一、設計目的
1.1課題簡介
如何實現防盜是很多人關心的問題，傳統的機械鎖由於其構造簡單，被撬的事件屢見不鮮，使人們的人身及財產安全受到很大威脅。電子密碼鎖是一種依靠電子電路來控制電磁鎖的開與閉的裝置，開鎖需要輸入正確密碼，若密碼洩露，使用者可以隨時更改密碼。因此其保密性高，使用靈活性好，安全係數高，可以滿足廣大使用者的需要，現在廣泛使用的有紅外遙控電子密碼鎖，聲控密碼鎖，按鍵密碼鎖等。
1.2課題研究目的
本設計是一種基於微控制器的密碼鎖方案，根據基本要求規劃微控制器密碼鎖的硬體電路和軟體程式，同時對微控制器的型號選擇、硬體設計、軟體流程圖、微控制器儲存單元的分配等都有注釋。現在很多地方都需要密碼鎖，電子密碼鎖的效能和安全性大大超過了機械鎖，為了提高密碼的保密性，必須可以經常更改密碼，以便密碼被盜時可以修改密碼。
本次設計的密碼鎖具備的功能：led數碼管顯示初始狀態「——————」，使用者通過鍵盤輸入密碼，每輸入一位密碼，led數碼管相應有一位變為「p」 ，若想重新輸入密碼，只需按下「clr」鍵。密碼輸入完畢後按確認鍵「#」 ，密碼鎖控制晶元將輸入的密碼與密碼鎖控制晶元中儲存的密碼相比，若密碼錯誤，則不開鎖，會有紅燈亮提示，同時顯示「error」 。
若正確，則開鎖，會有綠燈亮提示，同時顯示「pass」 。使用者可以根據實際情況隨意改變密碼值或密碼長度，密碼輸入正確後可以按下「chg」修改密碼，輸入新密碼時每輸入一位新密碼相應有一位變為「h」 ，以便提示使用者此時輸入的是新密碼，修改新密碼時若想重新輸入新密碼只需按下「clr」 鍵即可。輸入新密碼後按確認鍵即修改成功，新密碼寫入微控制器內部ram中，以便以後用來確認密碼的正確性。
按下復位鍵，系統恢復初始狀態，密碼也恢復初始密碼，本設計中初始密碼是「096168」。
本次設計中硬體主要由我完成，軟體主要由張振完成。
二、硬體設計
2.1概述
本系統主要由微控制器最小系統、電源電路、輸入鍵盤電路、輸出顯示電路、開鎖電路等組成,系統框圖如圖1所示:
圖1 系統框圖
2.2最小系統
1.微控制器：微控制器最小系統包括微控制器、晶振電路、復位電路等,最小系統是整個系統的核心部分,也是設計中首先應該設計的部分,其中微控制器的選擇直接決定著之後整個設計應該如何進行, 因為我們剛剛學完微控制器,學習時是以mcs-51微控制器為主的,對51系列微控制器最熟悉,因此決定選用51系列微控制器, 51系列微控制器中atmel89c51應用最為廣泛，且**較低，效能完全能滿足本次設計，因此決定選用at89c51晶元。
at89c51外形及引腳排列如圖2所示：
圖2 at89c51外形及引腳排列
at89c51主要特性：
·與mcs-51 相容
·4k位元組可程式設計閃爍儲存器
·1000次寫入/擦除迴圈
·資料保留時間：10年
·全靜態工作：0hz-24mhz
·**程式儲存器鎖定
·128×8位內部ram
·32可程式設計i/o線
·兩個16位定時器/計數器
·5個中斷源
·可程式設計序列通道
·低功耗的閒置和掉電模式
·片內振盪器和時鐘電路
2.晶振電路
圖3 晶振電路
at89c51中有乙個用於構成內部振盪器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體一起構成自激振盪器，晶振電路如圖3所示。
石英晶體振盪電路對外置電容c2和c3雖沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振盪頻率的高低、振盪器工作的穩定性、起振的難易程度，一般電容使用30pf±10pf,這裡使用30pf的獨石電容。
因此晶振電路中使用12m晶振，30pf獨石電容。
3.復位電路
如圖4所示為80c51微控制器復位電路。結合實際需求，本次設計加入了手動復位。rc構成微分電路，在接電瞬間，產生乙個微分脈衝，其寬度若大於2個機器週期，80c51型微控制器將復位，為保證微分脈衝寬度足夠大，這裡取10μf電容、10kω電阻。
若按下復位鍵，則c1被短路，r1兩端電壓為vcc，產生的高電平時間足以使微控制器復位
圖4 復位電路
關於復位電路的計算如下：
at89c51的最低復位電平是0.7vcc
v1 為電容最終可充到的電壓值
vt 為t時刻電容上的電壓值
則， vt=v1×[1-exp(-t/rc)]
即， t = rc×ln[v1/(v1-vt)]
在c1充電到0.7vcc前，r1上電壓均大於0.7vcc，即為有效復位電壓，因此需要求電容充電到0.3vcc的時間。
將v1=vcc，vt=0.3vcc代入上式： 0.3vcc=vcc×[1-exp(-t/rc)]
即[1-exp(-t/rc)]=0.3；
∴exp(-t/rc）=0.7
∴- t/rc=ln(0.7)
∴t/rc=ln(1.43) ln（1.43）≈0.35
也就是t=0.35rc。帶入r=10k c=10μf得。
t=0.35×10k×10uf=35ms
∵時鐘週期t=1／f=1／12m=1μs
∴2個機器週期=2t=4μs
∴t＞＞2μs
所以復位電路中電容選10μf電解電容，10k電阻，乙隻按鍵開關可以使電路上電復位和手動復位。
4.儲存器設定電路
最小系統電路的最後部分是儲存器的設定，如果把31腳（ea）接地，則採用外部程式儲存器，如果將其接vcc，則採用內部程式儲存器。at89c51具有4kb可程式設計閃爍儲存器，足以滿足本設計要求，因此不採用外部程式儲存器，即將31腳（ea）接vcc，如圖5所示：
圖5 儲存器設定電路
2.3電源電路
本次設計的電源採用以前模擬電路課程設計做的直流穩壓電源，電源採用lm7805三端穩壓器，外形及引腳排列如圖6所示用lm7805來組成穩壓電源所需的外圍元件較少，lm7805電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且**便宜。該系列整合穩壓ic型號中的lm78xx後面的數字代表該三端整合穩壓電路的輸出電壓，如lm7805表示輸出電壓為正5v，因為本設計中微控制器和各個晶元的工作電壓均為5v，因而採用lm7805圖6 lm7805
圖7 直流穩壓源電路
電源電路如圖7所示，220v市電通過變壓器降壓成12v的交流電,經過整流橋整流,再經7805穩壓到5v。c1、c2和c3具有濾波功能，使電流更加穩定，保證了系統的穩定執行。
2.4鍵盤電路
本設計採用矩陣式鍵盤，又稱行列式鍵盤，是將i/o線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設定在行線和列線的交叉點上，行列線分別連線到按鍵開關的兩端，當鍵按下時，兩導線連通。這種設計能減少鍵盤與微控制器i/o接線的數目，只需要n個行線和m個列線就可以實現n×m個鍵的操作，在按鍵比較多的時候，通常採用這種方法。其電路如圖8所示：
圖8 矩陣式鍵盤電路圖
行線作為輸入，通過上拉電阻接+5v，被鉗位在高電平狀態。列線作為輸出，通過列線輸出掃瞄碼，通過行線讀入行線狀態來判斷是哪一鍵被按下。
圖示電路中各鍵的鍵值從第一行左起依次為11h、 12h、 14h、18h、21h、22h、24h、28h、41h、42h、44h、48h、81h、82h、84h、88h。
鍵盤各鍵值通過查鍵值表可以轉換為相應的**，代表不同的值。本設計中要用到13個鍵，分別為0～9鍵用於輸入六位密碼，確認鍵『#』用於輸入密碼完畢後確認，清除鍵『clr』用於想重新輸入時清楚之前輸入的密碼，修改密碼鍵『chg』用於輸入密碼驗證正確後選擇修改密碼，剩餘三個鍵未用，可以留待以後擴充套件功能，鍵盤如圖9所示：
圖9 鍵盤
2.5顯示電路
本系統設計的顯示電路是為了給使用者以提示而設定的。考慮到節約微控制器的口資源，本系統的顯示採用序列顯示的方式，只使用微控制器的兩個序列口p3.0（rxd）和p3.
1（txd），就可以完成微控制器的顯示功能。本部分電路主要使用七段數碼管和移位暫存器晶元74ls164。微控制器將要顯示的資料訊號傳送到移位暫存器晶元74ls164寄存，再由移位暫存器控制數碼圖10 74ls164管腳圖管的顯示，從而實現移位寄存點亮數碼管顯示。
由於微控制器的時鐘頻率達到12m，移位暫存器的移位速度相當快，所以我們根本看不到資料是一位一位傳輸的。彷彿是全部數碼管同時顯示的一樣。74ls164是序列輸入帶鎖存的8位移位暫存器，其管腳圖見圖10，真值表見表1當清除端（clear）為低電平時，輸出端（qa－qh）均為低電平。
序列資料輸入端（a，b）可控制資料。當 a、b 任意乙個為低電平，則禁止新資料輸入，在時鐘端（clock）脈衝上公升沿作用下 q0 為低電平。當 a、b 有乙個為高電平，則另乙個就允許輸入資料，並在 clock 上公升沿作用下決定 q0 的狀態.
表1 74ls164真值表
74ls164主要特性
序列輸入帶鎖存
時鐘輸入,序列輸入帶緩衝
非同步清除
最高時鐘頻率可高達36mhz
功耗：10mw/bit
工作溫度： 0°c to 70°c
vcc最高電壓：7v
輸入最高電壓：7v
最大輸出驅動能力：
高電平：－0.4ma
數碼低電平：8ma
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