基于单片机的试卷电子保密系统

基于单片机的试卷电子保密系统
摘要：公知的试卷密封主要是用档案袋和密封条的方式保存很容易泄密，故设计一个系统具有一定的密封性和保密性并能在到达预定考
试时间后试卷保护系统能自动开启，当到考试时间系统还未自动开启时，可以通过键盘输入密码开启试卷保护系统的电子锁，最终能保证
试卷的保密以及考试的正常进行。

所以本文设计了一个密码开启系统，当到考试时间没有开启试卷保密系统时可以通过输入事先设定的密码
来开启试卷保密系统使考试能正常进行。

一、前言
目前,在新形势的背景下,考试越来越频繁，试卷的保密工作是保
证各级各类考试公平，公正，安全的重要环节，做好试卷的保密工作
不仅能促进公平公正的竞争机制的形成，还有利于对于个人辛苦学习
进行科学合理的综合评估，故本文设计了一套基于AVR单片机的试卷
保密系统，简单实用，能提高试卷保密工作的科学性,进而保证考试
的公平性、公正性。

二、总体设计方案
2.1硬件选择
本系统选用AVR16单片机控制整个系统，时钟芯片选用DS1302，
电机驱动芯片采用L298N，选用3V锂电池给DS1302供电。

2.2总体设计
本系统是便于携带的能长时间工作的系统所以其电能由锂电池来提供。

同时要求有控制器mage16单片机读取DS1302时钟芯片的实时时间和控制电子锁的开启。

而且要求在1602液晶上显示考试科目以及考试时间才能保证试卷安全。

密码正确后可以将考试时间、考试科目输入单片机中，而且可以将原有密码修改成新的6位密码，修改密码后试卷保护系统就可以重复使用了。

三、系统硬件设计
系统硬件原理图所示：
硬件原理图
3.1程序下载接口电路设计
Atmel的AVR JTAG ICE是使用IEEE 1149.1协议，兼容 JTAG接口的针对全系列AVR8位微控制器的片上调试开发工具。

JTAG ICE 与AVR Studio 用户接口向用户提供完整的微控制器内部资源控制权，简化调试以缩短调试时间。

JTAG ICE 在目标系统中运行时实现实时仿真。

JTAG的连接方法是AVR单片机的PC2 PC3 PC4 PC5和RESET分
别于JTAG的1 3 5 6 9相连接。

JTAG接口有四个引脚。

以JTAG的术语来说，这些引脚组成了测试访问端口TAP。

这些引脚是: TMS: 测试模式选择。

此引脚用来实现TAP 控制器各个状态之间的切换。

TCK:
测试时钟。

JTAG 操作是与TCK 同步的。

TDI: 测试数据输入--需要移位到指令寄存器或数据寄存器(扫描链)的串行输入数据。

TDO: 测试
数据输出-- 自指令寄存器或数据寄存器串行移出的数据。

3.2实时时间电路设计
DS1302 是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内部集成了一
个实时时钟/日历和31字节静态RAM。

通过简单的串行接口与单片机
进行通信，实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息，每月
的天数和闰年的天数可自动调整；时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格。

DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的
方式进行通信仅需用到三个口线1 RES、复位2 I/O数据线、3 SCLK
串行时钟，RAM 的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方
式通信。

DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。

实时时钟具有能计算2100年之前的秒分时日日期星期月年的能力还
有闰年调整的能力。

双电源管用于主电源和备份电源供应，对Vcc1
有可选的涓流充电能力。

读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单
字节传送和多字节传送字符组方式。

串行I/O 口方式使得管脚数量最少，简单3线接口。

本系统采用DS1320实时时钟芯片来为系统提供
实时时间信号，使系统能准确实现定时开。

本系统使用32.768KHZ的
晶振为DS1302时钟芯片提供芯片时序。

DS1302实时时钟芯片的SCLK、RST、I/O端口与AVR单片机的PC0、PC1及PC7端口相连接。

3.3矩阵键盘电路设计
矩阵键盘是用来实现密码输入和密码设定的，AVR单片机的PB端口PB0~PB3端口作为矩阵键盘的行扫描端口，PB4~PB7端口作为矩阵键盘的列扫描端口。

形成4*4矩阵键盘，本系统的键盘扫描程序通过PB4~PB7输出高电平和PB0~PB3扫描输入的电平来确认按键按下的按键号码。

3.4液晶显示电路设计
FM12864I是一种图形点阵液晶显示器。

它主要采用动态驱动原理由行驱动—控制器和列驱动器两部分组成了128(列)×64(行)的全点阵液晶显示。

此显示器采用了COB的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接LCD,使其寿命长，连接可靠。

1.工作电压为+5V±10% ,可自带驱动LCD所需的负电压。

2.全屏幕点阵,点阵数为128(列)×64(行),可显示8(/行)×4(行)个(16×16点阵)汉字，也可完成图形，字符的显示。

3.与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出，适配M6800系列时序。

4.内部有显示数据锁存器,自带EL驱动。

5.简单的操作指令显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/写等指令。

显示数据RAM(DDRAM)
6.DDRAM是存储图形显示数据的。

此RAM的每一位数据对应显示面板上一个点的显示（数据为H）与不显示（数据为L）。

7.I/O 缓冲器为双向三态数据缓冲器。

是LCM（液晶显示模块）内部总线与MPU总线的结合部。

显示起始寄存器需清零。

本系统与12864液晶采用串口通信方式与AVR单片机实现数据和地址的书写和读取。

12864液晶的5号引脚读/写操作选择信号与AVR 单片机的PD2号引脚相连接。

12864液晶的6号引脚使能信号与AVR 单片机的PD3号引脚相连接。

12864液晶的2号引脚电源电压，12864
液晶的3号引脚 LCD 驱动负电压，12864液晶的4号引脚寄存器选择信号，12864液晶的15号引脚片选信号，当CS1=H时,液晶左半屏显示，12864液晶的20号引脚（AC）EL 驱动的输入交流信号，都与电源相连接。

12864液晶的1号引脚电源地，12864液晶的19引脚时，EL 能发光和电源地相连接。

3.5电子锁电路设计
L298N 为双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。

本系统使用的电子锁内部使用的是直流电动机，而AVR单片机的IO口的电流不能驱动直流电动机，所以要使用L298N来驱动直流电动机从而控制电子锁的开关。

四、系统软件设计
系统的程序流程图如图2所示：
图2
矩阵键盘的程序设计：
矩阵键盘的程序需要先去抖，扫描和判断按键是否抬起。

如果没有按键抬起判断程序时密码输入时，密码按键按下存放密码的数列就会不断的记录密码值，密码就不能正确的记录。

有了按键抬起判断时可以将密码一位一位的存入数列中。

五、调试和性能分析
5.1调试步骤
调试过程是分模块进行的：第一步调试的是液晶显示电路。

第二步调试的是DS1302实时时钟电路。

第三步调试的是电子锁驱动芯片电路。

第四步调试的是矩阵键盘电路。

第五步调试的是串口电路。

第六步调试的是程序统调。

5.2性能分析
本设计通过了统一调试，各部分硬件连接都比较清晰，通过Protel设计的电路硬件连接没有错误调试的时候和硬件性能都比较稳定。

实现了以下功能：控制器mage16单片机读取DS1302时钟芯片的实时时间和控制电子锁的开启。

而且在1602液晶上显示考试科目以及考试时间才能保证试卷安全。

密码正确后可以将考试时间、考试科目输入单片机中，而且可以将原有密码修改成新的6位密码，修改密码后试卷保护系统就可以重复使用了。

六、结束语
本系统为了便于携带并能长时间工作，所以其电能由锂电池来提供。

该系统能显示考试科目以及考试时间，方便实用，既能保证试卷的密封性和安全性，在考试时间到来时，若系统未能准时自动开启，还能使用手动输入密码来开启，保证了考试的正常开展。

参考文献：
（1）《AVR单片机嵌入式系统原理与应用》北京航空航天大学出版社
（2）李光飞、楼然苗、胡佳文、谢象佐《单片机课程设计与实例指导》北京航空航天大学出版社，2004
（3）余永权《 89系列FLASH单片机原理及应用》北京:电子工业出版社,2002
（4）李群芳,黄建《单片机微型计算机与接口技术》北京:电子工业出版社,2001。