一、 引言

隨著人們生活水平的提高，如何實現家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統的機械鎖由于其構造的簡單，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，安全系數高，受到了廣大用戶的親呢。

設計本課題時構思了兩種方案：一種是用以AT89s51為核心的單片機控制方案；另一種是用以74LS112雙JK觸發器構成的數字邏輯電路控制方案。考慮到數字電路方案原理過于簡單，而且不能滿足現在的安全需求，所以本文采用前一種方案。

二、方案論證與比較

方案一：采用數字電路控制。其原理方框圖如圖1－1所示。

圖2－1 數字密碼鎖電路方案

采用數字密碼鎖電路的好處就是設計簡單。用以74LS112雙JK觸發器構成的數字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設了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、執行電路、報警電路、鍵盤輸入次數鎖定電路。

方案二：采用一種是用以AT89S51為核心的單片機控制方案。利用單片機靈活的編程設計和豐富的IO端口，及其控制的準確性，不但能實現基本的密碼鎖功能，還能添加調電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖1－2所示。

通過比較以上兩種方案，單片機方案有較大的活動空間，不但能實現所要求的功能而且能在很大的程度上擴展功能，而且還可以方便的對系統進行升級，所以我們采用后一種方案。

三、電路的功能單元設計

1．開鎖機構

通過單片機送給開鎖執行機構，電路驅動電磁鎖吸合，從而達到開鎖的目的。其原理如圖2－1所示。

圖3－1密碼鎖開鎖機構示意圖

當用戶輸入的密碼正確而且是在規定的時間（普通用戶要求在12s內輸入正確的密碼，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2－2所示。

電路驅動和開鎖兩級組成。由D5、R1、T10組成驅動電路，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生的反向高電壓以及可能產生的電磁干擾。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。

在本次設計中，基于節省材料的原則，暫時用發光二極管代替電磁鎖，發光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。      

2．按鍵電路設計

由于設計要求使用矩陣鍵盤，所以本設計就采用行列式鍵盤，同時也能減少鍵盤與單片機接口時所占用的I/O線的數目，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。

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構只需要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系統中，鍵盤處理程序首先執行等待按鍵并確認有無按鍵按下的程序段。

當確認有按鍵按下后，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法。

對照圖2－3所示的44鍵盤，說明線反轉個工作原理。

   首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態來判斷。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，檢查行輸入狀態來實現的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態，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。

圖3－4 按鍵操作面板示意圖

10個數字鍵用來輸入密碼，另外6個功能鍵分別是：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當輸入密碼錯誤的時候，清除前面已經輸入的數據，重新輸入。EN鍵的功能是確認輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵，當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是用來進入修改密碼的狀態。F3用來關閉顯示器，一來可以節省電量，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：L1鎖定及輸入指示狀態燈，正常的情況下顯示紅色，當鍵盤動作的時候，L1燈開始閃動，當鍵盤處于鎖定狀態時，指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈，當用戶在規定的時間內正確的輸入了密碼，此燈轉變為綠色，表示開門，否則不顯示。L3是管理員狀態指示燈，當按下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；另外一個功能是當用戶輸入密碼錯誤的次數超過了3次，鳴笛以示報警。

3．顯示電路設計

本系統設計的顯示電路是為了給使用者以提示而設置的。考慮到為了節約單片機的口資源，本系統的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機的兩個串行口，就可以完成單片機的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖2－5所示。

電路設定：當程序檢測在5分鐘內沒有按鍵操作的時候，就關閉顯示。這個功能使用程序來實現的，一旦沒有按鍵動作就啟動一個定時器，檢測在5分鐘內沒有按鍵動作的時候，啟動一個程序，關閉顯示，這樣可以達到節省電能的目的。

從單片機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，使數據向右移，達到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數碼管的驅動，插頭1（header1）接電源，插頭2（header2）接數據和脈沖輸出端。電路中的三個整流管D1~D3的作用是降低數碼管的工作電壓，增加其使用壽命。

                           圖3－5 顯示器原理圖

4．AT24C02掉電存儲單元的設計

掉電存儲單元的作用是在電源斷開的時候，存儲當前設定的單價信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節的電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態電流10Ua(5.5V)，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。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的靜態功耗，由于AT24C02的數據線和地址線是復用的，采用串口的方式傳送數據，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數據/地址）與單片機傳送數據。

每當設定一次單價，系統就自動調用存儲程序，將單價信息保存在芯片內；當系統重新上電的時候，自動調用讀存儲器程序，將存儲器內的單價等信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。

5．密碼鎖的電源電路設計

為了防止停電情況的發生，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,再經過整流橋整流,7805穩壓到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構成電壓比較器，正常情況下，V+

T1，T2構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構成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則T1，T2導通，實現對其充電；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．設計總框圖

四、程序設計

1．模塊介紹

該計程計價系統的軟件設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、設置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調用顯示等等。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，當沒有按鍵按下的時候，單片機循環主程序，一旦有按鍵按下，便轉向相應的子程序處理，處理結束再返回。其程序流程如圖 所示.

(3)調電存儲服務程序

當比較密碼的時候，需要讀AT24C02程序，將存儲在芯片內的數據讀到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。當修改密碼的時候，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

由于是分屏顯示數據，所以就要用到5個顯示子程序，分別是：關閉狀態顯示子程序（DIS_A）、開鎖狀態顯示子程序（DIS_B）、密碼輸入及修改狀態顯示子程序(DIS_C)、密碼輸入錯誤后的提示子程序(DIS_D)。密碼在規定的時間內輸入錯誤次數超過3次后的鎖定狀態顯示子程序(DIS_E).

五、總結

由于使用的是單片機作為核心的控制元件，以及靈敏的霍爾開關型器件，是本出租車計價器具有功能強、性能可靠、電路簡單、成本低的特點，加上經過優化的程序，使其有很高的智能化水平。

但是在我們設計和調試的過程中，也發現了一些問題，譬如計價的金額位數有限，實際的里程可能會很遠，會超出我們的顯示范圍。

計價器的設計還不夠人性化，比如加上語音的提示功能，可能會更有生命力。</font