2022年课程设计方案格式参考单片机课程设计方案电子密码锁报告 .pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用课程设计说明书题目： _电子密码锁设计专业：机械工程及自动化班级：学号：指导教师：职称：完成日期：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用摘要本系统由单片机系统、矩阵键盘、LED显示和报警系统组成。系统能完成开锁、超时报警、超次锁定、管理员解密、修改用户密码基本的密码锁的功能。除上述基本的密码锁功能外，还具有调电存储、声光提示等功能，依据实际的情况还可以添加遥控功能。本系统成本低廉，功能实用。关键词： AT89S51 ，AT24C02, 电子密码锁，矩阵键盘一、设计概述设计

2、任务根据设定好的密码，采用按键实现位密码的输入功能，当用户输入的密码正确而且是在规定的时间 普通用户要求在 12s 内输入正确的密码，管理员要求在5s输入正确的密码）当，锁就打开，如果输入的三次的密码不正确，就发出报警声。如果用户输入密码的时间超过 40 秒，电路将报警 80 秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘5 分钟，防止他人的非法操作。电路原理图P0 .732P0 .633P0 .534P0 .435P0 .336P0 .237P0 .138P0 .039VC C40P2 .021P2 .122P2 .223P2 .324P2 .425P2 .526P2 .627P2 .728AL E

3、/PROG30PSEN29EA /VPP31P1 .01P1 .12P1 .23P1 .34P1 .45P1 .5/MOSI6P1 .6/MISO7P1 .7/SC K8RE ST9P3 .0/RXD10P3 .1/TXD11P3 .2/INT012P3 .3/INT113P3 .4/T014P3 .5/T115P3 .6/WR16P3 .7/RD17XT AL218XT AL119GN D20U1AT 89S 51C122uFR11KCRY6M HzC233 PFC333PFSPEAKDL QI1RESETRESETGN DS5EA /VPAL E/PPSENGN DC51000uF/25V

4、C40.1 uFVC CGN D123EA /VPNC1NC2NC3GN D4SD A5SC L6WP7VC C8U4AT 24C 02ASCLGN DSD A12VC CDA TASCLWR1234R/T /LE DSD AVC CDATAWRGN DVC CVC CVC CVC CGN D电源 接口数码 管接 口存储 器选 择接 口DL QI2DSR720 0复位 电路MC U模块CSEA /VP串行 存储模块R85.1 kR105.1 k矩阵键盘电源 电路及其UPS电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 21 页个人资

5、料整理仅限学习使用设计本课题时构思了两种方案：一种是用以AT89s51为核心的单片机控制方案；另一种是用以 74LS112双 JK触发器构成的数字逻辑电路控制方案。考虑到数字电路方案原理过于简单，而且不能满足现在的安全需求，所以本文采用前一种方案。二、方案论证与比较方案一：采用数字电路控制。其原理方框图如图11 所示。图 21 数字密码锁电路方案采用数字密码锁电路的好处就是设计简单。用以74LS112双 JK触发器构成的数字逻辑电路作为密码锁的核心控制，共设了9 个用户输入键，其中只有4 个是有效的密码按键，其它的都是干扰按键，若按下干扰键，键盘输入电路自动清零，原先输入的密码无效，需要重新输

6、入；如果用户输入密码的时间超过40 秒 ，其中设置 UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。密码锁电路包含：键盘输入、密码修改、密码检测、开锁电路、执行电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。方案二：采用一种是用以AT89S51为核心的单片机控制方案。利用单片机灵活的编程设计和丰富的 IO 端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加调电存储、声光提示甚至添加遥控控制功能。其原理如图所示。89S51 单片机矩阵键盘控制输入错误锁定键盘延时报警控制电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共

7、21 页个人资料整理仅限学习使用通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大的程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级，所以我们采用后一种方案。三、电路的功能单元设计1开锁机构通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。其原理如图 21 所示。图 31 密码锁开锁机构示意图当用户输入的密码正确而且是在规定的时间普通用户要求在 12s 内输入正确的密码，管理员要求在5s 输入正确的密码）输入的话，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。其实际电路如图32 所示。电路驱动和开锁两级组成。由D5、R

8、1、T10组成驱动电路，其中T10可以选择普通的小功率三极管如9014、9018 都可以满足要求。 D5 作为开锁的提示；由D6、C24、T11组成。其中 D6、C24是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。T11可选用中功率的三极管如8050，电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且由一定的余量。在本次设计中，基于节省材料的原则，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。单片机微控制器开锁驱动电路电磁锁密码正确？Y 返回N 开锁控制电路AT24C02掉电存储串口显示电路指示电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -

9、- - - - - -第 4 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用T10T11D5GNDR13.3K电磁锁C2 4VCC来自微控制器信号D6图 32 密码锁开锁机构电路图2按键电路设计由于设计要求使用矩阵键盘，所以本设计就采用行列式键盘，同时也能减少键盘与单片机接口时所占用的I/O 线的数目，在按键比较多的时候，通常采用这样方法。其原理如图 33 所示。图 33 行列式键盘原理电路图每一条水平 行线）与垂直线 列线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通，利用这种行列式矩阵结构只需要N 条行线和 M 条列线，即可组成具有NM 个按键的键盘。在这种行列式矩阵键盘非键盘编码的单片机系统中，键盘

10、处理程序首先执行等待按键并确认有无按键按下的程序段。89s51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 5.1K X 4 5.1K X 4 VCC 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用当确认有按键按下后，下一步就要识别哪一个按键按下。对键的识别通常有两种方法：一种是常用的逐行扫描查询法；另一种是速度较快的线反转法。对照图 23 所示的 44 键盘，说明线反转个工作原理。首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O 口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行

11、线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器 A 中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为 1。判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。按键的操作面板如图所示。共计数字键10 个，功能键 6 个。键盘上还有 3 个指示灯和一个蜂鸣器。图 34 按键操作面板示意图10 个数字键用来输入密码，另外6 个功能键分别是： CLR 、EN、F1、F2、F3

12、、F4。其中 CLR键的功能是当输入密码错误的时候，清除前面已经输入的数据，重新输入。EN键的功能是确认输入的密码。F1是管理模式切换键，当用户不小心三次输入密码都没有正确，键盘被锁定，这个时候就可以启动管理模式，使用管理员的密码来开门。F2是用来进入修改密码的状态。 F3用来关闭显示器，一来可以节省电量，另外也可以防止不法分子偷窥密码。 F4用来作电铃。上面的 3 个指示灯 L1、L2、L3是用来指示操作的状态：L1锁定及输入指示状态灯，正常的情况下显示红色，当键盘动作的时候，L1灯开始闪动，当键盘处于锁定状态时，指示灯也显示红色。 L2开门指示灯，当用户在规定的时间内正确的输入了密码，此灯

13、转变为绿色，表示开门，否则不显示。L3是管理员状态指示灯，当按下F1后，指示灯自动点亮。面板上还有一个蜂鸣器，其中一个功能是用来指示操作的按键是否在成功的按下；另外一个功能是当用户输入密码错误的次数超过了3 次，鸣笛以示报警。3显示电路设计CLR 0 1 EN 6 9 F4 4 8 F3 3 7 F2 2 6 F1 L1 L2 L3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用本系统设计的显示电路是为了给使用者以提示而设置的。考虑到为了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

14、两个串行口，就可以完成单片机的显示功能，显示电路的电路原理图如图35 所示。电路设定：当程序检测在5 分钟内没有按键操作的时候，就关闭显示。这个功能使用程序来实现的，一旦没有按键动作就启动一个定时器，检测在5 分钟内没有按键动作的时候，启动一个程序，关闭显示，这样可以达到节省电能的目的。从单片机串口输出的信号先送到左边的移位寄存器74HC164 ）,由于移位脉冲的作用，使数据向右移，达到显示的目的。移位寄存器74HC164还兼作数码管的驱动，插头1header1）接电源，插头 2 ，芯片内的资料可以在断电的情况下保存 40 年以上，而且采用8 脚的 DIP封装，使用方便。其电路如图所示。NC1

15、NC2NC3GND4SDA5SCL6WP7VCC8U4AT2 4C02AGNDVCC串行存储模块R85.1kR105.1k接P2.5接P2.6图 37 掉电存储电路原理图8 8 8 - - 1 - - - - - - E R R O R S - L O C K - 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用图中 R8、R10是上拉电阻，其作用是减少AT24C02的静态功耗，由于AT24C02的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，所以只用两根线SCL 移位脉冲）和SDA 数据/地址）与单片

16、机传送数据。每当设定一次单价，系统就自动调用存储程序，将单价信息保存在芯片内；当系统重新上电的时候，自动调用读存储器程序，将存储器内的单价等信息，读到缓存单元中，供主程序使用。5密码锁的电源电路设计为了防止停电情况的发生，本电路后备了UPS电源，它包括市电供电电路，停电检测电路，电子开关切换电路，蓄电池充电电路和蓄电池组成。电源电路图如图38所示。12JP112JP2D1D2D3D4D5R11KC13300C20.1C3330012 37805图 38 市电供电电路220V市电通过变压器降压成12V 的交流电 ,再经过整流桥整流 ,7805 稳压到 5V 送往电子切换电路，由于本电路功耗较少，

17、所以选用10W 的小型变压器。由 R8，R9，R6，R7及 IC14构成电压比较器，正常情况下，V+V- IC14输出高电平，由 T3，T4构成的达林顿管使继电器J开启，将其常开触电将蓄电池和电路相连，实现市电和蓄电池供电的切换，保证电子密码锁的正常工作主程序模块主程序主要完成初始化、设置中断向量、检查有无按键按下、以及调用显示等等。主程序的流程图如下所示。(2键盘扫描及识别子程序键盘采用查询的方式，放在主程序中，当没有按键按下的时候，单片机循环主程序，一旦有按键按下，便转向相应的子程序处理，处理结束再返回。其程序流程如图所示.(3调电存储服务程序当比较密码的时候，需要读AT24C02程序，将

18、存储在芯片内的数据读到RAM中，然后和输入的密码相比较。当修改密码的时候，需要把输入的密码保存到AT24C02中，其程序流程如图所示 .(4显示子程序由于是分屏显示数据，所以就要用到5 个显示子程序，分别是：关闭状态显示子程序DIS_A ）、开锁状态显示子程序 、密码输入错误后的提示子程序(DIS_D 。密码在规定的时间内输入错误次数超过3 次后的锁定状态显示子程序 (DIS_E .2. 程序流程图1）主程序流程图如图31 所示。开锁控制电路AT24C02掉电存储串口显示电路指示电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 21

19、 页个人资料整理仅限学习使用图 3-11 密码锁中断服务程序流程图）单片机资源的分配与变量的定义：密码的输入与判断需要定义4 个变量。原始密码存储在数组init_val6 中。键盘输入的密码存储在数据show_val6中，变量 key_index的值表示当前按键是六位密码中的哪一位，每输入一个密码数字该变量增一。密码输入错误的次数暂存在变量error_num 中。计时功能需要 5 个变量。模式变量cnt_state 存储计时属于什么状态，0 表示待机计时，1 表示密码正确的计时， 2 表示密码错误 3 次的计时。三个变量cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s ）分

20、别实现待机、密码正确和密码错误3 次后的计时工作。定时器 T1 每 250ms产生一次中断，变量T1_cnt 记录定时器溢出中断的次数，当记录到 4000 时表示计时 1 秒。3 次？锁定N N Y Y Y Y N N 按下 F2 启动定时输入密码存入缓冲再输入一次比较密码调用 24C02 调用显示按 F2 退出Y 重新输入N 图 41 主程序流程图图 42 修改密码流程图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台的下载线接口上，运行 “M

21、CU 下载程序 ” ，选择相应的 flash 数据文件，点击 “ 编程” 按钮，将程序文件下载到单片机的 Flash中。然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试卷的内容。/延时 while(-i。 /- 清除输入内容 - void init_variant( unsigned char i 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用for(i=0。i show_vali=10。 /led_seg_code10=0 x00 表示数码管不显示任何内容key_

22、index=0。 /没有任何输入或清除所有输入时，保存当前键的位置 /- 按键扫描 - unsigned char scan_key( unsigned char i,k 。 i=P1 。 if (i=0 xff & cnt_state!=2 k=255。 /无键按下 else / 有键按下 delay(500 。 / 延时去抖动 if(i!=P1 k=255 。 else TR1=1 。 /有键按下则开定时器，启动待机计时 cnt_val_5s=0 。 switch (i case 0 xfe: k=0 。 break。 case 0 xfd: k=1 。 break。 case 0 xfb

23、: k=2 。 break。 case 0 xf7: k=3 。 break。 case 0 xef: k=4 。 break。 case 0 xdf: k=5 。 break。 case 0 xbf: k=6 。 break。 case 0 x7f: k=7 。 break。 return k。 /- 数码管显示 - void led_show( P0=led_seg_codeshow_val0 。P2=0 xdf。delay(500。P0=led_seg_codeshow_val1 。P2=0 xef。delay(500。P0=led_seg_codeshow_val2 。P2=0 xf7

24、。delay(500。P0=led_seg_codeshow_val3 。P2=0 xfb。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用delay(500。P0=led_seg_codeshow_val4 。P2=0 xfd。delay(500。P0=led_seg_codeshow_val5 。P2=0 xfe。delay(500。 /- 定时器 T1中断服务程序 - void timer1( interrupt 3 /T1 中断 T1_cnt+。if(T1_cnt3999 /如果计数 3999,

25、 计时 1s T1_cnt=0。 switch (cnt_state case 0: / 待机，需要计时5s if(cnt_val_5s cnt_val_5s+ 。 else cnt_val_5s=0 。 init_variant( 。/ 待机计时到 5 秒时，清除输入的内容 TR1=0。 /停止计时 break 。 case 1:/密码输入正确，需要计时4s if(cnt_val_4s cnt_val_4s+ 。 else cnt_val_4s=0 。 init_variant( 。/ 密码输入正确，计时到4 秒时，清除输入的内容 open_lock=1 。 /已开锁信号清零 relay_o

26、pen=1 。 / 开锁信号清零 cnt_state=0 。 TR1=0。 /停止计时 break 。 case 2: /密码输入错误 3 次，计时 15s if(cnt_val_15s cnt_val_15s+ 。 else cnt_val_15s=0 。 init_variant( 。/ 三次密码错误时，计时15 秒，清除输入的内容 open_lock=1 。 / 清除所有指示和报警 relay_open=1 。 alarm_out=1 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用 pw_er

27、ror=1 。 cnt_state=0 。 TR1=0。 /停止计时 break 。 /- 判断键盘输入内容与密码是否一致- unsigned char check_input_pw( unsigned char i,k 。k=1。for(i=0。i k=k & (show_vali=init_vali。 return k。 /- 主程序- main( / 初始化各变量audio_out=1。P3=0 xff。cnt_val_15s=0 。cnt_val_5s=0。cnt_val_4s=0。cnt_state=0。/0- 待机计时 5s 状态。 1-密码正确，计时 4s 状态 。2-三次密码错

28、误，处于计时15 秒状态。T1_cnt=0。error_num=0。key_val_old=255。init_variant(。/ 初始化 51 的寄存器TMOD=0 x20 。 / 用 T1计时 8 位自动装载定时模式TH1=0 x19 。 /500 微秒溢出一次。 250=(256-x*12/11.0592 - x=19TL1=0 x19 。EA=1 。 /开中断ET1=1 。TR1=0 。 /开定时器 T1 while(1 key_val=scan_key( 。 / 按键输入，有键按下key_val为 0-7，无键按下 key_val 为255。 if (key_val!=key_val

29、_old key_val_old=key_val 。 if (key_val!=255& cnt_state!=2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用 audio_out=0 。 delay(100 。 /延时去抖动 audio_out=1 。 switch (key_val case 0: case 1: case 2: case 3: case 4: case 5: if(key_index / 密码为 6 位，超过 6 位视为输入无效 show_valkey_index=key_va

30、l 。 key_index+ 。 break 。 case 6: / 确认键 if(check_input_pw( / 密码正确 error_num=0 。 / 密码输入错误次数清零 /- pw_error=1 。 /密码错误指示灯灭 relay_open=0 。 / 开锁驱动信号灯亮 open_lock=0 。 / 已开锁信号灯亮 /- delay(50000 。 / 两声短 “ 滴” 声 audio_out=0 。 delay(50000 。 audio_out=1 。 delay(50000 。 audio_out=0 。 delay(50000 。 audio_out=1 。 /- c

31、nt_state=1 。 / 下一状态处于 4 秒计时的状态 TR0=1。 /启动定时 else if (error_num error_num+ 。 / 输入错误次数小于3 次时，没错一次 error_num 增一 pw_error=0 。 / 密码错误指示灯亮 /- delay(20000。/ 一声长 “ 滴” 声，提示错误 audio_out=0 。 delay(60000。 audio_out=1 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用 /- init_variant( 。/ 清除所

32、有输入，等待下一次输入 else / 输入错误次数超过3 次 alarm_out=0 。 / 报警灯亮 pw_error=0 。 / 密码错误指示灯亮 error_num=0 。 / 密码输入错误次数清零 /- audio_out=0 。 / 长鸣声报警 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 delay(60000。 audio_out=1 。 /- TR1=1。 /打开定时器计时 cnt_state=2 。 / 下一状态处于

33、 15 秒计时的状态 break 。 case 7:/ 取消键 init_variant( 。 break 。 led_show(。 /- 程序结束仿真图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用五、总结一、对单片机电路的理论有了初步的、系统的了解。我了解到了单片机系统电路设计、软件系统编程的技巧。这些知识不仅在课堂上有效，对以后的专业技术课的学习有很大的指导

34、意义，而且在日常生活中更是有着现实意义。二、对自己的动手能力是个很大的锻炼。实践出真知，纵观古今，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。没有足够的动手能力，就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。在设计和制作中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。最后，感谢在实现设计过程中所有帮助过我的老师和同学。特别感谢为辅导我们这次课程设计，一直辛苦工作的樊晓红老师。六、参考资料1李光飞，李良儿，楼然苗单片机程序设计实例指导北京：北京航空航天大学出版社 2005.53-61精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 21 页个人资料整理仅限学习使用2朱定华单片机原理及接口技术实验北京：清华大学出版社北方交通大学出版社 2002.01 3张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51 单片机应用设计 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1997.53-61.4蔡明文，冯先成单片机课程设计武汉：华中科技及大学出版社2007.03 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 21 页