Разработка кодового замка на MCS-51

Рисунок 3.4.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и динамика

3.5 Сопряжение микроконтроллера и датчика открытия двери

 

Датчик подключается к выводу порта P0.7 через резистор R9, который подтягивает напряжение на выводе до единицы, когда контакты датчика разомкнуты (рисунок 3.5.1). При замыкании контактов напряжение +5В замыкается на землю, и на выводе порта появляется ноль. Длина провода от резистора к датчику много больше длины провода к микроконтроллеру, поэтому подтягивающий резистор R9 возьмём номиналом 1КОм, а для борьбы с помехами используем конденсатор С6 на 100пФ.

 

 

Рисунок 3.5.1 - Схема сопряжения микроконтроллера и датчика открытия двери

3.6 Подключение микроконтроллера к цепям, обеспечивающим его работу

 

Подключение микроконтроллера к цепям питания, сброса, внешнему кварцевому резонатору и выводу блокировки работы с внутренней памятью (рисунок 3.6.1) является стандартным, рекомендованным производителем [4].

 

Рисунок 3.6.1 - Схема подключения микроконтроллера

 

4. Разработка алгоритма работы системы и программного обеспечения

Алгоритм  функционирования программы кодового замка включает в себя следующие  основные блоки:

- включение;

- ввод кода;

- проверка  введённого кода;

- контроль  количества попыток ввода кода;

- открытие  замка;

- закрытие  замка;

- световая  индикация;

- звуковой  сигнал.

На рисунке 4.1 представлена блок-схема алгоритма  работы программы.

Рассмотрим  алгоритм функционирования программы  более подробно.

- Включение  устройства

При подаче питания  производится инициализация переменных: для хранения адреса ячейки памяти с текущей введённой цифрой кода используется регистр r0, для количества попыток ввода – память данных по адресу 38h. Затем выключаются светодиод и динамик установкой в 0 соответствующих битов порта p2. Настраивается таймер t0, который будет далее использоваться для формирования программной задержки. Режим – 16-битный таймер. Далее задаётся адрес для первой цифры кода и количество попыток ввода.

- Ввод кода

Ввод кода производится посредством опроса клавиатуры и регистрации нажатий клавиш. Клавиатура опрашивается в бесконечном  цикле. При обнаружении нажатия  кнопки во избежание регистрации  нескольких нажатий из-за явления  дребезга контактов вызывается подпрограмма формирования временной задержки длительностью 5 мс (delay2). После отпускания кнопки происходит запоминание введённого значения и возврат в цикл опроса клавиатуры, если ещё не все цифры введены.

 

Открыть замок

Ввод кода

Уменьшить количество попыток

Закрыть замок

Код верен?

Кол-во попыток = 0?

Восстановить количество попыток

Звуковой сигнал

Дверь открыта?

Световая индикация

нет

нет

нет

да

да

да

Дверь закрыта?

да

нет

Световая индикация

Включение

Рисунок 4.1 - Блок-схема работы программы

 

- Проверка  введённого кода

Когда введены  все цифры кода, производится последовательная проверка всех цифр, начиная с последней (метка code_wrong). Здесь для примера выбран шестизначный код “123456” В случае несовпадения цифры кода с заданной проверяется количество оставшихся попыток ввода кода (метка code_wrong).

- Контроль  количества попыток ввода кода

Если все  попытки ввода израсходованы, включается звуковой сигнал длительностью 1 с. Для  формирования задержки используется подпрограмма delay. Во время действия звукового сигнала устройство не реагирует на нажатия клавиш.

- Открытие  замка

Открытие  замка производится установкой бита p2.0.

- Закрытие  замка

Закрытие  замка производится сбросом бита p2.0.

- Световая  индикация

Световая  индикация включается установкой бита p2.2 и выключается его сбросом.

- Звуковой  сигнал

Звуковой  сигнал включается установкой бита p2.1 и выключается его сбросом.

- Формирование  программной временной задержки.

1) Формирование  задержки длительностью 5 мс.

Подпрограмма реализации временной задержки использует метод программных циклов. При этом в некоторый рабочий регистр загружается число, которое затем в каждом проходе цикла уменьшается на 1. Так продолжается до тех пор, пока содержимое рабочего регистра не станет равным нулю, что интерпретируется программой как момент выхода из цикла. Время задержки при этом определяется числом, загруженным в рабочий регистр, и временем выполнения команд, образующих программный цикл.

 

mov  r2,#0ffh

loop3:

djnz  r2,loop3

 

Команда mov выполняется за 1 машинный цикл, команда djnz – за 2. При тактовой частоте 24 МГц каждый машинный цикл выполняется за 0,5 мкс. Таким образом, максимальная длительность задержки, реализуемая с помощью одного цикла, составляет (1+255*2)*0,5=255,5 мкс (в регистре r2 значение 255). Задержка большой длительности может быть реализована методом вложенных циклов.

 

delay2:     ;задержка 5 мс

mov r3,#13h

loop4:

mov  r2,#0ffh

loop3:

djnz  r2,loop3

djnz r3,loop4

ret

 

Так, максимальная длительность задержки при использовании двух циклов составляет (1+((1+2*255)+2)*255)/2=65408 мкс=65,41 мс. Рассчитаем значение регистра r3 для формирования задержки длительностью 5 мс. Очевидно, что в регистр r2 нужно загрузить максимальное значение 255. При расчёте нужно учесть, что на выполнение команд call и ret требуется по 2 машинных цикла на каждую. (2+2+1+((1+2*255)+2)*X)/2=5000. X=19,42. В регистр заносим значение 13h.

 

2) Формирование  задержки длительностью 1 с.

При формировании задержки длительностью 1 с используется таймер T0.

 

delay:     ;задержка 1 с

mov r1,#1fh

loop1:

mov th0,#0h

mov tl0,#0h

setb tcon.4

loop2:

jb tcon.4,loop2

djnz r1,loop1

ret

 

В 16-битном режиме (диапазон значений таймера 0-65535) при  тактовой частоте 24МГц таймер позволяет  формировать задержки длительностью  до 32767,5 мкс. Для создания задержки в 1 с таймер должен переполниться 1/ 0,0327675=30,52 раз. Таким образом, в регистр  r1 нужно загрузить значение 1fh.

 

5. Описание среды разработки программного обеспечения

При разработке и отладке программного обеспечения для данного проекта  использовался пакет ProView. ProView фирмы Franklin Software Inc. – интегрированная среда разработки программного обеспечения для однокристальных микроконтроллеров семейства Intel 8051 и его клонов. Она включает в себя все компоненты, необходимые для создания, редактирования, компиляции, трансляции, компоновки, загрузки и отладки программ:

- стандартный интерфейс Windows;

- полнофункциональный редактор  исходных текстов с выделением  синтаксических - элементов цветом;

- организатор проекта;

- транслятор с языка C;

- ассемблер;

- отладчик;

- встроенную справочную систему.

Среда разработки подобна Visual C++ Microsoft и Borland C++ для Windows. Пользователи, знакомые с любым из этих изделий, будут комфортно чувствовать себя в ProView. Первый этап разработки программы – запись её исходного текста на каком-либо языке программирования. Затем производится компиляция или трансляция его в коды системы команд микроконтроллера, используя транслятор или ассемблер. Трансляторы и ассемблеры – прикладные программы, которые обрабатывают текстовый файл, содержащий исходный текст программы, и создают объектные файлы, содержащие объектный код. После компоновки объектных модулей наступает этап отладки программы, устранения ошибок, оптимизации и тестирования программы. ProView объединяет все этапы разработки прикладной программы в единый рекурсивный процесс, когда в любой момент времени возможен быстрый возврат к любому предыдущему этапу. Далее описаны основные компоненты ProView.

5.1. Оптимизирующий кросс-компилятор C51

Язык C - универсальный язык программирования, который обеспечивает эффективность  кода, элементы структурного программирования и имеет богатый набор операторов. Универсальность, отсутствие ограничений  реализации делают язык C удобным и  эффективным средством программирования для широкого разнообразия задач. Множество прикладных программ может быть написано легче и эффективнее на языке C, чем на других более специализированных языках.

C51 - полная реализация стандарта  ANSI (Американского национального  института стандартов), насколько это возможно для архитектуры Intel 8051. C51 генерирует код для всего семейства микроконтроллеров Intel 8051. Транслятор сочетает гибкость программирования на языке C с эффективностью кода и быстродействием ассемблера.

Использование языка высокого уровня C имеет следующие преимущества над  программированием на ассемблере:

• не требуется глубокого знания системы команд процессора, элементарное знание архитектуры Intel 8051 желательно, но не необходимо;
• распределение регистров и способы адресации управляются полностью транслятором;
• обеспечивается лучшая читаемость программы, т.к. используются ключевые слова и функции, которые более свойственны человеческой мысли;
• сокращается время разработки и отладки программ в сравнении с программированием на ассемблере;
• наличие библиотечных файлов со стандартными подпрограммами, которые могут быть включены в прикладную программу;
• существующие программы могут многократно использоваться в новых программах, используя модульные методы программирования.

5.2. Макроассемблер A51

Ассемблер A51 совместим с ASM51 Intel для  всего семейства микроконтроллеров Intel 8051. Ассемблер транслирует символическую мнемонику в перемещаемый объектный код, имеющий высокое быстродействие и малый размер. Макросредства ускоряют разработку и экономят время, поскольку общие последовательности могут быть разработаны только один раз. Ассемблер поддерживает символический доступ ко всем элементам микроконтроллера и перестраивает конфигурацию для каждой разновидности Intel 8051.

A51 транслирует исходный файл  ассемблера в перемещаемый объектный  модуль. При отладке или при  включенной опции “Include debugging information” этот объектный файл будет содержать полную символическую информацию для отладчика/имитатора или внутрисхемного эмулятора.

5.3. Компоновщик L51

Компоновщик объединяет один или несколько  объектных модулей в одну исполняемую  программу. Компоновщик размещает  внешние и общие ссылки, назначает  абсолютные адреса перемещаемым сегментам  программ. Он может обрабатывать объектные модули, созданные транслятором C51, ассемблером A51, транслятором PL/M-51 Intel и ассемблером ASM51 Intel.

Компоновщик автоматически выбирает соответствующие библиотеки поддержки и связывает только требуемые модули из библиотек. Установки по умолчанию для L51 выбраны так, чтобы они подходили для большинства прикладных программ, но можно определить и заказные установки.

5.4. Отладчик/симулятор WinSim51

Отладчик/симулятор используется с транслятором C51, ассемблером A51, транслятором PL/M-51 Intel и ассемблером ASM51 Intel. Отладчик/симулятор  позволяет моделировать большинство  особенностей Intel 8051 без наличия аппаратных средств. Можно использовать его для проверки и отладки прикладной программы прежде, чем будут изготовлены аппаратные средства. При этом моделируется широкое разнообразие периферийных устройств, включая последовательный порт, внешний ввод - вывод и таймеры [6].

Внешний вид главного окна программы представлен на рисунке 5.1.

 

Рисунок 5.1 – Внешний вид главного окна ProView

 

Заключение

 

В данной работе была осуществлена разработка электронного кодового замка, предназначенного для  установки на наружную дверь жилого дома.

В ходе выполнения работы был проведён анализ задачи, на основе которого были сформулированы требования к конечной системе. На основе требований была построена структурная  схема. На основании структурной  схемы были подобраны соответствующие  устройства для реализации функций, возложенных на элементы системы. Исходя из экономических и эксплуатационных соображений, для данного устройства был выбран микроконтроллер AT89S51 фирмы Atmel. Особенностью данного замка является наличие звуковой сигнализации, оповещающей владельца о попытке подбора кода. Далее, с использованием выбранных устройств была построена функциональная схема. Разработка завершилась составлением блок-схемы алгоритма и написанием исходного кода программы для микроконтроллера.

 

Список использованных источников

 

1. Описания электронных  компонентов в каталоге товаров  оптовой базы комплектации электронных  компонентов и приборов “ПЛАТАН”:

http://www.platan.ru/

2. Описание электромеханического  замка ПОЛИС-13:

http://dialog-universal.ru/product_info.php?cPath=109&products_id=173

3. Описание клавиатуры  AK-207 на сайте компании Accord: http://www.accordia.com.tw/html/general.htm

4. Описание микроконтроллера  AT89S51 на сайте компании Atmel: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2487.pdf

5. Описание микроконтроллера  AT89S51: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Atmel/micros/mcs51/at89s51.htm

6. В.Б. Бродин. Микроконтроллеры: архитектура, программирование, интерфейс: – М.: ЭКОМ, 1999.

7. П. Хоровиц,  У. Хилл. Искусство схемотехники  М. Мир, 2003.

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение  А

Исходный код программы  микроконтроллера

 

dseg

door_code equ r0   ;массив введённых значений

attempts  equ 38h  ;переменная – число попыток ввода

 

cseg

org 00h

ajmp main