基于51单片机电子密码锁设计.docx

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基于51单片机电子密码锁设计

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ﻫ   Vｔ为t时刻电容上的电压值

则，ﻫ   Vｔ＝V１×［1-exｐ（-ｔ/ＲC）]ﻫ即，ﻫ   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1