nèi)部程序序存儲器，當(dāng)擴展有外部ROM時，當(dāng)讀完內(nèi)部ROM后自動讀取外部ROM，當(dāng)/EA接低電平時，單片機直接讀取外部程序存儲器。
XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。
XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。
3.2 存儲模塊AT24C02存儲模塊的設(shè)計是把WP引腳接到GND上因為要讓器件進(jìn)行正常的讀/寫操作，把SDA串行數(shù)據(jù)/地址與單片機的P3.7引腳使AT24C02與單片機進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，把SCK串行時鐘引腳與單片機的P3.6引腳相連接，讓單片機產(chǎn)生一個AT24C02工作的時鐘，使其正常的工作。存儲模塊電路如圖3-2所示。
圖3-2存儲模塊 AT24C02硬件結(jié)構(gòu)
AT24C02的特點：數(shù)據(jù)線看門狗定時器；可編程復(fù)位門級；高數(shù)據(jù)傳輸速率400kHz速率和I2C總線；2.7V至7V電壓；低功耗CMOS工藝兼容；16 bespate寫緩沖區(qū)；反撇寫保護(hù)芯片；高低電平復(fù)位信號輸出；100萬擦除周期；保存長達(dá)100年。
定義如下的總線狀態(tài)，見圖3-3。
圖3-3 總線時序
數(shù)據(jù)線和時鐘線都保持高電平狀態(tài)。
時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從高電平到低電平的跳變作為I2C總線的起始信號。所有操作都必須以起始信號為前提。
時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線從低電平到高電平的跳變作為I2C總線的停止信號。所有操作都必須以停止信號結(jié)尾。
起始信號之后，在時鐘信號保持高電平期間，數(shù)據(jù)線傳送的數(shù)據(jù)有效。
數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘信號為低電平時改變，以傳輸下一字節(jié)的數(shù)據(jù)。每傳輸一字節(jié)的數(shù)據(jù)，就會有一個時鐘信號的暫停。
數(shù)據(jù)傳輸都必須以起始信號開頭，以停止信號結(jié)尾。在起始信號和停止信號期間傳輸數(shù)據(jù)的總量大小由主器件決定，理論上是沒有限制的。但是在寫狀態(tài)下只有最后16個周期傳送的數(shù)據(jù)會被寫入。如果待寫入的數(shù)據(jù)超出了這個限制，會根據(jù)先入先出的原則覆蓋掉前面的數(shù)據(jù)。
每一個被尋址到的從設(shè)備，在成功接收一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，都必須產(chǎn)生一個應(yīng)答信號。主設(shè)備必須增加一個額外的時鐘信號，接收從器件對收到數(shù)據(jù)的響應(yīng)。器件應(yīng)答的方式是在響應(yīng)時鐘周期時將SDA線拉低，表示其已收到一個8位數(shù)據(jù)。如圖3-4。當(dāng)然，調(diào)整時間和保持時間都必須計算在內(nèi)。主器件在傳送完最后一個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后，不傳送應(yīng)答信號，從而向從器件標(biāo)明數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。在這種情況下，從器件必須保持SDA高電平，使主器件可以產(chǎn)生停止信號。當(dāng)AT24C02在內(nèi)部讀寫周期內(nèi)是不會產(chǎn)生任何響應(yīng)信號的。
3.3紅外模塊HS0038紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c：成本廉價、建設(shè)工程期短、適應(yīng)性好、擴展性好、設(shè)備維護(hù)上更容易實現(xiàn)。使用紅外模塊進(jìn)行傳輸，豐富了系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的可操作性，因而達(dá)到了交互式與智能化。紅外數(shù)據(jù)傳輸廣泛地運用在紅外遙控系統(tǒng)和車輛的監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、小區(qū)的安全防火系統(tǒng)和傳呼系統(tǒng)、身份的識別、非接觸RF的智能卡等。工業(yè)設(shè)備中，在高壓，輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。
一體化紅外線接收頭三個管腳分別是地、+5 V電源、解調(diào)信號輸出端接在單片機P3.3引腳上。利用外部中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。下圖3-5為紅外模塊硬件結(jié)構(gòu)。
圖3-5 紅外模塊硬件結(jié)構(gòu)
紅外線接收器大都將信號的接受、放大、檢波等集于一身，而且可以經(jīng)過編碼解碼時單片機收到可識別的信號源。這樣一來便會減少硬件設(shè)計過程中的麻煩，使電路簡單化，且應(yīng)用起來比較方便。下圖為紅外一體化接受頭HS0038，外觀圖如圖所示。
圖3-6紅外接收元器件
3.4 顯示模塊LCD1602如果想要了解系統(tǒng)的運行與工作狀態(tài)顯示器是不可缺少的，顯示器是一個典型的輸出設(shè)備并且它的實際應(yīng)用也是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都會使用到顯示器其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以是LED發(fā)光二極管或者數(shù)碼管，它可以給出一個簡單的開關(guān)信息或者數(shù)字顯示，而需要顯示復(fù)雜的完整的信息上述的器件就不能勝任，而液晶的出現(xiàn)就很好的解決了這一問題，它不僅顯示內(nèi)容豐富而且好節(jié)約了單片機的管腳資源。本設(shè)計采用的是液晶顯示LCD1602。LCD1602內(nèi)部的字符已經(jīng)儲存了不同的字符形式，每一個字符都有一個固定的代碼，其代碼與標(biāo)準(zhǔn)的ASCII字符代碼一致。因此只要寫入顯示字符的ASCII碼即可，這種標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計給使用帶來很大的方便。比如英文字母“C”的ASCII代碼是01000011（43H），顯示時單片機往液晶模塊寫入顯示指令，模塊就會把地址為43H中的點陣字符圖形識別出，并會在液晶屏相應(yīng)位置上看到字母“C”。
LCD1602液晶顯示與單片機的連接可以分為兩種方式：總線方式和模擬口線方式。在實驗中，我們常采用模擬口線連接方式。如圖3-7所示。
圖3-7 顯示模塊硬件結(jié)構(gòu)
目前市場字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780的液晶芯片，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780的寫控制程序可以很容易地應(yīng)用到市場上大部分的字符液晶。LCD1602液晶的幾個特性：+5V電壓、對比度可調(diào)、內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；內(nèi)建有160個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM 8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM。
表3-1 LCD液晶屏引腳說明
LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中VSS為地電源，VDD接5V正電源，VEE為液晶顯示器。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平1時進(jìn)行讀操作，低電平0時進(jìn)行寫操作。E端為使能端。D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。
3.5 電源電路模塊控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖3-8所示，把有效值為220V頻率為50Hz單相交流電壓轉(zhuǎn)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(jīng)過電源變壓器降壓。
由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的主要作用是起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會影響到負(fù)載電路的正常工作。需要通過低通濾波電路濾除交流成分使輸出電壓平滑穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受負(fù)載電阻變化和電網(wǎng)電壓波動的影響，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LM7805解決了電源穩(wěn)壓問題，在穩(wěn)壓芯片的前段分別放置兩個電容主要是為了濾除電源中的高低頻干擾而在芯片之后又經(jīng)過一級的濾波以使電源更為潔凈，并在電源輸出端加上LED以此來顯示電源的開關(guān)狀態(tài)。
圖3-8 電源電路硬件結(jié)構(gòu) 3.6 鍵盤輸入模塊鍵盤是單片機十分重要的輸入設(shè)備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個按鍵實際上就是一個開關(guān)元件，即鍵盤是一組規(guī)則排列的開關(guān)。根據(jù)按鍵與單片機的連接方式不同，按鍵主要分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵 ，有了這些按鍵，對單片機的控制就方便多了。
本設(shè)計按鍵數(shù)量較多，所以采用矩陣式按鍵以節(jié)省I/O口線。將16個按鍵分為4排4列排列好，如圖3-9矩陣鍵盤硬件結(jié)構(gòu)。當(dāng)有一個鍵按下時，通過某一邊引腳賦低電平，掃描全部引腳看是否與最初的賦值一樣，不一樣則根據(jù)相應(yīng)的算法（通過改變后的值與初始值相或，根據(jù)結(jié)果賦值）確定是哪個鍵按下。
圖3-9鍵盤模塊硬件結(jié)構(gòu)
鍵盤為4×4形式，按鍵包括阿拉伯?dāng)?shù)字0~9，以及鎖定、更改和改密三個應(yīng)用按鍵。當(dāng)用戶需要輸入密碼或修改密碼時，按下相應(yīng)按鍵即會與單片機產(chǎn)生信號，并會執(zhí)行相應(yīng)的程序。
3.7 報警電路當(dāng)密碼輸入兩次的數(shù)值與所設(shè)定的參數(shù)值不同時，單片機AT89C51便通過P2.7口控制三極管來驅(qū)動揚聲器報警，當(dāng)輸出低電平時三極管截止，當(dāng)輸出高電平時三極管導(dǎo)通揚聲器報警。如圖3-10所示。
圖3-10報警電路硬件結(jié)構(gòu)
3.8 開鎖電路開鎖電路的功能是當(dāng)輸入正確的密碼后密碼鎖將被鎖定，既開鎖。當(dāng)單片機P2.6引腳發(fā)出信號經(jīng)三極管放大后，觸動電磁閥即會把鎖打開。一旦輸入密碼，單片機便會與初始密碼進(jìn)行比對，如果密碼輸入兩次都與原始密碼不相符即會報警。其原理圖如圖3-11所示。
圖3-11 開鎖電路硬件結(jié)構(gòu)
3.9 復(fù)位電路能讓單片機運行起來的最小硬件連接就是單片機最小系統(tǒng)電路，51單片機的最小系統(tǒng)電路一般包括工作電源、振蕩電路和復(fù)位電路等幾部分。
復(fù)位電路（圖3-12是單片機復(fù)位電路）具有上電自動復(fù)位和手動復(fù)位的雙重功能。單片機的RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平的時候才有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)24個震蕩脈沖周期（即2個機器周期）以上；通常為了保證應(yīng)用系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地復(fù)位，復(fù)位電路應(yīng)使引腳RST腳保持10ms以上的高電平狀態(tài)。只要RST保持高電平，單片機就會自動循環(huán)復(fù)位。當(dāng)RST引腳從高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)為低電平狀態(tài)時，單片機退出復(fù)位狀態(tài)，從程序存儲器的0000H地址開始執(zhí)行用戶程序。電容C3和電阻R5組成上電復(fù)位電路。上電瞬間RST引腳獲得高電平，隨著電容C11的充電，RST引腳的高電平逐漸下降。只要高電平保持足夠的時間，單片機就能完成復(fù)位。手動復(fù)位的原理與此類似。
圖3-12 復(fù)位電路硬件結(jié)構(gòu)
3.10串行通信電路隨著計算機在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和智能化控制的發(fā)展，多微機系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，計算機的通信功能顯得越來越重要。計算機通信是指將計算機技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合完成計算機與外部控制設(shè)備或計算機與計算機之間的信息交換或信息處理，按通信方式可以分為兩大類：并行通信與串行通信。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時進(jìn)行傳送 , 并行通信控制簡單、傳輸速度快，但是由于傳輸線較多長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在一定的困難。串行通訊傳輸線少，長距離傳送時成本低且可以利用電話網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備所以本設(shè)計采用串口與單片機進(jìn)行通信。
大多數(shù)PC機都有一個串行通訊端口，RS-232主要用于計算機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與通訊RS-232通訊接口是電子領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)化傳輸接口，主要是為了進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸與通訊連接終端設(shè)備的物理接口。RS-232采用非平衡連接在這個線路中信號的電壓都使用一個公共的接地線，所有信號電壓都加到一條導(dǎo)線上為了能提高串口通信的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳送距離，RS-232芯片的信號和電平采用負(fù)邏輯電平，直流電壓值在-15至-5V芯片規(guī)定為邏輯值“1”，直流電壓值在+ 5至+15V芯片規(guī)定邏輯值“0”，直流電壓在-5至+5V為過渡區(qū)。由于單片機輸入與輸出為TTL電平這與 PC機所執(zhí)行的串行接口標(biāo)準(zhǔn)不一致數(shù)據(jù)無法正常傳輸。
因此要實現(xiàn)單片機與PC機之間的數(shù)據(jù)通讀，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。一般常用的電平轉(zhuǎn)換器件有MC1488、MC1489及MAX232等，但MC1488、MC1489需要±12V電源，這對于不具備±12V電源的單片機系統(tǒng)是非常不便的。故本系統(tǒng)使用MAX232實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。單片機的第10、11管腳與MAX232芯片的11、12管腳相連并互相傳送數(shù)據(jù)通過MAX232芯片將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換成電腦所能識別的電平。電路原理如圖3-13所示。
圖3-13 串行通信電路硬件結(jié)構(gòu)
3.11 系統(tǒng)整體原理圖智能電子密碼鎖的基本原理是：從矩陣鍵盤輸入一組密碼，單片機把該密碼和設(shè)置密碼進(jìn)行比較，若輸入的密碼正確，則控制電磁鎖動作，將電磁鎖抽回，從而將鎖打開；若輸入的密碼不正確，則要求從新輸入，并記錄錯誤次數(shù)，如果2次錯誤，則被強制鎖定并報警。如下圖3-14所示：
圖3-14 系統(tǒng)整體原理圖
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括了主程序設(shè)計、鍵盤掃描設(shè)計、密碼修改設(shè)計、開鎖程序設(shè)計以及紅外遙控設(shè)計五個方面。本設(shè)計采用Keil編譯器來進(jìn)行軟件的編程。
4.1 主程序設(shè)計
圖4-1 主程序流程圖設(shè)計
主程序主要完成了系統(tǒng)的初始化、按鍵掃描、按鍵功能、以及調(diào)用顯示等功能。主程序部分如下：
En bit P8 將LCD的en引腳連接到單片機的P8
Rw bit P9
Rs bit P10
Speaker bit P2.7
Open bit P2.6 開鎖電路的控制端連接到P2.6口
4.2鍵值判斷設(shè)計
鍵盤掃描和鍵值讀取程序主要判斷矩陣按鍵是否按下，按下的是哪一個鍵，并求出按鍵的鍵值。矩陣鍵盤的識別方法有多種。相對來說，矩陣式鍵盤的軟件設(shè)計最終實現(xiàn)以下功能：是否有按鍵被按下；消除抖動；確定哪個鍵被按下，若按鍵閉合了一次，操作也只能是一次。
圖4-2 鍵盤流程圖設(shè)計
鍵盤程序如下：
if((0keydata)||(4keydata)||(8keydata)||keydata==14)
//在0-9之間的數(shù)字通過
password=keydata;//鍵盤值進(jìn)行保存
keydata=0; //把鍵盤值置其它值，不被其它利用，以一樣
i++;
4.3開鎖設(shè)計當(dāng)輸入密碼正確時，單片機輸出低電平，控制繼電器工作，模擬開鎖動作，同時，當(dāng)輸入密碼或開鎖成功時，蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的提示音。
圖4-3開鎖流程圖設(shè)計
開鎖程序設(shè)計如下：
while(1)
{
if(keydata==4) //鎖定功能
{
P3_6=0;
EX1=1;
goto start;
4.4密碼修改設(shè)計輸入密碼前，要先將正確的密碼從存儲器24C02中讀出，并存放在單片機RAM從40H開始的6個單元中。6位密碼鎖由矩陣按鍵輸入，輸入的密碼存儲在單片機RAM從30H開始的6個單元中，每輸入一位密碼，都要和正確的密碼進(jìn)行比較；若全部6位密碼均輸入正確，顯示密碼正確信息；若輸入的密碼不完全正確，則進(jìn)行第二位輸入，若輸入3次仍不正確，則報錯。輸入密碼時，還要打開定時器T0，使定時器T0工作，當(dāng)計時到30s時，若輸入的密碼不正確或未輸入密碼，則顯示出錯信息。密碼修改程序用來設(shè)置新密碼，當(dāng)輸入的開鎖密碼正確后，可重新設(shè)置新密碼，輸入的新密碼暫存在單片機RAM從40H開始的單元中，然后，調(diào)用存儲器子程序，將40H開始的6位密碼存儲在24C02中。
圖4-4 密碼修改流程圖設(shè)計
密碼程序如下：
if(keydata==33) //確定進(jìn)入密碼比較
{
keydata=0;
panduan: i=0;
for(j=0;j<6;j++)
{
l+=password[j];
k+=Random_Read(j);
}
if(l!=k) //密碼不同進(jìn)行處理
{
l=0;
k=0;
LCD_Write_String(0,0,bb);
DelayMs(1000);
a1+=1;
if(a1==2){while(1)P3_7=1;P3_6=0;}//兩次錯誤發(fā)出報警
goto start; //第二次輸入密碼
4.5 紅外遙控設(shè)計
HS0038 接收頭負(fù)責(zé)紅外遙控信號的解調(diào)，將調(diào)制在38kHz上的紅外脈沖信號解調(diào)并反相后輸入到單片機的P3.2引腳，接收的信號由單片機進(jìn)行高電平與低電平寬度的測量，并進(jìn)行解碼處理。解碼編程時，既可以使用中斷方式，也可以使用查詢方式。
圖4-5 紅外遙控流程圖設(shè)計
4.6 Keil編程軟件介紹單片機的開發(fā)離不開必要的硬件，同樣也離不開軟件，編寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編。隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機的開發(fā)軟件也在不斷的發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)51單片機的軟件。
在硬件電路設(shè)計好的同時，也需要軟件的開發(fā)及使用。目前單片機類的課程設(shè)計大多采用Keil軟件來進(jìn)行程序的編寫。Keil不僅支持C語言還支持匯編語言。支持不同型號的MCS系類的51單片機的型號。Keil軟件已從早期的第一代發(fā)展到第四代了，有了更強大的功能。
這款軟件的操作方法也很簡單，甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，這樣可以把復(fù)雜電路的輸入信號直接用信號發(fā)生器給定，或是用電源來給定通過對電壓電流的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。Keil 工程的建立打開已安裝好的開發(fā)環(huán)境，進(jìn)入界面后選擇project然后在其下拉菜單中選擇new project選項如圖4-6所示。
圖4-6 新建工程
這樣就能新建一個工程 ，在選定的路徑下建立一個名字叫做abc的文件夾如圖4-7所示，在abc文件夾中建立了一個xyz.c文件之后點擊保存按鈕就會出現(xiàn)如圖4-8所示的畫面在此對話框中選擇Atmel之后會彈出一系列的單片機在本次設(shè)計中選用的是51單片機，完成后在選Target 1下的Source Group 1選擇Add把xyz.c文件加載到里面在xyz.c下添加所編好的C語言程序或是匯編語言程序，如果程序是分開寫得就可以添加多個子程序還有主程序，每個程序中必須有頭文件否則編譯不會通過 ，會顯示有錯誤。等編譯.hex文件時就要在此文件夾下找到。
圖4-7 新建工程文件夾的建立
圖4-8 芯片的選擇
所有程序都加到工程項目文件夾中后就可以對其進(jìn)行編譯了。編譯成功后，下方會有對話框顯示，有幾個錯誤，分別是在那幾個位置。直接單擊錯誤這條信息就可以索引到源文件中。如圖所示4-9所示。
圖4-9 錯誤的生成及索引
5 仿真設(shè)計
5.1 Protues仿真軟件概述Protues是目前使用比較廣泛的單片機類的仿真系統(tǒng)的軟件之一，它可以實現(xiàn)的功能比較多，可以實現(xiàn)程序與原理圖的連調(diào)，也可以單獨作為繪制原理圖的工具使用，與Protel有著過之不及的功能，于此同時還可以進(jìn)行PCB版圖的生成，在方法中與Protel類似。此款軟件及繪制原理圖、PCB版圖和仿真于一身。Protues此款軟件的使用比較簡單。在運行環(huán)境搭載好的前提下，打開ISIS直接進(jìn)入到主界面，在左邊欄框中有一個快捷鍵P(從庫中選取)，點擊后出現(xiàn)一個對話框然后輸入想要查找的元器件即可。之后在單擊確定按鍵所選器件就會顯示在界面左上角的小框中此時點擊鼠標(biāo)左鍵就會放到圖層中，然后直接把鼠標(biāo)放到接頭處就會顯示一個畫筆的標(biāo)志此時按住鼠標(biāo)左鍵就可進(jìn)行連線了。如圖5-1所示為繪圖界面。
圖5-1 繪圖界面
5.2 Protues與Keil的連調(diào)在進(jìn)行連調(diào)之前必須確保程序是完整的，原理圖也是沒有錯誤的。還要在正確的運行平臺下進(jìn)行操作。檢查沒有錯誤后，打開原理圖，點擊單片機就會出現(xiàn)一個對話框如圖5-2所示，然后把生成的.hex文件添加到里面即可實現(xiàn)。在這里比較重要的就是.hex文件的生成過程。首先把已編寫好的程序加載到Keil軟件下進(jìn)行編譯如果沒有遇到任何錯誤后，就直接點擊工具欄中的
就會彈出如下圖所示的對話框，然后選擇相應(yīng)的選項就可以生成.hex文件了。之后再按照生成的的路徑去尋找這個文件。找到之后加載到之前點開的 對話框上即可。在此后點擊運行按鍵就會進(jìn)行仿真了，按照設(shè)計的功能去調(diào)試就可以了。
圖5-2加載.hex文件
5.3 Protues與Keil的連調(diào)的仿真結(jié)果系統(tǒng)仿真運行環(huán)境下的結(jié)果如圖5-3所示。
圖5-3 系統(tǒng)仿真圖
開鎖仿真圖如5-4所示。
圖5-4 開鎖圖
更改密碼圖如5-5所示。
圖5-5 更改密碼圖
輸入錯誤密碼報警如圖5-6所示。
圖5-6 報警圖
5.4問題及解決辦法在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，遇到了很多問題。首先是對軟件的開發(fā)環(huán)境Keil的運用有些模糊、對它的操作過程需要看專業(yè)書以及向同學(xué)請教才能完成！其次是用C語言編程，這對于我來說可是一件十分困難的事情，最終是在同學(xué)的幫助之下才得以完成。而在Protues仿真過程中，也遇到了同樣的問題，最后通過網(wǎng)上的教學(xué)資料對其使用有了一定的了解。而在仿真軟件中，并沒有紅外一體化接收頭HS0038，所以在同學(xué)及指導(dǎo)老師的幫助下采用555振蕩器模擬仿真，一旦有信號發(fā)射或接收將會有波形顯示來模擬仿真。
結(jié) 論本設(shè)計是基于單片機實現(xiàn)電子密碼鎖，基本完成了按鍵有效提示、輸入錯誤提示，控制開鎖電平、控制報警電路、修改密碼等多種功能。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，硬件較少，容易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。
在設(shè)計過程中，我查閱大量的相關(guān)資料，詳細(xì)的了解了各個芯片的作用，如何工作，工作原理，個個芯片引腳的連接方式。對系統(tǒng)硬件的設(shè)計，電路原理圖以及仿真，軟件流程圖和具體的匯編語言的設(shè)計都有了相應(yīng)的提高。此次設(shè)計涉及到了Protues和Protel99和一些單片機指令，通過近段時間的使用，對這些有了更深的了解。對于軟件部分的Keil軟件的使用，是我們對匯編語言以及C語言又有了更深一步的了解。
通過完成設(shè)計，我們對所學(xué)的知識有了更深刻地了解，實現(xiàn)了從理論到實踐再到理論的幾個飛躍，也更加了解到科學(xué)知識應(yīng)該以服務(wù)社會為目的，只有掌握了足夠的知識才能更好的為社會貢獻(xiàn)我們的力量。我學(xué)會了利用所學(xué)知識以技術(shù)上的知識解決問題的能力。
致 謝時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間又到了畢業(yè)的季節(jié)。
兩年在北京聯(lián)合大學(xué)的學(xué)習(xí)，讓我真正感受到了大學(xué)的生活是那么美好。在即將離開之時才發(fā)現(xiàn)心中的不舍是那么的深刻。舍不得與同學(xué)間深刻的友誼，舍不得與老師間溫暖的問候，更舍不得校園里象牙塔般的快樂生活！
在校園的生活的最后篇章里，我想要把我全部的感謝感激一一的傾訴出來。首先感謝我的母校，其次感謝我的任課老師，在我人生中最迷茫的時候為我指點迷途，帶我走進(jìn)那夢想般的燈塔！還要感謝我的論文指導(dǎo)老師張巧杰老師，張巧杰老師最為外聘老師對我們論文的指導(dǎo)十分認(rèn)真，每周都會帶著自己論文完成情況以及論文中遇到的問題去找指導(dǎo)老師，老師會耐心的為我們解答，并且還會關(guān)心我們每個人的實習(xí)生活狀況，給予鼓勵和激勵！我衷心的感謝指導(dǎo)老師。當(dāng)然，不會忘記陪伴我兩年的同窗同學(xué)，一起風(fēng)風(fēng)雨雨走過的兩年，真的是學(xué)生時代的一筆財富！我們一起學(xué)習(xí)，一起歡笑，一起面對每個清晨和日落。校園里到處都是我們的影子，在操場上、在教室里、在圖書館、在實驗室...每個同學(xué)都很珍惜這兩年的時光！最后我不會忘記我的父母，感謝他們一直以來的照顧！我最大的幸福是有你們一直都在！
即將和學(xué)校離別，縱然我有許多的不舍，但是面對社會我依然會充滿了信心。因為我知道在我的身邊有許多朋友的陪伴，感謝我的大學(xué)，感謝我的老師，感謝我的同學(xué)們！
參考文獻(xiàn)[1] 李葉紫，王喜斌，胡輝，孫東輝．MCS-51單片機應(yīng)用教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社 2004：29-35．
[2] 夏路易，石宗義．電路原理圖與電路板設(shè)計教程PROTEL 99SE[M]．北京：北京希望電子出版社 2004：56-59．
[3] 王福瑞編著，單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全．北京航空航天大學(xué)出版社，1999
[4] 李華，MCS-51系列單片機使用接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社，1990
[5] 余永權(quán)，F(xiàn)lash 單片機原理及應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，1997
[6] 潘新民、王燕芳．《微型計算機控制技術(shù)》．北京：人民郵電出版社：2004：85-112
[7] 蘭吉昌，《51單片機應(yīng)用設(shè)計百例》．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：220-230
[8] 曹素芬，單片微型計算機原理與接口技術(shù)[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，1995.
[9] 吳金戎，8051單片機實踐與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2002.
[10] 于永，戴佳，劉波．51單片機C語言常用模塊與綜合設(shè)計實例精講[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008 第二版．
[11] 周潤景，張麗娜．基于PROTEUS 的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2006.P321～P326
[12] 肖婧，單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真--基于PROTEUS[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．
[13]胡燁 、姚鵬翼、江思敏．《Protel 99SE電路設(shè)計與仿真》.北京： 機械工業(yè)出版社，2002：100-170
[14] Johnson J B.The Multibus Design Guidebook. McGrawHill Book Company,1995
[15] Borko H，Bernier C L．Indexing concepts and methods .New York:Academic
[復(fù)制鏈接]
