光電密碼鎖的實驗研究

李平舟，譚少軒

（西安電子科技大學理學院，陜西西安710071）

1 引 言

智能密碼鎖系統由智能監控器和電子鎖具組成.二者異地放置，智能監控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發送的報警信息和狀態信息.采用線路復用技術，使電能供給和信息傳輸共用1根二芯電纜，提高了系統的可靠性和安全性.

智能監控器由單片機、時鐘、鍵盤、LCD顯示器、存貯器、解調器、線路復用及監測、A／D轉換、蜂鳴器等單元組成.主要完成與電子鎖具之間的通信、智能化分析及通信線路的安全監測等功能.現在廣泛應用的光電密碼鎖是用紅外傳輸替代短距離的電纜，其性能比智能密碼鎖更安全快捷[1].

2 光電密碼鎖原理

光電密碼鎖實驗是經過GDZ1光電檢測和信息處理平臺板實現的，其主要器材有：光電檢測和信息處理平臺、光電密碼鎖實驗板、示波器等.其中實驗板（圖1）主要器件包括：反射式光電開關、對射式光電開關、光電耦、光電池、光敏電阻等.

光電密碼鎖應用光電傳感器的開關特性，利用光電元件受光照或無光照時有無電信號輸出的特性將被測量轉換成斷續變化的開關信號，在信號處理上代替了單片機的按鍵置入和開關的抖動[2].下面對照圖2對各個器件的工作原理進行介紹.

反射式光電對管前無障礙物，所以接收管不導通，其輸出為高電平，經74LS04反相器后22腳為低電平，LED1發光；當在對管前掃障礙物時，接收管導通，22腳輸出為高電平，LED1不發光，22腳為單片機的輸入，如圖2（a）所示.

圖1 光電密碼鎖實驗板

對射式光電對管前無障礙物，接收管可以接收由發射管L1發射的光譜，它處于導通狀態，輸出低電平，經74LS04反向器后24腳為高電平，LED2不發光；當在兩管中間加隔離時，接收管處于截止狀態，24輸出低電平，LED2發光.24腳為單片機輸入，如圖2（b）所示.

（a）第一位密碼設置

圖2 光電密碼鎖實驗原理圖

若光耦的發射管與接收管間無障礙物，接收管導通，其輸出為低電平，經一級反向器后26腳為高電平，LED3不發光；當光耦的發射管與接收管間有障礙物隔離時，發射管不導通，26腳輸出低電平，LED3發光.26腳為單片機的輸入，如圖2（c）所示.

對光電池加光照[3]，其兩端會產生光電電動勢，經LM741放大器放大后加至比較器LM339的6腳（負輸出端），使比較器輸出低電平，經74LS04反向器后28腳為高電平，LED5不發光；當無光照時，光電池不產生光電電動勢，比較器輸出高電平，28腳電壓為低，LED5發光.一般比較器7腳（正輸入端）懸空，也可與34腳相連，接可調電源，通過改變比較閾值來調節此實驗板對光照度的感應靈敏度.28腳為單片機輸入，如圖2（d）所示.

對光敏電阻不加光照[3]，暗阻很高，比較器LM339的4腳（負輸入端）為高電平，所以其9腳輸出低電平，經一級反向器后30腳為高電平，再經一級反向器輸出低電平，LED4發光；當有光線照射光敏電阻時，亮阻較小，比較器LM339的4腳（負輸入端）為低電平，其9腳為高電平，30腳輸出低電平，且LED4不發光.一般比較器5腳（正輸入端）懸空，也可將其與38腳相連，接可調電源.通過改變比較閾值來調節此實驗板對光照強度的感應靈敏度.30腳為單片機輸入，如圖2（e）所示.

3 密碼鎖器件的特性分析

圖3 光電密碼鎖硬件連接圖

1）按圖3連接線路.首先，選用發光二極管作為檢測光信號的主要元件[4]，用它的亮度變化顯示各個器件輸入密碼的次數和接收到的光強.光電信息處理平臺自帶1塊ATMKEGA16芯片，通過編程讓單片機實現其具體的運算處理.當密碼器接收到光電密碼實驗板外已經過整形與放大的信號，就開始判斷，如果此信號是設置密碼信號，那么便將信號放人存儲器中作為記憶內容存儲；如果是開鎖信號就將收到的信號與以前存在存儲器中的密碼進行比較，當與預先存在存儲器中的密碼相同時，則實行解鎖.

2）用萬用表測量反射、對射式開關分別在正常狀態和擋光時的輸出電壓，即22和24接線端的電壓變化.在反射式開關關閉時其輸出電壓為4.26V，開通時電壓為446mV.在對射式開關關閉時其輸出電壓為4.53V，開通時為300mV.其測量結果與器件原理分析相同如圖4.電壓的變化隨所接收到的光強的變化而變化，電壓－照度關系為線性[5].

圖4 反射式開關示波器電壓示意圖

3）通過調節模擬電源電壓在光敏電阻和光電池遮光和擋光時，用照度計和萬用表多角度分別測量光敏電阻和光電池的電動勢和光電流[4].光敏電阻滿足I＝KUaLb，光電特性曲線如圖5所示.光電池光強與光生電動勢之間的關系是非線性的，當光強達到一定強度后，開路電壓趨于飽和[6]，如圖6所示.

圖5 光敏電阻光電特性曲線

圖6 光電池光電特性曲線

4 光電密碼檢測

ATMEGA16單片機中設定密碼為“4321”.在實驗開始前液晶顯示屏顯示請輸入密碼“0000”.首先，用遮光片在光電密碼鎖實驗板的反射管前擋4次，密碼變為“4000”；其次在對射管前擋3次密碼變為“4300”.接著改變光電池的光照強度（用手電筒或強光照射二極管），液晶顯示為“4320”.最后改變光敏電阻前的光照強度，密碼變為“4321”，然后光電耦合器前擋1次遮光片，為確認當前密碼，當4位密碼均輸入成功時，喇叭會響起內置音樂.

在實驗過程中如輸入密碼的次數錯誤或者未按器件的順序輸入，都會顯示重新輸入.

5 結束語

通過實驗介紹光電密碼鎖的基本原理和對其性能的分析可以得知[7]：光電密碼鎖擁有液晶顯示屏幕，完全中文顯示，具有友好的界面和控制平臺.密碼控制器可以由使用者隨意編碼，在不得知密碼的情況下，無法破譯.適合應用在機場、車站、銀行、旅館、辦公室及廣大家庭.全部操作功能由光電信息處理平臺來完成，具有時空雙重控制功能，而且制作偽鑰匙的難度較大，在技術上比較先進.

[1] 郭海英.基于單片機的電子安全密碼鎖的設計[J].現代電子技術，2005，28（13）：95－97.

[2] 馬建國.電子系統設計[M].北京：高等教育出版社，2004：1－182.

[3] 王清正.光電探測技術[M].北京：電子工業出版社，1994：70－100.

[4] 王媛，潘葳，李向亭.基于發光二級管的普朗克常量的測量[J].物理實驗，2011，30（10）：5－7.

[5] 林曉龍，何春鳳，馮毅.光電效應物理演示實驗儀器的研究與設計[J].物理實驗，2011，31（12）：8－10.

[6] 劉恩科.光電池及其應用[M].北京：科學出版社，1989：73－108.

[7] 王寬仁.可靠安全的智能密碼鎖[J].電子技術應用，2001，27（2）：14－16.