本科毕业设计（论文）
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燕山大学
2012年 6月
本科毕业设计（论文）
（输入毕业设计（论文）题目）
学院：里仁学院
专业：电子信息工程
学生姓名：于久龙
学号：0813********
指导教师：张涛
答辩日期：
燕山大学毕业设计（论文）任务书
摘要
摘要
随着电子产品向智能化和微型化的不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中的首选控制器。随着社会经济的不断发展，人们生活水平的提高和安全意识的加强, 安全防盗已成为社会问题，如何制作安全可靠，又要使用方便的各种防盗锁，是制锁者长期以来研制的主题。各种各样的密码锁就这样广泛进入了人们的生活和工作。针对传统机械式密码锁的不足，固定键盘式电子密码锁的不隐蔽性和红外遥控电子密码锁的方向限定性，为了解决密码锁存在的诸多安全问题，进一步提高电子密码锁系统的安性、可靠性和实用性，本文采用无线传输技术，设计一款基于Nordic公司的nRF24L01无线收发一体芯片的遥控密码锁。
本文介绍了一个基于nRF24L01和STC12C5A60S2单片机的短距离无线遥控门锁系统，分析了该系统的硬件电路以及设计软件设计。nRF2401在单片机STC12C5A60S2的控制下，工作在突发模式，可以实现门锁的“开”与“关”的功能。
关键词无线传输、单片机、nRF2401
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
With the continuous development of intelligence and miniaturization of electronic products, microcontroller has become the preferred controller electronic products research and development. With the continuous economic development, improve people's living standard and safety awareness to enhance security, security has become a social problem, how to make a safe and reliable, but also easy to use a variety of anti-theft locks, lock a long time to develop the theme . A variety of locks so widely into the way people live and https://www.doczj.com/doc/372827721.html,ck of traditional mechanical locks, hidden and infrared remote electronic lock direction of the fixed keyboard electronic lock limit, in order to lock many security issues, to further improve the safety of the electronic lock system,reliability and practicality of using wireless transmission technology, design a remote control password lock based on Nordic's nRF24L01 wireless transceiver chip.
This article describes a single-chip nRF24L01 and STC12C5A60S2 of short-distance wireless remote control door lock system, the hardware circuit design software design. nRF2401 in the microcontroller STC12C5A60S2 under the control of, the work in the burst mode can be achieved locks "open" and "off" function.
Keywords wireless communication，SCM , nRF2401
目录
摘要....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)
1.1课题背景 (1)
1.2密码锁的发展 (2)
1.2.1 密码锁的发展阶段 (2)
1.2.2 机械密码锁 (2)
1.2.3 电磁/卡片式密码锁 (3)
1.2.4 指纹密码锁 (3)
1.2.5 电子密码锁 (3)
1.3本设计的目的 (4)
1.4市场前景 (4)
1.5本文结构 (5)
第2章系统设计方案和控制过程 (6)
2.1系统设计方案 (6)
2.2系统控制过程 (6)
2.3本章小结 (7)
第3章系统硬件 (8)
3.1STC12C5A60S2单片机性能 (8)
3.2STC12C5A60S2单片机开发板结构 (9)
3.3STC12C5A60S2单片机程序下载 (12)
3.3.1 USB转RS232串口设备驱动程序的安装 (12)
3.3.2 STC-ISP V483串口下载软件的使用 (15)
3.4无线传输组N RF24L01 (18)
3.5 N RF24L01功能特性 (18)
3.6 N RF24L01及其外围电路 (21)
3.7 N RF24L01工作模式 (21)
3.7.1 nRF24L01收发模式 (21)
3.7.2 nRF24L01待机模式 (23)
3.7.3 nRF24L01掉电模式 (23)
3.8 N RF24L01寄存器 (23)
3.9 N RF24L01SPI配置 (23)
3.10 N RF24L01模块驱动程序 (25)
3.10.1 GPIO模拟SPI函数 (26)
3.10.2 寄存器访问函数 (26)
3.10.3 读取寄存器值函数 (27)
3.10.4 接收缓冲区访问函数 (27)
3.10.5 发射缓冲区访问函数 (28)
3.10.6 RX 模式初始化函数 (29)
3.10.6 TX 模式初始化函数 (30)
3.11本章小结 (31)
第4章系统流程 (32)
4.1开发环境 (32)
4.2软件流程 (38)
4.2.1 发送流程 (38)
4.2.2 接收流程 (39)
4.3本章小结 (41)
结论 (42)
参考文献 (43)
致谢 (45)
附录1 (46)
附录2 (52)
附录3 (58)
附录4 (65)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 课题背景
随着社会经济的不断发展，人们生活水平的提高和安全意识的加强, 安全防盗已成为社会问题，如何制作安全可靠，又要使用方便的各种防盗锁，是制锁者长期以来研制的主题。各种各样的密码锁就这样广泛进入了人们的生活和工作。人们对其要求也越来越高，既要安全可靠，又要使用方便。
电子技术的飞速发展，给古老的锁具生产带来了翻天覆地的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批如声控锁、磁控锁、密码锁、遥控锁，指纹锁等先进的锁具。而当前市场上的密码锁有以下几种形式:机械式、电子式、磁卡式、智能IC卡式、指纹式等。其中基于单片机的电子式密码锁市场占有量最大,因为电子密码锁具有机械锁无可比拟的优越性，它不但可以完成锁本身的功能，还可以兼有多种功能，如记忆、识别、报警等。
但是目前市场上的电子密码锁系统大多采用的是固定键盘式的, 是基于串行ROM芯片进行设计的，其将密码以明文的形式直接存储于芯片中，固定在面板上，该方案使得用户在操作时没有隐蔽性,极易被人看见和偷拍而使得密码不安全, 很容易被不法分子盗取，而且键盘一旦遭到强行破坏，再也无法输入密码，因而操作的安全性不高。
为了解决目前电子密码锁的诸多不安全问题，本设计引入遥控技术，提出设计一种基于无线传输的无线遥控密码锁系统。红外线遥控技术出现较早，成本低，响应速度快，价格也具有优势。但它在使用中易受到干扰，需要保证遥控发射器和遥控接收设备处于一定的角度范围，中间不能有任何物品，否则就会阻挡红外线的传输，因为红外线不能穿越砖瓦水泥砌筑的墙体，这在日常使用中经常会造成不便。而无线传输作为新一代的无线外设解决方案,具有绕射和穿透特性,在有效工作范围内,无线设备可以不受角度、方向和障碍物的限制而自由使用，使用户在一定范围内的任何位置都能对门锁进行开启,可以提高密码的安全性,克服了固定键盘式密码锁的不足。此外，线传输模组nRF2401价格低，使用方便，所以使用该模组生产的无线遥控锁是当前最具优势的一种遥控锁具之一。
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系统以51单片机为核心，利用无线遥控技术和电子密码锁技术结合，能进一步提高电子密码锁的安全性、可靠性与实用性，降低了硬件成本，使得电子密码锁在电子技术飞速发展的今天能够得到广泛的应用，保护人民的财产安全。
1.2 密码锁的发展
1.2.1 密码锁的发展阶段
锁具是流源千古的社会性用品。其发展大致分为以下一个阶段：
（1）普通机械锁；
（2）机械密码锁
（3）卡片钥匙式电子锁；
（4）拨盘式电子锁；
（5）模式识别式电子锁；
（6）智能遥控电子锁、以及用于特定场合的安全密码锁。
目前普通的居民使用最多的还是机械锁，这种锁结构简单、使用方便、价格便宜，但在使用中暴露了很多缺点：钥匙一旦丢失，无论谁捡到钥匙都可将门打开；机械锁的材料多为黄铜，质地较软，容易损坏。
密码锁采用密码代替钥匙，省去了佩带钥匙的烦恼，解决了普通门锁保密性差的缺点。密码锁根据设计、制作原理的差异，可分为机械密码锁、电磁产卡片式密码锁、指纹密码锁、电子密码锁等类型。
1.2.2 机械密码锁
该型锁将解锁密码以机械装定的形式存储在装置的鉴别机构上，在装置的外围设立密码操作键。密码的输入，产生相应的鉴别动作，即正确的密码输入，鉴别机构产生开锁动作；错误的密码输入，鉴别机构的部件将发生错位或不做出响应。机械密码锁采用机械加工(如精密机械加工/微细加工)制作，皮实、耐用，电磁干扰、外界的异常信号很难启动鉴别机构。但机械密码锁通常包含多个较复杂的机、电功能组件，装置微小型化需借助先进的制造技术与装配工艺，制造周期长、成本高，机电接口及测试也有一定难度。
第1章绪论
1.2.3 电磁/卡片式密码锁
该型锁类似于机械锁，利用光电藕8合或电磁感应的原理，将密钥信息预先置于卡片充当钥匙，开锁时将卡片插入锁内或近距离感应就能将锁打开。该锁的优点是：成本较低；授权用户一人一卡，可联微机，有开门记录。缺点是：卡片设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制，不易双向控制：磁卡内存储的信息容易因外界磁场干扰而错乱，以致卡片(钥匙)无效。
1.2.4 指纹密码锁
该类锁通过检验人员生物特征(如指纹)等方式来识别开锁。管理员利用采样控制软件，通过指纹采集仪采集、保存指纹；识别软件依赖指纹库识别开锁者的身份，通过外围设备显示、打印和存储。指纹具有唯一性和终身不变性的特点，一直被当作身份鉴定的可靠手段，从是否允许非法开启角度来说，安全性极好；但从使用是否方便的角度看，对安装环境和使用者的要求很高(比如虹膜识别型和面部识别型)，安装位置与使用者身高之间必须满足一定的关系；同一个人，在指纹划伤，眼睛红肿充血，或任何被用于开锁的识别部位有损伤的情况下，可能产生错误识别而无法开锁。
1.2.5 电子密码锁
到了80年代，在日本产生了最早的电子密码锁。随着日本经济复苏，电子行业的快速发展，一些利用简单的门电路设计的密码锁出现了。这类电路安全性差，容易破解。
到了90年代，美国、意大利、德国、日本、加拿大、韩国以及我国的台湾、香港等地的微电子技术的进步和通信技术的发展为密码锁提供了技术上的基础，从而推动密码锁走向实际应用的阶段。
我国于90年代初开始对密码锁进行初步的探索。到目前为止，在此领域虽已有较大的发展，采用各种电路进行设计的比较多，技术也相当先进，但是，必须正视的一个事实是，出口产品中高档产品只占15%-20%，而我国高档产品在发达国家也只能算是中档产品，价格低是普遍现象。此外，我国目前的出口产品，与国外产品相比，无论是品牌知名度还是产品售价，我国产品有着非常大的差距。
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电子技术发展至今已达到相当高的水平，电子密码锁技术己十分成熟。家庭、宾馆已开始使用电子门，贵重物品、机密文件的保管也用到了电子密码锁，电子密码锁控制器在现场与传感器及执行机构相连，进行状态监视和完成控制功能。小型便携的新型装置，可广泛应用在各种场合，其结构简单、造价低廉、安全性好。通常电子密码锁系统由电路部分和机械执行部分组成。电路部分有利用密码锁ASIC(专用集成电路)芯片控制、利用单片机控制以及逻辑门电路构成等多种方式。在现有的电子密码锁中，基本上是用户由键盘通过接口电路将意图解锁码输入到控制器(主要由CPLD组成)中，控制器将输入的密码与电子锁内预置的开锁密码进行比较、鉴别，当确认完全一致时，送出一个信号给功率放大器，然后由继电器带动机械执行部件开锁。输入的密码将被与电子锁内预置的开锁密码进行比较。
1.3 本设计的目的
本设计是一个基于nRF24L01和STC12C5A60S2单片机的短距离无线遥控门锁系统，该系统能够实现遥控门锁的“开”和“关”的功能，其结构简单，成本低廉，具有广阔的市场前景。
1.4 市场前景
目前，市场上比较先进的智能锁有IC卡密码锁、指纹识别密码锁、瞳孔识别密码锁和射频遥控密码锁等。
IC卡密码锁成本低，体积小，卡片本身无须电源等优点占领了一定的市场份额，但是由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用不太方便，一定程度上限制了它的应用，现多用于酒店管理中；指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁统可靠性很高性、安全性是目前门禁系统中最高的，但是成本高昂，还没进入大众化使用阶段；用nRF24L01无线传输模组制作的遥控密码锁系统则成本低廉，而且可以进行近距离的无方向限制的遥控，遥控距离远大于其他密码锁的遥控距离，低耗很低，可以使用普通碱性电池供电，使用十分方便。本设计的遥控密码锁系统成本低廉，如经优化设计，成本可以进一步降低。遥控密码锁锁具有广阔的市场前景。
第1章绪论
1.5 本文结构
本文从整体上，先描述本设计的系统设计方案和控制过程，然后分别介绍了组成本设计的两大硬件的结构框架、电路、功能特性等，最后阐述了编辑系统程序用到的集成开发环境及程序的流程。
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第2章系统设计方案和控制过程
2.1 系统设计方案
本设计中是用了两套STC12C5A60S2单片机开发板和nRF24L01无线传输模块，密码的传送是通过无线传输模组nRF24L01来实现的，能够很好的实现密码锁的开启。其中一套STC12C5A60S2单片机开发板和nRF24L01无线传输模块用来作为密码锁的钥匙端，实现密码的发送；另一套nRF24L01
无线传输模块和STC12C5A60S2单片机开发板用来作为密码锁的锁端，实现密码的接收。在发送端的开发板上，有两个指示灯，当成功发送数据后，指示灯会闪烁；在接收端的开发板上，有两个指示灯和一个蜂鸣器，当成功接收密码后，指示灯闪烁的同时，蜂鸣器报警。
本设计中的发送端和接收端的硬件组成是相同的，其系统硬件组成框图如图2-1所示。
图2-1 系统整体框图
2.2 系统控制过程
在STC12C5A60S2单片机开发板上共有5个按键，三个指示灯，一个蜂
第2章系统的设计方案和控制过程
鸣器，其中一个复位键，一个电源指示灯。本设计在发射端使用四个扩展按键“K1”、“K2”、“K3”、“K4”，通过四个按键实现6位密码的编排，每按一次按键，指示灯LED1会闪烁一次，6位密码输入完成之后，LED1和LED2会同时闪烁，同时nRF24L01无线传输模块进入发射模式，发射密码组；在接收端，当有无线信号到来的时候，nRF24L01无线传输模块会进入接收模式，并开始接收数据，成功接收后，会与预设的一组密码进行对比，如果吻合，LED1和 LED2会同时闪烁，蜂鸣器报警，实现开锁的功能。
2.3 本章小结
本章重点介绍了遥控门锁的设计方案和所使用的部分模块，以及系统的整体框图，并且详细阐述了系统的控制过程，为软硬件设计做了一个整体的框架。
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第3章系统硬件
3.1 STC12C5A60S2单片机性能
单片机核心板的主要实现芯片为STC12C5A60S2，该系列单片机是宏
晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051 单片机。通过使用STC-ISP 软件，该单片机可实现串口在线编程，无需编程器，无需仿真器。
指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍；内部集成MAX810
专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换(250K/S)。STC12C5A60S2 系列单片机的主要特点如下：
(1)增强型8051CPU，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
(2)工作电压：5.5V - 3.3V(5V 单片机)
(3)工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051 的0～420MHz
(4)用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K 字节
(5)片上集成1280 字节RAM。
(6)通用I/O 口(36/40/44 个)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051
传统I/O 口)；可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大
不要超过55mA。
(7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专
用仿真器；可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
(8)有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。
(9)看门狗。
(10)内部集成MAX810 专用复位电路(外部晶体12M 以下时，复位脚
可直接1K 电阻到地)。
(11)外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器。5V 单片机为1.32V，误差为+/-5%。
(12)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C 振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)；用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是
第3章系统硬件
外部晶体/时钟；常温下内部R/C 振荡器频率为：11MHz～15.5MHz；精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。
(13)共4 个16 位定时器；两个与传统8051 兼容的定时器/计数器，16
位定时器T0 和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的
波特率发生器，再加上2 路PCA模块可再实现2 个16 位定时器。
(14)2 个时钟输出口，可由T0 的溢出在P3.4/T0 输出时钟，可由T1
的溢出在P3.5/T1输出时钟。
(15)外部中断I/O口7 路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新
增支持上升沿中断的PCA 模块，Power Down 模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2、INT1/P3.3、T0/P3.4、T1/P3.5、RxD/P3.0、CCP0/P1.3(也可通
过寄存器设置到P4.2)、CCP1/P1.4(也可__________通过寄存器设置到P4.3)。
(16)PWM(2 路)/PCA(可编程计数器阵列2 路)，也可用来当2 路D/A 使用，也可用来再实现2 个定时器，也可用来再实现2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。
(17)A/D 转换：10 位精度ADC，共8 路，转换速度可达250K/S。
(18)通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12 系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。
(19)STC12C5A60S2 系列有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到
P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。
(20)工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)。
(21)封装：PDIP-40、LQFP-44、LQFP-48。
另外，I/O 口不够时，可用2 到3 根普通I/O 口线外接
74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口，还可用A/D 做按键扫描来节省I/O 口，或用双CPU三线通信，还多了串口。
3.2 STC12C5A60S2单片机开发板结构
STC12C5A60S2单片机开发板选用的是40引脚的封装的STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2单片机的引脚封装如图3-1所示：
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图
3-1 STC12C5A60S2引脚
图3-2 STC12C5A60S2实物图
第3章系统硬件
STC12C5A60S2单片机开发板电路原理图如图3-3所示：
图3-3 STC12C5A60S2开发板原理图
STC12C5A60S2单片机开发板实物如图3-4所示：
图3-4 STC12C5A60S2实物图
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3.3 STC12C5A60S2单片机程序下载
通过使用STC-ISP软件，STC12C5A60S2单片机可实现串口在线编程。由于现在大多数计算机上都不在提供单独的串口，所以需要使用USB 转RS232 串口线。本节详细讲述USB 转RS232 串口设备驱动程序的安装和STC 串口下载软件STC-ISP V483的使用。
3.3.1 USB转RS232串口设备驱动程序的安装
将USB转RS232串口线USB接口插入计算机的USB口后，会出现如图3-5所示的安装提示。选择“从列表或指定位置安装”，并点击“下一步”，会出现如图3-6 所示的搜索驱动程序位置的提示，选择“在搜索中包括这个位置”，并点击浏览，会出现浏览文件窗口，如图3-7所示。点击图中右侧树形结构，将“+”展开，选择光盘“3_USB 转串口驱动程序”文件夹下面的CH340 文件夹，点击确定；之后将返回“找到新硬件向导”窗口，直接点击“下一步”。此时Windows 会自动安装驱动程序，成功后，会出现如图3-8所示的提示界面。
图3-5 设备驱动安装提示图