基于單片機(jī)的紅外線電子鎖控系統(tǒng)研制

易文振，張 誠(chéng)，王忠友

(湖北科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北 咸寧 437100)

為保護(hù)家庭和集體財(cái)產(chǎn)的安全，門鎖的控制成了關(guān)鍵，普通的門鎖、防盜門或者監(jiān)控、報(bào)警等系統(tǒng)在一些場(chǎng)合已是不夠防范了。于是，智能門禁系統(tǒng)[1～3]作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)正以遠(yuǎn)高于其他安防產(chǎn)品的進(jìn)度迅猛發(fā)展。門禁系統(tǒng)，又稱出入管理控制系統(tǒng)，是一種管理人員進(jìn)出的數(shù)字化智能管理系統(tǒng)。它屬于弱電系統(tǒng)中的一種智能安防系統(tǒng)，是一種綜合多學(xué)科的高科技技術(shù)集合。它涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等諸多新技術(shù)領(lǐng)域[4]。

本設(shè)計(jì)的紅外線遙控智能密碼鎖[5～8]是將紅外遙控技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用相結(jié)合的一種方案。它的特點(diǎn)是：抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠，使用方便，具有較強(qiáng)的隱蔽性、保密性，而且可以智能修改密碼。 它與傳統(tǒng)鎖具的不同之處在于：它與微電腦相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)適時(shí)、智能控制管理功能。

一、紅外電子密碼鎖實(shí)現(xiàn)原理

開鎖密碼需先進(jìn)行編碼，然后調(diào)制到紅外信號(hào)從遙控發(fā)射器上發(fā)送出去，發(fā)送的紅外信號(hào)被紅外接收管接受后，輸入到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行解碼以獲得相應(yīng)開鎖密碼，將該密碼與已存儲(chǔ)在外存儲(chǔ)器的密碼比較，一致便驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)開鎖，否則通過(guò)蜂鳴器報(bào)警。

通過(guò)紅外遙控發(fā)射器發(fā)射的紅外信號(hào)是二進(jìn)制編碼信號(hào)調(diào)制在高頻載波上的調(diào)制信息。對(duì)紅外信號(hào)的編碼解碼是密碼鎖控制的關(guān)鍵。

遙控器發(fā)射的紅外信號(hào)編碼一般有脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。本系統(tǒng)采用的是脈沖位置調(diào)制(PPM)形式，這是一種脈沖位置根據(jù)被調(diào)信號(hào)的變化而變化的調(diào)制方法[9]。本系統(tǒng)用到的脈沖位置調(diào)制編碼方式的遙控器芯片為WD6122。該芯片所發(fā)射的一幀碼含有一個(gè)引導(dǎo)碼，16位的用戶編碼和8位的鍵數(shù)據(jù)碼、鍵數(shù)據(jù)碼的反碼也同時(shí)被傳送。碼型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1信號(hào)碼型結(jié)構(gòu)

引導(dǎo)碼由一個(gè)9ms的載波波形和4.5ms的關(guān)斷時(shí)間構(gòu)成，它作為隨后發(fā)射的碼的引導(dǎo)，這樣當(dāng)接受系統(tǒng)是由微處理器構(gòu)成的時(shí)候，能更有效地處理碼的接受與檢測(cè)以及其他各項(xiàng)控制之間的時(shí)序關(guān)系。當(dāng)遙控器上任意一個(gè)按鍵按下超過(guò)10ms時(shí)，將發(fā)射一個(gè)特定的同步碼頭即引導(dǎo)碼，這個(gè)同步碼頭可以使程序知道從這個(gè)同步碼頭開始可以接受數(shù)據(jù)[10～11]，接受數(shù)據(jù)時(shí)利用脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分“0”和“1”。每次8位的碼被傳送之后，它們的反碼也被傳送，減少了系統(tǒng)的誤碼率。“0”和“1”的編碼如圖2所示。

圖2 “0”和“1”的編碼

二、系統(tǒng)總體與硬件電路設(shè)計(jì)

紅外電子密碼鎖系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 總體設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由紅外遙控發(fā)射和紅外接收處理兩部分電路構(gòu)成。

紅外遙控發(fā)射部分是一個(gè)通用的遙控器，其核心芯片為WD6122，最多可外接64個(gè)按鍵，用于發(fā)射紅外控制信號(hào)。當(dāng)按下遙控發(fā)射器上的按鍵時(shí)，發(fā)射器內(nèi)的編碼器輸出一組對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，再將此二進(jìn)制代碼按一定格式調(diào)制到高頻載波上、加至紅外發(fā)光二極管上變成光信號(hào)發(fā)射出去。

本系統(tǒng)紅外接收與處理硬件電路如圖4所示。紅外接收采用一體化的紅外接收頭1838T(即圖4中的LDR1)，其內(nèi)置專用的IC，集信號(hào)的接收和放大于一體，不需要任何外接器件。該接受頭體積小，能在低電壓下工作，適用與寬角度及長(zhǎng)距離接受，其抗干擾能力強(qiáng)，能較好地抵擋環(huán)境干擾光線。紅外信號(hào)被紅外接收頭接收轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大、限幅檢波及波形整理等處理后送入單片機(jī)進(jìn)行解碼處理。對(duì)電鎖及其開鎖密碼處理的核心芯片是單片機(jī)AT89C51(即圖4中的U1)，轉(zhuǎn)換后的紅外電信號(hào)通過(guò)U1的P3.3引腳進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)。

圖4 紅外接收模塊電路

經(jīng)U1處理的含有電鎖密碼的紅外信號(hào)，一部分通過(guò)U1的P0口送到液晶顯示器LCD1(LCD1602)顯示，用來(lái)顯示操作信息，另一部分密碼信息用來(lái)與原先保存到U3(24C02A)的密碼比較。其中P2.5、P2.6和P2.7為液晶顯示屏LCD1控制信號(hào)。比較的密碼信號(hào)若與外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的密碼信號(hào)一致時(shí)，開鎖脈沖信號(hào)通過(guò)U1的P1.4引腳輸出到鎖具驅(qū)動(dòng)塊U2(ULN2003)上，再控制鎖具控制繼電器線圈RL1，實(shí)現(xiàn)開鎖；若兩者密碼不一致，且有三次人為輸入情況下，則一方面不會(huì)輸出開鎖脈沖，另一方面再通過(guò)U2輸出報(bào)警信號(hào)給蜂鳴器。

三、驅(qū)動(dòng)程序軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的紅外遙控電子密碼鎖的解鎖流程如圖5所示。解碼的關(guān)鍵是如何識(shí)別“0”和“1”。根據(jù)圖2信號(hào)的編碼要求“0”和“1”識(shí)別編寫程序，超過(guò)識(shí)別脈沖寬度的當(dāng)干擾碼處理。對(duì)所獲得的帶密碼的信號(hào)解碼過(guò)程流程圖如圖6所示。

圖5 控制流程圖 圖6 解碼流程圖

紅外信號(hào)解碼主要通過(guò)編寫的中斷函數(shù)IR_IN() interrupt來(lái)完成，其主要代碼如下：

void IR_IN() interrupt 2 using 0//紅外信號(hào)(IR)中斷函數(shù)

{

unsigned char temp,i,j,k,N=0;

EX1 = 0;

Delay_1(60);

if (IRIN==1)

{

EX1 =1;

return;

}//確認(rèn)IR信號(hào)出現(xiàn)

while (!IRIN)//等IR變?yōu)楦唠娖剑^(guò)9ms的前導(dǎo)低電平信號(hào)。

{ Delay_1(1); }

for (j=0;j<4;j++)//收集四組數(shù)據(jù)

{

for (k=0;k<8;k++)//每組數(shù)據(jù)有8位

{

while (IRIN)//等 IR 變?yōu)榈碗娖剑^(guò)4.5ms的前導(dǎo)高電平信號(hào)。

{ Delay_1(1);}

while (!IRIN)//等 IR 變?yōu)楦唠娖?/p>

{ Delay_1(1); }

while (IRIN)//計(jì)算IR高電平時(shí)長(zhǎng)

{

Delay_1(1);

N++;

if (N>=110)

{

EX1=1;

return;

}//計(jì)數(shù)過(guò)長(zhǎng)自動(dòng)退出中斷

} //高電平計(jì)數(shù)完畢

IRCOM[j]=IRCOM[j] >> 1;//數(shù)據(jù)最高位補(bǔ)“0”

if (N>=35) {IRCOM[j] = IRCOM[j] | 0x80;}//數(shù)據(jù)最高位補(bǔ)“1”

N=0;

}//end for k

}//end for j

if (IRCOM[2]!=～I(xiàn)RCOM[3])

{

EX1=1;

return;

}

......}

在上面的代碼中，變量IRIN為紅外信號(hào)。根據(jù)紅外信號(hào)的編碼，首先是要跳過(guò)前面的引導(dǎo)碼，程序中通過(guò)Delay_1()延時(shí)函數(shù)完成。在引導(dǎo)碼之后則是四組八位數(shù)據(jù)，通過(guò)兩個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句嵌套，分別取得這四組數(shù)據(jù)。取得的數(shù)據(jù)都放在數(shù)組IRCOM中，其中IRCOM[2]和IRCOM[3]分別為數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼，若它們數(shù)據(jù)不互為反碼則為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并退出中斷。

對(duì)密碼鎖的安全性及方便性，紅外電子密碼鎖設(shè)置了一個(gè)初始密碼和一個(gè)底層密碼。當(dāng)用戶首次使用密碼鎖的時(shí)候，可以通過(guò)初始密碼獲得控制權(quán)限，然后用戶可通過(guò)修改密碼來(lái)替換初始密碼以提高密碼鎖的安全性。若用戶忘記自己修改后的密碼，則可以通過(guò)驗(yàn)證底層密碼來(lái)重置密碼，將密碼重新設(shè)置為初始密碼。流程圖如圖7所示。

圖7 密碼重置流程圖

密碼重置的關(guān)鍵代碼：

IRCOM[5]=IRCOM[2] & 0x0F;//取鍵碼的低四位

IRCOM[6]=IRCOM[2] >> 4;//右移4次，高四位變?yōu)榈退奈唬慈「咚奈?/p>

if(IRCOM[6]==0x34){//功能鍵定義

if(IRCOM[5]==0x36){ //重置密碼

if(table[0]==buf1[0]&&table[1]==buf1[1]&&table[2]==buf1[2]&&table[3]==buf1[3])//驗(yàn)證底層密碼

{

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x00; }

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x31+i; }

for (i=0;i<4;i++) //寫入初始密碼

{

x24c02_write(i+1,table[i]);

Delay_1(50);

}

for(i=0;i<4;i++) { buf[i]=table[i]; }

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x00; }

.......

}

else

{

......

}

在上述程序中，將數(shù)據(jù)碼的低四位和高四位分別放在數(shù)組IRCOM[5]和IRCOM[6]中。按鍵對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼的IRCOM[6]==0x34且IRCOM[5]==0x36即為密碼重置鍵。數(shù)組table和數(shù)組buf1分別存儲(chǔ)的是用戶輸入的密碼和底層密碼，首先判斷判斷兩者是否相等，相等則通過(guò)寫入函數(shù)x24c02_write()把初始密碼寫到外部存儲(chǔ)器中，不相等則退出密碼重置程序。

四、系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行結(jié)果

液晶LCD1602是用戶和系統(tǒng)交互的界面，根據(jù)液晶界面的提示可以觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。圖8和圖9是紅外電子密碼鎖解鎖和修改密碼的實(shí)物圖片。

圖8 解鎖界面

圖9 修改密碼界面

五、總結(jié)

本文研究的是具單片機(jī)和紅外遙控技術(shù)結(jié)合的密碼鎖, 通過(guò)掌握其實(shí)現(xiàn)原理及控制過(guò)程,以及運(yùn)用軟件編程方式來(lái)解決紅外的編碼與解碼問(wèn)題。通過(guò)實(shí)測(cè)基本可達(dá)到用紅外遙控方式實(shí)現(xiàn)密碼鎖的控制過(guò)程。

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