1.模块系统设计

（1）根据题目的要求，需要考虑如下几个任务：按键的输入，密码的判断，密码输入正确或错误的计时、输出信号的控制等。

键盘的输入：由于需要输入6个数字作为密码，先要判断按键时数字键还是功能键，若判断为数字键按下，则需要将每次键盘的输入内容依次暂存在一个数组中。在每次按键输入时，需要启动定时器实现待机计时（5秒）。若5秒内没有输入内容则清除已输入的内容。

密码的判断和计时：在按下确认键之后，要将输入的内容与初始密码核对，如果密码正确，输出相应的指示，同时还要启动定时器实现4s的计时。如果密码错误，错误计数变量增1，同时输出密码指示信号，若错误次数超过3s，则输出报警等信号，同时启动定时器实现15秒的计时。

输出信号的控制主要根据按键输入与密码的核对情况来决定。

整体程序设计思想：

程序分为主程序和中断服务程序两个主要部分，主程序完成变量和单片机特殊功能寄存器的初始化后，进入一个循环结构。在循环中，首先判断有无按键按下，若有按键则判断是否数字键还是功能键，根据按键的情况执行相应的功能。然后根据密码是否正确的判断情况，执行相应的操作。循环中最后将需要显示的内容通过动态扫描在数码管上显示。

中断服务程序只要实现三个状态的计时，待机时需要计时5秒，密码正确需要计时5s，密码3次输入错误需要计时15秒。当前处于何种计时，由主程序根据密码判断结果来决定。

（2）选择单片机型号和所需外围器件型号

采用MCS51系列单片机At89S51作为主控制器，外围电路器件包括数码管驱动、蜂鸣器的输出驱动、独立式键盘以及发光二极管的输出等。

数码管驱动采用2个四联共阴极数码管显示，由于单片机驱动能力有限，采用74HC244作为数码管的驱动。在74HC244的7段码输出线上串联100欧姆电阻起限流作用。

蜂鸣器的驱动采用PNP三极管8550来驱动，低电平有效。

独立式按键使用上提拉电路连接，在没有键按下时，输出高电平。发光二极管串联500欧姆电阻再接到电源上，当输入为低电平时，发光二极管导通发光。

（3）分析软件任务要求，写出程序设计思路，分配单片机内部资源，画出程序流程图

软件任务要求主要包括按键扫描、密码判断、动态扫描输入的内容、计时、指示信号输出以及蜂鸣器提示音的输出等。主程序主要完成变量与寄存器的初始化、按键的扫描与判断、密码的判断以及数码管动态扫描显示等。主程序流程图如图1所示。

图1 密码锁的主程序流程图

中断服务程序主要完成三种定时的计时工作，包括①按键之后启动的待机计时，当待机超过5s则清除已输入的内容。②密码输入正确之后的计时，4s之后清除开锁驱动信号与已开锁指示信号。 ③密码输入错误3次的计时，计时15s,在则15s内无法再次输入密码，15秒过后清除所有报警与指示。

单片机资源的分配与变量的定义：

密码的输入与判断需要定义4个变量。原始密码存储在数组init_val[6]中。键盘输入的密码存储在数据show_val[6]中，变量 key_index的值表示当前按键是六位密码中的哪一位，每输入一个密码数字该变量增一。密码输入错误的次数暂存在变量error_num中。

计时功能需要5个变量。模式变量cnt_state存储计时属于什么状态，0表示待机计时，1表示密码正确的计时，2表示密码错误3次的计时。三个变量（cnt_val_15s,cnt_val_5s, cnt_val_4s）分别实现待机、密码正确和密码错误3次后的计时工作。定时器T1每250ms产生一次中断，变量T1_cnt记录定时器溢出中断的次数，当记录到4000时表示计时1秒。

（4）设计系统软件调试方案、硬件调试方案及软硬件联合调试方案

软件调试方案：伟福软件中，在“文件\新建文件”中，新建C语言源程序文件，编写相应的程序。在“文件\新建项目”的菜单中，新建项目并将C语言源程序文件包括在项目文件中。

在 “项目\编译”菜单中将C源文件编译，检查语法错误及逻辑错误。在编译成功后，产生以 “*.hex”和“*.bin” 后缀的目标文件。

硬件调试方案：在设计平台中，将单片机的P1.0-P1.7分别与8个独立式键盘通过插线连接起来，将P3.0-P3.3分别与4个发光二极管连接起来，P3.4与蜂鸣器的输入连接起来。

在伟福中将程序文件编译成目标文件后，将下载线安装在实验平台的下载线接口上，运行“MCU下载程序”，选择相应的flash 数据文件，点击“编程”按钮，将程序文件下载到单片机的Flash中。

然后，上电重新启动单片机，检查所编写的程序是否达到题目的要求，是否全面完整地完成试题的内容。

2.程序设计

//晶振11.0592MHz，T1每250微秒中断，按键P1.0-P1.7，发光二极管接P3.0-P3.3，p3.4

/*变量的定义:

show_val[6]: 显示的值

init_val[6]: 密码初始值

key_val: 返回按键的值 255-表示无按键按下

key_index: 当前按键是哪一位密码

T1_cnt: 定时器计数溢出数

cnt_val_15s: 报警计时的数值

cnt_val_5s: 待机时间计时

cnt_val_4s: 输入正确，等待4秒清除开锁信号

cnt_state: 计时状态

error_num: 错误次数

led_seg_code：数码管7段码

*/

#include "reg51.h"

/*说明key0=P1^0; key1=P1^1;key2=P1^2; key3=P1^3;key4=P1^4;key5=P1^5;enter=P1^6;esc=P1^7;*/

sbit relay_open=P3^0; //电磁锁开锁驱动

sbit pw_error=P3^1; //密码错误信号

sbit alarm_out=P3^2; //报警输出

sbit open_lock=P3^3; //已开锁指示信号

sbit audio_out=P3^4; //有源蜂鸣器

unsigned char data cnt_val_15s,cnt_val_5s,cnt_val_4s,cnt_state;

unsigned int data T1_cnt;

unsigned char data key_val,key_index,key_val_old;

unsigned char data state_val,error_num;

unsigned char data show_val[6];

char code init_val[6]={1,2,3,4,5,0};

char code led_seg_code[11]={0x3f,0x06,0x05b,0x04f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00};

//led_seg_code[0-9]代表0-9 led_seg_code[10]=0x00数码管不显示任何内容

//--------延时程序----------------

void delay(unsigned int i)//延时

{ while(--i); }

//--------清除输入内容----------

void init_variant()

{unsigned char i;

for(i=0;i<6;i++)

show_val[i]=10; //led_seg_code[10]=0x00表示数码管不显示任何内容

key_index=0; //没有任何输入或清除所有输入时，保存当前键的位置

}

//---------按键扫描---------------

unsigned char scan_key()

{ unsigned char i,k;

i=P1;

if (i==0xff && cnt_state!=2)

{ k=255; } //无键按下

else //有键按下

{ delay(500); //延时去抖动

if(i!=P1)

{k=255;}

else

{ TR1=1; //有键按下则开定时器，启动待机计时

cnt_val_5s=0;

switch (i)

{ case 0xfe: k=0; break;

case 0xfd: k=1; break;

case 0xfb: k=2; break;

case 0xf7: k=3; break;

case 0xef: k=4; break;

case 0xdf: k=5; break;

case 0xbf: k=6; break;

case 0x7f: k=7; break;

}

}

}

return k;

}

//---------数码管显示---------------

void led_show()

{P0=led_seg_code[show_val[0]];

P2=0xdf;

delay(500);

P0=led_seg_code[show_val[1]];

P2=0xef;

delay(500);

P0=led_seg_code[show_val[2]];

P2=0xf7;

delay(500);

P0=led_seg_code[show_val[3]];

P2=0xfb;

delay(500);

P0=led_seg_code[show_val[4]];

P2=0xfd;

delay(500);

P0=led_seg_code[show_val[5]];

P2=0xfe;

delay(500);

}

//--------定时器T1中断服务程序-----------------

void timer1() interrupt 3 //T1中断

{ T1_cnt++;

if(T1_cnt>3999) //如果计数>3999, 计时1s

{ T1_cnt=0;

switch (cnt_state)

{ case 0: //待机，需要计时5s

if(cnt_val_5s<5)

{ cnt_val_5s++;}

else

{ cnt_val_5s=0;

init_variant();//待机计时到5秒时，清除输入的内容

TR1=0; //停止计时

}

break;

case 1://密码输入正确，需要计时4s

if(cnt_val_4s<4)

{ cnt_val_4s++;}

else

{ cnt_val_4s=0;

init_variant();//密码输入正确，计时到4秒时，清除输入的内容

open_lock=1; //已开锁信号清零

relay_open=1; //开锁信号清零

cnt_state=0;

TR1=0; //停止计时

}

break;

case 2: //密码输入错误3次，计时15s

if(cnt_val_15s<15)

{ cnt_val_15s++;}

else

{ cnt_val_15s=0;

init_variant();//三次密码错误时，计时15秒，清除输入的内容

open_lock=1; // 清除所有指示和报警

relay_open=1;

alarm_out=1;

pw_error=1;

cnt_state=0;

TR1=0; //停止计时

}

break;

}

}

}

//--------判断键盘输入内容与密码是否一致------

unsigned char check_input_pw()

{ unsigned char i,k;

k=1;

for(i=0;i<6;i++)

{ k=k && (show_val[i]==init_val[i]); }

return k;

}

//---------主程序----------------

main()

{ //初始化各变量

audio_out=1;

P3=0xff;

cnt_val_15s=0;

cnt_val_5s=0;

cnt_val_4s=0;

cnt_state=0;

//0-待机计时5s状态;1-密码正确，计时4s状态 ;2-三次密码错误，处于计时15秒状态。

T1_cnt=0;

error_num=0;

key_val_old=255;

init_variant();

//初始化51的寄存器

TMOD=0x20; //用T1计时 8位自动装载定时模式

TH1=0x19; //500微秒溢出一次; 250=(256-x)*12/11.0592 -> x=19

TL1=0x19;

EA=1; //开中断

ET1=1;

TR1=0; //开定时器T1

while(1)

{ key_val=scan_key(); //按键输入，有键按下key_val为0-7，无键按下key_val为255。

if (key_val!=key_val_old)

{ key_val_old=key_val;

if (key_val!=255&& cnt_state!=2)

{ audio_out=0;

delay(100); //延时去抖动

audio_out=1;

switch (key_val)

{ case 0:

case 1:

case 2:

case 3:

case 4:

case 5:

if(key_index<6) //密码为6位，超过6位视为输入无效

{ show_val[key_index]=key_val;

key_index++; }

break;

case 6: //确认键

if(check_input_pw())

{//密码正确

error_num=0; //密码输入错误次数清零

//---------

pw_error=1; //密码错误指示灯灭

relay_open=0; //开锁驱动信号灯亮

open_lock=0; //已开锁信号灯亮

//---------

delay(50000); //两声短“滴”声

audio_out=0;

delay(50000);

audio_out=1;

delay(50000);

audio_out=0;

delay(50000);

audio_out=1;

//---------

cnt_state=1; //下一状态处于4秒计时的状态

TR0=1; //启动定时

}

else

{ if (error_num<2)

{error_num++; //输入错误次数小于3次时，没错一次error_num增一

pw_error=0; //密码错误指示灯亮

//-----------

delay(20000);//一声长“滴”声，提示错误

audio_out=0;

delay(60000);

audio_out=1;

//-----------

init_variant();//清除所有输入，等待下一次输入

}

else //输入错误次数超过3次

{ alarm_out=0; //报警灯亮

pw_error=0; //密码错误指示灯亮

error_num=0; //密码输入错误次数清零

//----------

audio_out=0; //长鸣声报警

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

delay(60000);

audio_out=1;

//-------------

TR1=1; //打开定时器计时

cnt_state=2; //下一状态处于15秒计时的状态

}

}

break;

case 7://取消键

init_variant();

break;

}

}

}

led_show();

}

}

//-----程序结束-----------------