基于AT89C2051單片機實現(xiàn)智能密碼鎖監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

近年來隨著計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，代表這場高技術(shù)新成果的智能大廈在各地相繼建起。智能大廈是在現(xiàn)代建筑物內(nèi)集4C于一身，建立一個由計算機系統(tǒng)管理的一體化集成系統(tǒng)，這種智能大廈內(nèi)部設(shè)施具備5A功能。智能密碼鎖監(jiān)控系統(tǒng)正是為應(yīng)用于其中的安全監(jiān)控自動化（Safety Automation，SA）而研制的，智能密碼鎖采用單片機技術(shù)，相比傳統(tǒng)機械鎖，他具有不可復(fù)制性，有著更高的安全性和方便性。該系統(tǒng)是集信號檢測、傳輸、處理與控制、管理為一體的控制系統(tǒng)；是應(yīng)用先進計算機技術(shù)與現(xiàn)代微電子技術(shù)開發(fā)組成的分布式網(wǎng)絡(luò)型監(jiān)控系統(tǒng)；能夠有效地提高安全性能和管理效率。 本文以AT89C2051單片機為核心設(shè)計此系統(tǒng)及其密碼鎖的各部分功能電路，能夠正常地實現(xiàn)所要求的功能，抗干擾性能好、安全性強。

1 芯片ATMEL AT89C2051的介紹

AT89C2051單片機是美國ATMEL公司的，如圖l所示，他與Intel公司MCS-51系列單片機兼容，采用CMOS工藝制造，節(jié)電性能好。AT89C2051提供了以下的標準功能：片內(nèi)含2kB字節(jié)的可重編程閃速存儲器E2PROM和128B的內(nèi)部RAM、15根I／O引線、2個16b定時器／計數(shù)器、1個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙工串行口、1個精密模擬比較器以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。另外還具有低功耗空載的特點和掉電保存方式供選用。20腳雙列直插封裝也能達到體積的要求，是對嵌入式控制應(yīng)用提供的一個高度靈活和成本低的解決方案?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計充分利用了AT89C2051的上述優(yōu)點和功能，加以必要的輔助硬件電路。

P1口是一個8 b雙向I／O口。當P1口引腳寫入“1”時，可用作輸入端；P1口輸出緩沖區(qū)可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。在智能密碼鎖控制器中，P1口P1．0～P1．6用來作為鍵盤輸入接口接收鍵盤輸入數(shù)據(jù)，P1．7用來輸出單片機正常工作狀態(tài)；當智能密碼鎖控制器需要閃速編程和程序校驗的時候，P1口將用來接收代碼數(shù)據(jù)。P3口除P3．6用于固定片內(nèi)比較器的輸出信號并作為一個通用I／O引腳不可訪問外，其余7位都是帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向I／O引腳。P3口還用來實現(xiàn)AT89C2051的各項功能，如表1所示。

智能密碼鎖控制器中，P3口除用來實現(xiàn)表1所示的功能外，還要輸出聲／光告警控制信號；輸出智能密碼鎖開鎖控制信號；在智能密碼鎖控制器需要閃速存儲器編程和程序校驗的時候，P3口將用來接收相應(yīng)的控制信號。

RST復(fù)位輸入，電路圖上也作RES。RST一旦變成高電平，所有的I／O引腳就復(fù)位到“1”。當振蕩器（時鐘）正在運行時，持續(xù)給出RST引腳2個機器周期的高電平便可完成復(fù)位。每個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。XTALl作為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸人；XTAL2作為振蕩器反相放大器的輸出。

RAM在AT89C2051內(nèi)部由工作寄存器、位尋址和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組成。AT89C2051Flash單片機的一個特點就是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分為不同的存儲空間，這一特性使得可以用8b地址來訪問數(shù)據(jù)存儲器，這樣可提高8bCPU的存儲和處理速度。

程序存儲器只可讀不可寫，用于存放編好的程序和表格常數(shù)。AT89C2051沒有采用程序存儲器分區(qū)的方法，可尋址的內(nèi)部和外部程序存儲器的地址空間是統(tǒng)一的。本系統(tǒng)硬件應(yīng)用電路中只用到了AT89C2051片內(nèi)的2kB的E2PROM作為程序存儲器。

數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上都分為2個地址空間，一個為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間，一個為外部數(shù)據(jù)存儲器空間。本系統(tǒng)硬件應(yīng)用電路中只用到了AT89C2051片內(nèi)的128B的RAM作為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，采用直接尋址方式或間接尋址方式對此低128B的RAM進行訪問。在低128B的RAM中的最低32個單元（00H一1FH）是4個通用工作寄存器組。

（1）功能寄存器 AT89C2051片內(nèi)的I／O鎖存器、定時器、串行口通信緩沖器以及各種控制寄存器和狀態(tài)寄存器都以特殊功能寄存器的形式出現(xiàn)，他們離散的分布于80H-FFH的地址空間范圍內(nèi)，屬于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，只能采用直接尋址方式進行訪問。 （2）串行接口 引腳與P3．0（RXD串行接收）、P3．1（TXD串行發(fā)送）I／O端口引腳復(fù)用，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)采用雙緩沖結(jié)構(gòu)；可以工作于同步方式或異步通信方式，在工作于異步通信方式時，具有全雙工的操作功能，即可以同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。AT89C2051的串行口有4種不同的工作方式，由串行口控制寄存器SCON中的方式選擇位定義；另外串口發(fā)送及接收的狀態(tài)控制位也由SCON的對應(yīng)控制位進行選擇。

（3）中斷結(jié)構(gòu) AT89C2051可以提供5個中斷源：2個外部中斷，由INT0，INTl（P3．2，P3．3）輸入，2個定時器溢出中斷（由片內(nèi)的2個16位定時器／計數(shù)器在溢出時觸發(fā)）和1個串行口中斷。AT89C2051中的中斷分為2個優(yōu)先級，在專用寄存器（SFR）區(qū)中有一個中斷優(yōu)先級寄存器（IP），IP的每一位對應(yīng)于一個中斷源，可決定中斷源的優(yōu)先級；AT89C2051中的IE（中斷允許寄存器）管理每個中斷源的中斷和禁止。處理中斷的結(jié)構(gòu)是低優(yōu)先級中斷能夠被高優(yōu)先級中斷所中斷，但不能被另一個低優(yōu)先級中斷所中斷；高優(yōu)先級中斷不能被任何其他中斷源所中斷。當同時收到2個不同優(yōu)先級的中斷請求時，高優(yōu)先級中斷請求先得到服務(wù)。如果同時收到幾個同一優(yōu)先級的中斷請求，則由內(nèi)部的查詢順序來決定哪一個請求得到服務(wù)，相當于在每個優(yōu)先級內(nèi)還同時存在另一個輔助優(yōu)先結(jié)構(gòu)。

（4）定時器／計數(shù)器 AT89C2051內(nèi)含2個16 b的定時器／計數(shù)器T0和T1，可以分別作定時器或計數(shù)器使用。當使用于定時器方式時，定時器的輸入來自內(nèi)部時鐘發(fā)生電路，每過一個機器周期，定時器加1，而一個機器周期包含有12個振蕩周期，即定時器的頻率為晶振頻率的1／12，若采用11．059 2MHz的晶振，定時器的頻率即為0．921 6MHz。

若在計數(shù)器工作方式，計數(shù)器對外部事件計數(shù)，計數(shù)脈沖來自外部輸入引腳，當外部輸入引腳發(fā)生“1”和“o”的負跳變時，計數(shù)器加1。由于對外部事件的檢測需要2個機器周期（24個振蕩周期），所以計數(shù)頻率最高為晶振頻率的1／24。

2 硬件設(shè)計

采用AT89C2051單片機的智能監(jiān)控系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

下面逐一介紹電子門鎖控制器的部分單元電路。

2．1 鍵盤接口

智能密碼鎖控制器共12個按鍵，包括0～9共10個數(shù)字鍵、1個“#”清零鍵以及1“*”確認鍵。采用3×4行列式鍵盤形式，由I／O口線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上，以節(jié)省I／O口線。智能密碼鎖控制器工作時，并不經(jīng)常需要鍵輸入，因此，為了進一步提高CPU效率，采用中斷掃描工作方式。即只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描，執(zhí)行該鍵功能程序。中斷掃描工作方式的鍵盤接口如圖3所示。

該鍵盤直接由AT89C2051的P1口的高、低字節(jié)構(gòu)成3X4行列式鍵盤。鍵盤的列線與r工口的1氏4位相接，鍵盤的行線通過二極管接到P1口的高3位。因此，P1．4～P1．6作鍵輸入線，P1．0～P1．3作掃描輸出線。初始化時，使P1．0～P1．3置零。當有鍵按下時，INTO端為低電平有效，向CPU發(fā)出中斷申請，CPU響應(yīng)中斷請求，進入鍵盤中斷服務(wù)程序。在鍵盤中斷服務(wù)程序中除完成鍵識別、鍵功能處理外，還要進行消除鍵抖動影響、多次重復(fù)執(zhí)行鍵功能操作等措施。

按鍵中斷服務(wù)程序流程圖如圖4所示。

2．2 其他輔助電路

其他輔助電路包括穩(wěn)壓電源電路、微處理器監(jiān)控電路、時鐘電路等。

（1）穩(wěn)壓電源電路

采用三端穩(wěn)壓集成電路塊CW7805給密碼鎖控制器電路供電。CW78M05三端正穩(wěn)壓器具有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護功能，電路使用安全可靠，供電輸出電壓+5V，最大輸出電流0．5A，電路圖如圖5所示。

（2）微處理器監(jiān)控復(fù)位電路

單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，會經(jīng)常要求進入復(fù)位工作狀態(tài)，所以系統(tǒng)的復(fù)位電路必須保證能正確、可靠地工作。單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便可實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證密碼鎖控制器電路可靠地復(fù)位，通常使RST引腳保持18ms以上的高電平。采用專用的微處理器監(jiān)控集成電路芯片Maxim708可以方便地得到梢竊電源電壓監(jiān)控功能、200 ms的復(fù)位脈沖寬度和人工復(fù)位輸入功能，大大提高了復(fù)位電路的抗干擾性和工作可靠性，電路圖如圖6所示。

（3）時鐘電路

AT89C2051單片機有一個片內(nèi)的振蕩器電路，由一個單級反相器組成，可用來作為CPU的時鐘源。如果采用內(nèi)部的振蕩電路，則要在單片機的引腳XTAL1和XTAL2之間連一個石英晶體諧振器，并接2個電容到地，即可組成完整的并聯(lián)諧振電路輸出時鐘信號。

當采用外部振蕩器時，XTALl端直接與外部振蕩器的信號相連，XTAL2端懸空不用，電路圖如圖7所示。

3 編程時所要注意的問題

系統(tǒng)要求的各項功能要由軟件編程來實現(xiàn)。實際的智能密碼鎖監(jiān)控系統(tǒng)含有較多單個的密碼鎖，因此，系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能較多而復(fù)雜，而且層次比較多。因此在設(shè)計上首先采用了計算機多任務(wù)處理的先進技術(shù)，前臺完成命令響應(yīng)、各模塊調(diào)用以及實時密碼鎖狀態(tài)的動態(tài)圖形化顯示等，后臺負責(zé)實時監(jiān)視門鎖控制器發(fā)送的密碼鎖狀態(tài)變化事件、定時巡檢現(xiàn)場的密碼鎖控制器、報警處理等；在編程技術(shù)上采用先進的VCL組件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用多線程技術(shù)進行多任務(wù)處理；其次，采用模塊化程序設(shè)計，把一個大的程序劃分為若干個小的功能模塊，每個模塊之間既相互獨立又相互聯(lián)系，這樣可以提高軟件的可維護性、可讀性、可靠性和高效性。

4 結(jié) 語

本文簡單地對密碼鎖監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和硬件電路進行了描述，并以AT89C2051單片機為核心，完成主要的硬件電路設(shè)計。同時，就實現(xiàn)電路功能的軟件編程要注意的問題做了說明。

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