电气应用系统设计报告正文 - 图文

西华大学电气与电子信息学院电气应用系统设计报告

1 前言

在日常生活和工作中，住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。目前门锁主要用弹子锁，其钥匙容易丢失；保险箱主要用机械密码锁，其结构较为复杂，制造精度要求高，成本高，且易出现故障，人们常需携带多把钥匙，使用极不方便，且钥匙丢失后安全性即大打折扣。针对这些锁具给人们带来的不便若使用机械式钥匙开锁，为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。它的出现为人们的生活带来了很大的方便，有很广阔的市场前景。由于电子器件所限，以前开发的电子密码锁，其种类不多，保密性差，最基本的就是只依靠最简单的模拟电子开关来实现的，制作简单但很不安全，在后为多是基于EDA来实现的，其电路结构复杂，电子元件繁多，也有使用早先的20引角的2051系列单片机来实现的，但密码简单，易破解。随着电子元件的进一步发展，电子密码锁也出现了很多的种类，功能日益强大，使用更加方便，安全保密性更强，由以前的单密码输入发展到现在的，密码加感应元件，实现了真真的电子加密，用户只有密码或电子钥匙中的一样，是打不开锁的，随着电子元件的发展及人们对保密性需求的提高出现了越来越多的电子密码锁。 出于安全、方便等方面的需要许多电子密码锁已相继问世。但这类产品的特点是针对特定有效卡、指纹或声音有效，且不能实现远程控制，只能适用于保密要求高且供个人使用的箱、柜、房间等。由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为钥匙的电子信息，组合使用这些信息能够使电子防盗锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子防盗锁，这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。组合使用信息也能够使电子防盗锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。可以看出组合使用电子信息是电子密码锁以后发展的趋势。 本设计采用单片机为主控芯片AT89C52，结合外围电路，组成电子密码锁，用户想要打开锁，必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开，密码输入错误有提示，为提高安全性，当密码输入错误三次将报警。密码可以由用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。

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2 总体方案设计

2.1 方案论证

2.1.1方案一采用单片机方案

本设计选用单片机AT89C52作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接LCD1602显示器用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键0－9输入密码。密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后输入原来的密码，只有当输入的原密码正确后才能设置新密码。新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。

本设计的系统方框图如图2.1，由以上的方案可以知道本系统主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警。

图2.1 系统方框图

2.1.2 方案二采用数字电路方案控制

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，需要重新输入；如果用户输入密码的时间超过10秒（一般情况下，用户不会超过10秒，若用户觉得不便，还可以修改）电路将报警20秒，若电路连续报警三次，电路将锁定键盘2分钟，防止他人的非法操作。

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电路由两大部分组成：密码锁电路和备用电源(UPS)，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。电路框图如图2.2所示。

图2.2 密码锁电路

2.2 方案比较及可行性

案一采用基于单片机实现的电子密码锁，其中硬件电路设计具有按键有效提示、输

入错误提示、控制开锁电平、控制报警电路、修改密码电路等多种功能。密码锁内部的单片机是核心处理设备，单片机有体积小、质量轻、价格便宜诸多优点。单片机软件部分软件的设计主要是 52 单片机的程序编写且单片机是靠程序运行的，如果需要修改只需要修改程序，不需要将整个硬件电路做整修，这不仅以节约资源而且可以节约时间，提高工作效率。因为通过不同的程序可以实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能。这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的，但是单片机却可以轻松解决。通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性，比起数电中逻辑器件这个优点显而易见，因此方案一比方案二合适。

综上，本次设计最优选择为方案一即采用AT89C51为核心的单片机控制，其方案的可行性如下：

单片机价格实惠，因而毕业设计成本不高。 ? 单片机型号、种类多，在市场上容易购买。 ? 电路的安装和调试都比较容易方便，比较易于实现

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3 单元模块设计

3.1 各单元的设计

3.1.1 键盘输入模块

本系统中的键盘输入部分是由16个小键盘拼接而成的，采用的是矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如清空显示功能等。键盘的每个按键功能在程序设计中设置。其大体功能（看键盘按键上的标记）及与单片机引脚接法如图3.1所示：

图3.1 按键图

3.1.2 显示部分

为了提高密码锁的密码显示效果能力。本设计的显示部分由液晶显示器LCD1602取代普通的数码管来完成。只有按下键盘上的开启按键后，显示器才处于开启状态。同理只有按下关闭按键后显示器才处于关闭状态。否则显示器将一直处于初始状态，当需要对密码锁进行开锁时，按下键盘上的开锁按键后利用键盘上的数字键0－9输入密码，每按下一个数字键后在显示器上显示一个*，输入多少位就显示多少个*。当密码输入完成时，按下确认键，如果输入的密码正确的话， LCD子显示“RIGHT”，单片机其中P2.0引角会输出低电平，使三极管T2导通，电磁铁吸合，电子密码锁被打开，如果密码不正确，LCD显示屏会显示“ERROR”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能被打开。通过LCD显示屏，可以清楚的判断出锁所处的状态。其显示部分引脚接口如图3.2所示：

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图3.2 显示电路原理图

3.1.3电路复位部分

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN无效。地址锁存信号ALE也为高电平。根据实际情况选择如图5所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻RST上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST端的电位由R5与R6分压比决定。由于R5<

图3.3 复位电路原理图

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3.1.4 LED显示部分

本设计用了一个LED灯,当密码输入错误是灯亮，其原理图如图3.4所示：

图3.4 LED显示部分

3.1.5 晶振部分

AT89C52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C3按图3.5所示方式连接。晶振、电容C2、C3及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C2、C3的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在5～30pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ做为系统的外部晶振。电容取值为100nF。

图3.5 晶振电路原理图

3.1.6 开锁部分

开锁控制电路的功能是当输入正确的密码后将锁打开。用户通过键盘任意设置密码，并储存在EEPROM中作为锁码指令。只有用户操作键盘时，单片机的电源端才能得到3V电源，否则．单片机处于节电工作方式。开锁步骤如下：首先按下键盘上的开锁按键，然后利用键盘上的数字键0－9输入密码，最后按下确认键。当用户输入一密码后，单片机自动识码，如果识码不符，则报警。只有当识码正确，完成本次开锁。开锁以后，单片机自动清除掉由用户输人的这个密码。

3.2 主要器件介绍

3.2.1主控芯片AT89C52

T89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序

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存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52具有如下特点：AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图3.6 AT89C52芯片引脚图

3.2.2 LCD1602显示器

现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。 1602型LCD的接口信号说明如表1所示：

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表1

1602型LCD的主要技术参数如下表所示：

表2

基本操作程序

读状态：输入：RS=L，RW=L， E=H 输出：D0~D7=状态字 读数据：输入：RS=H，RW=H， E=H 输出：无

写指令：输入：RS=L，RW=L， D0~D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0~D7=数据 写数据：输入：RS=H，RW=L， D0~D7=数据， E=高脉冲 输出：无

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4 软件设计

本系统软件设计由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。主要程序设计流程图如下所示：

图4.1 主程序流程图

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图4.2 密码设置流程图

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图4.3 开锁流程图

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5 系统调试

调试过程如下：

首先把密码锁接通电源，使之运行程序，从而置入初始密码，其模拟电路图如图5.1所示，当前状态为初始状态，这时的初始密码根据程序可作为：111222，此时从键盘上依次按下代表1，1，1，2，2，2的按键在按下代表确认的键，当输入密码正确时模拟图如图5.2所示。若输入密码错误时，其模拟图如图5.3所示。

图5.1（ 输入口令）

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图5.2 输入正确密码

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图5.3 输入错误密码

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6 系统功能 指标参数

设计目标：用AT89C52设计一个数字密码锁，具有按键有效提示，输入错误提示，控制开锁电路，控制报警电路，修改密码，输入错误3次时自锁等多种功能。 实际功能：具有控制开锁电路，控制报警电路，按键有效提示等功能。 指标参数：实际测试结果如下图

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7 结论

本设计从经济实用的角度出发，采用美国Atmel公司的单片机AT89C52作为主控芯片与数据存储器单元，结合外围的键盘输入、显示、报警、开锁等电路并用C编写主控芯片的控制程序，研制了一款具有报警功能的电子密码锁。设计大概可以达到设计目的。使用单片机制作的电子密码锁具有软硬件设计简单，易于开发，成本较低，安全可靠，操作方便等特点。可应用于住宅、办公室的保险箱及档案柜等需要防盗的场所，有一定的实用性 。

但本次设计在设计密码可更改时，遇到了难以解决的程序问题，因为时间和设计者本身对C语言不是太熟悉的问题，所以本次设计未能完成密码可更改的问题。因此本设计作品今后的改进方向是解决密码的可更改和3次输入密码错误是的自锁问题，使的所设计的密码锁能在泄漏密码的情况下更改密码后能继续使用而不至于废弃。借此来更为熟练的掌握C语言的编程和单片机的应用。

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8 总结体会

本次设计通过硬件电路设计、软件编程、硬件调试、软件调试以及系统调试完成了设计要求，达到了设计目的。本次设计最终的结果如下： ?

（1）电子密码锁通过键盘能成功进行输入密码； ? （2）LCD液晶显示屏上能显示输入的密码； ?

（3）能判断输入的密码是否正确并且能显示判断结果； ? （4）能在密码输入正确后开门； ?

通过本次设计，我们把所学的单片机和C语言编程能够灵活的运用到实际中去，而不在是只能纸上谈兵。并且我们认识到光依靠书本上的知识是不够的，本次设计中，我们遇到了很多难点，只依靠书本所学知识是不能够解决的，我们查找了很多课外资料才能完成本次设计。

其次在实现上述功能时，也存在许多不足。第一，在密码输入正确时除了要使代表电磁吸合器的发光二极管发光以外，还应该加上语音模块，提示门开，这样更人性化一些。第二，密码输入错误次数为三次时，也应该采取措施提醒。第三，密码修改部分，本次设计未能实现。第四，本次设计的电子密码锁，安全方面还可以提高进步。本设计中的报警系统只是一个简单的系统，要应用于实际生活还需要进一步改进。

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9 参考文献

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附录一：相关设计图

原理图

仿真图

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实物图

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附录二 ：元件清单

AT89C52 LCD1602 4*4矩阵键盘 蜂鸣器

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LED灯 导线若干

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附录三：相关设计软件

设计软件KEIL

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