毕业设计（论文）-基于51单片机的硬件加密锁的设计与实现.doc

本科学生主题论文论文题目：基于51单片机的硬件加密锁的设计与实现学 院：电子工程学院年 级：2011专 业：电子信息工程姓 名：学 号：指导教师： 2014年4月23日摘要单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。单片机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer ），是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域。 本课题选择MCS-51单片机为核心控制元件，设计了一个日常生活中用到的硬件加密锁系统。该系统是由单片机系统及MAX232组成。使用单片机汇编语言进行编程，实现了硬件加密锁的功能本论文主要介绍了硬件加密锁的软、硬件部分的设计，以及在设计、调试过程中遇到的问题及解决方案。经过实践证明，本课题设计的该系统结构简单，稳定，造价成本低，功能完全，具有很强的实用性。关键词8051单片机；硬件加密锁系统；MAX232Abstract The single slice machine is the microcomputer which all integrates main calculator function parts on a piece of chip single slice machine namely single slice microcomputer(the Microcomputer of the Single-Chip), gather CPU, RAM, ROM, count to connect in the tiny controller of integral whole with variety in fixed time Among them 51 single slice machines is various single slice machine in is a typical model most and each realm.This topic choice MCS-51 single slice machine is a core control component, designed a daily life convenient arrive of the weaving a distance, the function which carries out of the design, adjust try the process of the problem and the solution pass by to practice a certificate, the systems structure ofwith this topic design simple, stabilize, build price cost low, function complete, .Key wordsSingle Chip Computer 805151 The )结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。8051单片机的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共有4个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器以及片内数据存储器、片外数据存储器空间。这种程序存储和数据存储分开的结构形式被称为哈佛结构。但从用户的角度，8051存储器地址空间可分为3类：片内、片外统一编址0000HFFFFH的64KB程序存储器地址空间(用16位地址)；64KB片外数据存储器地址空间，地址也从0000HFFFFH(用16位地址)编址；256B片内数据存储器地址空间(用8位地址)。 上述4个存储空间地址是重叠的，如图所示。8051的指令系统设计了不同的数据传送指令以区别这4个不同的逻辑空间：CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC，访问片外RAM指令用MOVX，访问片内RAM指令用MOV。数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序通过16位程序计数器寻址，寻址能力为64KB。这使得指令能在64KB的地址空间内任意跳转，但不能使程序从程序存储器空间转移到数据存储器空间。实际上，当引脚EA接高电平时，8051的程序计数器PC执行片内ROM中的程序，当指令地址超过片内ROM地址时，就自动转向片外ROM中去取指令。当引脚EA接低电平(接地)时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM中取指令，地址可以从0000H开始编址。8051从片内程序存储器和片外程序存储器取指时的执行速度相同。 定时计数器(ROM)：8051不仅有丰富的可用端口，其还内含有两个16位的计时器定时器，称为计数器TO及计数器T1，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。其主要作用有两点:第一，做一段特定时间长短的计时。第二，可以计算由TO或Tl引脚的输入脉冲数。前者在应用上可以产生正确的时间延迟及定时去执行中断服务程序，这是MCU在软件控制程序上常用到的技巧，而后者的应用则是计数器或是频率计的设计。这两个计数器本身都有4种工作模式可以选用: 模式0:13位计时工作模式 模式1:16位计时工作模式 模式2:具有从新载入计数值的8位计时模式 模式3:计数器Tl停止计时工作，而计数器0分为两个独立的8位计数器由TLO和THO来负责计时工作。计数器的初值设定是由下面的公式来计算的，设C为要计数的次数则: 并行输入输出(IO)口： 8051共有4组8位IO口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。P0口有三个功能： 1、外部扩展存储器时,当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口） 2、外部扩展存储器时,当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口） 3、不扩展时,可做一般的IO使用,但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做IO口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能： 1、扩展外部存储器时,当作地址总线使用 2、做一般IO口使用,其内部有上拉电阻; P3口有两个功能： 除了作为IO使用外（其内部有上拉电阻）,还有一些特殊功能,由特殊寄存器来设置。 全双工串行口： 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 8051单片机的串行端口有4种基本工作方式,通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的IO电路；方式1多用于双机之间或与外设电路的通信；方式2、3除有方式1的功能外，还可用作多机通信，以构成分布式多微机系统。 串行端口有两个控制寄存器,用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送的波特率(每秒传送的位数)以及作为中断标志等。串行端口有一个数据寄存器SBUF(在特殊功能寄存器中的字节地址为99H)，该寄存器为发送和接收所共同。发送时，只写不读；接收时，只读不写。 串行通信的波特率可以程控设定。在不同工作方式中，由时钟振荡频率的分频值或由定时器Tl的定时溢出时间确定，使用十分方便灵活。8051的串行IO有4中工作模式可供选择：模式0：此模式是做串行传送10控制，而非真正的串行通信应用。工作于此模式时由TXD引脚发送出同步移位脉冲，由RXD引脚送出或接收串行数据。串行数据形式是8位数据，同步脉冲的宽度也是固定的，为系统工作震荡的112,等于8051的一个工作周期。模式1：此模式为经常使用的串行工作模式，串行数据位由TXD引脚传送出去，由RXD引脚将对方发来的串行数据位接收进来。至于传输的波特率是由计时器T1来规划的，只要将不同的计数器初值载入计时器中，可以做不同的波特：而在模式1和模式3下的波特率由内部计数器T1来控制，此时应使用计数器工作模式2，自动重新载入计时模式。在模式2下，使用的计数寄存器为TL 1，而TH 1则是在做自动载入计时值的设定。波特率的计算公式为:将上式整理得： 中断系统： 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8051单片机的中断系统简单实用，其基本特点是：有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中各有固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序；5个中断源有两级中断优先级，可形成中断嵌套；2个特殊功能寄存器用于中断控制和条件设置的编程。5个中断源的符号、名称及产生的条件如下：INT0：外部中断0，由P32端口线引入，低电平或下跳沿引起。INT1：外部中断1，由P33端口线引入，低电平或下跳沿引起。T0：定时器计数器0中断，由T0计满回零引起。T1：定时器计数器l中断，由T1计满回零引起。TIRI：串行IO中断，串行端口完成一帧字符发送接收后引起。外部中断有下跳沿引起和低电平引起的选择；串行中断有发送(TI)相接收(R1)的区别；各个中断源打开与否，受中断自身的允许位和全局允许位的控制，并具有高优先级和低优先级的选择。中断系统的控制寄存器：中断系统有两个控制寄存器IE和IP，它们分别用来设定各个中断源的打开关闭和中断优先级。此外，在TCON中另有4位用于选择引起外部中断的条件并作为标志位。 时钟电路： 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。后面章节详细介绍。2.2 本章小结本章介绍了8051单片机的结构及工作原理，为以后的设计做准备。第三章 硬件电路设计3.1 设计部分3.1.1 硬件部分1 8051单片机的引脚介绍 目前制造工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，40只引脚按其功能分，可分为三个部分： 图3-1-1 引脚示意图1 电源及时钟引脚：Vcc,Vss；XTAL1.XTAL2.2 控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET3 IO口引脚：P0、P1、P2、P3,为4个8位IO口的外部引脚。电源及时钟引脚( 1 )电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5V电源；Vss(20脚)：接地。( 2 )时钟引脚XTAL1、XTAL2。时钟引脚接外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。( 3 )控制引脚此类引脚提供控制信号，有的还具有复制功能。( 4 )RSTVPD(9脚)：当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片复位（RST）。掉电期间，此引脚可接上备用电源（VPD），以保持内部RAM的数据，当Vcc下掉到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内（50.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源。（5）ALEPROG(30脚)：当访问单片机外部存储器时，ALE输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位的锁存信号。即使不访问外部存储器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟频率的16。但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。因此，严格来说，用户不能用ALE做时钟愿或定时。ALE端可以驱动8个TTL负载（6）PSEN（29脚）：此角的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期PSEN有两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。PSEN可以驱动8个TTL负载。（7）EAVPP(31脚)：当EA端保持高电平时，单片机访问内部程序存储器，但在PC只超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。1 MAX232的介绍一般说明： MAX232是双路驱动接收器，内部包括电容型的电压生成器，可以将单5V电源转换成符合EIATIA-232-E的电压等级。接收器将EIATIA-232-E标准的输入电平转换成5VTTLCMOS电平。接收器的典型临界值是1.3V，典型磁滞是0.5V，可以接收30V的输入信号。驱动器（发送器）将TTLCMOS输入电平转换成EIATIA-232-E电平。 特性：单5V电源 ，LinBiCMOS工艺 ，两个驱动器和两个接收器 ，30V的输入电平 ，低工作电流：8mA典型值 ，满足和超过ANSI EIATIA-232-E和ITU推荐标准V.28 ，可以和MAXIM的MAX232互换应用，EIATIA-232-E标准，电池供电系统 ，终端MODEM计算机，ESD保护超过2000V（MIL-STD-883，METHOD 3015）。2 RS232的介绍RS232接口就是串口，电脑机箱后方的9芯插座，旁边一般有 |O|O| 样标识。一般机箱有两个，新机箱有可能只有一个。笔记本电脑有可能没有。 有很多工业仪器将它作为标准通信端口。通信的内容与格式一般附在仪器的用户说明书中。计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的 DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。 （1）接口的信号内容 实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。RS-232-C最常用的9条引线的信号内容见附表1所示 （2）接口的电气特性 在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻 辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V 。噪声容限为2V。即 要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号 作为逻辑“1” (3) 接口的物理结构 RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 （4）传输电缆长度 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出附表2 的实验结果。其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO. 内有三对双绞线，每对由22# AWG 组成，其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.是22#AWG的四芯电缆。 1.RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pFm的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。 2.RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。 以往，PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合ISOOSI的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在RS232或RS485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用RS485做通讯介质，RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主（Master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是PC，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（Slave）设备。而现场总线技术是以ISOOSI模型为基础的，具有完整的软件支持系统，能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。电路图的设计如图3-1-2 图3-1-2 电路图的设计连接电路：连接从计算机串口取电电路，实现系统供电;连接MAX232接口电平转换电路，实现逻辑电平与RS232的电平的相互转换。51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如上图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。3.2 本章小结本章介绍了硬件电路的总电路图，以及各个模块的理论原理。比较细致的学习各个模块的工作原理。第四章 软件电路设计4.1 程序框图4.1.1 软件设计的主程序流程图4.1.2 软件电路设计大多控制系统都把PC作为上位机，单片机系统作为下位机。单片机系统必需把采集的数据传输给PC机，以便进行存储和处理。PC机几乎都具有RS232接口，因此，单片机通过RS232口与PC机通信最方便，也是嘴常用的方法。但是单片机并没有RS232电气接口，要进行通信，必需要进行接口扩展。本设计采用了接口扩展的方案，并根据自行设计的通讯协议，编写了通信软件。编写程序：编写单片机单片机端串口结束电和发送程序；编写上位机端串口发送和接受程序。以上是串口通信的一般流程。对于本设计的硬件加密锁的设计。要求在下位机中设计一个算法。上位机发送数据。下位机接受数据，并根据算法计算出结果，然后比较数据如果一致就进行串口通信。不一致就停止通信。程序见附录4.2 系统调试本次设计的最后一项任务是对系统进行调试，并测试程序和硬件是否能按照要求工作。单片机应用系统的程序存储器必须放入调试好的应用程序，系统才能运行。如果研制人员对单片机的结构、系统硬件结构、指令系统十分熟悉，能确保所编制的程序不会出错时，可不需要开发工具，只要把所开发的软件固化到系统的EPROM中即可。一般来说，都需要借助开发工具来调试应用软件。开发工具的主要作用是：（1）系统硬件电路的诊断与检查；（2）程序的输入与修改；（3）程序的运行、调试，具有单步运行、状态查询等功能；（4）能将程序固化到EPROM芯片上去。本次测试的工具主要是：面包板一个（用来进行硬件连接），导线若干，伟幅仿真器一个（用来对便好的程序进行调试，以及看最终结果是否符合设计要求），电源一台（供给仿真器及单片机电源），万用表一个。4.3 测试过程测试过程的第一项任务是建立自己的项目文件，首先选择菜单文件新建文件功能在弹出的文件中输入所编写的程序。然后选择菜单文件保存文件或文件令存为功能，给出文件所要保存的位置以及文件名，单击保存。接下来的任务是建立新的项目选择菜单文件新建项目功能。此不工作要分三步完成。（A）加入模块文件，在加入模块文件的对话框中选择刚才所保存的文件，按打开键。（B）加入包含文件，在加入包含文件的对话框中，选择所要加入的包含文件。（C)保存项目，在保存项目的对话框中输入醒目的名称，无需加后缀，软件会自动将后缀设成“.asm“.按保存键将项目保存在源程序相同的文件加下。项目保存好后，如果项目是打开的，可看到项目中的“模块文件“已有一个模块，并且就是你所保存的文件名，如果项目窗口没有打开，可以选择菜单窗口项目窗口功能来打开。以上是编译程序的初步阶段，然后就是编译程序了。选择菜单项目编译功能或按编译快捷图标，编译项目。在编译过程中，如果有错误可以在信息窗口中显示出来，双击错误信息，可以在源程序定位所在的行。纠正错误后，再次编译直到没有错误后，就可调试程序了。下一步工作是单步调试程序，选择执行跟踪功能或按跟踪快捷图标或按F7键进行单步跟踪调试程序，单步跟踪调试程序就一条指令一条指令地执行程序，若有子程序调用，也会跟踪到子程序中去。在这个过程中，可以观察程序每步执行的结果。连接硬件仿真时，按照说明书，将仿真器通过串行电缆连接计算机上，将仿真头连接到仿真器，检查连线无误后，接上电源，打开仿真器的电源开关，如果仿真器和仿真头设置正确，并且硬件连接正确，就会出现“硬件仿真“的对话框，并显示仿真器、仿真头的型号及仿真器的序列号。重新编译程序，全速执行程序，就可仿真了。在这过程中遇到的最多困难是在程序的编译过程中，因为有时候是子程序没有定义而编译不过去，有时候是指令写得不对，这就要求我们对单片机的知识了解得比较精。4.4 本章小结本章利用前面已经掌握的知识设计出了软件流程图，并根据流程图编写出程序。然后将编好的主程序进行调试，看是否能实现预期的功能，找出缺陷和不足并解决出现的问题结论 硬件加密锁的设计通过运用以前所掌握的单片机知识，设计出所需要的能够实现加密锁功能硬件电路，并在 PROTEL99 中把电路图绘制完成。然后运用单片机知识进行程序地编写和编译仿真，最后进行硬件连调，并加上相应的外部电路和连线，来对所设计电路的功能进行验证。实验结果完成了最初的设计预想,实现了设计所要达到的功能.这次设计对我们的影响意义非凡。首先从选题来说，他的选题考虑到了我们大学几年所学的所有知识，既要求我们对知识掌握的牢固，又要求我们对知识能够灵活运用。从运用到的知识面来说，它不仅要求我们运用所学过的知识还要求我们去寻找，学习，借鉴其他科目或门类的知识。从时间上来说，这次