基于单片机的电子密码锁设计(终稿)

1、基于单片机的电子密码锁设计 摘要：锁，是指加在门、箱子、抽屉等物体上的封缄器，要用专用的钥匙才能 打开。自古以来锁都是人们财产安全乃至生命安全的一种重要保障。伴随着人 类历史的发展和人们对自身财产安全和人生安全的重视，各种各样的多功能的 锁具也相继出现，人们使用的锁具也由传统的机械式锁逐渐发展为安全性能更 好，功能更多的电子密码锁。 在现代社会，电子密码锁已是一个被大家所熟识的名词。相信很多人的小 区大门上的锁都用的是电子密码锁。本文中将要介绍的电子密码锁是一种通过 判断密码输入是否正确来控制电路或是芯片的工作状态，进而控制锁的打开和 闭合，从而完成开锁、闭锁任务的电子锁装置。 本设计是基于

2、at89c51 单片机为控制核心的密码锁设计方案。在本次基 于单片机的电子密码锁设计中，将采用at89c51 单片机作为控制核心，配 合相应的电路和软件程序，实现密码的输入和修改、信息的显示、键盘的锁 定、系统报警、开锁和闭锁等功能。在设计中， 利用识别密码是否正确来开 锁或报警，通过串行存储器 at24c02 来实现密码的修改和存储。 本文设计的密码锁具有安全性高、功耗低、操作简单等优点。 关键词:单片机；密码锁；电子锁；矩阵键盘；掉电存储 the design of electronic code lock based on single chip microcomputer abstra

3、ct：as sealed device, the lock added to such objects like door, box, drawer etc, can be opened with specified key. since the ancient time, lock is a kind of security, guaranteeing peoples property safety even life safety. with the development of human history and more attention paid to property safet

4、y and life safety, various multi-functional locks can be seen in the world. traditional mechanical locks people use in life are gradually replaced by electronic combination lock characterized with better safety performance and more functions. in the modern society, electronic combination lock is a n

5、oun familiar to everyone. usually, the door of community is equipped with electronic combination lock. this paper will introduce an electronic combination lock. this lock controls the electric circuits and the performance of chips by identifying password. thus, the openness and closeness of the lock

6、 can be controlled, and the task of electronic lock device can be completed. this design is about combination lock, based on the at89c51 single-chip microcomputer as the core of controlling goals. this design in which the at89c51 single-chip microcomputer as the core of the controlling goals coopera

7、ted with relevant circuits and software programs can achieve such functions like password input and modification, information display, keyboard locking, warning system, and the openness and closeness of the lock etc. in this design, the openness of lock and alarming are according to identifying the

8、password, and password revision and storage is achieved by the function of the at24c02 serial storage. electronic combination lock described in this paper is characterized with high security, low power consumption, and simplicity of operation etc. keywords: single-chip microcomputer, combination loc

9、k, electronic lock, matrix keyboard, power lost storage 目录 第 1 章 绪论.1 1.1 电子密码锁简介.1 1.2 电子密码锁设计的背景及意义.1 1.3 电子密码锁的现状及发展趋势.2 第 2 章 总体设计.3 2.1 设计分析.3 2.2 系统结构.4 第 3 章 硬件电路设计.5 3.1 单片机接口分配.5 3.2 单片机最小系统设计.5 3.2.1 时钟电路.5 3.2.2 复位电路.6 3.2.3 最小系统.6 3.3 矩阵键盘设计.7 3.4 lcd 显示模块设计.8 3.5 掉电存储模块.10 3.5.1 i2c 总线.

10、10 3.5.2 at24c02 简介.12 3.6 开锁机构.13 3.7 报警机构.13 3.8 硬件综合设计.14 第 4 章 软件设计.15 4.1 软件总体设计.15 4.2 键盘扫描子程序.16 4.3 显示模块子程序 .18 4.4 掉电存储子程序.20 4.4.1 写操作方式.21 4.4.2 读操作方式.22 4.5 定时器中断子程序.23 4.6 密码输入子程序.25 4.7 报警子程序.26 第 5 章 联合仿真和调试.27 第 6 章 实物设计和制作.29 总结.31 致谢.32 参考文献.33 附录 1 设计实物图.34 附录 2 程序源代码.36 第 1 章 绪论

11、1.1 电子密码锁简介 什么是电子密码锁？“一种通过密码输入来控制电路或者是芯片工作，从而 控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。 ”百度百科上是这 样解释的。简单来说，电子密码锁就是能够实现密码等信息的设置、存贮、识 别和显示，以及报警信号的接收和发送等功能的电子器件。 电子密码锁相对传统机械锁有以下几个优势： (1)密码可更改。用户可以随时更改密码，以确保密码锁的安全性和可靠性。 可以更改密码这一功能同时也避免了人员的更替而使锁的安全性降低，这是传 统钥匙锁所不具备的功能。 (2)操作简单。无论是开锁还是更改密码，只要识字的人都能够直接使用， 使用方法简单而不繁琐。 (3)能够

12、报警。报警功能无疑更增加了锁的安全性。 (4)无法“技术”破解。不知道密码就无法打开锁，即使是惯偷也只能望“锁” 兴叹。 1.2 电子密码锁设计的背景及意义 在现代文明社会，虽然人们的道德素质越来越高， “梁上君子”、 “三只手”等 人群相对旧社会大大减少，但是像“某某小区遭入室行窃，居民损失 xxxx”之 类的新闻我们还是经常能够在报纸上看到的。随着人们生活水平和自身防范意 识的提高，个人财产安全和人身安全的问题也越来越受到人们的重视，拥有一 把能够有效保证居民财产安全和人身安全的锁具也越发的重要起来。 锁具的起源可以追朔到人类社会财产私有化的出现，锁具从其出现到发展 至今天的高科技化、信息

13、化，已经有若干年的历史了。经过若干年的使用和研 究，人们对锁具的结构、机理也了解得相当透彻了，因此，不使用钥匙就能将 锁打开的方法也层出不穷。特别是传统的机械锁，由于其构造简单，在惯偷面 前，甚至能够只用一根铁丝就直接将其打开，使其失去了保障用户个人财产安 全的意义。 那么，如何才能提高锁具保障用户财产安全的有效性呢？在信息现代化的 今天，锁具也应该向高精度、高安全性的智能化、信息化发展。自 20 世纪 70 年代第一块单片机芯片 tms-1000 于美国德克萨斯仪器公司面世以来，基于其 体积小、价格低廉、个性突出等特点，越来越多的电子产品开始采用单片机芯 片作为核心控制部件。在这样的大环境下

14、，基于单片机的电子密码锁也应运而 生。这种电子密码锁是以单片机为核心，配以相应的硬件电路和软件程序， 实现密码的设置、存贮、识别和显示，以及报警信号的接收和发送等功能， 具有操作快、修改密码简单、 安全性高、功耗低等优点。基于单片机的电子 密码锁的面世 使人们的自身财产安全有了更多的保障，同时也促进了安全信息 系统的发展，是安全信息系统的一大进步。 基于单片机的电子密码锁的出现，在一定程度上解决了用户私人财产安全 的问题。但是，时代在发展，社会在进步，任何事物只有不断地进步才能适应 时代发展的需求。电子密码锁虽然有安全性高、操作简单等优点，但是却不如 机械锁价格低廉，因此，在市场上的主流产品还

15、是机械锁。电子密码锁要想取 代机械锁成为市场上的主流，就必须不断改进，在具有更多功能的同时向更智 能化和更低成本化发展。这就需要我们不断研究电子密码锁的设计方法和实现 原理。因此，研究基于单片机的电子密码锁的设计是很有必要且具有现实意义 的。 1.3 电子密码锁的现状及发展趋势 目前，和西方发达国家相比，我国的电子密码锁技术还相对落后。在西方 发达国家，电子密码锁的种类已经很齐全，技术也比较先进，且在各个领域得 到了广泛应用。在我国，电子密码锁技术却才相当于国际上七十年代的水平， 相对来说还很落后。20 世纪 80 年代以来，随着各种电子集成电路的出现，特 别是单片机的面世，电子密码锁得到了很

16、大的发展。相对于笨重而构造简单的 传统机械锁来说，电子密码锁具有体积小，可靠性高的优势。但是就目前而言， 电子密码锁的价格相对较高且需要有电源提供能量，使得其使用还局限在一定 范围，特别是在国内，各种条件的制约使得电子密码锁暂时难以普及。 尽管电子密码锁还存在着一些缺陷，但是其安全性高、方便易用、能够智 能报警的优势却是传统钥匙锁取代不了的，而且随着电子信息技术的发展和各 种电子器件的价格的不断降低，电子密码锁也将往低成本、多功能的方向发展。 第 2 章 总体设计 2.1 设计分析 一个电子密码锁，应该能实现以下功能： (1)能够从键盘中输入密码，并相应地在显示器上显示 *； (2)能够判断密

17、码是否正确，正确则开锁，错误则输出相应信息； (3)能够实现密码的修改； (4)断电或者单片机复位后能够保存之前的操作，比如密码的修改； (5)在操作错误达到一定次数后能够报警； (6)在一定时间内没有任何按键操作则关闭显示器，并锁定键盘，禁止键盘 输入（单片机复位后锁定取消） ； (7)设置一个备用密码。为了防止用户忘记密码而开不了锁，应该在经常使 用的密码外再设置一个备用密码以防万一。此备用密码应该只有少数人知道， 比如小区管理员。 根据以上分析，本次电子密码锁设计的主要重点是以下几个部分：4x4 矩阵 键盘设计、lcd 信息显示、密码的掉电存储和密码的比较和处理。当然，除了 这几个部分外

18、还有定时器/计数器计时中断和报警等功能模块。 本设计应该按以下步骤去实现： 第一步：选择材料和器件。 第二步：根据单片机原理和模拟电子技术基础等理论知识在 proteus 中画出仿真图。 第三步：检查仿真图，确保其能够实现所有功能。 第四步：根据需要实现的功能逻辑画出程序流程图。 第五步：根据程序流程图和 proteus 仿真图，使用 keil 软件进行程序 的编写和调试。 第六步：将 keil 和 proteus 联合仿真、调试，查看是否实现所有功能。 第七步：根据 proteus 仿真图焊接器件。 第八步：实物调试。 基于实际情况，在设计中，用发光二极管代替电磁锁，二极管亮则代表锁 开，二

19、极管不亮则代表锁关。 2.2 系统结构 本设计系统主要由单片机芯片、矩阵键盘、lcd 显示模块、掉电存储模块、 报警机构和开锁机构组成。如图 2-1 所示。 单片机 时钟电路 复位电路 矩阵键盘 lcd 显示 掉电存储 开锁机构 报警机构 图图 2-1 系统总体设计结构图系统总体设计结构图 时钟电路给单片机提供晶振频率，复位电路不但使单片机上电复位，还能 在使用过程中通过需要通过按键再次手动复位，矩阵键盘提供按键的输入， lcd 模块显示信息，掉电存储负责密码的存储，开锁机构和报警机构分别负责 开锁和报警功能。 设计中，单片机选用 at89c51，lcd 显示模块选用 lcd1602 液晶显示

20、器， 串行存储器选用电可擦除存储器 at24c02，开锁机构用发光二极管代替，报警 机构选用蜂鸣器。 第 3 章 硬件电路设计 3.1 单片机接口分配 at89c51 单片机在一块芯片上集成了 cpu、ram、rom、定时器/计数器 和多种 i/o 功能部件，具有一台微型计算机的基本结构，按功能可以将其分成 八个组成部分：微处理器（cpu） 、数据存储器（ram） 、程序存储器 （rom/eprom） 、特殊功能寄存器（sfr） 、i/o 口、串行口、定时器/计数器 及中断系统。 在本设计中，单片机的各个接口我是这样分配的：p0 口接一个上拉电阻后 与 lcd1602 的 8 位双向数据端 d

21、0d7 相接，p1 口用作矩阵键盘接口， p2 口的 p2.0p2.2 和 lcd1602 的 46 引脚相接， p2.5 和 p2.6 接串行存储器 at24c02，p3 口用作开锁电路和报警电路的接口。 3.2 单片机最小系统设计 单片机最小系统就是指能使单片机工作的最少的器件构成的系统。因为 单片机已经包含了数据存储器和程序存储器，所以只要在其外部加上时钟电 路和复位电路就可以构成单片机最小系统。 3.2.1 时钟电路 单片机工作需要晶振给 cpu 提供频率，时钟电路就是给单片机提供晶振 频率的电路。图 3-1 是时钟电路的 proteus 仿真图。 图图 3-1 时钟电路时钟电路 单片

22、机允许的振荡晶体可在 1.224mhz 之间选择，一般为 11.0592mhz，电容 c2，c3 的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路 起振速度有一定的影响，可在 20100pf 之间选择，典型值位 30pf。 3.2.2 复位电路 计算机每次开始工作， cpu 和系统中的其他部件都必须要有一个确定的 初值，即复位状态。图 3-2 是单片机复位电路仿真图。 图图 3-2 复位电路复位电路 单片机 rst 引脚是高电平有效。单片机在上电瞬间 c1 充电，rst 引脚端 出现正脉冲，只要 rst 断保持两个机械周期（大约 10ms）以上的高电平，单 片机就能复位。在单片机工作后，如果还想再

23、次复位，只需按下开关，单片机 就能重新变成复位状态。 当晶体振荡频率为 12mhz 时，rc 的典型值为 c=10f，r=8.2k。 3.2.3 最小系统 单片机加上时钟电路和复位电路就构成了能使其正常工作的最小系统。 单片机最小系统是单片机正常工作的基础，任何一个单片机系统设计都是 基于单片机最小系统的基础上来完成的，而在单片机系统实物设计中，最应该 首先解决的也应该是单片机最小系统问题，只有保证了单片机最小系统的正确 性，才能保证接下来的其他模块的正确设计。 图 3-3 是单片机最小系统的完整仿真图。 图图 3-3 单片机最小系统单片机最小系统 3.3 矩阵键盘设计 一组键或者一个键盘，需

24、要通过接口电路和 cpu 相连接，cpu 可以采用查 询接口或者中断的方式了解有没有键被按下，并检查是哪个键被按下。无论是 查询方式还是中断方式都要用到单片机的 i/o 口。由于单片机 i/o 口较少的原 因，当系统中需要用到较多按键时，为了能够更合理更有效地利用单片机的 i/o 口，一般采用矩阵键盘的方式来实现多按键的功能。 图 3-4 是 4x4 矩阵键盘在 proteus 中的电路原理仿真图。 图图 3-4 4x4 矩阵键盘矩阵键盘 矩阵键盘又叫做行列式键盘。行列式键盘的硬件结构比较简单，由行输出 口和列输出口构成行列式键盘，按键设置在行、列交点上。图 3-4 中， p1.0p1.3 是

25、行输出口， p1.4p1.7 是列输出口。行输出口和列输出口不相 交，只有当键被按下时相应的行和列才能相连。如此，只要检测行和列是否 相连就可以知道是否有键按下。 由于按键设置在行、列线交点上，行、列分别连接到按键开关的两端， 平时无键按下时，行线处于高电平，假设列线为低电平，当有键按下时，按 下的键就会将相应的行和列连通，使得对应的行线被列线拉低，也变为低电 平。这就是识别矩阵键盘是否有键被按下的关键。 当确定有键被按下时，通过逐行扫描，读出i/o 口的值可以知道哪一行 的值被改变了，被改变了的行即是被按下的按键所在行。同时，由于每个键 都有它的行值和列值，行值和列值得组合就是这个按键的编码

26、，当算法一定 时，每个按键的编码是固定的，且各个按键的编码互不相同，所有通过读 i/o 的值还能具体知道是哪一个键被按下，这样就实现了键盘的识别。 3.4 lcd 显示模块设计 在单片机应用系统中，常用的显示设备有单个发光二极管、八段led 显示器、液晶显示器（ lcd） 、屏幕显示器（ crt）等。在本次设计中，基 于设计所要实现的功能和节约成本等实际情况，我采用lcd1602 作为本次 设计的显示器。 lcd1602 是一种字符型液晶显示器，是一种专门用于显示字母、数字、 符号等的点阵式液晶显示器。 lcd1602 的显示容量为 16x2 个字符（可以 显示 2 行，每行显示 16 个字符

27、） ，芯片工作电压为 4.55.5v，工作电流为 2.0ma（5.0v） ，模块最佳工作电压是 5.0v。 lcd1602 具有 16 个引脚，如表 3-1 所示。在 lcd1602 的有关设计中， 主要是通过编写程序控制 lcd1602 的 4、5、6 引脚来实现数据或者指令的 写入和执行，再通过数据或者指令的写入和执行来进一步实现lcd1602 的 显示功能。 表 3-1 是 lcd1602 的 16 个引脚和引脚对应功能。 表表 3-1 lcd1602 引引脚脚说说明明 引脚号 引脚名 功能 1 vss电源地 2 vcc电源（+5v） 3 vee对比调整电压 4 rs0：输入指令； 1：

28、输入数据 5 r/w0：向 lcd 写指令或者数据； 1：从 lcd 读取信息 6 e使能信号，1：读取信息， 10：执行命令 7 db0数据总线（最低位） 8 db1数据总线 9 db2数据总线 10 db3数据总线 11 db4数据总线 12 db5数据总线 13 db6数据总线 14 db7数据总线（最高位） 15 alcd 背光电源正极 16 klcd 背光电源负极 作为一个字符型液晶显示器， lcd1602 内部自带有一个字符发生存储器， 此字符发生存储器就相当于一个字符集。 lcd1602 的字符集中存有 160 个 不同的字符，这些字符包括了英文大小写字母、阿拉伯数字、标点符号等

29、一 些经常用到的字符。字符集中的每一个字符都对应有一个固定的ascii 码 值，通过显示 ascii 码对应的字符图像就能够实现对应字符的显示。 图 3-5 是 proteus 中显示模块的仿真图。 由于 lcd 要正常工作必须提供足够的电流，因此在实际应用为了保证显 示器能够正常工作，应在数据端口接一上拉电阻。图3-5 中 rp1 同时还是 p0 口的上拉电阻。 图图 3-5 lcd 模模块块仿仿真真图图 3.5 掉电存储模块 3.5.1 i2c 总线 i2c 总线为同步串行数据传输总线，用于单片机的外围扩展。i2c 总线 上所有的外围器件都有规范的器件地址，器件地址有7 位组成，它和 1

30、位 方向为构成了 i2c 总线器件的寻址字节。寻址字节格式如下： 表表 3-2 i2c 寻寻址址格格式式 d7d6d5d4a2a1a0r/error ! d7d4 是 i2c 总线的器件地址，由厂家在器件出厂时给定 ,对于 at24c 系列固定为 1010。a2a0 根据电路中 a2，a1，a0 引脚接电源或 者接地而不同，接地则相应位为 0，接电源则相应位为 1。r/error!位为 i2c 总线的数据方向位，决定 i2c 总线的数据传送方向，高电平为接收，低 电平为发送。 图 3-6 为 i2c 总线的数据传送时序。 123456789 ack scl sda p 起始信号 停止信号 图图

31、 3-6 i2c 总总线线数数据据传传送送时时序序 起始信号：时钟线 scl 为高电平，数据线 sda 出现由高向低的负跳变 时，启动 i2c 总线。 停止信号：时钟线 scl 为高电平，数据线 sda 出现由低向高的正跳变 时，停止 i2c 总线。 应答信号位 ack：i2c 总线进行数据传送时，每成功传送一个字节的数 据后，接收器件都必然产生一个应答信号，即在第9 个时钟周期时将 sda 1 5 2 6 at24c01 3 7 4 8 a0 a1 a2 vss vcc wp scl sda 线拉低，表示其已经成功接收到一个8 个数据。图 3-6 中的第 9 个时钟脉 冲对应于应答位。应答位

32、对应的数据线sda 上是低电平时为应答信号，是 高电平则为非应答信号。为非应答信号时，证明器件没有成功接收到一个 8 位数据。 数据传送位：图 3-6 中的第 18 个时钟脉冲为一个字节的 8 位数据传 送位。脉冲为高电平时，串行传送数据；脉冲为低电平时，不传送数据，允 许总线上数据线 sda 的电平发生变化。在 i2c 数据传输过程中，只有当 scl 为低电平时才允许 sda 变化，当 scl 为高电平时，不允许 sda 电平 改变。当然，起始信号和停止信号是例外。因此，当scl 为高电平时， sda 的变化被看成是起始信号或者停止信号。 3.5.2 at24c02 简介 at24c02 是

33、 atmel 公司生产的 at24cxx 系列串行 e2prom 中的一种， 是具有 i2c 总线接口功能的电可擦除串行存储器。 at24c02 内部含有 256 个字节，通过 i2c 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能（ wp=1 时即为写保护） 。 图 3-7 是 at24c02 的引脚排列图。 其引脚功能如下： a0a2：器件地址输入端。 在本设计中， a0a2 都接地， 故其值都为 0。 vcc：+1.86.0v 工作电压。 vss：地或电源负极。 图图 3-7 at24c02 引引脚脚 scl：串行时钟输入端。数据发送或者接收的时钟从此引脚输入。 sda：串行/数据地址线。用于

34、传送地址和发送或者接收数据，是双向传 送端口。 wp：写保护端。 wp=1 时，只能读出，不能写入； wp=0 时，允许正 常的读写操作。 图 3-8 为 proteus 中 e2prom 的仿真图。 图图 3-8 at24c02 仿仿真真图图 p2.5 为串行时钟输入线接口， p2.6 为数据线接口。 a0，a1，a2 接地， 所以单片机在读 at24c02 时，器件地址为： 10100001b=0a1h；在写 at24c02 时，器件地址为： 10100000b=0a0h。wp=0，允许单片机进行读 写操作。 3.6 开锁机构 在基于单片机的电子密码锁设计中，用户需要输入密码，密码正确则发

35、 出开锁信号开锁。 因为在设计中是以发光二极管代替电磁锁，二极管亮代表锁开，因此可 以设计一个简单的可以点亮二极管的电路系统代替电磁锁开锁机构。如图 3-9 所示。 图图 3-9 二二极极管管电电路路 由于单片机 i/o 口默认为高电平，故初始时二极管不亮，代表锁是闭着 的。当用户输入密码并验证正确时，发出开锁信号（使p3.6=0） 。 3.7 报警机构 在这次基于单片机的电子密码锁设计中，通过控制蜂鸣器的发音来实现 系统的报警功能。 蜂鸣器是一种采用直流电压供电的电子讯响器。图3-10 是用蜂鸣器模 拟的报警机构仿真图。 图图 3-10 报报警警机机构构模模拟拟仿仿真真图图 当 p3.7 口

36、有脉冲信号输入时，蜂鸣器 speaker 即会发音。通过控制 输入脉冲的频率还能控制蜂鸣器的发音频率。 当用户输入密码错误次数达到预设警告次数时，系统调用报警子程序， 使蜂鸣器发出报警音，同时禁止键盘输入。 3.8 硬件综合设计 根据电路原理，在 proteus 中画出各功能模块的仿真图，各个功能模 块验证正确后，将所有模块集合到一个电路设计图中，画出具有所有功能的 总体硬件仿真图。 图 3-11 即为本设计的硬件综合设计图。 图图 3-11 基基于于单单片片机机的的电电子子密密码码锁锁设设计计仿仿真真图图 待程序编写好后，将 keil 和 proteus 联调，观察此电路设计图可以知道 各个

37、功能模块和器件的工作情况。届时，根据实际情况可以适当修改电路图或 者程序，以达到设计的目的。 第 4 章 软件设计 4.1 软件总体设计 根据电子密码锁的实际应用要求和其应该具有的功能，本次设计的主程 序流程图如图 4-1 所示。 初始化 显示输入密码界面 输入密码 密码正确？ 开锁 扫描功能键 有键输入？ 是改密键？ 进行改密操作 显示欢迎回家界面 是闭锁键？ 进行闭锁操作 y n y n n y 开启定时中断 次数5？ 调用报警子程序 y n 图图 4-1 主主程程序序流流程程图图 此次基于单片机的电子密码锁设计的软件设计方面的主要问题是如何实 现键盘输入、信息显示、密码的掉电存储以及密码

38、的比较和处理。本设计接 下来将分步解决这几个问题。 4.2 键盘扫描子程序 矩阵键盘扫描子程序应该具有以下2 个基本的功能： (1)能判断是否有 键按下；(2)能确定是哪个键被按下。其软件管理主要分为以下三步来完成： (1) 判断整个键盘是否有键按下。 让所有的行为 0，然后读列的数值。如果列的数值全部为1，说明没有 键被按下，否则说明有键被按下。 (2) 识别被按下的键的位置。 采用一行一行的扫描方法，逐行输出0，然后读列的值。如果列的数值 全部为 1，说明不是这一行的按键被按下，扫描下一行，如果列的数值不全 为 1，则说明被按下的按键时在这一行。 (3) 查键值表，返回键值对应信息，以便确

39、定各按键应该完成的功能。 采用某种算法，将被按下的键所在的行和列的信息合并成为一个信息， 该信息即为此键的键值。用相同的方法给每一个键确定键值。在给按键确定 键值时必须采用同一种算法，并且计算出来的键值应该是互不相同的。 本设计中各按键对应键值如表 3 所示。 表表 4-1 按按键键键键值值表表 按键名称键值按键名称键值 1 0 x7e 9 0 x7d 2 0 xbe 0 0 xbb 3 0 xde a 0 xdb 4 0 xee b 0 xeb 5 0 x7d c 0 x77 6 0 xbd d 0 xb7 7 0 xdd e 0 xd7 8 0 xed f 0 xe7 键盘扫描子程序的流程

40、图如图 4-2 所示： y n 确定被按下的键 在第二行？ y n 确定被按下的键 在第三行？ y n 确定被按下的键 在第四行中确 定被按下的键 返回对应的按键号 在第一行？ 开始 扫描键盘 有键按下？ y n 图图 4-2 键键盘盘扫扫描描程程序序流流程程图图 从流程图可以看出，此键盘识别程序是通过逐行扫描来确定是否有键按 下，当确定某一行有键按下时，再在该行中确定被按下的是哪一个按键。 在本设计中， p1.0p1.3 为行输出口， p1.4p1.7 为列输出口。初始时将 p1.0p1.3 值赋为 0，p1.4p1.7 赋为 1，cpu 始终扫描 p1 端口，当 p1 值 不为 0 xf0

41、 时，有按键被按下，否责没有按键被按下。 在实际应用中，为了防止因为按键的抖动而使得一次按键按下被当做 2 次或者 2 次以上处理，应该进行按键消抖程序设计，只要方法是当有键闭 合时，延时一段时间再确定是否还有键闭合，若有，则为键有效闭合，若无 则为键无效闭合，返回重新扫描。 图 4-3 为 cpu 扫描第一行键盘的程序流程图。单行键盘扫描能够准确确 定被按下键所在的位置。 开始 扫描端口 y n 有键闭合？ 延时 有键闭合？ 查表确定按键 y n i/o 口初始化 返回按键值 结束 图图 4-3 单单行行键键盘盘扫扫描描流流程程图图 在本设计中，数字键 09 对应输入数字 09，功能键 a

42、键是确定键， b 键是取消键， c 键是改密码键， d 键位闭锁键， e 键和 f 键闲置不用。 4.3 显示模块子程序 由于设计中要求能够显示密码输入界面、密码输入信息、密码正确后提 示界面、密码错误后提示界面和修改密码相关界面等信息，故要用到很多个 显示子程序来显示不同的内容。虽然显示子程序很多，但是由于其显示原理 都一样，所以我就不一一介绍各个子程序了，只要能够熟练使用lcd1602 各个指令，这些大同小异的子程序也就不在话下了。 下面为 lcd1602 写命令子函数和写数据子函数。 /* /函数：写命令函数 /功能：调用该函数可能定义 1602 液晶显示器的各种命令 /* void w

43、rite_1602com(uchar com) while(lcdbusy(); /lcdbusy()为检测 lcd 忙标志函数， lcdbusy（）返回值 e=0;/为 1，则说明 lcd 正在工作 rw=0; rs=0;/rs=0 时为写命令 p0=com;/待写命令赋 p0 delay(1); e=1;/e 由 10 跳变时为执行命令 delay(1); e=0; /* /函数：写数据函数 /功能：调入该函数可以向 1602 液晶显示器输入数据 /* void write_1602dat(uchar dat) while(lcdbusy(); e=0; rw=0; rs=1;/rs=1

44、时为写数据 p0=dat; delay(1); e=1; delay(1); e=0; 以下是 lcd1602 从第一行第一列开始显示 n（0n16）个字符的程序 流程图。 开始 调用写数据函数 y n 显示 n 个字 符了吗？ lcd 初始化 结束 图图 4-4 显显示示字字符符程程序序流流程程图图 显示模块子程序主要指根据 lcd1602 的命令和引脚功能来编写，程序 逻辑相当简单。 4.4 掉电存储子程序 掉电存储子程序就是将初始密码写进at24c02，单片机每次复位后从 at24c02 中读取密码用来和输入的密码进行比较，以判断输入的密码的正确 性。当密码修改成功后，将新密码写入at2

45、4c02，以便单片机下次复位后 使用。 掉电存储模块子程序主要涉及 at24c02 的写操作方式和读操作方式。 at24c02 有 2 种不同的写操作形式和 3 种不同的读操作方式。 4.4.1 写操作方式 两种写操作方式为：字节写和页写。 (1)字节写。字节写模式下，主机发送（ r/error!位置为 0）起始命令和 器件地址信息，主机在收到 at24c02 的应答信号后，发送 18 位字节地址， 写入 at24c02 的地址指针中。对于高于 8 位的地址，主机连续发送两个 8 位字节地址写入 at24c02 中，主机在收到 at24c02 的另外一个应答信号 后再发送数据到被寻址的存储单元

46、， at24c02 再次应答，并在主机发出停 止信号后开始内部数据的擦写。 at24c02 在内部擦写过程中不响应主机的 任何请求，因此在两次写操作之间应该留有足够的反应时间。 字节写的时序是这样的： 地址只有 8 位：开始器件地址响应8 位字节地址 响应数据 响应停止 地址高于 8 位：开始器件地址响应高 8 位字节地址 响应低 8 位字节地址响应数据响应停止 本次设计中采用的是字节写方式。图4-5 为字节写的程序流程图。 开始 发送起始命令 分别取高 8 位地址和低 8 位地址 结束 发送写器件地址 发送应答信号 发高 8 位地址 发低 8 位地址 发送应答信号 发送应答信号 发送数据 发

47、送应答信号 发送停止命令 图图 4-5 将将字字节节写写入入 at24c02 的的程程序序流流程程图图 （2）页写。页写和字节写所不同的是：字节写一次只能写入一个字节数 据，页写一次可以写入 8 个或 16 个字节数据。 页写的时序是这样的： 地址只有 8 位：开始器件地址响应8 位字节地址 响应数据 1响应数据 n响应停止。 地址高于 8 位：开始器件地址响应高 8 位字节地址 响应低 8 位字节地址响应数据 1响应数据 n响应停止。 4.4.2 读操作方式 三种不同的读操作方式为：读当前地址内容（立即地址读取） 、读随机 地址内容（随机地址读取）和读顺序地址内容（顺序地址读取） 。 (1)

48、读当前地址内容。 at24c02 的地址计数器内容为最后操作字节的地 址加 1，所有如果上次读写操作的地址为n，采用读当前地址内容方式读地 址应该从 n+1 地址处开始。 at24c02 接收到器件地址信号并且 i2c 总线允 许接收数据（ r/error!=1） ，则首先发送一个应答信号然后输出数据。数据 输出完毕后，主机发送停止信号，读操作完毕。 (2)读随机地址内容。这种读操作方式允许主机读出at24c02 的任意字 节。主机置通过 r/error!位为 0，发送开始信号、 at24c02 地址和欲读取 的字节数据地址来执行一次伪操作，在at24c02 应答后，主机再一次发送 开始信号和

49、 at24c02 的地址，此时 r/error!位置 1，at24c02 响应并应答 信号，然后输出字节数据，最后主机以一个停止信号结束数据的读取。 (3)读顺序地址内容。读顺序地址内容操作方式通过立即读或随机地址读 操作来启动，主机在 at24c02 发送完一个 8 位数据后产生一个应答信号， 告知 at24c02 主机要求更多数据。 at24c02 收到主机的应答信号后继续发 送数据，直到主机不发送应答信号响应而发送停止信号后操作结束。 下面是三种不同的读操作方式时序对比： 读当前地址内容：开始 读器件地址 响应数据无响应停止。 读随机地址内容：开始 写器件地址 响应要读的字节地址 响应

50、开始读器件地址响应数据无响应停止。 读顺序地址内容：开始 写器件地址 响应要读的字节地址 响应 开始读器件地址响应数据 1响应数据 n无响应停止。 本次设计中采用的是读随机地址内容操作方式。 程序流程图如图 4-6 所示。 开始 发送起始命令 分别取高 8 位地址和低 8 位地址 结束 发送写器件地址 发送应答信号 发高 8 位地址 发低 8 位地址 发送应答信号 发送应答信号 发送非应答信号 发送停止命令 发送起始命令 发送读器件地址 发送应答信号 将读出的数据送出 图图 4-6 读读 at24c02 相相应应地地址址内内容容的的程程序序流流程程图图 掉电存储功能就是通过调用向 at24c0

51、2 写字节数据的程序和从 at24c02 读字节数据的程序来实现的。由于at24c02 在内部擦写过程中不 会应答任何来自主机的请求，所以当向at24c02 连续写多个字节数据时有 可能不成功，这可以通过对同一字节数据写多次的方法来实现。 4.5 定时器中断子程序 为了防止户主以外的 “借用”户主的密码，当没有任何按键被按下的状态 持续一段时间后（比如 20s 内） ，应该马上关闭显示器屏幕，同时禁止按键 的输入。这样做可以避免因为户主忘记退出系统而使他人有机可乘。 图 4-7 为实现此功能的程序流程图。 中断服务程序入口 50 毫秒数增加 1 y n 50 毫秒数有 20 了？ 重装初值 结

52、束 进位为 1 秒，毫秒数清 0 秒数有 20 了？ 关闭屏幕 锁定键盘输入 y n 产生定时中断程序入口 设置初值 采用定时器 0 设置定时器工作方式 开中断 结束 图图 4-7 定定时时关关闭闭屏屏幕幕和和锁锁定定键键盘盘输输入入程程序序流流程程图图 程序中，使定时器 0 每 50 毫秒产生一次中断，因此中断每产生20 次 为 1 秒，当秒数为 20 时（每次有键输入时都执行 50 毫秒数和秒数清 0 操 作） ，关闭屏幕，并禁止键盘输入。 当定时/计数器工作在定时方式时，定时时间的计算公式为： 定时时间=（216 计数初值） 定时周期 晶振频率为 12mhz 时，定时/计数器的定时周期为

53、 1s，所以定时 50ms 的定时/计数器初值为： 计数初值=216 50000 4.6 密码输入子程序 当从键盘输入密码时，应当将输入的密码存放， 以便用做密码的相关操 作（判断，修改和保存等），同时每输入一位密码应相应地在显示器上显示 一个“*”号。图 4-8 是密码输入子程序的流程图。 开始 n 有键输入？ 扫描键盘 y 是数字键？ 输入的密码 长度小于 6？ 将输入的数放入数组 在显示器上显示“*” 是取消键？ 输入的密长 度大于 0？ 清除数组中的 最后一位数 清除显示器上的 最后一个“*” 是确认键？ 结束 y n n n n y y y n y 图图 4-8 密密码码输输入入程程

54、序序流流程程图图 输入密码时，当输入的密码位数小于6 位的时候，每按下一次数字键， 就将此数字存入数组。当输入的密码位数不小于6 位时，再次按下数字键， 程序就不进行任何处理，继续扫描键盘，此时只有按下确定键或者取消键程 序才做出相应反应。取消键的功能是退格。当不小心输错密码时，可以退格 将输错的位清除，退格一次密码的位数减一位，同时显示器上的“*”个数也 减 1。当输入的密码位数变为 0 时，取消键不再起作用。 4.7 报警子程序 报警子程序的原理很简单，即当输入密码错误次数超过规定的最高允许 次数时，不断给蜂鸣器脉冲，使其不断发音。同时，由于cpu 一直在给蜂 鸣器提供脉冲，故无暇处理诸如

55、密码扫描等事件，也就是说，在蜂鸣器报警 的同时也屏蔽了键盘的输入。 本次设计中，密码输入错误次数不得高于3 次。图 4-9 为报警子程序流 程图。 开始 n 错误次数 大于 3？ 显示器清屏 y 关闭显示器 给蜂鸣器一个脉冲 结束 图图 4-9 报报警警子子程程序序流流程程图图 第 5 章 联合仿真和调试 在 proteus 中画出仿真电路图和在 keil 中编写出程序后，需要验证 其正确性和可行性，最好的办法就是就它们联合起来仿真和调试。 keil 和 proteus 都是单片机爱好者和单片机相关工作者经常用到的具 有相当好的辅助功能的软件工具。 keil 是一款具有强悍功能的 51 系列兼

56、容 单片机 c 语言软件开发系统，为用户提供丰富的库函数和功能强大的集成开 发调试工具， 其生成目标代码的效率非常之高，且多数语句生成的汇编代码 很紧凑，容易理解。 proteus 是目前世界上唯一一款将电路仿真软件、 pcb 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。 proteus 不仅具 有其它电子设计自动化工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件， 是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。 keil 和 proteus 都是单片机相关设计中经常用到的软件， keil 和 proteus 的联合仿真和调试能够相当清晰地反映系统的各个功能模块和器 件的工作情况。通过 keil 和 p

57、roteus 的联合调试，单步执行程序或者在 程序中设置断点，可以有效地查看各语句的执行情况和各变量的值，从而找 到程序中的错误。 keil 和 proteus 的联合调试和仿真步骤如下： (1)在 keil 中建立工程，将编写好的程序添加到工程中。 (2)在 keil 中为工程设置选项。为了实现和 proteus 的联合调试，除 了一般工程选项的设置外，还要设置dubug 项。具体方法为： 单击“工程 菜单/为目标目标 1设置选项”选项，弹出窗口，点击“debug”按钮。在出现的 对话框里在右栏上部的下拉菜单里选中“proteus vsm monitor 一 51 driver”。并 且还要

58、点击一下“use”前面表明选中的小圆点。再点击“setting”按钮，设置通信 接口，在“host”后面添上“127.0.0.1”，如果使用的不是同一台电脑，则需要在这 里添上另一台电脑的 ip 地址(另一台电脑也应安装 proteus)。在“port”后面添加 “8000”，然后点击“ok”按钮。最后将工程编译，进入调试状态，并运行。设置 完之后，重新编译、链接、生成可执行文件。 (3)proteus 设置。进入 proteus 的 isis，鼠标左键点击菜单“debug”， 选中“使用远程调试监控”。 (4)将可执行文件加到单片机中。打开proteus 仿真图，双击单片机， 将 keil

59、产生的“*.hex”文件添加到单片机中。 (5)keil 与 proteus 连接仿真调试。点击 proteus 的开始仿真按钮即可 开始 keil 与 proteus 的联合仿真和调试。 本次设计的联合仿真结果如下图所示。 图图 5-1 密码正确后的仿真图密码正确后的仿真图 密码输入正确后，点亮二极管，显示器显示欢迎回家画面。通过观察键盘 引脚的电平，还能知道 cpu 正在扫描键盘第四行，等待功能键的输入。 本设计中键盘第四行只用到了前两个按键，后两个按键没有被使用。第一 个按键为改密码键，通过按键此键可以进入修改密码功能界面；第二个键位闭 锁键，通过按下此键可以将锁闭合，在设计中的直接表现

60、是发光二极管熄灭。 第 6 章 实物设计和制作 联合仿真调试通过后，本次设计业就进入了最后一步，但也是最关键的一 步实物设计和制作。 由于电路板空间有限，所有在进行实物设计之前应该根据系统的仿真电路 图做好各功能模块的整体布局，这样既可以使得实物设计的顺利进行，也可以 最大化的令做出来的实物看起来简洁而美观。 在本次设计中，实物设计是按以下步骤完成的： (1)单片机最小系统的电路焊接。只有保证了单片机最小系统的正确性，才 能在接下来的其他模块设计和焊接出现错误时能够方便地检查出原因，因此单 片机最小系统是必须首先完成的。 (2)下载口电路的焊接。单片机最小系统电路焊接好后，需要检查其正确性，