【文章內容簡介】 是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號， 它們分別是：開始信號、結束信號和應答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數(shù)據(jù)。 應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障[9]。如圖33所示SDASCL開始結束圖3 3 開始結束信號圖目前有很多半導體集成電路上都集成了I2C接口。帶有I2C接口的單片機有：CYGNAL的 C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外圍器件如存儲器、監(jiān)控芯片等也提供I2C接口?？偩€基本操作：I2C規(guī)程運用主/從雙向通訊。器件發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，則定義為發(fā)送器，器件接收數(shù)據(jù)則定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。 總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，并產(chǎn)生起始和停止條件。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平的期間才能改變，SCL為高電平的期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件[10]。1） 控制字節(jié)：在起始條件之后，必須是器件的控制字節(jié)，其中高四位為器件類型識別符（不同的芯片類型有不同的定義，EEPROM一般應為1010），接著三位為片選，最后一位為讀寫位，當為1時為讀操作，為0時為寫操作。2）寫操作：寫操作分為字節(jié)寫和頁面寫兩種操作，對于頁面寫根據(jù)芯片的一次裝載的字節(jié)不同有所不同。3） 讀操作：讀操作有三種基本操作：當前地址讀、隨機讀和順序讀。圖4給出的是順序讀的時序圖。應當注意的是：最后一個讀操作的第9個時鐘周期不是“不關心”。為了結束讀操作，主機必須在第9個周期時發(fā)出停止條件或者在第9個時鐘周期內保持SDA為高電平、然后發(fā)出停止條件。 硬件電路設計本設計主要由單片機、矩陣鍵盤、液晶顯示器和密碼存儲等部分組成。其中矩陣鍵盤用于輸入數(shù)字密碼和進行各種功能的實現(xiàn)。由用戶通過連接單片機的矩陣鍵盤輸入密碼，后經(jīng)過單片機對用戶輸入的密碼與自己保存的密碼進行對比，從而判斷密碼是否正確，然后控制引腳的高低電平傳到開鎖電路或者報警電路控制開鎖還是報警。本系統(tǒng)共有兩部分構成，即硬件部分與軟件部分。其中硬件部分由電源輸入部分、鍵盤輸入部分、復位部分、晶振部分、顯示部分、報警部分組成，軟件部分對應的由主程序、初始化程序、LCD顯示程序、鍵盤掃描程序、啟動程序、關閉程序、鍵功能程序、密碼設置程序、EEPROM讀寫程序和延時程序等組成。 復位電路單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后PC＝0000H，使單片機從第—個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。在復位期間（即RST為高電平期間），P0口為高組態(tài)，P1－P3口輸出高電平；外部程序存儲器讀選通信號PSEN無效。地址鎖存信號ALE也為高電平。根據(jù)實際情況選擇如圖34所示的復位電路。該電路在最簡單的復位電路下增加了手動復位按鍵，在接通電源瞬間，電容C1上的電壓很小，復位下拉電阻上的電壓接近電源電壓，即RST為高電平，在電容充電的過程中RST端電壓逐漸下降，當RST端的電壓小于某一數(shù)值后，CPU脫離復位狀態(tài)，由于電容C1足夠大，可以保證RST高電平有效時間大于24個振蕩周期，CPU能夠可靠復位。增加手動復位按鍵是為了避免死機時無法可靠復位。當復位按鍵按下后電容C1通過R5放電。當電容C1放電結束后，RST端的電位由R1與R2分壓比決定。由于R11R15 因此RST為高電平，CPU處于復位狀態(tài)，松手后，電容C1充電，RST端電位下降，CPU脫離復位狀態(tài)。R1的作用在于限制按鍵按下瞬間電容C1的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護按鍵觸電 。E1R1K1R210K圖3 4復位電路原理圖 晶振電路ST89C52引腳XTAL1和XTAL2與晶體振蕩器及電容CC1按圖35所示方式連接。晶振、電容C2／C3及片內與非門（作為反饋、放大元件）構成了電容三點式振蕩器，振蕩信號頻率與晶振頻率及電容CC2的容量有關，但主要由晶振頻率決定，范圍在0～33MHz之間，電容CC3取值范圍在5～30pF之間。根據(jù)實際情況，本設計中采用12MHZ做系統(tǒng)的外部晶振[11]。電容取值為20pF。圖3 5晶振電路原理圖AT24C02是一個2K位串行CMOS E2PROM， 內部含有256個8位字節(jié)，CATALYST公司的先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02有一個16字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。采用兩線串行的總線和單片機通訊，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10Ua()，芯片內的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。 管腳封裝DIP：雙列直插式封裝，是最簡單的一種封裝技術。 極限參數(shù)：　　工作溫度工業(yè)級55℃ +125℃ 　　商業(yè)級0 ℃+75℃ 　　貯存溫度65℃ +150℃ 　　 Vcc+ 　　 + 　　封裝功率損耗（Ta=25℃） 　　焊接溫度(10 秒) 300℃ 功能描述　　AT24C02支持IC，總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議IC，總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器。數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的。主器件和從器件都可以作為發(fā)送器或接收器，但由主器件控制傳送數(shù)據(jù)（發(fā)送或接收）的模式，通過器件地址輸入端A0、A1和A2可以實現(xiàn)將最多8個AT24C02器件連接到總線上[12]。 管腳描述　　AT24C02串行時鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘，這是一個輸入管腳。 　　SDA 串行數(shù)據(jù)/地址 　　AT24C02 雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，SDA 是一個開漏輸出管腳，可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進行線或（wireOR）。 　　A0、AA2 器件地址輸入端 　　這些輸入腳用于多個器件級聯(lián)時設置器件地址，當這些腳懸空時默認值為0。當使用AT24C02 時最大可級聯(lián)8個器件。如果只有一個AT24C02被總線尋址，這三個地址輸入腳（A0、AA2 ）可懸空或連接到Vss，如果只有一個AT24C02被總線尋址這三個地址輸入腳（A0、AA2 ）必須連接到Vss。 　　WP 寫保護 　　如果WP管腳連接到Vcc，所有的內容都被寫保護只能讀。當WP管腳連接到Vss 或懸空允許器件進行正常的讀/寫操作 其電路如圖3－6所示。A01A12A23GND4VCC5WP6SCL7SDL8U3AT24C02VCCR20510R21510VCC圖3 6 掉電存儲電路原理圖圖中3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址，在AT89S51上它們都能接地，第5腳和第8腳分別為正、負電源。AT24C02中帶有片內地址寄存器，每寫入或讀出一個數(shù)據(jù)字節(jié)后，該地址寄存器自動加1，以實現(xiàn)對下一個儲存單元的讀寫，所有字節(jié)均以單一操作方式讀取。 鍵盤輸入電路由于本設計所用到的按鍵數(shù)量較多而不適合用獨立按鍵式鍵盤。采用的是矩陣式按鍵鍵盤，它由行線和列線組成，也稱行列式鍵盤，按鍵位于行列的交叉點上，密碼鎖的密碼由鍵盤輸入完成，與獨立式按鍵鍵盤相比，要節(jié)省很多I/O口。本設計中使用的這個4*4鍵盤不但能完成密碼的輸入還能作特別功能鍵使用，比如清空顯示功能等[13]。鍵盤的每個按鍵功能在程序設計中設置 。其大體功能（看鍵盤按鍵上的標記）及與單片機引腳接法如圖37所示：K4K3K2K1K5K6K7K8K12K11K10K9K13K14K15K16R110kR210kR310kR410kR510kR610kR1610kR1710kVCC1圖3 7 鍵盤輸入原理圖 顯示電路為了提高密碼鎖的密碼顯示效果能力。本設計的顯示部分由液晶顯示器LCD1602取代普通的數(shù)碼管來完成。只有按下鍵盤上的開啟按鍵后，顯示器才處于開啟狀態(tài)。同理只有按下關閉按鍵后顯示器才處于關閉狀態(tài)。否則顯示器將一直處于初始狀態(tài)，當需要對密碼鎖進行開鎖時，按下鍵盤上的開鎖按鍵后利用鍵盤上的數(shù)字鍵0－9輸入密碼，每按下一個數(shù)字鍵后在顯示器上顯示一個*，輸入多少位就顯示多少個*。當密碼輸入完成時，按下確認鍵，如果輸入的密碼正確的話， LCD子顯示“RIGHT”，使三極管T2導通，電磁鐵吸合，電子密碼鎖被打開，如果密碼不正確，LCD顯示屏會顯示“ERROR”，電子密碼鎖不能被打開[14]。通過LCD顯示屏，可以清楚的判斷出密碼鎖所處的狀態(tài) 。1602LCD主要技術參數(shù)：顯示容量:162個字符芯片工作電壓:—工作電流:()模塊最佳工作電壓:字符尺寸:(WH)mm1602型LCD基本操作程序如下表所示：表3 2 LCD1602基本操作程序讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0—D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0—D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無其顯示部分引腳接口如圖38所示：R1010kDB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714RS4R/W5E6VCC2VL+15VL16VSS1VEE3U2LCD1602圖3 8顯示電路原理圖 電源輸入電路密碼鎖主要控制部分電源需要用5V直流電源供電，其電路如圖39所示，而5V電源輸入時往往伴有雜波，[16]。這樣輸出的電壓一般能滿足要求。VCCE212POWER2PIN圖3 9 電源輸入電路原理圖 報警電路報警部分由陶瓷壓電發(fā)聲裝置及外圍電路組成，加電后不發(fā)聲，當有鍵按下時，“?！甭暎堪匆幌?，發(fā)聲一次，密碼正確時，不發(fā)聲直接開鎖，當密碼輸入錯誤時，三極管T3導喇叭發(fā)出噪鳴聲報警。如圖310所示：Q38550SPKVCCR191k圖3 10 報警電路原理圖 開鎖電路通過單片機開鎖執(zhí)行機構，電路驅動電磁鎖吸合，從而達到開鎖的目的。其原理如圖3－11所示。電磁鎖單片機微控制器開鎖驅動電路返回NY密碼正確？圖3 11密碼鎖開鎖機構示意圖當用戶輸入的密碼正確時，單片機便輸出開門信號，送到開鎖驅動電路，然后驅動電磁鎖，達到開門的目的。其實際電路如圖3－12所示。電路由驅動和開鎖兩級組成。由DR1Q1組成驅動電路，其中Q1可以選擇普通的小功率三極管如8050、9018都可以滿足要求。D1是開鎖指示燈；由DC5組成開鎖。其中DC5是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且有一定的余量[15]。在設計中，暫時用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。 圖3 12開鎖電路原理圖 本章小結本章主要介紹的是系統(tǒng)的硬件結構設計，以單片機為核心控制器，介紹了主控制器S單片機、存儲電路 AT24C0顯示電路LCD160鍵盤接口電路、報警電路以及電源電路等的設計。第4章 軟件程序設計本系統(tǒng)軟件設計由主程序、初始化程序、LCD顯示程序、鍵盤掃描程序、鍵功能程序、密碼設置程序、EEPROM讀寫程序和延時程序等組成。 主程序流程圖如圖41所示為主程序流程圖，開始接上電源，程序進行初始化設置，然后在鍵盤上輸入密碼，此系統(tǒng)進行鍵盤掃描，密碼正確，開鎖成功，密碼錯誤3次出錯報警，選擇是否修改密碼，若要修改密碼，先輸入舊密碼密碼，密碼正確后設置新密碼，錯誤時報警，需要兩次確認新密碼，確認后，密碼修改成功，否則結束最終返回。然后啟動程序，進行保護，再次在鍵盤上輸入密碼，系統(tǒng)進行掃描，如果和之前一樣，則執(zhí)行相同程序，如不是，則執(zhí)行另一種程序。開開始 開始始初始化次數(shù)加1輸入密碼密碼正確？返返回回NYY開鎖程序開鎖？N修改密碼？次數(shù)3？報警程序修改程序YNNY開始返回圖4 1主程序流程圖 按鍵軟件設計 按鍵功能程序流程圖如圖42為按鍵功能流程圖，在按鍵當中，有與輸入、開鎖、清除、設置、確認的程序相對應的按鍵，并按順序與輸入的數(shù)相比較，當輸入正確時，進入密碼程序，錯誤時進行清除，輸入兩次新密碼正確時，可進行重新設置密碼，最后確認程序。開開始始鍵值＝‘輸入’？鍵值＝‘開鎖’？鍵值＝‘清除’？鍵值＝‘設置’？鍵值＝‘確認’？密碼輸入程序設置程序清除程序開鎖程序確認程序YYYYYNNNN返回N開始返回圖4 2按鍵功能流程圖 按鍵功能子程序void