【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高速 SOC 單片機(jī)。目前大部分大學(xué)都是采用 51 單片機(jī)講學(xué)， 也是初學(xué)者入門最理想學(xué)習(xí)的單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用 AT89C52 單片機(jī)。 2 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如下，其中包括主要的模塊以及各模塊之間的聯(lián)系。通過各模塊的配合完成本設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)總框圖如圖 1所示 圖 1 系統(tǒng)總框圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元模塊 根據(jù)設(shè)計(jì) 的要求，本 裝置 一共由 9個(gè)模塊組成，分別為： 1 、 89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊； 2 、 矩陣鍵盤模塊； 3 、 1602液晶顯示模塊； 4 、 RS232通信模塊； 5 、 DS1302時(shí)鐘模塊 6 、 AT2401存儲(chǔ)模塊 7 、 繼電器控制模塊 ； 3 8 、 穩(wěn)壓電源產(chǎn)生模塊； 9 、 蜂鳴器報(bào)警模塊； 其中 51 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由 1602 液晶顯示時(shí)間及密碼的輸入和密碼的修改。矩陣鍵盤是系統(tǒng)的控制部分，分別由按鍵控制時(shí)間的調(diào)整、密碼輸入開鎖、修改密碼 等功能，部分按鍵采用了復(fù)用。 DS1302 為一時(shí)鐘芯片，是時(shí)間的主要的控制部分，包括的時(shí)間正常運(yùn)行，斷電運(yùn)行都在其中實(shí)現(xiàn)。 AT24C01 為一存儲(chǔ)芯片，主要用于密碼的保存。在輸入密碼的時(shí)候先由 1602 顯示‘ *’，待6位密碼輸入完后，再由讀取存儲(chǔ)器中的密碼進(jìn)行校對(duì)。 RS232 通信模塊主要用于程序的下載，由 KeilC 生成的文件下載到單片機(jī)運(yùn)行。繼電器用于模擬鎖的開關(guān)，當(dāng)密碼輸入正確后，繼電器閉合。 蜂鳴器用于報(bào)警及按鍵的提示音，當(dāng)密碼輸入三次錯(cuò)誤后報(bào)警，每有按鍵按下就伴隨提示音。穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)穩(wěn)定 5V 電壓。以上各模塊互相配合完成所有功能 。 4 3 系統(tǒng)各功能模塊硬件原理設(shè)計(jì) 89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 51 最小系統(tǒng)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其硬件電路圖如圖 所示，該系統(tǒng)采用 51 系列單片機(jī) 中典型的代表芯片 — 增強(qiáng)型 AT89S52。該款單片機(jī)為美國(guó)ATMEL 半導(dǎo)體公司研發(fā)的產(chǎn) 品。 AT89S52 采用的是傳統(tǒng)的諾依曼型結(jié)構(gòu)，單片機(jī)的引腳全部引出。通過 USB 和穩(wěn)壓電源模塊都可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)供電，通過 ISP 在線編程功能，很好的解決了繁瑣的拔出芯片燒寫程序的麻煩。 電路圖如圖 2 所示 圖 2 51單片機(jī)最小系統(tǒng) 主要性能 與 MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作： 0Hz33MHz； 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 32 個(gè)可編程 I/O 口線； 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 5 六個(gè)中斷源； 全雙工 UART 串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 1掉電后中斷可喚醒； 1看門狗定時(shí)器； 1雙數(shù)據(jù)指針； 1掉電標(biāo)識(shí)符 ； 在此單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，各個(gè)模塊的相互聯(lián)系，都由單片機(jī)來協(xié)調(diào)。 單片機(jī)由編寫程序來控制，包括按鍵的識(shí)別控制、時(shí)間的顯示控制、密碼的寫入與讀取控制等。 矩陣鍵盤模塊 按鍵 模塊 為矩陣按鍵。 ，為 傳統(tǒng)的 4*4矩陣鍵盤 ，連接到單片機(jī)的 P3口，實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)整和各功能的選擇。硬件電路圖如圖 3所示 圖 3 按鍵模塊 矩陣式鍵盤的工作原理 ： 在矩陣式鍵盤中，每條 水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如 P3口）就可以構(gòu)成 4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線 6 就可以構(gòu)成 20鍵的鍵盤。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是比較好的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，上圖中，通常給 P3口 0xf0或 0x0f再讀取 P3口。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，所有的讀取仍然為所給值，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則讀取值不為原給定值，這 樣通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 在本設(shè)計(jì)中用了 16個(gè)按鍵中的 14個(gè)，包括 09數(shù)字鍵，鍵值‘ A‘、 ‘ B’、‘ E’、‘ F’。 09為密碼的輸入按鍵， A鍵為輸入錯(cuò)誤重新輸入， B鍵為 時(shí)間調(diào)整選擇功能鍵， E鍵為時(shí)間加及密碼輸入選擇按鍵， F鍵為時(shí)間減及密碼修改選擇按鍵。 1602 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊為 1602液晶 。其硬件電路圖如圖 4示： 圖 4 1602液晶顯示模塊 1602是一種 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02即 32個(gè)字符。采用標(biāo)準(zhǔn)的 7 14腳（無背光）或 16腳（帶背光）接口，各引 腳接口說明如 表 ， 其主要技術(shù)參數(shù)如下： ◆ 顯示容量 :16 2個(gè)字符 ◆ 芯片工作電壓 :— ◆工作電流 :() ◆ 模塊最佳工作電壓 : ◆ 字符尺寸 : (W H)mm 基本操作時(shí)序： ：輸入： RS=L,RW=H,E=H ：輸入： RS=L,RW=L,D0D7=指令碼， E=高脈沖 ：輸入： RS=H,RW=H,E=H ：輸入： RS=H,RW=L,D0D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 在本設(shè)計(jì)中 1602主要用于時(shí)間顯示、密碼輸入和密碼修改的提示信息等，具體顯示內(nèi)容由按鍵選擇控制，方便人機(jī)聯(lián)系。 表 1602引腳功能圖 引腳 符號(hào) 功能說明 1 VSS 一般接地 2 VDD 接電源（ +5V） 3 V0 液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。 4 RS RS 為寄存器選擇 5 R/W R/W 為讀寫信號(hào)線 6 E E(或 EN)端為使能 (enable)端，下降沿使能。 7 DB0 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0 位（最低位） 8 DB1 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1 位 9 DB2 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù) 總線 2 位 10 DB3 低 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3 位 11 DB4 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4 位 12 DB5 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5 位 13 DB6 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6 位 14 DB7 高 4 位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7 位（也是 busy flag） 15 BLA 背光電源正極 16 BLK 背光 電源負(fù)極 RS232 通信模塊 RS232C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA（ Electronic Industry Association）制 8 定的一種串行 物理 接口標(biāo)準(zhǔn)。 RS是 英文 “ 推薦標(biāo)準(zhǔn) ” 的縮寫， 232為標(biāo)識(shí)號(hào)， C表示修改次數(shù)。 RS232C總線 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有 25條信號(hào)線，包括 一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道 。 電路圖如圖 5所示： 圖 5 RS232通信 ARS232C 對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定 ： RxD上： (MARK)=3V～ 15V (SPACE)=+3～ +15V 、 CTS、 DSR、 DTR和 DCD等控制線上： （接通， ON狀態(tài)，正電壓）＝ +3V～ +15V （斷開， OFF狀態(tài)，負(fù)電壓 )=3V～ 15V 以上規(guī)定說明了 RS323C標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“ 1”（傳號(hào)）的電 平低于 3V，邏輯“ 0”（空號(hào)）的電平高于 +3V；對(duì)于控制信號(hào)；接通狀態(tài)（ ON）即信號(hào)有效的電平高于 +3V，斷開狀態(tài) (OFF)即信號(hào)無效的電平低于 3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于3～ +3V之間的電壓無意義，低于 15V或高于 +15V的電壓也認(rèn)為無意義，因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在177。 (3～ 15)V之間。 9 EIA RS232C 與 TTL轉(zhuǎn)換： EIA RS232C 是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與 TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)接口或終 端的 TTL器件連接，必須在 EIA RS232C 與 TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如 MC148 SN75150芯片可完成 TTL電平到 EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC148 SN75154可實(shí)現(xiàn) EIA電平到 TTL電平的轉(zhuǎn)換。 MAX232芯片可完成 TTL←→ EIA雙向電平轉(zhuǎn)換。 DS1302 時(shí)鐘模塊 DS1302為美國(guó) DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí) 時(shí)鐘電路 DS1302的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在實(shí)時(shí)顯示時(shí)間中的應(yīng)用。它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。 電路圖如 6所示 圖 6 DS1302時(shí)鐘模塊 DS1302工 作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的 時(shí)鐘信號(hào) 或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302內(nèi)部有一個(gè) 318 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM寄存器。 DS1302是 DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與 DS1202兼容，但增加了主電源 /后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。 DS1302的引腳排列 ,其中 Vcc1為后備電源， Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302由 Vcc1或 Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于 Vcc1＋ ， Vcc2給 DS1302供電。當(dāng) Vcc2小于 Vcc1時(shí)， DS1302由 Vcc1供電。 X1和 X2是振蕩源，外接 。 RST是復(fù)位 /片選線，通過把 RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。 RST輸入有兩種功能：首先， RST接通 10 控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中 RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc， RST必須保持低電平。只有在 SCLK為低電平時(shí)，才能將 RST置為高電平。 AT2401 存儲(chǔ)模塊 AT24C01為 ATMEL公司產(chǎn)品，非邏輯性加密卡，可以與 AT24C02兼容。 AT24C01 是一個(gè) 1K位串行 CMOS E2PROM， 內(nèi)部含有 128個(gè) 8位字節(jié) ， CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗 ， AT24C01有一個(gè) 8字節(jié)頁(yè)寫緩沖器 AT24C02有一個(gè) 16字節(jié)頁(yè)寫緩沖器 ， 該器件通過 I2C總線接口進(jìn)行操作 ， 有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能 。 電路圖如圖 7所示： 圖 7 AT2401存儲(chǔ)模塊 特性 ： 與 400KHz I2C總線兼容 到 伏工作電壓范圍 低功耗 CMOS 技術(shù) 11 寫保護(hù)功能 當(dāng) WP 為高電平時(shí)進(jìn)入寫保護(hù)狀態(tài) 頁(yè)寫緩沖器 自定時(shí)擦寫周期 1,000,000 編程 /擦除周期 可保存數(shù)據(jù) 100 年 8 腳 DIP SOIC 或 TSSOP 封裝 溫度范圍 商業(yè)級(jí) 工業(yè)級(jí)和汽車級(jí) 管腳描述 ： A0 A1 A2 器件地址選擇 SDA 串行數(shù)據(jù) /地址 SCL 串行時(shí)鐘 WP 寫保護(hù) Vcc + 工作電壓 Vss 地 在本設(shè)計(jì)中密碼保存在 AT24C01中，通過向其中寫入或讀出來完成密碼的修改及校對(duì)工作。 AT24C01的 A0 A1 A2 為 地址輸入端這些輸入腳用于多個(gè)器件級(jí)聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址 當(dāng)這些腳懸空時(shí)默認(rèn)值為 0， 最大可級(jí)聯(lián) 8個(gè)器件 。 如果 WC管腳連接到 Vcc所有的內(nèi)容都被寫保護(hù)只能讀 ,當(dāng) WP管腳連接到 Vss或懸空允許器件進(jìn)行正常的讀 /寫操作 ,在此直接接到地確?？烧Ｗx寫。 繼電器控制模塊 繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控 制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本設(shè)計(jì)采用繼電器為電磁式繼電器。其電路硬件如圖 8所示 ： 12 圖 8 繼電器模塊 電磁 式繼電器一般由鐵芯、 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