單片機控制的密碼鎖設計

3.3.1模塊1 系統設計
（1）分析任務要求。寫出系統整體設計思路
根據題目的要求，需要考慮如下幾個任務：按鍵的輸入，密碼的判斷，密碼輸入正確或錯誤的計時、輸出信號的控制等。
鍵盤的輸入：由于需要輸入6個數字作為密碼，先要判斷按鍵時數字鍵還是功能鍵，若判斷為數字鍵按下，則需要將每次鍵盤的輸入內容依次暫存在一個數組中。在每次按鍵輸入時，需要啟動定時器實現待機計時（5秒）。若5秒內沒有輸入內容則清除已輸入的內容。
密碼的判斷和計時：在按下確認鍵之后，要將輸入的內容與初始密碼核對，如果密碼正確，輸出相應的指示，同時還要啟動定時器實現4s的計時。如果密碼錯誤，錯誤計數變量增1，同時輸出密碼指示信號，若錯誤次數超過3s，則輸出報警等信號，同時啟動定時器實現15秒的計時。
輸出信號的控制主要根據按鍵輸入與密碼的核對情況來決定。
整體程序設計思想：
程序分為主程序和中斷服務程序兩個主要部分，主程序完成變量和單片機特殊功能寄存器的初始化后，進入一個循環結構。在循環中，首先判斷有無按鍵按下，若有按鍵則判斷是否數字鍵還是功能鍵，根據按鍵的情況執行相應的功能。然后根據密碼是否正確的判斷情況，執行相應的操作。循環中最后將需要顯示的內容通過動態掃描在數碼管上顯示。
中斷服務程序只要實現三個狀態的計時，待機時需要計時5秒，密碼正確需要計時5s，密碼3次輸入錯誤需要計時15秒。當前處于何種計時，由主程序根據密碼判斷結果來決定。
（2）選擇單片機型號和所需外圍器件型號，設計單片機硬件電路原理圖
采用MCS51系列單片機At89S51作為主控制器，外圍電路器件包括數碼管驅動、蜂鳴器的輸出驅動、獨立式鍵盤以及發光二極管的輸出等。
數碼管驅動采用2個四聯共陰極數碼管顯示，由于單片機驅動能力有限，采用74HC244作為數碼管的驅動。在74HC244的7段碼輸出線上串聯100歐姆電阻起限流作用。
蜂鳴器的驅動采用PNP三極管8550來驅動，低電平有效。
獨立式按鍵使用上提拉電路連接，在沒有鍵按下時，輸出高電平。發光二極管串聯500歐姆電阻再接到電源上，當輸入為低電平時，發光二極管導通發光。
硬件電路原理圖如圖3-9所示。

圖3-9 密碼鎖電路原理圖
（3）分析軟件任務要求，寫出程序設計思路，分配單片機內部資源，畫出程序流程圖
軟件任務要求主要包括按鍵掃描、密碼判斷、動態掃描輸入的內容、計時、指示信號輸出以及蜂鳴器提示音的輸出等。主程序主要完成變量與寄存器的初始化、按鍵的掃描與判斷、密碼的判斷以及數碼管動態掃描顯示等。主程序流程圖如圖3-10所示。

圖3-10 密碼鎖的主程序流程圖

中斷服務程序主要完成三種定時的計時工作，包括①按鍵之后啟動的待機計時，當待機超過5s則清除已輸入的內容。②密碼輸入正確之后的計時，4s之后清除開鎖驅動信號與已開鎖指示信號。 ③密碼輸入錯誤3次的計時，計時15s,在則15s內無法再次輸入密碼，15秒過后清除所有報警與指示。中斷服務程序流程圖如圖3-11所示。

圖3-11 密碼鎖中斷服務程序流程圖
單片機資源的分配與變量的定義：
密碼的輸入與判斷需要定義4個變量。原始密碼存儲在數組init_val[6]中。鍵盤輸入的密碼存儲在數據show_val[6]中，變量 key_index的值表示當前按鍵是六位密碼中的哪一位，每輸入一個密碼數字該變量增一。密碼輸入錯誤的次數暫存在變量error_num中。
計時功能需要5個變量。模式變量cnt_state存儲計時屬于什么狀態，0表示待機計時，1表示密碼正確的計時，2表示密碼錯誤3次的計時。三個變量（cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s）分別實現待機、密碼正確和密碼錯誤3次后的計時工作。定時器T1每250ms產生一次中斷，變量T1_cnt記錄定時器溢出中斷的次數，當記錄到4000時表示計時1秒。
（4）設計系統軟件調試方案、硬件調試方案及軟硬件聯合調試方案
軟件調試方案：偉福軟件中，在“文件新建文件”中，新建C語言源程序文件，編寫相應的程序。在“文件新建項目”的菜單中，新建項目并將C語言源程序文件包括在項目文件中。
在 “項目編譯”菜單中將C源文件編譯，檢查語法錯誤及邏輯錯誤。在編譯成功后，產生以 “*.hex”和“*.bin” 后綴的目標文件。
硬件調試方案：在設計平臺中，將單片機的P1.0-P1.7分別與8個獨立式鍵盤通過插線連接起來，將P3.0-P3.3分別與4個發光二極管連接起來，P3.4與蜂鳴器的輸入連接起來。
在偉福中將程序文件編譯成目標文件后，將下載線安裝在實驗平臺的下載線接口上，運行“MCU下載程序”，選擇相應的flash 數據文件，點擊“編程”按鈕，將程序文件下載到單片機的Flash中。
然后，上電重新啟動單片機，檢查所編寫的程序是否達到題目的要求，是否全面完整地完成試題的內容。

3.3.2 程序設計
//晶振11.0592MHz，T1每250微秒中斷，按鍵P1.0-P1.7，發光二極管接P3.0-P3.3，p3.4
/*變量的定義:
show_val[6]: 顯示的值
init_val[6]: 密碼初始值
key_val: 返回按鍵的值 255-表示無按鍵按下
key_index: 當前按鍵是哪一位密碼
T1_cnt: 定時器計數溢出數
cnt_val_15s: 報警計時的數值
cnt_val_5s: 待機時間計時
cnt_val_4s: 輸入正確，等待4秒清除開鎖信號
cnt_state: 計時狀態
error_num: 錯誤次數
led_seg_code：數碼管7段碼
*/
#include "reg51.h"
/*說明key0=P1^0; key1=P1^1;key2=P1^2; key3=P1^3;key4=P1^4;key5=P1^5;enter=P1^6;esc=P1^7;*/
sbit relay_open=P3^0; //電磁鎖開鎖驅動
sbit pw_error=P3^1; //密碼錯誤信號
sbit alarm_out=P3^2; //報警輸出
sbit open_lock=P3^3; //已開鎖指示信號
sbit audio_out=P3^4; //有源蜂鳴器
unsigned char data cnt_val_15s,cnt_val_5s,cnt_val_4s,cnt_state;
unsigned int data T1_cnt;
unsigned char data key_val,key_index,key_val_old;
unsigned char data state_val,error_num;
unsigned char data show_val[6];
char code init_val[6]={1,2,3,4,5,0};
char code led_seg_code[11]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};
//led_seg_code[0-9]代表0-9 led_seg_code[10]=0x00數碼管不顯示任何內容
//--------延時程序----------------
void delay(unsigned int i)//延時
{ while(--i); }
//--------清除輸入內容----------
void init_variant()
{unsigned char i;
for(i=0;i6;i++)
show_val[i]=10; //led_seg_code[10]=0x00表示數碼管不顯示任何內容
key_index=0; //沒有任何輸入或清除所有輸入時，保存當前鍵的位置
}
//---------按鍵掃描---------------
unsigned char scan_key()
{ unsigned char i,k;
i=P1;
if (i==0xff cnt_state!=2)
{ k=255; } //無鍵按下
else //有鍵按下
{ delay(500); //延時去抖動
if(i!=P1)
{k=255;}
else
{ TR1=1; //有鍵按下則開定時器，啟動待機計時
cnt_val_5s=0;
switch (i)
{ case 0xfe: k=0; break;
case 0xfd: k=1; break;
case 0xfb: k=2; break;
case 0xf7: k=3; break;
case 0xef: k=4; break;
case 0xdf: k=5; break;
case 0xbf: k=6; break;
case 0x7f: k=7; break;
}
}
}
return k;
}
//---------數碼管顯示---------------
void led_show()
{P0=led_seg_code[show_val[0]];
P2=0xdf;
delay(500);
P0=led_seg_code[show_val[1]];
P2=0xef;
delay(500);
P0=led_seg_code[show_val[2]];
P2=0xf7;
delay(500);
P0=led_seg_code[show_val[3]];
P2=0xfb;
delay(500);
P0=led_seg_code[show_val[4]];
P2=0xfd;
delay(500);
P0=led_seg_code[show_val[5]];
P2=0xfe;
delay(500);
}
//--------定時器T1中斷服務程序-----------------
void timer1() interrupt 3 //T1中斷
{ T1_cnt++;
if(T1_cnt>3999) //如果計數>3999, 計時1s
{ T1_cnt=0;
switch (cnt_state)
{ case 0: //待機，需要計時5s
if(cnt_val_5s5)
{ cnt_val_5s++;}
else
{ cnt_val_5s=0;
init_variant();//待機計時到5秒時，清除輸入的內容
TR1=0; //停止計時
}
break;
case 1://密碼輸入正確，需要計時4s
if(cnt_val_4s4)
{ cnt_val_4s++;}
else
{ cnt_val_4s=0;
init_variant();//密碼輸入正確，計時到4秒時，清除輸入的內容
open_lock=1; //已開鎖信號清零
relay_open=1; //開鎖信號清零
cnt_state=0;
TR1=0; //停止計時
}
break;
case 2: //密碼輸入錯誤3次，計時15s
if(cnt_val_15s15)
{ cnt_val_15s++;}
else
{ cnt_val_15s=0;
init_variant();//三次密碼錯誤時，計時15秒，清除輸入的內容
open_lock=1; // 清除所有指示和報警
relay_open=1;
alarm_out=1;
pw_error=1;
cnt_state=0;
TR1=0; //停止計時
}
break;
}
}
}
//--------判斷鍵盤輸入內容與密碼是否一致------
unsigned char check_input_pw()
{ unsigned char i,k;
k=1;
for(i=0;i6;i++)
{ k=k (show_val[i]==init_val[i]); }
return k;
}
//---------主程序----------------
main()
{ //初始化各變量
audio_out=1;
P3=0xff;
cnt_val_15s=0;
cnt_val_5s=0;
cnt_val_4s=0;
cnt_state=0;
//0-待機計時5s狀態;1-密碼正確，計時4s狀態 ;2-三次密碼錯誤，處于計時15秒狀態。
T1_cnt=0;
error_num=0;
key_val_old=255;
init_variant();
//初始化51的寄存器
TMOD=0x20; //用T1計時 8位自動裝載定時模式
TH1=0x19; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x=19
TL1=0x19;
EA=1; //開中斷
ET1=1;
TR1=0; //開定時器T1
while(1)
{ key_val=scan_key(); //按鍵輸入，有鍵按下key_val為0-7，無鍵按下key_val為255。
if (key_val!=key_val_old)
{ key_val_old=key_val;
if (key_val!=255 cnt_state!=2)
{ audio_out=0;
delay(100); //延時去抖動
audio_out=1;
switch (key_val)
{ case 0:
case 1:
case 2:
case 3:
case 4:
case 5:
if(key_index6) //密碼為6位，超過6位視為輸入無效
{ show_val[key_index]=key_val;
key_index++; }
break;
case 6: //確認鍵
if(check_input_pw())
{//密碼正確
error_num=0; //密碼輸入錯誤次數清零
//---------
pw_error=1; //密碼錯誤指示燈滅
relay_open=0; //開鎖驅動信號燈亮
open_lock=0; //已開鎖信號燈亮
//---------
delay(50000); //兩聲短“滴”聲
audio_out=0;
delay(50000);
audio_out=1;
delay(50000);
audio_out=0;
delay(50000);
audio_out=1;
//---------
cnt_state=1; //下一狀態處于4秒計時的狀態
TR0=1; //啟動定時
}
else
{ if (error_num2)
{error_num++; //輸入錯誤次數小于3次時，沒錯一次error_num增一
pw_error=0; //密碼錯誤指示燈亮
//-----------
delay(20000);//一聲長“滴”聲，提示錯誤
audio_out=0;
delay(60000);
audio_out=1;
//-----------
init_variant();//清除所有輸入，等待下一次輸入
}
else //輸入錯誤次數超過3次
{ alarm_out=0; //報警燈亮
pw_error=0; //密碼錯誤指示燈亮
error_num=0; //密碼輸入錯誤次數清零
//----------
audio_out=0; //長鳴聲報警
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
delay(60000);
audio_out=1;
//-------------
TR1=1; //打開定時器計時
cnt_state=2; //下一狀態處于15秒計時的狀態
}
}
break;
case 7://取消鍵
init_variant();
break;
}
}
}
led_show();
}
}
//-----程序結束-----------------