基于紅外線技術的新型密碼鎖的研究與設計

趙銘

【摘 要】本文根據單片機技術及相關原理，設計出一款以單片機為控制核心并融合了紅外線技術的新型密碼鎖。該鎖結合電子密碼和光控的技術優勢，擺脫了老式機械鎖難更換，易損壞以及電子鎖安全性不高的缺點，是一類極具發展前景新型鎖。

【關鍵詞】紅外線;密碼鎖;設計

20世紀末，電子技術的飛速發展有力地推動了社會生產力的發展和社會信息化程度的提高，也使現代電子產品性能進一步提高，特別是在人類安全防護領域的運用尤為突出[1]。馬洛斯提出的人類五級需求中安全需求排名第二，人類只有在安全得到保障的基礎上才能往更高級別的需求發展。如何使自己的人身和財產安全得到有效的防護已成為人們考慮的焦點，因此，和人們生活息息相關的鎖的發展和改進也更加受到關注和重視。

1 鎖的應用現狀

目前，市面上流通的鎖的類型繁多，概括起來主要分為以下三種：第一種是機械鎖，由20世紀50年代意大利人設計，其機構簡單、使用方便、價格便宜。但在使用中暴露了諸多缺點：一是機械鎖是靠金屬制成的鑰匙上的不同齒形與鎖芯的配合來工作的;二是鎖本身設計簡單，極容易被撬開破壞。第二種電子密碼鎖，它具有成本低，抗干擾能力強的優點，但電子密碼鎖都采用的是固定鍵盤式的，使得用戶在操作時沒有隱蔽性，易被人看見和偷拍，使得密碼不安全，而且沒有自動報警功能，無法拒絕非法用戶嘗試密碼。第三種智能鎖（如指紋辨別、IC卡識別），但這類產品的特點是針對特定指紋或有效卡，只能適用于保密要求高且僅供個別人使用的箱、柜、房間等。而且IC卡易丟失，加上其成本一般較高，在一定程度上限制了這類產品的普及和推廣。

根據以上三類鎖的特點，取長補短，現根據單片機技術及相關原理，創新設計一個以單片機為控制核心并融合了紅外線技術的新型密碼鎖。此鎖結合了電子密碼和光控的技術優勢，擺脫了老式機械鎖難更換，易損壞以及電子鎖安全性不高的缺點，是一類極具發展前景新型鎖型。

2 新型密碼鎖的可行性和設計思路

2.1 可行性

此新型密碼鎖是一款以單片機為控制核心并融合了光控技術的新鎖型。該鎖的設計有效地兼顧了目前三類鎖的優點，并且引入了光控鑰匙的概念，使其在未來的發展上有了更大的晉升空間。其優勢可表現在如下幾個方面：一是，該鎖整體依靠各類電子器件來實現主要功能，無大型活動零件，因此避免了由于零件長期磨損而帶來的各項問題;二是，該鎖結合了密碼輸入與光控鑰匙組成的雙重保險，直接克服了電子密碼鎖單靠輸入密碼開啟門鎖的低安全性問題，即便按鍵密碼泄露，無正確的光控鑰匙依然無法打開由它把守的大門。三是，光控密碼的設置更為靈活，更為人性化。用戶可根據自己的意愿更改光控密碼，并且無需重鑄新鑰匙，只要對應修改光控鑰匙的密碼即可。這也進一步避免了因鑰匙遺失、密碼泄露而不得不換鎖的尷尬。四是，該鎖的制造成本較低，投放至市場上，更能被普通用戶所接受，易于大范圍推廣。五是，光控鑰匙的使用是在近距離有遮蔽物的鎖體內部，紅外線不會受到外界環境的干擾，并且工作方式隱蔽，不容易被外人所察覺[2]。

2.2 總體設計思路

利用特制的光控鑰匙與正確按鍵密碼，共同驅動門鎖將門打開。具體的功能是由光控模塊，按鍵模塊、單片機控制模塊和顯示模塊來共同完成。此設計創新之處就在于利用了不可見的紅外光線，來間接實現對鎖頭的控制，從而擺脫了普通鎖鎖頭復雜的制作工藝，進而也避免了遺失鑰匙后換新鎖的繁瑣過程，操控者只需對鎖頭進行簡易的密碼更改以及對應的密鑰更改即可。同時，配合按鍵密碼一同工作也極大地加強了鎖的安全性。

3 新型密碼鎖的原理

新型密碼鎖主要由五個模塊組成，分別為光控模塊、按鍵模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、門鎖顯示燈模塊。如圖1所示。其中，將按鍵模塊、單片機控制模塊合稱為密碼模塊。

圖1 新型密碼鎖原理圖

新型密碼鎖的系統整體電路，如圖2所示。其工作原理為：

圖2 系統整體電路圖

當光控模塊插入正確的鑰匙后，八輸入與非門會輸出一個高電平。同時當按鍵模塊輸入正確密碼時，單片機P1.0口也會輸出一個高電平，這樣兩個高電平再經過一次與非產生一個低電平，促使門鎖顯示燈電路導通，達到模擬開門的效果;若按鍵鎖部分輸入三次密碼均不正確時，單片機會將鍵盤鎖死，無法再次有效輸入，當重新按下復位按鈕時，系統恢復常態。

由于本設計是基于模擬電路設計的，所以使用Proteus軟件進行仿真[3]。

4 系統的實現

第一步：通過對光敏二極管后方的開關進行A/B位選擇，實現高/低輸出電平的有效篩選，完成光控模塊中鎖部分的一位密碼設置功能。當開關撥到A位時，選擇低電平有效，光敏二極管處于接收紅外線模式，為0狀態;當開關撥到B位時，選擇高電平有效，光敏二極管處于未接收紅外線模式，為1狀態。同理對多個開關進行位的選擇，就能實現多位密碼的設置。第二步：對光控模塊中鑰匙部分的開關進行開/閉位選擇，實現對發光管工作位的控制，完成鑰匙對應密碼的設置功能。當開關撥到開位時，發光管處于紅外線輻射模式，為0狀態;當開關撥到閉位時，發光管處于休眠模式，為1狀態。同理對多個開關進行位的選擇，就能實現多位密碼的設置。對單片機程序進行密碼設定，完成對密碼模塊中按鍵密碼的設置。第三步：將鑰匙正確放入光控模塊鎖部分中。第四步：在鍵盤上鍵入4位數字密碼，通過顯示器對鍵入內容進行觀察。若鍵入錯誤，可按退格鍵清除當前一位鍵入信息，或按清零鍵清除當前所有鍵入信息，重新輸入。第五步：輸入完畢后，按下確認鍵。若顯示器顯示“OPEN”字樣，說明輸入密碼正確，門鎖打開;若顯示器顯示“ERROR”字樣，說明輸入密碼錯誤，門鎖無法打開;若顯示器顯示“LOCK”字樣，說明連續輸入錯誤密碼次數已超過3次，系統已自鎖，無法再輸入。第六步：當出現“LOCK”自鎖情況時，主人需按下復位鍵，將系統重新復位，恢復正常工作。

5 展望

綜上所述，本設計著重在于提出一種新的思路，為鎖的未來發展提供一種新的參考。如果進行進一步的研究，還可以從以下幾個方面著手：一是，光控模塊的鑰匙部分可以加入單片機進行電路集成，利用單片機實現對密碼的設置、更改，控制紅線的發射;二是，光控模塊中鎖的接收裝置對信號的接收可以發展為單位時間內對紅外線發射次數的采集，將次數信號轉化為密碼信息;三是，光控模塊中鎖的密碼設置發展為利用單片機對其進行自由更改;四是，系統的電源采用可自行充放電的獨立電源裝置。

【參考文獻】

[1]任旭.基于CPLD的全橋諧振式大功率脈沖激光電源的研究[D].長春理工大學，2004.

[2]趙思成.單片機紅外線遙控器輸入系統研究[J].硅谷，2009.

[3]趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[責任編輯：湯靜]