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串行通信的电子密码锁设计全套资料.rar-硬件开发文档类资源-CSDN下载https://download.csdn.net/download/u013253075/78686275?spm=1001.2014.3001.5503

目    录

1 引    言................................................................................... 1

2 系统概述................................................................................... 3

3 方案选择................................................................................... 4

3.1密码锁功能实现方法选择.............................................. 4

3.1.1方案1——基于一个51单片机的电子密码锁设计...................................................................................................... 4

3.1.2 方案2——基于两个单片机串行通信的电子密码锁.................................................................................................. 4

3.2语音芯片的选择................................................................. 5

4系统硬件电路的设计............................................................ 7

4.1 系统核心部分——闪电存储型器件AT89S52........ 7

4.1.1 AT89S52具有下列主要性能.................................... 7

4.1.2 AT89S52的引脚及功能.............................................. 8

4.1.3 信号引脚的第二功能.................................................. 9

4.2 串口通信............................................................................ 10

4.2.1 串口通信方式.............................................................. 10

4.2.2 串行通信控制寄存器............................................... 11

4.2.3 数据发送与接收......................................................... 11

4.3语音电路............................................................................. 12

4.3.1语言芯片ISD2540....................................................... 12

4.3.2 ISD2540典型应用..................................................... 15

4.3.3工作模式......................................................................... 17

4.3.4分段录放音.................................................................... 18

4.3.5语音控制电路............................................................... 18

4.4电平转换电路.................................................................... 19

4.4.1电平转换芯片............................................................... 19

4.4.2 MAX232芯片................................................................. 20

4.4.3连接电路图.................................................................... 20

4.5键盘电路............................................................................. 21

4.5.1 单片机键盘和键盘接口概述................................. 21

4.5.2 单片机键盘接口和键功能的实现....................... 22

5 系统程序的设计................................................................... 26

5.1 外部单片机发送密码程序的设计............................ 26

5.2 键处理的流程图.............................................................. 27

5.3 内部单片机程序.............................................................. 28

5.4 语音播放调用程序......................................................... 28

6 测试结果................................................................................. 30

结    论...................................................................................... 31

参考文献...................................................................................... 32

附录1：程序............................................................................. 33

附录2：整体电路图............................................................... 41

外文翻译...................................................................................... 43

致    谢...................................................................................... 59

1 引    言

自从20世纪70年代问世以后，单片机作为微型计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已对很多领域产生了重大影响。尤其是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠...................

单片机不仅在控制外围器件中有着重要的用途，其通信功能在现代控制系统中越来越显得重要。在众多的连接方案中，当然包括传统串口设备。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可避免多条线路特性...................

RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通信接口。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...............

在通信中，常用串行通信的方式实现下位机数据的采集和上位机对下位机的控制。由于串行通信是在一根传输线上一位一位地传送信息，所以传输...................

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通常多以加锁的方式来保存。目前，最常用的锁是20世纪50年代意大利人设计的机械锁，其机构简单、使用方便、价格便宜。但在使用中暴露了很多缺点：一是机械锁是靠金属制成的钥匙上的不同齿形与锁芯的配合..................

出于安全、方便等方面的需要，许多智能锁(如指纹辨别、IC卡识别)已相继问世，但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保..............

随着人们生活水平的提高， 电子密码防盗锁作为防盗卫士的作用日趋重要。电子密码防盗锁用密码代替钥匙，不但省去了.................

本设计是单片机之间的串行通信应用于电子密码锁，同时电子密......................

2 系统概述

本设计由语音播放、单片机、键盘、数码显示和电源模块等五部分组成，系统框图如图2-1所示。其中单片机部分的作用是控制语音播放、键盘和...............

图2-1 系统框图

3 方案选择

    由于电子密码锁的种类比较多，因此方案选择在设计中是至关重要的。正确地选择方案可以减小开发难度，缩短开发..................

3.1密码锁功能实现方法选择

3.1.1方案1——基于一个51单片机的电子密码锁设计

只用一个51单片机完成电子密码锁[1]的功能，包括输入密码的比较、显示、设置新密码。用4×4键盘组成0～9数字键以及确认、取消功能.................

  1. 加电后，显...............
  2. 输入过程中，如果不小心出现输入错误，可按“取消”键清...................
  3. 当密码输入完毕按下“确认”键时，单片机将输入的密码..................

此种方法实现了简单密码锁的基本功能，但其不能修改...............

3.1.2 方案2——基于两个单片机串行通信的电子密码锁

电子号码锁在实际应用中应该有两部分，一部分在外部，有键..................

  1. 加电后，显示“000000”。
  2. 在外部键盘输入密码，数码管显示相应数字。
  3. 输入过程中，如果不小心出现输入错误，可按“取消”键清除...............
  4. 当6为输入密码全部输入完毕后，按“确认”键...............
  5. 在内部数码管显示外部键盘输入密码，并与预设密..................
  6. 管理员可以使用内部键盘察看当前密码、修改密....................

这种方案，用户可以在内部显示当前密码、设置新密码、打开密................

3.2语音芯片的选择

表3-1  普遍的语音芯片

型号

特征

TE6310

语音长度：10sec

采样频率（KHz）：6.4

放音触发：放音触发

工作电压（V）：4.5～5.5

工作电流（mA）：30

静态电流（uA）：2

TE6332

语音长度：32sec

采样频率（KHz）：4～6.4

MIC前置：YES

工作电压（V）：2.7～3.3

工作电流（mA）：10

ISD1420

语音长度：20sec

采样频率（KHz）：6.4

放音触发：边缘/电平

工作电压（V）：4.5～5.5

工作电流（mA）：30

静态电流（uA）：10

ISD2540

语音长度：40sec

采样频率（KHz）：6.4

放音触发：电平

工作电压（V）：4.5～5.5

工作电流（mA）：30

静态电流（uA）：2

语音芯片[2]就是在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的芯片。目前市场上流行的语音芯片有很多，比较常见和使用.................

从性价比的角度考虑，美国的ISD公司的ISD系列语音芯片可谓一...............

  1. 采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟语音数..................
  2. 内部集成了大容量的EEPROM，不再.................
  3. 控制简单，控制引脚与................
  4. 集成度高、方便...............
  5. 能较好地真实再现语音的自然效果，避免了一般..............

它采用直接模拟存储技术(DAST)，将原始的语音信号以模拟形式直接存人不挥发存储器中，无须A/D和D/A转换。这种突破性的EEPROM存储方法同其它的数字存储方式相比，不仅增加了存储容量，而且提高了语音信号存储与还原的保真度。该芯片内....................

4系统硬件电路的设计

按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由两大部分组成，分为内外大部分。外部单片机部分可负责外部键盘号码的采集和显示，而内部单片机部分主要负责密码的设置、显示、判断发送来的外部键盘输入码是否是密码和语音播放功能的实现。两大..............

图4-1 电子密码锁电路系统构成框图

4.1 系统核心部分——闪电存储型器件AT89S52

4.1.1 AT89S52主要性能

AT89S52具有下列主要性能[5]：

  1. 8KB可改编程序Flash存储器（可经受1000次的写入/擦除周期）。
  2. 全静态工作：0Hz～24MHz。
  3. 三级程序存储器保密。
  4. 128×8字节内部RAM。
  5. 32条可编程I/O线。
  6. 2个16位定时器/计数器。
  7. 6个中断源。
  8. 可编程串行通道。
  9. 片内时钟振荡器。

4.1.2 AT89S52的引脚及功能

AT89S52单片机的管脚说明如图4-2所示。

图4-2 AT89S52的管脚

(1) 主要电源引脚

①VCC  电源端

②GND  接地端

(2) 外接晶体引脚XTAL........................当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡........................

②XTAL2  接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，.............................

①RST  复位输入端。 当振荡器运行时，在该引脚上出现两...................

②ALE/PROG  当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时................

③/PSEN  程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当AT89S52/LV52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次.....................

④/EA/VPP  外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA端必须保持...................

③P2端口 （P2.0～P2.7） P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口.........................

④P3端口（P3.0～P3.7）  P3口管脚是8个带内部上拉电阻的.......................

4.1.3 信号引脚的第二功能

由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的，例如MCS-51系列单片机芯片引脚的数目是40条，但单片机为实现其功能所需要的......................

解决这一问题唯一可行的办法是“复用”，即给一些信号引脚赋予双重功能。如果我们把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信...........................

(1)EPROM 存储器程序固化所...................

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功.......................

有内部EPROM的单片机芯片（例如87C51），为写入程序需提供专门的编程...............................

编程脉冲：       30脚（ALE/PROG）

编程电压（25V）：31脚（/EA/VPP）

表4-1 P3端口的特殊功能

端口引脚

兼   用   功    能

P3.0

RXD    （串行输入口）

P3.1

TXD    （串行输出口）

P3.2

/INT0  （外部中断0）

P3.3

/INT1  （外部中断1）

P3.4

T0     （ 定时器0的外部输入）

P3.5

T1     （定时器1的外部输入）

P3.6

/WR    （外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD    （外部数据存储器读选通）

(2) 备用电源引入

MCS-51单片机的备用电源也是以信号引脚第二功能的方式由9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障，电压降低到下限值时，备用电......................

4.2 串口通信

通信主要有两种方式：并行通信和串行通信。并行通信是在传送数据过程中每个字节的各位同时进行传送的通信方式，而串行通.......................

AT89S52串行口可设置四种工作方式[8]，可有8位、10位和11位帧格式。本系统中，AT89S52采用串行口工作于方式1，即每帧10位的异步..................

图4-3  帧格式图

4.2.2 串行通信控制寄存器

(1) 串行控制寄存器(SCON)

SCON的地址为98H，用于选择串行口的工作方式和指示串行口的工作状态。各位含义如下：

.................................................前，由硬件置位。因此TI=1，表示帧发送结束。

⑤ RI： 串行口接收中断标志位。在方式1中..........................

(2) 串行数据缓冲器(SBUF)

串行数据缓冲器SBUF的地址为99 H，用来存放需发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器，它.......................

(3) 电源控制寄存器(PCON)

PCON的地址为87H，该寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率..................

(4) 中断允许寄存器（IE）

在IE中，ES位为串行中断允许控制位。ES=0时...................

4.2.3 数据发送与接收

(1) 数据发送

在不发送数据时，TXD端保持高电平。当执行写SBUF的指令时，便启动一次发送过程；发送数据时，先发送一个起始位，该位通知接收端开始接收，也使发............

(2) 数据接收

REN=1，CPU允许串行口接收数据，接收数据开始于检测到RXD（P3.0）端发生一个“1”到“0”的跳变。先接收起始位，然后依次.....................

若满足条件RI=0且SM2=0或接收到停止位，则将前8位数据送入SB............

(3) 波特率的设定[9]

串口方式1的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率决定：

其中，SMOD为PCON寄存器最高位的值。

溢出率为溢出周期的倒数，假定计数初值为X，则计数溢出周期为

其中，fosc为晶振频率。

则波特率计算公式为：

由波特率算出计数初值，以便进行定时器的初始化。初值X确定如下：

4.3语音电路

4.3.1语言芯片ISD2540

美国ISD公司的2500系列芯片，常见的按录放时间40秒、60秒和120秒分成ISD2540、2560和25120多个品种，该系列产品的电路原理图和控制结构完全相同。ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便，无需专................

采用直接模拟存储技术(DAST)，将原始的语音信号以模拟形式直接存入半导体存储器中，无须A／D和D／A转换。这种突破性的EEPROM存储方法同其它的数字存储方式相比，不仅增加了存储容量，而且提高了语音信号存储与还原的..................

(1)DIP封装图

(2)各引线端功能[10]

表4-2 各引线端功能

  1. 地址线：A0～A6、A8、A9。共有512种组合状态。最前面的320个状态作为内部存储器的寻址作用，最后192个状态作为操作模式。
  2. 电源：VCCA、VCCD。芯片内部的模拟和数字使用不同的电源总线。模拟和数字电源最好分别走线。
  3. 地线：VSSA、VSSD。芯片内部的模拟................
  4. 节电控制：PD。本段拉高使芯片停止工作，进入不耗电的节电状态，芯片发生溢出，即/OVF端输出低电平后，要将本端短暂变高复位芯片，才能使之再次工作。
  5. .............

4.3.2 ISD2540典型应用

ISD2540[11]工作在录音状态时．麦克风采集到的小信号从MIC进入，经前置放大后从ANA OUT(模拟量输出)输出，经过隔直电容后送入ANA IN(模拟量输入)。这种输入配置方式可以方便用户自行设计性能更加优良的前置放大器代替芯片内部已有的功能部件，另外ANA IN可作为线输入口(Line In)，直接输入电声信号。进入ANA IN的信号经..............

图4-5 ISD2540内部原理框图

(1)按键单段录放模式

ISD2500系列的按键单段录放电路非常简单,见图4-6，单段使用时全部地址线接地，录音时置P/R端（S3）为低，按住不放CE端的片选键（S1），即开始录.................

图4-6 ISD2540单段录放模式原理图

(2)按键多段录放模式

图4-7 ISD2540按键多段录放模式原理图

如上图4-7所示，将地址端中的A6、A8、A9接高电平，其余地址线接低电平，即可实现多段的连续顺序录放。录音时置P/R端（.........................

(3)和单片机配合使用模式

单片机的P1口、P3.4和 P3.5分别与ISD2560的地址线相连，用以设置语音段的起始地址。P3.0~P3.3用以控制录放音状态。P3.7........................

图4-8 ISD2540和单片机配合使用模式

4.3.3工作模式

当最高位地址(MSB)A8、A9都为高电平时，地址端.............

使用工作模式应注意以下两点：

①所有工作模式下的操作都 是从0地址开始，以后的操作根据模式的不同，而从相应的地址开始工作。当电路中录音转放音或进...........................

②工作模式位不加锁定，可以在MSB地址位为高电平时，CE电平变低的任何时间执行工作模式操 作。如果下一片选周期MSB地址.........

表4-3 工作模式功能

模式控制            

功能             

  典型应用

A0/M0

信息检索

快速检索信息

A1/M1

删除EOM标志

在全部语音录放结束时，给出EOM标志

A2/M2

未用

当工作模式 操作时，此端应接低电平

A3/M3

循环放音

从0地址开始连续重复放音

A4/M4

连续寻址

可录放连续的多段信息

A5/M5

CE电平触发

允许信号中止

A6/M6

按钮控制

简化器件接口

4.3.4分段录放音

表4-4 地址空间分配

2540最多可分为320段，只要在分段录/放音操作前(不少于300纳秒)，给地址A0～A9赋值，操作就从该地址开始。2500系列地址空间是这样.........................

4.3.5语音控制电路

录音时，按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始地址，再使PD端、P/R端和/CE端为低电平启动录音；结束时，松开按键，单片机又让/CE端回到高电平，即完成一段语音的录制。同样的方法可录取第二段、第三段、 …….....................

图4-9 ISD2540语音电路

放音时，根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始地址，并通过口线送出。再将P/R端设为高电平，PD端设为低电平，并让/CE端产生一负脉冲启动放音，这时单片机只需等待ISD2540的信息结束信号，即/EOM的产生。信号为一负.........................

在本设计中，预先用单片机控制语音芯片分别录制好要播放的提示信息，给每段提示信息设置固定的录音时......................

4.4电平转换电路

4.4.1电平转换芯片

如果两个51系列单片机系统之间距离很短，可以通过将它们的自带串口直接连接的方法实现双机通信。但若通信距离较远，就可使用RS-232C接口延长....................

能够实现RS-232C电平转换的专用芯片有很多种，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154...................

4.4.2 MAX232芯片

(1)MAX232的电路原理图[12]如图4-10所示，

图4-10 MAX232的电路原理图                    图4-11 MAX232的引脚图

(2)MAX232的引脚图如图4-11所示，MAX232的引脚主要分为5个部分：

  1. 外接电容：有5个外.......................................匹配和电源去藕。
  2. TTL的输入：两路TTL电平.........................................机的TXD的输出端口。
  3. TTL的输出：两路TTL 电平的输出....................
  4. RS-232的输入：两路RS-232电平的输入引脚——13和........................
  5. RS-232的输出：两路RS-232电平的输出引脚——13和...................

4.4.3连接电路图

图4-12 MAX232的电路连接图

4.5键盘电路

4.5.1 单片机键盘和键盘接口概述

单片机使用的键盘可分为独立式和矩阵式两种。独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O接口连接，其方法是每个按键独.......................

按一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，另一项是键功能的实现。第一项工作是.....................

图4-13 键盘接口电路图

具体来说，键盘接口应完成........................

  1. 键盘扫描，以判定是否有键被按下（称之为“闭合键”）。
  2. 键识别，以确定闭合键的行列位置。
  3. 产生闭合键的键码。
  4. 排除多键、串键（复按）及去抖动。

这些内容通常是以软硬件结合的方式来完成的，即在软件的配合下由接口电路来完成。但具体那些由硬件完成由软件完成，要看接口电路的情况。总.................

可以为MCS-51单片机实现键盘接口.....................

  1. 使用单片机芯片本身.................
  2. 使用通用接口芯片（例如8255、...................

4.5.2 单片机键盘接口和键功能的实现

(1) 键盘接口处理内容

① 键扫描

键盘上的键按行列组成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。为判定有无键被按下（闭合键）以及被按键的位置，可使用两种方法：扫描法和翻转法，其中以扫描法使用较为普遍。因此下面以扫描法为例，说明查找闭合键的方法。现以图4-14所示的4行×4................

图4-14 键扫描法示意图

首先是判定有没有键被按下。如图4-14所示，键盘的行线一端经电阻接+5V电源,另一端接单片机的输入口线。各列线的一端接单片机的输出口线，另一端悬空。为判定有没有键被按下，可先经输出口向所有列线输出低电.....................

先使输出口输出0EH，然后输入行线状态，测试行线状态中是否有低电平（图4-14（a））。如果没有低电平，再使输出口输出0DH，再测试行线状态（图4-14（b））。到输出口输出0BH时，行线中有状态为低电平者，则闭合键找到（图4-14（c）），通过此次................

图4-15 键闭合和断开时的电压抖动

当扫描表明有键被按下之后，紧接着应进行去抖动处................

际上就是一个机械开关结构，被按下时，由于机械接触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动，如图4-15所示。抖动时间长短与键的机械特性有关，一般为5～10ms。而键的稳定的闭合时间和操作者按键动..................

③ 键码计算

被按键确定下来之后，接下来的工作是计算闭合键的键码，因为有了键码，才能通过散转指令把程序执行转到闭合键所对应的中断服务程序上去。也可以直接使用该闭合键的行列值组合产生键码，但这样做会使各子程序的入口地址.................

这样安排，使键码既可以根据行号列号以查表求得，也可以通过计算得到。按图4-16所示的键码编排规律，各行的首号依次是00H，04H，08H，0.................

④ 等待键释放

计算键码之后，再以延时后进行扫描的方法等待键释放。等待键释放是为.............

综上所述，键盘接口处理的核心内容是测试有无闭合键，对闭合键进行去抖动处理，求得闭合键的键码。这些操作内容通常都是有软硬件相结合..............

为了使键盘操作更稳定可靠，还可以加一些附加功能，例如屏蔽功能：在对一个闭合键已进行处理时，再按下其它键不会产生影响；对于一个键，不管...................

(2)键盘接口的控制方式

在单片机的运行过程中，何时执行键盘扫描...............

① 随机方式，每当CPU空闲时执行.....................

② 中断方式，每当有键闭合时才向CPU发出中断请求，中断响..............

③ 定时方式，每隔一定时间执行一次键盘扫描程序，定时......................

(3)键处理子程序

在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合键的键码后，就可以根据键码，转相应的键处理子程序（分支是使用JMP等散转指令实现的），进行字符、数据的输入或命令的处............

5 系统程序的设计

5.1外部单片机发送密码程序的设计

图5-1 外部单片机流程图

5.2 键处理的流程图

键盘部分应实现如下功能：首先，对键盘进行扫描，判断是否有键被按下。如果没有，则转回键盘扫描，看下次是否有键被按下；如果有键被按下，则先对键进行去抖动，然后算出是哪个键被按下，再延时等待键释放。因为数字键和功能键都对应不同的处理子程序，得到闭合键的键码后，就可以根据键码，转相应的键处理子程序（分支是使用JMP等散转指令实现的），进行字符、数据的输入或命令的处理。这样就可以实现该键所设定的功能。

根据上述说明，画出本次程序设计的键处理流程图，如图5-2所示。

5.3 内部单片机程序

内部单片机不但要处理来自内部键盘的输入信息，还要接收来自串口的输入密码，同时在识别各种操作后还要控制语音芯片发出相应提示音。具体流程如图5-3所示。

图5-3 内部单片机流程图

5.4语音播放调用程序

语音播放调用的子程序的设计，具体流程图如图5-4，需....................

(1)CE(23引脚)：片选信号(低电平允许芯片工作)。当此端子的电平为低电平时，开始选定该芯片工作；当芯片放音结束时，此端子的.................

(2)PD(24引脚)：芯片复位端(芯片低功耗状态控制)。当每次放音结束时，此端子的电平必须置为高电平(对芯片进行复位)，否则当下.................

(3)EOM(25引脚)：录放音结束信号输出。当芯片放音时，此端子的电平为高电平；当芯片放音结束时，此端子的电平为低电平。所以可以通...............。

图5-4 语音播放流程图

6 测试结果

上电后，内部与外部单片机均显示“000000”，在外部单片机输入密码时，内部与外部单片机均能在数码管显示所输入的密码。如果密码正确，则发光二极管点亮，提示音提示“密码正确”；如果密码错误，则语音提示“密码错误”。用内部键盘设置密码、输入密码、显示密.................

调试分为硬件调试和软件调试。硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。由于硬件电路原件较多，焊接时容易出错，要注意6个数码管以及三极管等的.................

语音程序最关键的是如何准确调用到录好的语音信息，在软件编程时，应将分段语音的首地址和语音...............

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