基于51单片机电子密码锁设计讲解.docx
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基于51单片机电子密码锁设计讲解
一、设计目的
1.1课题简介
如何实现防盗是很多人关心的问题,传统的机械锁由于其构造简单,被撬的事件屡见不鲜,使人们的人身及财产安全受到很大威胁。
电子密码锁是一种依靠电子电路来控制电磁锁的开与闭的装置,开锁需要输入正确密码,若密码泄露,用户可以随时更改密码。
因此其保密性高,使用灵活性好,安全系数高,可以满足广大用户的需要,现在广泛使用的有红外遥控电子密码锁,声控密码锁,按键密码锁等。
1.2课题研究目的
本设计是一种基于单片机的密码锁方案,根据基本要求规划单片机密码锁的硬件电路和软件程序,同时对单片机的型号选择、硬件设计、软件流程图、单片机存储单元的分配等都有注释。
现在很多地方都需要密码锁,电子密码锁的性能和安全性大大超过了机械锁,为了提高密码的保密性,必须可以经常更改密码,以便密码被盗时可以修改密码。
本次设计的密码锁具备的功能:
LED数码管显示初始状态“——————”,用户通过键盘输入密码,每输入一位密码,LED数码管相应有一位变为“P”,若想重新输入密码,只需按下“CLR”键。
密码输入完毕后按确认键“#”,密码锁控制芯片将输入的密码与密码锁控制芯片中存储的密码相比,若密码错误,则不开锁,会有红灯亮提示,同时显示“Error”。
若正确,则开锁,会有绿灯亮提示,同时显示“PASS”。
用户可以根据实际情况随意改变密码值或密码长度,密码输入正确后可以按下“CHG”修改密码,输入新密码时每输入一位新密码相应有一位变为“H”,以便提示用户此时输入的是新密码,修改新密码时若想重新输入新密码只需按下“CLR”键即可。
输入新密码后按确认键即修改成功,新密码写入单片机内部RAM中,以便以后用来确认密码的正确性。
按下复位键,系统恢复初始状态,密码也恢复初始密码,本设计中初始密码是“096168”。
本次设计中硬件主要由我完成,软件主要由张振完成。
二、硬件设计
2.1概述
本系统主要由单片机最小系统、电源电路、输入键盘电路、输出显示电路、开锁电路等组成,系统框图如图1所示:
图1系统框图
2.2最小系统
1.单片机:
单片机最小系统包括单片机、晶振电路、复位电路等,最小系统是整个系统的核心部分,也是设计中首先应该设计的部分,其中单片机的选择直接决定着之后整个设计应该如何进行,因为我们刚刚学完单片机,学习时是以MCS-51单片机为主的,对51系列单片机最熟悉,因此决定选用51系列单片机,51系列单片机中Atmel89C51应用最为广泛,且价格较低,性能完全能满足本次设计,因此决定选用AT89C51芯片。
AT89C51外形及引脚排列如图2所示:
图2AT89C51外形及引脚排列
AT89C51主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·1000次写入/擦除循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.晶振电路
图3晶振电路
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一起构成自激振荡器,晶振电路如图3所示。
石英晶体振荡电路对外接电容C2和C3虽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、起振的难易程度,一般电容使用30pF±10pF,这里使用30pF的独石电容。
因此晶振电路中使用12M晶振,30pF独石电容。
3.复位电路
如图4所示为80C51单片机复位电路。
结合实际需求,本次设计加入了手动复位。
RC构成微分电路,在接电瞬间,产生一个微分脉冲,其宽度若大于2个机器周期,80C51型单片机将复位,为保证微分脉冲宽度足够大,这里取10μF电容、10KΩ电阻。
若按下复位键,则C1被短路,R1两端电压为Vcc,产生的高电平时间足以使单片机复位
图4复位电路
关于复位电路的计算如下:
AT89C51的最低复位电平是0.7Vcc
V1为电容最终可充到的电压值
Vt为t时刻电容上的电压值
则,
Vt=V1×[1-exp(-t/RC)]
即,
t=RC×Ln[V1/(V1-Vt)]
在C1充电到0.7Vcc前,R1上电压均大于0.7Vcc,即为有效复位电压,因此需要求电容充电到0.3Vcc的时间。
将V1=Vcc,Vt=0.3Vcc代入上式:
0.3VCC=Vcc×[1-exp(-t/RC)]
即[1-exp(-t/RC)]=0.3;
∴exp(-t/RC)=0.7
∴-t/RC=ln(0.7)
∴t/RC=ln(1.43) ln(1.43)≈0.35
也就是t=0.35RC。
带入R=10K C=10μF得。
t=0.35×10K×10uf=35ms
∵时钟周期T=1/f=1/12M=1μs
∴2个机器周期=2T=4μs
∴t>>2μs
所以复位电路中电容选10μF电解电容,10K电阻,一只按键开关可以使电路上电复位和手动复位。
4.存储器设定电路
最小系统电路的最后部分是存储器的设定,如果把31脚(EA)接地,则采用外部程序存储器,如果将其接Vcc,则采用内部程序存储器。
AT89C51具有4KB可编程闪烁存储器,足以满足本设计要求,因此不采用外部程序存储器,即将31脚(EA)接Vcc,如图5所示:
图5存储器设定电路
2.3电源电路
本次设计的电源采用以前模拟电路课程设计做的直流稳压电源,电源采用LM7805三端稳压器,外形及引脚排列如图6所示用LM7805来组成稳压电源所需的外围元件较少,LM7805电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的LM78xx后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如lm7805表示输出电压为正5V,因为本设计中单片机和各个芯片的工作电压均为5V,因而采用LM7805。
图6LM7805
图7直流稳压源电路
电源电路如图7所示,220V市电通过变压器降压成12V的交流电,经过整流桥整流,再经7805稳压到5V。
C1、C2和C3具有滤波功能,使电流更加稳定,保证了系统的稳定运行。
2.4键盘电路
本设计采用矩阵式键盘,又称行列式键盘,是将I/O线的一部分作为行线,另一部分作为列线,按键设置在行线和列线的交叉点上,行列线分别连接到按键开关的两端,当键按下时,两导线连通。
这种设计能减少键盘与单片机I/O接线的数目,只需要N个行线和M个列线就可以实现N×M个键的操作,在按键比较多的时候,通常采用这种方法。
其电路如图8所示:
图8矩阵式键盘电路图
行线作为输入,通过上拉电阻接+5V,被钳位在高电平状态。
列线作为输出,通过列线输出扫描码,通过行线读入行线状态来判断是哪一键被按下。
图示电路中各键的键值从第一行左起依次为11H、12H、14H、18H、21H、22H、24H、28H、41H、42H、44H、48H、81H、82H、84H、88H。
键盘各键值通过查键值表可以转换为相应的代码,代表不同的值。
本设计中要用到13个键,分别为0~9键用于输入六位密码,确认键‘#’用于输入密码完毕后确认,清除键‘CLR’用于想重新输入时清楚之前输入的密码,修改密码键‘CHG’用于输入密码验证正确后选择修改密码,剩余三个键未用,可以留待以后扩展功能,键盘如图9所示:
图9键盘
2.5显示电路
本系统设计的显示电路是为了给用户以提示而设置的。
考虑到节约单片机的口资源,本系统的显示采用串行显示的方式,只使用单片机的两个串行口P3.0(RXD)和P3.1(TXD),就可以完成单片机的显示功能。
本部分电路主要使用七段数码管和移位寄存器芯片74LS164。
单片机将要显示的数据信号传送到移位寄存器芯片74LS164寄存,再由移位寄存器控制数码图1074LS164管脚图管的显示,从而实现移位寄存点亮数码管显示。
由于单片机的时钟频率达到12M,移位寄存器的移位速度相当快,所以我们根本看不到数据是一位一位传输的。
仿佛是全部数码管同时显示的一样。
74LS164是串行输入带锁存的8位移位寄存器,其管脚图见图10,真值表见表1当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QA-QH)均为低电平。
串行数据输入端(A,B)可控制数据。
当A、B任意一个为低电平,则禁止新数据输入,在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态.表174LS164真值表
74LS164主要特性:
串行输入带锁存
时钟输入,串行输入带缓冲
异步清除
最高时钟频率可高达36Mhz
功耗:
10mW/bit
工作温度:
0°Cto70°C
Vcc最高电压:
7V
输入最高电压:
7V
最大输出驱动能力:
高电平:
-0.4mA
数码低电平:
8mA
图11LED数码管显示电路
显示电路如图11所示,每一片74LS164的CLR端均接Vcc。
从单片机串口输出的信号先送到第1片移位寄存器74LS164的AB端,由于移位脉冲的作用,使数据向右移最终从移到Q7脚,第1片的Q7脚接第2片的AB端,以此类推,在移位寄存器的移位作用下,第1个8位数据送到第6片74LS164,第2个8位数据送到第5片74LS164,以此类推,每一个八位数据出现在74LS164的并行输出端,每片74LS164的八个输出脚接七段数码管数码管的八个输入数据脚,七段数码管数码管根据74LS164上的数据状态显示相应的数字,从而达到显示的目的,移位寄存器74LS164还兼作数码管的驱动。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,其外形及管脚图如图12所示,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形图12七段共阳极数码管外形及管脚图成公共阳极(COM)的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
本设计中采用共阳极七段数码管,由共阳极七段数码管的原理图可知,数码管中每一段均为一发光二极管,使用7段LED数码管时,首先把com脚接+Vcc,然后将每一只阴极引脚各接一个限流电阻,限流电阻可保护数码管,使其不被烧坏,延长其使用寿命。
LED顺向偏压时两端有1.7V左右的压降,随着LED顺向电流的增加,LED将更亮,LED的寿命也将缩短,因此电流以10~20mA为宜
若电流为10mA
R=(5-1.7)/10=330欧姆
若电流为15mA
R=(5-1.7)/15=220欧姆
因而选择阻值为220欧姆的限流电阻,每只数码管需要八只限流电阻,一共需要6×8=48只220欧姆的电阻。
2.6开闭锁电路
在实际应用中开锁时通过单片机送开锁给开闭锁执
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