自動加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類)
自動加料機(jī)控制系統(tǒng)(單片機(jī)類),自動,加料,控制系統(tǒng),單片機(jī)
河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院單片機(jī)課程設(shè)計
基于單片機(jī)控制的電子密碼鎖
摘要：本系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)、矩陣鍵盤、LED顯示和報警系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能完成開鎖、超時報警、超次鎖定、管理員解密、修改用戶密碼基本的密碼鎖的功能。除上述基本的密碼鎖功能外，還具有調(diào)電存儲、聲光提示等功能，依據(jù)實際的情況還可以添加遙控功能。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用
關(guān)鍵詞：AT89S51，AT24C02, 電子密碼鎖，矩陣鍵盤
一、 引言
隨著人們生活水平的提高，如何實現(xiàn)家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的親呢。
設(shè)計本課題時構(gòu)思了兩種方案：一種是用以AT89s51為核心的單片機(jī)控制方案；另一種是用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案?？紤]到數(shù)字電路方案原理過于簡單，而且不能滿足現(xiàn)在的安全需求，所以本文采用前一種方案。
二、方案論證與比較
方案一：采用數(shù)字電路控制。其原理方框圖如圖1－1所示。
圖2－1 數(shù)字密碼鎖電路方案
采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計簡單。用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設(shè)了9個用戶輸入鍵，其中只有4個是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時間超過40秒（一般情況下，用戶不會超過40秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報警80秒，若電路連續(xù)報警三次，電路將鎖定鍵盤5分鐘，防止他人的非法操作。
電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源(UPS)，其中設(shè)置UPS電源是為了防止因為停電造成的密碼鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。
密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖電路、執(zhí)行電路、報警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路。
方案二：采用一種是用以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖1－2所示。
89S51
單片機(jī)
矩陣
鍵盤
控制
輸入錯誤鎖定鍵盤
延時報警控制電路
AT24C02掉電存儲
開鎖控制電路
指示電路
串口顯示電路
圖2－2單片機(jī)控制方案
通過比較以上兩種方案，單片機(jī)方案有較大的活動空間，不但能實現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。
三、電路的功能單元設(shè)計
1．開鎖機(jī)構(gòu)
通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動電磁鎖吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。其原理如圖2－1所示。
單片機(jī)微控制器
開鎖驅(qū)動電路
電磁鎖
密碼正確？
Y
返回
N
圖3－1密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)示意圖
當(dāng)用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時間（普通用戶要求在12s內(nèi)輸入正確的密碼，管理員要求在5s輸入正確的密碼）輸入的話，單片機(jī)便輸出開門信號，送到開鎖驅(qū)動電路，然后驅(qū)動電磁鎖，達(dá)到開門的目的。其實際電路如圖2－2所示。
電路驅(qū)動和開鎖兩級組成。由D5、R1、T10組成驅(qū)動電路，其中T10可以選擇普通的小功率三極管如9014、9018都可以滿足要求。D5作為開鎖的提示；由D6、C24、T11組成。其中D6、C24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。T11可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。
在本次設(shè)計中，基于節(jié)省材料的原則，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3－2密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)電路圖
2．按鍵電路設(shè)計
由于設(shè)計要求使用矩陣鍵盤，所以本設(shè)計就采用行列式鍵盤，同時也能減少鍵盤與單片機(jī)接口時所占用的I/O線的數(shù)目，在按鍵比較多的時候，通常采用這樣方法。其原理如圖2－3所示。
89s51
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
5.1K X 4
5.1K X 4
VCC
圖3－3 行列式鍵盤原理電路圖
每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要N條行線和M條列線，即可組成具有N×M個按鍵的鍵盤。
在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。
當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。
對照圖2－3所示的44鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)個工作原理。
首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機(jī)I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。
判斷鍵盤中哪一個鍵被按下使通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點上的那個鍵。
按鍵的操作面板如圖圖2－3所示。共計數(shù)字鍵10個，功能鍵6個。鍵盤上還有3個指示燈和一個蜂鳴器。
CLR
0
1
EN
6
9
F4
4
8
F3
3
7
F2
2
6
F1
L1
L2
L3
圖3－4 按鍵操作面板示意圖
10個數(shù)字鍵用來輸入密碼，另外6個功能鍵分別是：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯誤的時候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。EN鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵，當(dāng)用戶不小心三次輸入密碼都沒有正確，鍵盤被鎖定，這個時候就可以啟動管理模式，使用管理員的密碼來開門。F2是用來進(jìn)入修改密碼的狀態(tài)。F3用來關(guān)閉顯示器，一來可以節(jié)省電量，另外也可以防止不法分子偷窺密碼。F4用來作電鈴。
上面的3個指示燈L1、L2、L3是用來指示操作的狀態(tài)：L1鎖定及輸入指示狀態(tài)燈，正常的情況下顯示紅色，當(dāng)鍵盤動作的時候，L1燈開始閃動，當(dāng)鍵盤處于鎖定狀態(tài)時，指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈，當(dāng)用戶在規(guī)定的時間內(nèi)正確的輸入了密碼，此燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，表示開門，否則不顯示。L3是管理員狀態(tài)指示燈，當(dāng)按下F1后，指示燈自動點亮。
面板上還有一個蜂鳴器，其中一個功能是用來指示操作的按鍵是否在成功的按下；另外一個功能是當(dāng)用戶輸入密碼錯誤的次數(shù)超過了3次，鳴笛以示報警。
3．顯示電路設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計的顯示電路是為了給使用者以提示而設(shè)置的?？紤]到為了節(jié)約單片機(jī)的口資源，本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機(jī)的兩個串行口，就可以完成單片機(jī)的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖2－5所示。
電路設(shè)定：當(dāng)程序檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵操作的時候，就關(guān)閉顯示。這個功能使用程序來實現(xiàn)的，一旦沒有按鍵動作就啟動一個定時器，檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵動作的時候，啟動一個程序，關(guān)閉顯示，這樣可以達(dá)到節(jié)省電能的目的。
從單片機(jī)串口輸出的信號先送到左邊的移位寄存器（74HC164）,由于移位脈沖的作用，使數(shù)據(jù)向右移，達(dá)到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動，插頭1（header1）接電源，插頭2（header2）接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個整流管D1~D3的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓，增加其使用壽命。
圖3－5 顯示器原理圖
顯示器主顯示幾個字符，給用戶提供指示見圖2－6所示。
2
--
O
F
F
--
圖3－6 a關(guān)閉狀態(tài)
1
--
8
8
8
--
圖3－6 b 開鎖狀態(tài)
--
--
--
--
--
--
圖3－6 c 密碼輸入及修改狀態(tài)
S
R
E
R
R
O
圖3－6 d 密碼輸入錯誤后的提示
--
K
--
L
O
C
圖3－6 e密碼在規(guī)定的時間內(nèi)輸入錯誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)
4．AT24C02掉電存儲單元的設(shè)計
掉電存儲單元的作用是在電源斷開的時候，存儲當(dāng)前設(shè)定的單價信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10Ua(5.5V)，芯片內(nèi)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。其電路如圖2－5所示。
圖3－7 掉電存儲電路原理圖
圖中R8、R10是上拉電阻，其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。
每當(dāng)設(shè)定一次單價，系統(tǒng)就自動調(diào)用存儲程序，將單價信息保存在芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時候，自動調(diào)用讀存儲器程序，將存儲器內(nèi)的單價等信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。
5．密碼鎖的電源電路設(shè)計
為了防止停電情況的發(fā)生，本電路后備了UPS電源，它包括市電供電電路，停電檢測電路，電子開關(guān)切換電路，蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如圖2－8所示。
圖3－8 市電供電電路
220V市電通過變壓器降壓成12V的交流電,再經(jīng)過整流橋整流,7805穩(wěn)壓到5V送往電子切換電路，由于本電路功耗較少，所以選用10W的小型變壓器。
由R8，R9，R6，R7及IC14構(gòu)成電壓比較器，正常情況下，V+V- IC14輸出高電平，由T3，T4構(gòu)成的達(dá)林頓管使繼電器J開啟，將其常開觸電將蓄電池和電路相連，實現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證電子密碼鎖的正常工作（視電池容量而定持續(xù)時間）。其電路圖如下圖6所示：
圖3－9 停電檢測及電子開關(guān)切換電路
T1，T2構(gòu)成的蓄電池自動充電電路，它在電池充滿后自動停止充電，其中D1亮為正在充電，D2為工作指示。由R4，R5，T1構(gòu)成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則T1，T2導(dǎo)通，實現(xiàn)對其充電；充滿后，T1，T2截止，停止充電，同時D1熄滅，電路中C4的作用是濾除干擾信號。其電路圖如圖7所示：
圖3－10 蓄電池自動充電電路
6．設(shè)計總框圖
矩陣
鍵盤
控制
89S51
單片機(jī)
輸入錯誤鎖定鍵盤
電源電路及UPS電路
延時報警控制電路
AT24C02掉電存儲
開鎖控制電路
指示電路
串口顯示電路
圖3－11總體設(shè)計框圖
7．設(shè)計總體電路圖
圖3－12 總體電路圖
四、程序設(shè)計
1．模塊介紹
該計程計價系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為以下幾個模塊：
(1)主程序模塊
主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。主程序的流程圖如下所示。
(2)鍵盤掃描及識別子程序
鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒有按鍵按下的時候，單片機(jī)循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。其程序流程如圖 所示.
(3)調(diào)電存儲服務(wù)程序
當(dāng)比較密碼的時候，需要讀AT24C02程序，將存儲在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。當(dāng)修改密碼的時候，需要把輸入的密碼保存到AT24C02中，其程序流程如圖 所示.
(4)顯示子程序
由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到5個顯示子程序，分別是：關(guān)閉狀態(tài)顯示子程序（DIS_A）、開鎖狀態(tài)顯示子程序（DIS_B）、密碼輸入及修改狀態(tài)顯示子程序(DIS_C)、密碼輸入錯誤后的提示子程序(DIS_D)。密碼在規(guī)定的時間內(nèi)輸入錯誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)顯示子程序(DIS_E).
2.程序流程圖
（1）主程序流程圖如圖3－1所示。
開始
初始化
有鍵按下？
調(diào)用顯示
啟動定時
識別按鍵
全部按完？
超時？
比較密碼
開門
開始
自動清除
>3次？
鎖定
N
N
Y
Y
Y
Y
N
N
按下F2
啟動定時
輸入密碼
存入緩沖
再輸入一次
比較密碼
調(diào)用24C02
調(diào)用顯示
按F2退出
Y
重新輸入
N
圖4－1 主程序流程圖
圖4－2 修改密碼流程圖
五、總結(jié)
由于使用的是單片機(jī)作為核心的控制元件，以及靈敏的霍爾開關(guān)型器件，是本出租車計價器具有功能強(qiáng)、性能可靠、電路簡單、成本低的特點，加上經(jīng)過優(yōu)化的程序，使其有很高的智能化水平。
但是在我們設(shè)計和調(diào)試的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，譬如計價的金額位數(shù)有限，實際的里程可能會很遠(yuǎn)，會超出我們的顯示范圍。
計價器的設(shè)計還不夠人性化，比如加上語音的提示功能，可能會更有生命力。
Abstract
A new intelligent milometer base on a microcontroller can count the sum. By taking full use of the processor 89s51 and E2PROM (AT24C02) and sensor of magnetism, it can count the sum of fully distance and the course of development.
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類型：共享資源
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自動
加料
控制系統(tǒng)
單片機(jī)
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