第一章 緒論
1.1 課題背景和意義
隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,單片機(jī)性能不斷完善,性能價(jià)格比顯著提高,技術(shù)日趨完善。由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格便宜、功耗低、控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn),因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)及附加電子元器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制算法,來完成某一實(shí)際功能。
隨著人們生活水平的提高和安全意識(shí)的加強(qiáng),對(duì)安全的要求也就越來越高。鎖自古以來就是把守護(hù)門的鐵將軍,人們對(duì)它要求甚高,既要安全可靠的防盜,又要使用方便,這也是制鎖者長(zhǎng)期以來研制的主題。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各類電子產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,電子密碼鎖就是其中之一。電子鎖是通過鍵盤輸入一組密碼完成開鎖過程。研究這種鎖的初衷,就是為提高鎖的安全性。由于電子鎖的密鑰量(密碼量)極大,可以與機(jī)械鎖配合使用,并且可以避免因鑰匙被仿制而留下安全隱患。電子鎖只需記住一組密碼,無需攜帶金屬鑰匙,免除了人們攜帶金屬鑰匙的煩惱,而被越來越多的人所欣賞。電子鎖的種類繁多,例如數(shù)碼鎖,指紋鎖,磁卡鎖,IC卡鎖,生物鎖等。但較實(shí)用的還是按鍵式電子密碼鎖。
20世紀(jì)80年代后,隨著電子鎖專用集成電路的出現(xiàn),電子鎖的體積縮小,可靠性提高,成本較高,是適合使用在安全性要求較高的場(chǎng)合,且需要有電源提供能量,使用還局限在一定范圍,難以普及,所以對(duì)它的研究一直沒有明顯進(jìn)展。
目前,在西方發(fā)達(dá)國(guó)家,電子密碼鎖技術(shù)相對(duì)先進(jìn),種類齊全,電子密碼鎖已被廣泛應(yīng)用于智能門禁系統(tǒng)中,通過多種更加安全,更加可靠的技術(shù)實(shí)現(xiàn)大門的管理。國(guó)內(nèi)的不少企業(yè)也引進(jìn)了世界上先進(jìn)的技術(shù),發(fā)展前景非??捎^。希望通過不斷的努力,使電子密碼鎖在我國(guó)也能得到廣泛應(yīng)用。
1.2 電子密碼鎖發(fā)展趨勢(shì)
電子密碼鎖應(yīng)用于金融業(yè),其根本的作用是“授權(quán)”,即被“授權(quán)”的人才可以存取錢、物。廣義上講,金融業(yè)的“授權(quán)”主要包括以下三種層次的內(nèi)容:1、授予保管權(quán),如使用保管箱、保險(xiǎn)箱和保險(xiǎn)柜;2、授予出入權(quán),如出入金庫(kù)、運(yùn)鈔車和保管室;3、授予流通權(quán),如自動(dòng)存取款。目前,金融行業(yè)電子密碼鎖的應(yīng)用主要集中在前兩個(gè)層面上。下面將介紹幾種在金融行業(yè)中使用較多的電子密碼鎖以及它們的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)然,以上所說的授權(quán)技術(shù)再高超,都必須由精良的“鎖具”擔(dān)當(dāng)承載結(jié)構(gòu)部件,實(shí)現(xiàn)開啟、閉鎖的功能,而且承擔(dān)實(shí)體防護(hù)作用,抵抗住或盡量延遲破壞行為,讓電子密碼鎖“軟、硬不吃”。一般情況下,鎖具防盜的關(guān)鍵是鎖身外殼、閉鎖的部件的強(qiáng)度、鎖止型式、配合間隙和布局。提高電子密碼鎖之防護(hù)能力的必然途徑是報(bào)警,在金融業(yè)的許多場(chǎng)所有人值守、有電視監(jiān)控,具有報(bào)警功能,可以綜合物理防范和人力防范兩種作用。報(bào)警的前提是具備探測(cè)功能,根據(jù)電子密碼鎖的使用場(chǎng)所和防護(hù)要求,可選擇多種多樣的探測(cè)手段。在中國(guó)的城市金融業(yè)中,實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)報(bào)警已經(jīng)成為對(duì)各金融網(wǎng)點(diǎn)的基本要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),金融業(yè)實(shí)行安全防范風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)很有必要,即依據(jù)使用的防盜報(bào)警器材的性能、安裝布局和人員值守狀況等,可以評(píng)估被防護(hù)物或區(qū)域的防護(hù)能力,得出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),其中,電子密碼鎖的性能至關(guān)重要。
由于數(shù)字、字符、圖形圖像、人體生物特征和時(shí)間等要素均可成為鑰匙的電子信息,組合使用這些信息能夠使電子密碼鎖獲得高度的保密性,如防范森嚴(yán)的金庫(kù),需要使用復(fù)合信息密碼的電子密碼鎖,這樣對(duì)盜賊而言是“道高一尺、魔高一丈”。組合使用信息也能夠使電子密碼鎖獲得無窮擴(kuò)展的可能,使產(chǎn)品多樣化,對(duì)用戶而言是“千挑百選、自得其所”。
圖1.1 總體框圖
?工作過程
(1)按鍵設(shè)置6位密碼,輸入密碼,通過單片機(jī)判斷,若密碼正確,通過則鎖打開,顯示open!
(2)首次使用時(shí)輸入:131420,對(duì)密碼進(jìn)行初始化,當(dāng)顯示:initpassword,證明密碼初始化完成,此時(shí)的密碼為:000000。
第二章 設(shè)計(jì)思想
(1)本設(shè)計(jì)為了防止密碼被竊取要求在輸入密碼時(shí)在LCD屏幕上顯示*號(hào)。
(2)設(shè)計(jì)開鎖密碼位六位密碼的電子密碼鎖。
(3)能夠LCD顯示在密碼正確時(shí)顯示open!,密碼錯(cuò)誤時(shí)顯示ERROR,輸入密碼時(shí)顯示initpassword。
(4)實(shí)現(xiàn)輸入密碼錯(cuò)誤超過限定的三次電子密碼鎖定。
(5)4×4的矩陣鍵盤其中包括0-9的數(shù)字鍵和A-D的功能鍵
(6)本產(chǎn)品具備報(bào)警功能,當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)蜂鳴器響并且LED燈亮。
(7)密碼可以由用戶自己修改設(shè)定(只支持6位密碼),修改密碼之前必須再次輸入密碼,在輸入新密碼時(shí)候需要二次確認(rèn),以防止誤操作
第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1硬件支持
STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上,擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能: 8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM, 32 位I/O 口線,看門狗定時(shí)器,內(nèi)置8KB EEPROM,MAX810復(fù)位電路,三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下,CPU 停止工作,允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz,6T/12T可選。
圖3-1 STC89C52單片機(jī)引腳圖
主要特性如下:
(1) 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī),6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任 意選擇,指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.
(2)工作電壓:5.5V~3.3V(5V 單片機(jī))/3.8V~2.0V(3V 單片機(jī))
(3) 工作頻率范圍:0~40MHz,相當(dāng)于普通 8051 的 0~80MHz,實(shí)際工 作頻率可達(dá) 48MHz
(4) 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)
(5) 片上集成 512 字節(jié) RAM
(6) 通用 I/O 口 (32 個(gè)) 復(fù)位后為: , P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉, P0 口是漏極開路輸出,作為總線擴(kuò)展用時(shí),不用加上拉電阻,作為 I/O 口用時(shí),需加上拉電阻。
(7)ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程) ,無需專用編程器,無 需專用仿真器,可通過串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下載用戶程 序,數(shù)秒即可完成一片
(8)具有 EEPROM 功能
(9)具有看門狗功能
(10)共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 T0、T1、T2
(11)外部中斷 4 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路,Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒
(12)通用異步串行口(UART) ,還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART
(13) 工作溫度范圍:-40~+85℃(工業(yè)級(jí))/0~75℃(商業(yè)級(jí))
3.1.2液晶顯示LCD1602的介紹
(1)LM1602字符型模塊的性能
重量輕:<100g;
體積?。?lt;11mm 厚;
功耗低:10—15mW;
顯示內(nèi)容:192 種字符(5×7 點(diǎn)字型);
32 種字符(5×10 點(diǎn)字型);
可自編8(5×7)或許(5×10)種字符;
指令功能強(qiáng):可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求;
接口簡(jiǎn)單方便:可與8 位微處理器或微控制器相聯(lián);
工作溫度寬:0—50oC
可靠性高:壽命為50,000 小時(shí)(25oC)
圖3-2 液晶原理圖
3.1.3自鎖開關(guān)說明
自鎖開關(guān)電路中起到電源的開關(guān)作用,常開的其中一腳接DC電源插口電源腳,常開的另一腳接電路的VCC
圖3-3自鎖開關(guān)原理圖 圖3-4 自鎖開關(guān)硬件圖
3.1.4上拉電阻介紹
其實(shí)排阻就是由8個(gè)電阻組成的,其中一端全部接在一起,103為8個(gè)10K電阻,
102為8個(gè)1K電阻,他們?cè)陔娐分衅鸬健吧侠钡淖饔?,又稱上拉電阻。
上拉就是將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻嵌位在高電平,電阻同時(shí)起限流作用,下拉同理.
上拉是對(duì)器件注入電流,下拉是輸出電流,弱強(qiáng)只是上拉電阻的阻值不同,沒有什么嚴(yán)格區(qū)分,對(duì)于非集電極(或漏極)開路輸出型電路(如普通門電路)提升電流和電壓的能力是有限的,上拉電阻的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道。
上拉,就是把電位拉高,比如拉到VCC
下拉,就是把電壓拉低,拉到GND
一般就是剛上電的時(shí)候,端口電壓不穩(wěn)定,為了讓他穩(wěn)定為高或低,就會(huì)用到上拉或下拉電阻。
有些芯片內(nèi)部集成了上拉電阻(如單片機(jī)的P1、2、3口),所以外部就不用上拉電阻了。但是有一些開漏的(如單片機(jī)的P0口),外部必須加上拉電阻。
圖3-5 排組上拉電阻原理圖
3.1.5三極管介紹
常見的三極管為9012、s8550、9013、s8050.單片機(jī)應(yīng)用電路中三極管主要的作用就是開關(guān)作用。
其中9012與8550為pnp型三極管,可以通用。
其中9013與8050為npn型三極管,可以通用。
區(qū)別引腳:三極管向著自己,引腳從左到右分別為ebc,原理圖中有箭頭的一端為e,與電阻相連的為b,另一個(gè)為c。箭頭向里指為PNP(9012或8550),箭頭向外指為NPN(9013或8050)。
三極管的工作原理
三極管是電流放大器件,有三個(gè)極,分別叫做集電極C,基極B,發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。
(1)電流放大
下面的分析僅對(duì)于NPN型硅三極管。如上圖所示,我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的,所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是:集電極電流受基極電流的控制(假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話),并且基極電流很小的變化,會(huì)引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系:集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍,即電流變化被放大了β倍,所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)(β一般遠(yuǎn)大于1,例如幾十,幾百)。如果我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟發(fā)射 極之間,這就會(huì)引起基極電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個(gè)電阻R的,那么根據(jù)電壓計(jì)算公式 U=R*I 可以算得,這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來,就得到了放大后的電壓信號(hào)了。
(2)偏置電路
三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí),還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性(相當(dāng)于一個(gè)二極管),基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產(chǎn)生(對(duì)于硅管,常取0.7V)。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時(shí),基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號(hào)往往遠(yuǎn)比 0.7V要小,如果不加偏置的話,這么小的信號(hào)就不足以引起基極電流的改變(因?yàn)樾∮?.7V時(shí),基極電流都是0)。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個(gè)合適的電流(叫做偏置電流,上圖中那個(gè)電阻Rb就是用來提供這個(gè)電流的,所以它被叫做基極偏置電阻),那么當(dāng)一個(gè)小信號(hào)跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí),小 信號(hào)就會(huì)導(dǎo)致基極電流的變化,而基極電流的變化,就會(huì)被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號(hào)范圍的要求,如果沒有加偏置,那么只有對(duì)那些增加的 信號(hào)放大,而對(duì)減小的信號(hào)無效(因?yàn)闆]有偏置時(shí)集電極電流為0,不能再減小了)。而加上偏置,事先讓集電極有一定的電流,當(dāng)輸入的基極電流變小時(shí),集電極 電流就可以減??;當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí),集電極電流就增大。這樣減小的信號(hào)和增大的信號(hào)都可以被放大了。
(3)開關(guān)作用
下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖,因?yàn)槭艿诫娮?Rc的限制(Rc是固定值,那么最大電流為U/Rc,其中U為電源電壓),集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大,不能使集電極電流繼續(xù)增大 時(shí),三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是:Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后,三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小,可以理解為 一個(gè)開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用:當(dāng)基極電流為0時(shí),三極管集電極電流為0(這叫做三極管截止),相當(dāng)于開關(guān)斷開;當(dāng)基極電流很 大,以至于三極管飽和時(shí),相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài),那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。
(4)工作狀態(tài)
如果我們?cè)谏厦孢@個(gè)圖中,將電阻Rc換成一個(gè)燈泡,那么當(dāng)基極電流為0時(shí),集電極電流為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時(shí)(大于流過燈泡的電流除以三極管 的放大倍數(shù) β),三極管就飽和,相當(dāng)于開關(guān)閉合,燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點(diǎn)就行了,所以就可以用一個(gè)小電流來控制一個(gè)大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加,那么燈泡的亮度也會(huì)隨著增加(在三極管未飽和之前)。
圖3-6 三極管引腳介紹 圖3-7 PNP型原理圖 圖3-8 NPN型原理圖
3.1.6繼電器介紹
電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓,線圈中就會(huì)流過一定的電流,從而產(chǎn)生電磁效應(yīng),銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯,從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開觸點(diǎn))吸合。當(dāng)線圈斷電后,電磁的吸力也隨之消失,銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置,使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))釋放。這樣吸合、釋放,從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn),可以這樣來區(qū)分:繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn),稱為“常開觸點(diǎn)”;處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有兩股電路,為低壓控制電路和高壓工作電路。
繼電器的線圈和接線端子是分立的,互補(bǔ)影響的~~~~繼電器的觸點(diǎn)只相當(dāng)于開關(guān)
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