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电气校内实训练习
电气校内实训练习
校内实训报告
课题名称:
IC卡电子门锁控制系统硬件设计与实现
摘要:
随着科技的进步,以单片机为核心的自动门锁控制系统已经开始进入了人们的生活。
本论文着重阐述了以MCS-51系列单片机为核心,通过可编程并行接口8255直接控制LCD液晶显示器模块及键盘扫描,并与接触式IC卡读写技术相结合的系统。
为保证门锁使用的安全性,系统自动比较IC卡密码和用户输入密码,若输入的密码与系统读出的IC卡密码相同,门锁自动开启;若连续输入三次错误的密码,系统自动停止此卡的使用,并及时将报警信号通过RS-485串行通信总线传往主控台。
本设计的优点是硬件电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,具有一定的实用价值。
该系统拓展后,可用于其他智能家电的控制,具有好的应用前景。
关键词:
MCS-51单片机,接触式IC卡,LCD显示器,电子门锁
设计指标(要求):
系统自动读取IC卡程序,用一个中断程序,只可对IC卡执行继续工作,对其他类型的卡不可识别。
系统接着自动读取IC卡密码,若此卡已经过期,则自动中断,不可识别。
插入卡后,若IC卡有效,则液晶屏幕显示汉字:
请输入密码。
从键盘输入密码,读入密码,并在屏幕上以*显示。
单片机比较两个密码。
若不同,则中断程序,并将程序跳到。
最多循环三次,若仍不相同,则系统收回对IC卡的使用权;若相同,则门自动开锁。
1.MCS-51单片机简介
大家所熟悉的8031单片机是一个8位单片机。
所谓8位单片机,就是在单一芯片上,包括了8位微处理器、外围接口、静态存储器等为一体高度集成的电路。
在一小块芯片上,集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括:
一个8位的微处理器(CPU);片内数据存储器RAM(128B/256B),用以存放可以读/写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等;片内程序存储器ROM/EPROM(4KB/8KB),用以存放程序、一些原始数据和表格。
四个8位并行I/O接口P0~P3,每个口既可以用作输入,也可以用作输出;两个定时器/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用以对外部事件进行计数,也可以设置成定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信;片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率为12MH z。
以上各个部分通过内部数据总线相连接。
2、接触式IC卡引脚图
接触式IC卡模块分为推拉式和压入弹出式两种,它们的电路结构完全相同,仅在卡座的机械结构上有所不同,模块的电源从接口总线引入。
接触式IC卡通常分为存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡、超级智能卡四类。
存储器卡是含有E2PROM及其控制电路,但无加密逻辑;逻辑加密卡是由加密逻辑电路和E2PROM组成;CPU卡的卡内不仅有E2PROM等存储器,还带有CPU及其操作系统和加密算法;超级智能卡不仅带有CPU和存储器,还带有液晶屏和微型键盘。
IC卡的大小和磁条卡相同,在其左上方嵌有一片或若干片集成电路芯片,芯片一般是不易挥发性存储器(ROM,EPROM,E2PROM),保护逻辑电路,甚至于CPU(中央处理单元)。
图4.1IC卡电源部分原理图
IC卡的电源受POWER引脚的控制。
只有当POWER为高电平时,+5V才能加到IC卡VCC引脚上。
IC卡电源部分原理图见图4.1。
图4.2IC卡接口部分原理图
卡座的I/O对应于24C01引脚,CLK对应于SCL引脚。
RST、FUSE、PGM用于兼容其他类型的IC卡,对24C01无作用。
SW1为插卡指示,不插卡时为高电平,插卡后变为低电平。
IC接口部分原理图见图4.2。
24C01引脚图见图4.3。
图4.324C01引脚图
24C01为1K—BIT的串行E2PROM,其接口为I2C形式。
A0~A2:
设备的地址引脚。
通过接VCC或GND来表示不同的设备地址。
WC:
写保护引脚。
接VCC时,芯片只能读不能写;接GND或浮空时,可以进行正常读写。
SCL:
串行时钟引脚,为芯片提供读写时钟。
SDA:
串行数据引脚,地址、数据均由该引脚输入或输出。
对24C01的写操作有以下两种方式:
(1)字节方式(一次一个字节)
(2)页方式(一次8个字节)
对24C01的读操作有以下三种方式:
(1)读当前地址
(2)读随机地址
(3)读地址序列
3.8255简介及内部结构
8255是微机并行接口芯片,是可编程I/O口扩展芯片,对8255输入不同的指令可改变I/O的工作方式。
8255与单片机系统连接方式简单,工作方式由程序设定。
8255内部有4个寄存器:
分别为寄存器A、B、C和控制寄存器。
A、B、C寄存器的数据就是引脚PA7~PA0、PB7~PB0、PC7~PC0上输入或输出的数据。
而控制寄存器的数据则表明PA、PB、PC的工作方式。
通过CS、A0、A1、RD和WR对4个寄存器进行操作:
(1)CS为低电平时选通8255;
(2)A1、A0为地址选通;(3)RD和WR为读、写信号,RD为低、WR为高时为读方式,RD为高、WR为低时为写方式;(4)D0~D7为数据口。
3.18255的工作方式
可编程并行接口芯片8255有3个8位的并行端口:
A口、B口和C口。
8255有3种工作方式:
方式0、方式1和方式2。
方式0——直接输入/输出方式,8255和外设之间无需联络信号。
A口、B口和C口均可分别由控制字规定为输入或输出。
方式1——选通输入/输出方式,此时,C口的3~7位为A口8位数据的传输提供联络信号;C口的0~2位为B口的8位数据提供联络信号。
方式2——A口的双向工作方式,在这种工作方式下,A口既可输入,也可输出。
由于要用到STB、IBF、OBF、ACK和INTR,共5条联络信号线,要占用C口的5位,C口只剩下3位了,因此,B口只能在方式0或方式1下工作,此时C口余下的3位可用作输入/输出线,也可做B口的联络信号。
3.28255的选通输入、输出时序
(1)选通输入的时序是:
①外设通过STB信号将数据送入A口(或B口);
②A口(或B口)的状态标志IBF为1,表示输入缓冲器满,该状态信号可供程序查询;
③8255产生中断请求信号INTR,用于中断方式下,请求CPU从8255的A口(或B口)取走数据。
(2)选通输出的时序是:
①当CPU向A口(或B口)输出数据后,OBF为0,表示输出缓冲区满,此信号可供程序查询,或将A口(或B口)中的数据打入外设;
②当外设取走数据后,向8255送来确认信号ACK;
③8255产生中断请求INTR,告诉CPU可以输出下一个数据到8255的A口(或B口)了。
3.38255电路原理图及编程实现
图5.18255电路原理图
8255电路原理图见图5.1。
该电路由1片8255组成,8255的数据口,地址,读写线,复位控制线均已接好,片选输入端插孔为8255CS,A,B,C三端口的插孔分别为:
PA0~PA7,PB0~PB7,PC0~PC7。
测试该电路时,检查复位信号,通过8255并行口实验,程序全速运行,观察片选、读写、总线信号是否正常。
8255有4个端口地址,从小到大依次为A口地址、B口地址、C口地址和控制口地址。
控制口用来写入8255的工作方式控制字,即实现8255芯片的初始化。
在程序中可对C口按位置1或置0,方法是:
D7=0,D3D2D1=所选择位的二进制编码,D0=1或0。
在本设计中,8255中的C口我们只用到了PC0~PC3以及PC7,PC7与液晶显示的BUSY相连,作为输入口;PC3与液晶显示的REQ相连,作为输出口;PC0~PC2则与键盘的KA10~KA12相连,作为输出口;PA口控制着液晶显示模块,作为输出口;PB口控制着键盘,作为输入口。
这样8255就直接控制了LCD与键盘,CPU通过控制8255间接控制着这两个的操作。
4LCD液晶显示
LCD显示器的原文是LiquidCrystalDisplay,取每字的第一个字母组成,中文多称液晶平面显示器或液晶显示器。
4.1LCD的工作原理
LCD的工作原理就是利用液晶的物理特性:
通电时排列变得有序,使光线容易通过;不通电时排列混乱,阻止光线通过,说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。
4.2LCD引脚设计及功能
HK:
液晶控制
DI:
液晶数据
SK:
液晶时钟
VSS:
逻辑电源地
VCC:
逻辑电源正
LCD液晶显示连接电路如图5.2所示。
图5.2LCD液晶显示模块与8031的硬件连接原理图
4.3LCD与8255连接电路图
图5.3LCD液晶显示连接图
LCD液晶显示连接图见图5.3。
从图中可以看出,8255的A口与LCD的数据线直接相连,作为输出口,C口只用到了PC3和PC7,分别作为输出和输入口。
这样,CPU就通过8255控制了LCD液晶显示模块。
5字库的建立
画一个16行16列的方格,根据标准汉字字库所提供的汉字点阵字模在方格上分别画出各点阵,是1则置1,是0则置0,构造出汉字的字形,然后按SED1520的汉字字模排列顺序依次读出转化后的字模,这就是我们所用的液晶显示模块所需要调用的汉字字模形式。
按上述方法提取系统中所需要的汉字字模,建立由多个汉字组成的汉字库、多个数字组成的数字库,将这两个字库写入程序中,并存放在单片机的EPROM中,以备点阵式液晶显示器显示调用。
6键盘概述
键盘是一组按键的集合,它是最常用的单片机输入设备。
操作人员可以通过键盘输入数据或命令,实现简单的人-机通信。
按键是一种常开型按扭开关。
平时(常态时),按键的两个触点处于断开状态,按下键时它们才闭合(短路)。
键盘分编码键盘和非编码键盘。
键盘上闭合键的识别由专用的硬件译码器实现,并产生键编号或键值才称为编码键盘,如BCD码键盘、ASCⅡ码键盘等;靠软件识别的称为非编码键盘。
通过键盘,可以将字母、数字、标点符号等输入到计算机中,从而向计算机发出命令,输入中西文字和数据。
6.1键盘工作原理
键盘的功能就是及时发现被按下的键,并将该按钮所对应的代码送入计算机,用于发现有无按键按下。
区分按键位置的是按键扫描电路,产生按键对应代码的是编码电路,将代码送入计算机的是接口电路。
依据按键代码生成的原理,可以把计算机键盘分为编码键盘和非编码键盘。
编码键盘的每一个按键的代码都是由键盘直接产生并送入计算机的。
这种键盘响应速度快,但它以复杂的硬件结构为代价,其复杂性随着按键功能的增加而增加。
而且,按键的代码是固定的,不易修改和扩充。
非编码键盘的代码生成是由键盘和PC机软件共同完成的。
键盘本身使用较为简单的硬件来识别被按下的按键的位置,向PC机提供的是该按键的位置码(中间代码),然后由系统软件把这些中间代码转换成规定的编码。
这种键盘响应速度不如编码键盘快,但它可通过软件为按键重新定义其编码,为扩充键盘功能提供了极大的方便,因而得到广泛的使用。
6.2键盘电路图
本系统使用的是非编码键盘,键盘电路见图5.6。
图5.6键盘电路图
6.3键盘接口电路
扫描码以串行方式传输给系统板上的键盘接口电路,两者通过一个5芯插头座互相连接。
PC机中键盘接口电路主要由单片机8042组成,8042芯片内有2KBROM和128BRAM,还有2个8位的I/O端口。
2KBROM中存放的是键盘管理程序,128BRAM作为数据缓存器使用。
PC机启动后,8024在键盘管理程序的控制下独立于CPU工作。
CPU通过I/O指令随时可以对8042进行读/写操作。
本设计中的键盘是通过8255来控制的,因此,键盘是与8255相连接的。
键盘的RL10~RL17接在8255的PB0~PB7;键盘的KA10~KA12接8255的PC0~PC2。
图5.7键盘与8255连接电路图
8255与键盘连接电路图见图5.7。
由图可知,键盘8255的B口与键盘相连,作为输入,C口用了PC0~PC2作为输出与键盘的KA键相连接,通过8255的B口和部分C口,CPU实现了对键盘的控制。
7.IC卡电子门锁控制系统硬件设计
通过系统的需求分析和可行性研究得出系统所要实现的功能,并得出实现这些功能需要用到以下几个功能模块,包括:
IC卡模块、RS-485模块、存储器模块、8255与LCD液晶显示、键盘模块、电子门锁开启及报警模块。
其中的电子门锁开启及报警模块与一个发光二级管和一个报警笛相连,当系统通知电子门锁开启及报警模块可以将电子门打开时,门锁自动打开,在本设计中用绿灯亮来表示电子门打开;当系统运行三次比较密码程序后,若两个密码仍不相同,则系统就通过电子门锁开启及报警模块通知警笛报警。
其他的功能模块在以下的论文中会做详细的介绍,这些功能模块都是以MCS-51系列单片机中的8031为核心实现的。
7.1外围互连的资源分配示意图
系统总体硬件设计图如图2.1。
图2.1系统总体设计示意图
8.系统程序流程图
8.1汉字显示的处理流程图
汉字处理流程图见图5.4。
图5.4汉字处理流程图
8.2LCD液晶显示流程图
LCD显示实验流程图见图5.5。
N
Y
N
Y
N
Y
图5.5LCD显示实验流程图
图5.8判断有无键按下流程图
9.问题分析及总结
本设计的优点是硬件电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,具有一定的实用价值。
该系统拓展后,可用于其他智能家电的控制,具有好的应用前景。
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