家庭防盗系统_论文.doc

摘 要人们生活水平不断提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，给与不法分子以可趁之机，由于电子锁其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的青睐。本系统由单片机系统、矩阵键盘、led显示和报警系统等组成。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，功能较为实用。关键词：单片机，at24c02, 电子密码锁，矩阵键盘目 录摘 要i1 单片机概述11.1单片机的概念11.2单片机的特点31.3单片机发展趋势31.4单片机应用领域42 电路单元模块设计52.1开锁机构52.2按键电路设计62.3显示电路设计82.4密码锁的电源电路设计102.5设计总框图113 程序设计133.1模块介绍133.2程序流程图133.3源程序144 结束语19参考文献20致 谢21ii1 单片机概述1.1单片机的概念单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（microcontroller unit），常用英文字母的缩写mcu表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机与现代微型计算机一样，系统结构均采用冯诺依曼提出的“存储程序”思想，即程序和数据都被存放在内存中，采用二进制代替十进制进行运算和存储程序。人们将计算机要处理的数据和运算方法、步骤，事先按计算机要执行的操作命令和有关原始数据编织成程序（二进制代码），存放在计算机内部的存储器。，计算机在运行时能够自动地，连续地从存储器中取出并执行，不许人工加以干预。通常最基本的单片机由以下几部分组成：图1-1 单片机的典型结构框图(1)中央处理器单片机中的中央处理器cpu和通用微处理器基本相同，由运算器和控制器组成，另外增设了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。(2)存储器单片机的存储空间有两种基本结构。一种是普林斯顿结构（princeton），将程序和数据合用一个存储器空间，即rom和ram的地址同在一个空间里分配不同的地址。cpu访问存储器时，一个地址对应惟一的一个存储单元，可以是rom，也可以是ram，用同类的访问指令。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（harvard）结构。cpu用不同的指令访问不同的存储器空间。由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。目前，包括mcs-51和80c51系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的哈佛结构。 数据存储器（ram）在单片机中，用随机存取的存储器（ram）来存储数据，暂存运行期间的数据、中间结果、缓冲和标志位等，所以称之为数据存储器。一般在单片机内部设置一定容量（64b256b）的ram，并以高速ram的形式集成在单片机内，以加快单片机的运行速度。同时，单片机内还把专用的寄存器和通用的寄存器放在同一片内ram统一编址，以利于运行速度的提高。对于某些应用系统，还可以外部扩展数据存储器。 程序存储器（rom）单片机的应用中常常将开发调试成功后的应用程序存储在程序存储器中，因为不再改变，所以这种存储器都采用只读存储器rom的形式。(3)并行i/o口单片机为了突出控制的功能，提供了数量多、功能强、使用灵活的并行i/o口。使用上不仅可灵活地选择输入或输出，还可作为系统总线或控制信号线，从而为扩展外部存储器和i/o接口提供了方便。(4)串行i/o口高速的8位单片机都可提供全双工串行i/o口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相连接。(5)定时器/计数器在实际的应用中，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因而在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。1.2单片机的特点 (1) 小巧灵活，成本低，易于产品化，有优异的性能价格比 (2) 集成度高，由很高的可靠性，能在恶劣的环境下工作。 (3)控制功能强，特别是集成了功能接口电路，使用更方便，更有效。(4)低功耗，低电压，便于生产便携式产品。单片机所具有的以上显著特点，使它在各个领域都得到广泛应用，从日常的智能化家电产品到专业的智能仪表，从单个的实时测控系统到分布式多机系统以及嵌入式系统。使用单片机已经成为各个行业提高产品性能，降低生产成本，提高生产效率的重要手段。例如交通灯，霓虹灯控制，广场上的计时牌等系统中都用到了单片机控制。1.3单片机发展趋势由于8位机价格便宜，且在速度与功能上逐步与16位机逼近，可以预计，在未来很长时间内，8位单片机仍将是单片机的主流机型。从单片机的发展历程看，未来单片机技术将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、外围电路内装化及片内储存器容量增加的方向发展。(1)低功耗cmos化在许多应用场合，单片机不仅要由很小的体积，而且还需要较低的工作电压和绩效的功耗。现在各个单片机制造商基本都采用了cmos工艺，并设有空闲和掉电两种工作方式。 (2)内部资源丰富，外围电路内装化，整体微型化 近年来，世界各大半导体厂商热衷于开发增强型8位单片机，片内新增了a/d和d/a转换器，监视定时器，dma通道和总线接口等。(3)大容量,高性能单片机片内存储器的容量进一步扩大，存储器种类也从普通的rom或eprom向flash方向发展，具有在线编程功能。cpu字长增加，总线速度提高，硬件功能扩充，指令执行速度加快。对外部存储器，i/o口寻址能力增强，更利于系统的扩展和开发。1.4单片机应用领域由于单片机功能的飞速发展，它的应用范围日益广泛，已远远超出了计算机科学的领域。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从实现数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，到处都离不开单片机。其主要的应用领域如下：(1)在测控系统中的应用单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。例如，工业上的锅炉控制、水闸自动控制、及军事上的雷达、导弹系统等。(2)在智能化仪器仪表中的应用单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化、智能化、多功能化和综合化等方向发展。单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正阿、线性化的处理等难题迎刃而解。(3)在机电一体化中的应用单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化，控制走向智能化，构成新一代的机电一体化产品。这是机械工业发展的方向。(4)在智能接口中的应用计算机系统，特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理，单片机与主机并行工作，可大大提高系统的运行速度。如数字滤波、误差修正、线性化处理等。(5)在人类生活中的应用单片机由于其价格低廉、体积小巧，被广泛应用在人类生活的诸多场合，如洗衣机、空调器、视听音响设备、信用卡、楼宇防盗系统等。单片机将使人类的生活更加方便舒适，丰富多彩。 2 电路单元模块设计本方案采用一种是用以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12所示。开锁控制电路89s51单片机at24c02掉电存储串口显示电路矩阵键盘控制指示电路输入错误锁定键盘延时报警控制电路图12单片机控制方案2.1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。单片机微控制器开锁驱动电路电磁锁密码正确？y返回n图21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22所示。电路驱动和开锁两级组成。由d5、r1、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。图22密码锁开锁机构电路图2.2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23所示。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。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。89s51d0d1d2d3d4d5d6d7d8d9d105.1k x 45.1k x 4vcc图23 行列式键盘原理电路图对照图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图23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。clr01en69f448f337f226f1l1l2l3图24 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、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。2.3显示电路设计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25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1（header1）接电源，插头2（header2）接数据和脉冲输出端。电路中的三个整流管d1d3的作用是降低数码管的工作电压，增加其使用寿命。图25 显示器原理图显示器主显示几个字符，给用户提供指示见图26所示。2-off-图26 a关闭状态1-888-图26 b 开锁状态-图26 c 密码输入及修改状态srerro图26 d 密码输入错误后的提示-k-loc图26 e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2.4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28所示。图28 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，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（视电池容量而定持续时间）。其电路图如下图2-9所示：图29 停电检测及电子开关切换电路t1，t2构成的蓄电池自动充电电路，它在电池充满后自动停止充电，其中d1亮为正在充电，d2为工作指示。由r4，r5，t1构成电压检测电路，蓄电池电压低，则t1，t2导通，实现对其充电；充满后，t1，t2截止，停止充电，同时d1熄灭，电路中c4的作用是滤除干扰信号。其电路图如图210所示：图210 蓄电池自动充电电路 2.5设计总框图矩阵键盘控制89s51单片机输入错误锁定键盘电源电路及ups电路延时报警控制电路at24c02掉电存储开锁控制电路指示电路串口显示电路图211总体设计框图设计总体电路图如2-12所示：图212 总体电路图3 程序设计3.1模块介绍该计程计价系统的软件设计分为以下几个模块：(1)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，其程序流程如下图 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（dis_b）、密码输入及修改状态显示子程序(dis_c)、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). 3.2程序流程图主程序流程图如图31所示。开始初始化有键按下？调用显示启动定时识别按键全部按完？超时？比较密码开门开始自动清除3次？锁定nnyyyynn图31 主程序流程图3.3源程序显示缓冲区led1 equ 6fhbuff equ 6ehtimers1 equ 6dh ;输入回车的次数timers2 equ 6ch ;报警的次数timers equ 6bh ;输入数字的位数led6 equ 6ah密码缓冲区ps1 equ 69hps2 equ 68hps3 equ 67hps4 equ 66hps5 equ 65hps6 equ 64h ;at24c02读取缓冲区at1 equ 63hat2 equ 62hat3 equ 61hat4 equ 60hat5 equ 5fhat6 equ 5eh ;按键标志位f_1 bit 20hf_2 bit 21hf_3 bit 22hf_4 bit 23hbuf_full bit 24h ;密码已经够六位的标志位，为表示满ch_state bit 25h ;系统更改的状态标志位，为表示busyflag1 bit 26h ;功能键标志位，为表示功能按键。f_f1 bit 27hf_f2 bit 28hpsw_f bit 29h ;密码是否正确的标志位 ;口资源定义spk bit p2.1jdq bit p2.3sda bit p2.4 ;定义串口数据端scl bit p2.5 ;发光二极管灯l1 bit p1.0l2 bit p1.1l3 bit p1.2 ;org 0000hajmp mainorg 000bh ;ajmp timer0org 001bh ;ajmp timer1org 0030hmain:mov sp, #70hmov tmod, #11hmov th0, #3chmov tl0, #0b0hmov th1, #3chmov tl1, #0b0hclr f_1 ;清除标志位clr f_2clr f_3clr f_4clr buf_fullclr ch_stateclr flag1clr f_f1clr f_f2clr psw_fmov buff,#00h ;调用lcall initps ;初始化环境lcall initatlcall xsa ;调用默认显示mov timers1,#00hnopmov ps1, #11h ;初始化密码mov ps2, #0ahmov ps3, #02hmov ps4, #13hmov ps5, #0bhmov ps6, #02hstart:nop ;程序开始lcall ch_key ;检查键盘ajmp start ;返回ch_key:lcall ks ;检查有没有按键按下jnz lk1ajmp ch_keylk1:lcall t12msacall ksjnz lk2retlk2:noplcall sbie ;按键识别子程序mov buff, a ;送缓冲区以识别是数字键还是功能键？lcall ch_kf ;判断按键功能。jb flag1 ,key_fun ;标志为，则为功能键按键的功能描述en:nopjb buf_full, goonajmp exitgoon:clr buf_fulljb f_f2, at_wron ;f2按键标志,若为，则调用修改密码子程序。lca