毕业设计（论文）-电子密码系统的设计.doc

西南科技大学网络教育西南科技大学网络教育 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题目名称：目名称： 电电子密子密码码系系统统的的设计设计 年年 级级： ： 层层次：次： 本科本科 专专科科 学生学号：学生学号： 指指导导教教师师： ： 学生姓名：学生姓名： 技技术职术职称：称： 讲师讲师 学生学生专业专业： ： 学学习习中心名称：中心名称： 重重庆庆学学习习中心中心 西南科技大学网西南科技大学网络络教育学院制教育学院制 毕业设计（论文） 任 务 书 题目名称 电子密码系统的设计 题目性质 真实题目 虚拟题目 学生学号 指导教师 学生姓名 专业名称 技术职称 学生层次 学习中心名称 重庆学习中心 2010 年 5 月 26 日 毕业设计（论文）内容与要求： 1.本课题是电子密码系统的设计 ，根据我国实际国情，为适应电子密码锁向自 动化发展的要求而设计出的合理，经济，实用的电子密码系统。 2.该电子密码系统的设利用避开了以前密码系统存在的多种不足之处。保证了密码 系统工作的稳定并大大节省了制造成本。 3.本设计是用单片机控制，增加错误输入密码报警功能。密码视个人而定，应能保 证密码的正确输入、修改和复位，这样可代替原设计中的固定密码，又能在防盗方面 做出了相应的改进。 4.本设计从电子密码系统的性能进行全面的比较，并从实践中得到证明，同时为开 发新一代的电子密码锁理清了思路。 毕业设计领导小组负责人： （签字） 2010 年 月 日 毕业设计（论文） 成绩考核表 总成绩 过程评分评阅成绩答辩成绩 百分制等级制 1、指导教师评语 建议成绩 指导教师签字： 2010 年 月 日 2、论文评阅教师评语 建议成绩 评阅教师签字： 2010 年 月 日 3、毕业答辩专家组评语 建议成绩 答辩组长签字： 年 月 日 4、毕业设计领导小组推优评语 组长签字： 年 月 日 摘 要 随着科技和人们的生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突 出，传统机械锁由于构造简单，被撬事件屡见不鲜；电子锁由于其保密性高，使用灵 活性好，安全系数高，受到了广大用户的青睐。 本设计由单片机系统，矩形键盘，led 显示和报警系统组成，重点是在密码锁的 电子线路部分，主要是为了实现密码锁常用的功能以及对外围器件接口的设置。突出 密码锁与机械锁的对比优势，实现出错报警锁定功能。系统能完成开锁，超时报警， 操作错误报警，输入状态显示的功能。除上述基本的密码锁功能外，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。 关键词关键词 at89c51 电子密码锁 led 显示 abstract along with science and technology and raise the level of peoples life, and how to realize the family security this problem has become particularly prominent, the traditional mechanical lock because of simple structure, common broken, electronic locks, use because of its high flexibility good secrecy, high safety coefficient by the majority of customers. this design by single-chip microcomputer system, rectangle, led display and keyboard, the key is the alarm system composed of electronic circuit in locks, main part is to realize the function of commonly used locks and peripheral device interface. outstanding locks and mechanical lock comparison superiority, realize error alarm lock function. system can accomplish the lock, overtime, operating error alarm, alarm input status display function. besides the fundamental locks function, according to the actual circumstance also can add function of remote control. this system cost, function and practical. key words at89c51 electronic locks led display 目 录 第一章 绪论.1 1.1 课题背景 1 1.2 课题来源 2 1.3 方案设计 2 第二章 单片机的结构.3 2.1 at89c51 单片机的简介.3 2.2 单片机的构成 3 2.3 控制器 4 2.4 存储器的结构 4 2.5 并行 i/o 口 5 2.6 时钟电路与时序 6 2.7 at89c51 单片机的引脚说明.6 2.8 at89c51 单片机逻辑图和引脚图.6 第三章 硬件设计.9 3.1 单片机控制方案 9 3.2 开锁机构 9 3.3 基本复位功能 .10 3.4 震荡电路 .11 3.5 矩阵式键盘接口 .12 3.6 扬声器部分设计 .13 第四章 程序设计16 第五章 调试仿真18 5.1 keil调试 .18 5.2 proteus仿真 .18 结 论.20 致 谢.21 参考文献.22 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 单片机自 1976 年由 intel 公司推出 mcs48 开始，迄今已有二十多年了。由于单 片机集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等一系列 优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为” 。单 片机的应用领域已从面向工业控制，通讯，交通，智能仪表等迅速发展到家用消费产 品，办公自动化，汽车电子，pc 机外围一记网络通讯等广大领域。 单片机有两种基本形式：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器 和数据存储器合用一个 的结构，称为普林斯顿结构。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，一般需要较大的存储器，目前的单片机以采用程序 存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 本文谈论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的 51 系列单片机，配 置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强 等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。 20 世纪 80 年代中期以后，inter 公司以专利转让的形式把 8051 内核技术转让给许 多半导体芯片生产厂家，如 atmel，philips，analog，devices，dallas 等。 这些厂家生产的芯片是 mcs-51 系列的兼容产品，准确的说是与 mcs-51 指令系统兼 容的单片机。这些兼容机与 8051 的系统结构相同，采用 cmos 工艺，因而，常用 80c51 系列来称呼所有具有 8051 指令系统的单片机，它们对 8051 单片机一般都做了 一些扩充，更具有特点，其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为 mcs-51 系列单片机，因为 mcs 只是 intel 公司专用的单片机系列型号。mcs-51 系列以及 80c51 单片机有多种品种。它们的引脚和指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些 区别。目前使用的 mcs-51 系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型，增 强型，低功耗性，专用型，超 8 位型，片内闪烁存储器型。 2 1.2 课题来源 随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变得尤其突出，传统的 机械锁由于去构造的简单，机械锁在使用中暴露了很多缺点，被撬的事件屡见不鲜。 机械锁存在的问题有： 1）容易被技术开启； 2）结构复杂，故障率极高； 3）换锁的烦恼； 4）互开率高； 5）易被破坏； 6）带钥匙的烦恼； 7）钥匙开门的烦恼：开门前总要花一定时间在许多钥匙之间挑选。 针对机械锁的缺点电子锁的设计就显得非常重要，电子锁由于其保密性高，使用 灵活性好，安全系数高，受到广大用户的亲睐。 1.3 方案设计 本设计是以 at89c51 为核心的单片机控制方案，采用的是 8 位密码管组成的显示 电路作为提示信息，密码为“987654” 。初始化时，显示“zj” ，接着输入密码，当密 码输入完后，按下“enter” ，当密码正确时，在数码管上显示“right”的信息，当 密码错误时，在密码管上显示“error”的信息。若密码输入错误时，可以利用键盘 上的“del”键删除刚才输入的错误数字。该设计有能按设计的密码开锁；输入状态 显示；密码错误报警；复位功能；键盘扫描电路；驱动电路和密码的显示功能。 3 第二章 单片机的结构 2.1 at89c51 单片机的简介 at89c51 单片机是一种低功耗，高性能的片内含有 4kb 的 rom。fper 芯片上 的 rom 允许在线编程或非遗失存储编辑器对编辑器重复编程。 at89c51 单片机带有 2k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，其内部的 可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制 造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 单片机是一种高效微控制 器，也为嵌入式控制系统提供了一种灵活高且价廉的方案，这就显示出了 at89c51 单 片机的优越性。 2.2 单片机的构成 at89c51 单片机是在一块芯片中集成了 cpc、ram、rom、定时器/计数器和多 种功能的 i/o 线等一台计算机所需要的基本功能部件，at89c51 单片机内包含了下列 几个部件： 1）一个 8 位 cpu； 2）一个片内振荡器及时钟电路； 3）4k 字节 rom 程序存储器； 4）128 字节 ram 数据存储器； 5）两个 16 位定时器/计数器； 6）可寻址 64k 外部数据存储器和 64k 外部程序存储器空间的控制电路； 7）32 条可编程的 i/o 线（四个 8 位并行 i/o 端口） ； 8）一个可编程全双工串行口； 9）具有五个中断源、两个优先级嵌套终端结构。 其内部机构框图如图 2.1 所示： 4 图 2.1 mcs-51 单片机内部机构框图 2.3 控制器 控制器（cpu）是单片机的指挥控制部件，控制器的主要任务是识别指并根据指 令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分能自动而协调的工作。 单片机执行指令是在控制器的控制下进行的。首先从程序存储器中读出指令，送 指令寄存器保存，然后送至指令译码，译码结果送定时控制逻辑电路，有定时控制逻 辑产生各种定时信号和控制信号，再送到单片机的各个部件去进行相应的操作。这就 是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程 。控制器主要包括程序计 数器、程序地址寄存器、指令寄存器 ir、指令译码器、条件转移逻辑电路及时序控制 逻辑电路。 2.4 存储器的结构 单片机在存储器的设计上，其共同特点是将程序存储器与数据存储器分开，它们 有各自的寻址方式。at89c51 单片机内具有数据存储器，同时还具有强大的外部存储 器扩展能力，存储其实单片机系统中的重要组成部分。在一片芯片内除了许多基本的 记忆单元构成的存储矩阵外，还包括译码驱动电路，读写电路等。图 2.2 为半导体存储 器芯片的基本结构框图。 5 图 2.2 半导体存储器芯片的基本结构框图 mcs-51 单片机存储器采用的结构，即程序存储器空间和数据存储器空间截然分 开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式，寻址空间和控制系统。 这种结构对于单片机面向控制的实际应用极为方便，有利。在 8051/8751 弹片击中， 不仅在片内集成了一定容量的程序存储器和数据存储器级众多的特殊功能寄存器，而 且还具有极强的外存储器的扩展能力，寻址能力分别可达 64kb，寻址和操作简单方便。 mcs-51 的存储器空间可划为如下几类：程序存储器；内部数据存储器；特殊功能寄存 器（sfr-special function register） 。 2.5 并行 i/o 口 mcs-51 单片机共有 4 个双向的 8 位并行 i/o 端口（port） ，分别记作 p0-p3，共有 32 根口线，各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。实际上 p0- p3 已被归入特殊功能寄存器之列。这四个口除了按字节寻址以外，还可以按位寻址。 由于它们在结构上有一些差异，故各口的性质和功能有一些差异。 p0 口是双向 8 位三态 i/o 口，此口为地址总线（低 8 位）及数据总线分时复用口， 可驱动 8 个 ls 型 ttl 负载。pi 口是 8 位准向 i/o 口，可驱动 4 个 ls 型负载。p2 口 是 8 位准向 i/o 口，与地址总线（高 8 位）复用，可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。p3 口 是 8 位准双向 i/o 口，是双功能复用口，可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。p1 口、p2 口、 p3 口各 i/o 口线片内均有固定的上拉电阻，当这 3 个准双向 i/o 口做输入口使用时， 要向该口先写“1” ，另外准双向 i/o 口无高阻的“浮空”状态，故称为双向三态 i/o 口。 6 2.6 时钟电路与时序 时钟电路用于产生 mcs-51 单片机工作时所必须的时钟信号。mcs-51 单片机本身 就是一种复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，mcs-51 单片机应在唯一 的时钟信号控制下，严格的按时序执行进行工作。 2.7 at89c51 单片机的引脚说明 at89c51 单片机采用 40 条引脚双向直插式器件，引脚除 5v(vcc40 脚)和电源地 （vss20 脚）外，其功能分为时钟电路、控制信号、输入、输出三部分，逻辑图及引脚 图如图 2.3 所示： 图 2.3 at89c51 单片机的引脚 2.8 at89c51 单片机逻辑图和引脚图 vcc：供电电源 1 gnd：接地 2 时钟电路 3 控制信号： 4 7 芯片内部进行初始化复位，p0 口-p3 口输出高电平，将初始值 07h 写入堆栈指针。 ale（30 脚）地址锁存信号：当访问外部存储器时，p0 口输出的 8 位地址由 ale 输出控制信号锁存到片外地址存储器，p0 口输出地址低 8 位后，又能与片外存储器之 间传送信号。psen 片外程序存储器读选通：psen 低电平有效，psen 作为程序存储 器的读信号，输出负脉信号，psen 可驱动 8 个 ttl 门。 ea/vpp（30 脚）：当 ea 为高电平且 pc 值小于 offfh 时，cpu 执行内部程序存 储器程序：当 ea 为低电平时，cpu 仅执行外部程序存储器程序。 i/o 接口： 5 p0 口（p0.0-p0.7，39-32 脚）三态双向口：p0 口结构包括一个输出储存器、两个 三态缓冲器、一个输出驱动电路和一个输出控制端。p0 口做地址线/数据复用总线使用。 若从 p0 口输出地址数据信息，此时控制端为低平，若从 p0 口输入数据指令时，引脚 信号应从输入三态缓冲器进入地址总线，它可驱动 8 个 ttl 门。p0-p3 口上的“读-修 改-写”功能，其操作是将字节的全部 8 位数读入，再通过指令修改某些位，然后将新 的数据写入到所存储器中。 p1 口（p1.1-p1.7，1-8 脚）准双向口：p1 口做通用 i/o 接口使用，p1 口的每一位 口线能独立的作用与输入线，p1 口可驱动 4 个 ttl 门。 p2 口（p2.0-p2.7，21-28 脚）通用 i/o 接口：它是一个准双向口，此时转换开关 mux 导向左边，输出极与锁存器相连，引脚可作为用户 i/o 口线使用。 p3 口（p3.0-p3.7， ）双功能口：p3 口做通用 i/o 接口使用，输出功能控制线为高 电平，与非门的输出取决于锁存器的状态，此时锁存器的 q 端的状态与其引脚状态是 一致的。 p3 口作为 at89c51 的一些特殊功能口使用如： p3.0rxd(串行输入口) p3.1txd（串行输出口） p3.2/into（外部中断 0） p3.3/inti（外部中断 1） p3.4/to（计时器 0 外部输入） p3.5ti(计时器 1 外部输入) p3.6/wr（外部数据存储器写选通） 。 8 第三章 硬件设计 3.1 单片机控制方案 本系统采用的是 8 位数码管组成的显示电路作为提示信息，默认密码为“987654” 。 初始上电时，显示“zj” ，接着输入最大的 6 位数的密码，密码输入完，按“enter” ， 进行密码比较，密码正确时显示“right” ，错误输出“error” 。每输入一位密码显 示器显示“8” 。从右向左依次显示。输入超过 6 位时，给出报警。输入过程中可以利 用“del”键删除错误数字。 利用单片机灵活的编程设计和丰富的 t/o 端口，不但能实现基本的密码锁定功能， 换能添加调电储存、声光提示，甚至添加遥控控制功能。其原理功能如图 3.1 所示： 图 3.1 单片机控制方案 3.2 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 3.2 所示： 9 ， 图 3.2 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时间内输入完后的话，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，达到开门目的。如果密码错误，或者未按 规定的时间内输入，那么单片机便输出不开门信号，送到错误驱动电路，同时报警器 将报警。 电源部分的设计如图 3.3 所示： 图 3.3 电源设计 3.3 基本复位功能 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至电源稳定后，撤销复位 信号。为可靠期间，电源稳定后换要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关 或电源擦头分合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路如图 3.4 所示： 10 图 3.4 复位电路 3.4 震荡电路 震荡电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机 内部已集成了振荡器，使用振荡器。按 1819 脚。只要买来晶振，电容，连上就可以 了，按图接上即可。xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大 器可以 配置为片内振荡器。晶振电路如图 3.5 所示： 11 图 3.5 晶振电路 3.5 矩阵式键盘接口 矩阵式键盘（也称行列式键盘）适用于按键数目较多的场合，它由航线和列线组 成，按键位与行列的焦点上。一个 3*3 的行列结构可以构成一个有 9 个按键的键盘。 同理，一个 4*4 的行列结构可以构成一个 16 键的键盘，很显然，在按键数量较多的场 合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的 i/o 口线。按键设置在行列线交点 上，行列线分别接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5v 上。平时无按键按下 时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的该 列线电平为高电平。这是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行 列线为多键公用，个按键均影响该键所在的行列的电平。因此各按键彼此将相互发生 影响，所以必须将行列信号配合起来再作适当的处理，才能确定闭合健的位置。矩阵 键盘电路如图 3.6 所示： 图 3.6 显示电路 在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用 led 数码 管是一种较好的选择。led 数码管显示清楚、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简 12 单易行。led 数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件，其中七只发光 二极管分别对应 a-g 笔端构成“日”字形，另一只发光二极管 dp 作为小数点。因此这 种 led 显示器称为七段数码管或八段数码管。 在本次设计中， 7seg-mpx4-ca led 数码管（如图 3.7 所示）和 led 显示电路 采用 74ls245 驱动器（如图 3.8 所示） 。 图 3.7 数码管显示 图 3.8 74ls245 驱动器 13 3.6 扬声器部分设计 在本次设计中，密码多次输入错误时，电路会进行报警提示，设计的电路由扬声 器和三极管、电阻等组成。电路如图 3.9 所示： 图 3.9 扬声器电路 整体电路如图 3.10a、3.10b、3.10c 所示： 14 图 3.10a 整体电路图 图 3.10b 整体电路图（续上） 3.10c 整体电路图（续上） 15 第四章 程序设计 1.主程序模块 主程序主要完成初始化、设置中段向量、检查有无按键按下、以及调用显示等。 主程序图如图所示。 2.键盘采用查询方式，放在主程序中，当没有按键按下时，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。主程序如图 4.1 所示： 图 4.1 键盘扫描程序图 3.程序流程图如图 4.2 所示： 16 图 4.2 程序流程图 17 第五章 调试仿真 5.1 keil 调试 1)在 wendows 下运行 keil uvisiion2 软件，进入 keil uvisiion2 开发环境。 2)在 keil uvisiion2 选择 projct/new prejct，建一个新的工程那个项目。 3)给工程项目取名 lock，然后保存。 4)紧接着自动化弹出期间选择窗，选择 atml 公司的 at89c51，并在弹出窗口中选 择否。 5)在 keil uvisiion2 中选择 file/new，打开程序编辑器。 6)输入程序，检查无误后保存文件（扩展名.asm 或扩展名.c）在工程项目相同的目 录中。 7)在 preject wokspace 窗口中，选择 source groupl 条目并单击右键，在弹出的菜单 再选择 add files to goupsource goup 1。 8)加入刚才保存的混编程序源文件 led88.asm，注意，按一次 add 即可，选完后单 击 close 退出。 9)在 preject wokspace 窗口中，选择 target 1 条目并单击右键，在弹出的菜单中选 择 option for target target 1，准备为 target 1 配置编译环境。 10）选择配置好后.在 keil uvisiion2 中选择 project/build target 编译工程项目。 11)编译结果显示在 output windows 中，若有错，可双击错误提示行，然后定位到 源程序侦破修改；若无误可进下面的软件调试。 5.2 proteus 仿真 proteus 的 isis 是一款 labcenter 出品的电路分析仿真系统，可仿真各种电路和 ic 并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。 该软件的特点： 1）全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的 优势。 2）具有模式电路仿真，数字电路仿真.单片机及其外围电路组成的系统的仿真。 18 3） rs-232： 动态仿真、1c 调试器、spi 调试器、键盘和 lcd 系统仿真的功能、有各种虚似仪 器，如示波器、逻辑分析仪、pici6 系列、z80 系列以及各种外围芯片。 4）支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件一款单片机和 spce 分析于一身的 仿真软件、功能及其强的可仿真 51.avr.pic。 启动 proteus 软件、按照元件清单选择所需要的元件、按照电路图连接好电路图， 选择单片机，载入已编译好的程序