紅外電子密碼鎖軟硬件設(shè)計研究

魯 建

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

20世紀(jì)70年代，隨著微電子技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了磁控鎖、聲控鎖、超聲波鎖、紅外線鎖、電磁波鎖、電子卡片鎖、視網(wǎng)膜鎖、遙控鎖等.這些高科技鎖有機(jī)械鎖所無法比擬的高保密性能.

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被諸多電子設(shè)備特別是家用電器廣泛采用.由于紅外線在頻譜上位于可見光之外，所以抗干擾性強(qiáng)，具有光波的直線傳播特性，不易產(chǎn)生相互間的干擾，是很好的信息傳輸媒體.信息可以直接對紅外光進(jìn)行調(diào)制傳輸，例如，信息直接調(diào)制紅外光的強(qiáng)弱進(jìn)行傳輸，也可以用紅外線產(chǎn)生一定頻率的載波，再用信息對載波進(jìn)調(diào)制，接收端再去掉載波，取到信息.從信息的可靠傳輸來說，這就是目前大多數(shù)紅外遙控器所采用的方法.

紅外遙控具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如紅外線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管，遙控發(fā)射器易于小型化且價格低廉；采用數(shù)字信號編碼和二次調(diào)制方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)多路信息的控制，增加遙控功能，提高信號傳輸?shù)目垢蓴_性，減少誤動作，而且功率消耗低；紅外線不會向室外泄露，不會產(chǎn)生信號串?dāng)_；反應(yīng)速度快、傳輸效率高、工作穩(wěn)定可靠等.工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾.所以紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 設(shè)計思路

本次設(shè)計一個紅外遙控電子密碼鎖，主要分為遙控器部分和主機(jī)部分.當(dāng)從遙控器輸入密碼時，鍵盤向單片機(jī)發(fā)送外部中斷，單片機(jī)識別按鍵號碼并且將其編碼后通過紅外發(fā)光二極管發(fā)送到主機(jī)接收部分.主機(jī)接收部分的紅外接收器接收到紅外信號，將其整理放大之后通過串行口向單片機(jī)發(fā)送串行口中斷，單片機(jī)得到串行中斷信號將其解碼還原成發(fā)射前的信號，之后驗(yàn)證密碼，判斷開鎖還是報警.主機(jī)接收部分通過鍵盤的外部中斷得到密碼信號，無需紅外遙控發(fā)射，可直接驗(yàn)證密碼.同時主機(jī)部分還有修改密碼的功能，倘若密碼泄露可以及時更改密碼.

1.2 遙控發(fā)射部分

遙控發(fā)射部分由STC89C52單片機(jī)、紅外發(fā)射電路、矩陣鍵盤、復(fù)位電路以及振蕩電路組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 遙控發(fā)射結(jié)構(gòu)框圖

1.3 主機(jī)接收部分

主機(jī)部分由STC89C52單片機(jī)、紅外接收電路、液晶顯示器、開鎖電路、蜂鳴器、復(fù)位電路以及振蕩電路組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2 紅外電子密碼鎖硬件設(shè)計

2.1 紅外發(fā)射電路

常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303.PH303)，其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光.管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA.為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常常串有限流電阻.本設(shè)計中采用的PH303型號的紅外發(fā)光二極管.

發(fā)射紅外線去控制相應(yīng)的受控裝置時，其控制的距離與發(fā)射功率成正比.為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因?yàn)槊}動光（調(diào)制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離.提高Ip的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度T，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖占空比約為1/3-1/4；一些電器產(chǎn)品紅外遙控器，其占空比是1/10.減小脈沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加.常見的紅外發(fā)光二極管，其功率分為小功率(1mW-10mW)、中功率（20mW-50mW)和大功率（50mW-100mW以上)三大類.要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動管上加上一定頻率的脈沖電壓.

圖3 紅外發(fā)射電路圖

用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線去控制受控裝置時，受控裝置中均有相應(yīng)的紅外光電轉(zhuǎn)換元件，如紅外接收二極管，光電三極管等.實(shí)用中已有紅外發(fā)射和接收配對的二級管.

紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式.直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管與接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時，接收管收到反射回來的紅外光線才工作.雙管紅外發(fā)射電路，可提高發(fā)射功率，增加紅外發(fā)射的作用距離.

2.2 紅外接收電路

紅外接收電路是將遙控發(fā)射部分發(fā)射的紅外光信號接收、放大、檢波、整形轉(zhuǎn)換成電信號輸入到單片機(jī)的電路模塊.其電路圖如圖4所示：

紅外接收電路的主要核心是紅外一體化接收頭，紅外接收頭的種類很多，引腳定義也不相同，一般都有三個引腳，包括供電腳，接地和信號輸出腳，也有些紅外接收頭添加了可以調(diào)節(jié)解調(diào)頻率的端口.應(yīng)用時必須保證發(fā)射端調(diào)制載波的頻率與接收端相應(yīng)的解調(diào)頻率之間互相匹配.

圖4 紅外接收電路圖

2.3 矩陣鍵盤

矩陣鍵盤是單片機(jī)外部設(shè)備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組，在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖5所示.在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接.這樣，一個端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）.因此，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是理想的.

圖5 矩陣鍵盤圖

矩陣鍵盤的識別方法比較復(fù)雜，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入.這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下.行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了.

為了識別鍵盤上的閉合鍵通常采用行掃描法和行反轉(zhuǎn)法兩種方法，本設(shè)計采用行掃描法.先使第0行輸出為低，其余行輸出為高，并將行首鍵號“0”存儲在某個寄存器中.然后讀入列值，看是否有那條列線輸入為低.如果有，則表示第0行的該列鍵被按下，設(shè)為低三列，則鍵值=行首鍵號+列號，即鍵值為3；若沒有，則說明低0行上沒有鍵按下，則掃描下一行，并且同時存儲行首鍵號.以此類推，循環(huán)進(jìn)行直到找到閉合鍵為止.

2.4 液晶顯示電路

1602 液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊.它由若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形.

1602 LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）.

表1 LCD1602引腳功能表

圖6 LCD1602引腳圖

圖7 液晶顯示電路圖

市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶.

2.5 開鎖電路

紅外遙控密碼鎖的開鎖電路在開鎖部分采用電磁繼電器.通過單片機(jī)來控制其線圈的通斷電，從而控制其觸點(diǎn)的吸和與斷開.繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”.故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用.對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”.繼電器允許加載的電壓和電流.它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點(diǎn).

圖8 開鎖電路圖

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成.只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合.當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)吸合.這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的.

2.6 蜂鳴電路

蜂鳴電路部分由蜂鳴器和三極管組成，當(dāng)密碼輸入正確開鎖時，經(jīng)過三極管放大電流驅(qū)動蜂鳴器工作.

圖9 蜂鳴電路

3 紅外電子密碼鎖軟件設(shè)計

3.1 遙控發(fā)射程序設(shè)計

3.1.1 遙控發(fā)射主程序流程圖

主程序中發(fā)射端主要有一個紅外發(fā)射二極管發(fā)射調(diào)制好的頻率波，有一個4*4矩陣鍵盤，分別為0～9、確認(rèn)、設(shè)置、取消，剩下的三個鍵沒有定義，程序開始初始化，調(diào)用按鍵子程序，送到串行口端的紅外發(fā)射二極管進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送出去，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.

圖10 遙控發(fā)射程序流程圖

3.1.2 按鍵子程序

按鍵子程序中用的4*4鍵盤，掃描的方式進(jìn)行判斷，當(dāng)主程序開始時沒掃一遍程序，都會判斷一下按鍵是否被按下，如果按下，則會返回一個相應(yīng)的鍵值，單片機(jī)根據(jù)返回值，判斷那個鍵被按下，從而發(fā)送數(shù)據(jù).

圖11 按鍵子程序

3.2 主機(jī)接收程序設(shè)計

3.2.1 主程序流程圖

在接收主程序中，主要是檢測紅外接收二極管是否有信號發(fā)過來，當(dāng)信號發(fā)過來時，進(jìn)入相應(yīng)的子程序，在接收的時候，紅外接收的信號都是雙份的，一個是數(shù)據(jù)的原碼，一個是數(shù)據(jù)的反碼，當(dāng)接收完畢后，單片機(jī)會把反碼轉(zhuǎn)換成原碼，然后和接收的原碼進(jìn)行校驗(yàn)是否正確，如果正確則這次接收的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)，如果不正確則這次接收的數(shù)據(jù)就會被判作無效數(shù)據(jù)，就會被舍去，等待下一個數(shù)據(jù)到來.

圖12 主機(jī)接收程序流程圖

3.2.2 密碼識別子程序

在密碼識別程序中，當(dāng)輸入正確的4位密碼時，開鎖指示燈會亮起，當(dāng)輸入錯誤密碼時，會顯示ERROR.

圖13 密碼識別子程序

3.2.3 顯示子程序

顯示用的是LCD1602，首先程序開始時對LCD進(jìn)行初始化，單片機(jī)向LCD寫命令，接著單片機(jī)向LCD寫數(shù)據(jù)，寫完后程序結(jié)束.

圖14 顯示子程序流程圖

3.2.4 密碼修改子程序

修改子程序中，按設(shè)置鍵進(jìn)入修改子程序界面，會提示輸入舊密碼，如果輸入錯誤則直接返回，如果輸入正確，則會提示第一次輸入新密碼，接著再次輸入新密碼，如果兩次密碼不一樣就會出現(xiàn)錯誤，并返回，如果輸入正確，則顯示設(shè)置成功.

圖15 修改密碼子程序流程圖

4 紅外電子密碼鎖設(shè)計研究結(jié)論

本設(shè)計采用STC89C52單片機(jī)作為核心元件，利用紅外線遙控原理和單片機(jī)串行發(fā)射、接處等功能設(shè)計一款紅外遙控開鎖的電子密碼鎖.

設(shè)計電路主要由紅外線編碼電路、紅外線解碼開鎖電路、蜂鳴電路、矩陣鍵盤及顯示電路組成.

本設(shè)計實(shí)現(xiàn)的功能：

（1）紅外通信：通過紅外發(fā)射二極管和紅外接收頭組成紅外發(fā)射和接收電路，從而實(shí)現(xiàn)紅外通信.

（2）密碼對比開鎖：主機(jī)部分存有密碼，輸入的密碼與已存的密碼進(jìn)行對比，兩個密碼一致才能開鎖.

（3）開鎖聲光提示：輸入的密碼正確，允許開鎖后，二極管和蜂鳴器同時工作，表示已經(jīng)開鎖.

（4）液晶顯示：通過LCD1602液晶可顯示正在進(jìn)行的操作以及密碼的暗碼.

（5）修改密碼：通過密碼修改鍵可以進(jìn)行密碼修改，先輸入原密碼，對比正確后可輸入新密碼，新密碼需二次確認(rèn)，以防誤操作.

本設(shè)計符合設(shè)計要求，操作簡單，方便易用，功能性較強(qiáng)，具有一定的實(shí)踐意義和使用價值.不但很好的滿足了題目的要求，即終端能夠接收紅外遙控發(fā)射板發(fā)射的紅外信號（密碼）并能與已存密碼作對比，而且能夠在液晶上顯示操作結(jié)果，從而完成了紅外遙控電子密碼鎖的要求.但本設(shè)計仍有不足之處，本設(shè)計沒有在主機(jī)上安裝4*4鍵盤，所以不能實(shí)現(xiàn)本機(jī)開鎖功能，而且本設(shè)計采用的USB供電，這在實(shí)驗(yàn)中很方便，但在實(shí)際生活中并不是很好，如果能夠采用電池或者是蓄電池供電的話，對本設(shè)計的實(shí)際應(yīng)用非常有利.