紅外電子密碼鎖軟硬件設計研究

魯 建

（東北石油大學，黑龍江 大慶 163318）

20世紀70年代，隨著微電子技術的應用，出現了磁控鎖、聲控鎖、超聲波鎖、紅外線鎖、電磁波鎖、電子卡片鎖、視網膜鎖、遙控鎖等.這些高科技鎖有機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，具有抗干擾能力強、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實現等顯著優點，被諸多電子設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，具有光波的直線傳播特性，不易產生相互間的干擾，是很好的信息傳輸媒體.信息可以直接對紅外光進行調制傳輸，例如，信息直接調制紅外光的強弱進行傳輸，也可以用紅外線產生一定頻率的載波，再用信息對載波進調制，接收端再去掉載波，取到信息.從信息的可靠傳輸來說，這就是目前大多數紅外遙控器所采用的方法.

紅外遙控具有許多優點，例如紅外線發射裝置采用紅外發光二極管，遙控發射器易于小型化且價格低廉；采用數字信號編碼和二次調制方式，不僅可以實現多路信息的控制，增加遙控功能，提高信號傳輸的抗干擾性，減少誤動作，而且功率消耗低；紅外線不會向室外泄露，不會產生信號串擾；反應速度快、傳輸效率高、工作穩定可靠等.工業設備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環境下，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 系統設計方案

1.1 設計思路

本次設計一個紅外遙控電子密碼鎖，主要分為遙控器部分和主機部分.當從遙控器輸入密碼時，鍵盤向單片機發送外部中斷，單片機識別按鍵號碼并且將其編碼后通過紅外發光二極管發送到主機接收部分.主機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發送串行口中斷，單片機得到串行中斷信號將其解碼還原成發射前的信號，之后驗證密碼，判斷開鎖還是報警.主機接收部分通過鍵盤的外部中斷得到密碼信號，無需紅外遙控發射，可直接驗證密碼.同時主機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 遙控發射部分

遙控發射部分由STC89C52單片機、紅外發射電路、矩陣鍵盤、復位電路以及振蕩電路組成，其結構圖如圖1所示：

圖1 遙控發射結構框圖

1.3 主機接收部分

主機部分由STC89C52單片機、紅外接收電路、液晶顯示器、開鎖電路、蜂鳴器、復位電路以及振蕩電路組成，其結構圖如圖2所示：

圖2 主機結構框圖

2 紅外電子密碼鎖硬件設計

2.1 紅外發射電路

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

發射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控制的距離與發射功率成正比.為了增加紅外線的控制距離，紅外發光二極管工作于脈沖狀態，因為脈動光（調制光）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，其紅外發光管的工作脈沖占空比約為1/3-1/4；一些電器產品紅外遙控器，其占空比是1/10.減小脈沖占空比還可使小功率紅外發光二極管的發射距離大大增加.常見的紅外發光二極管，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.要使紅外發光二極管產生調制光，只需在驅動管上加上一定頻率的脈沖電壓.

圖3 紅外發射電路圖

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

紅外線發射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式.直射式指發光管和接收管相對安放在發射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發光管與接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發光管發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.雙管紅外發射電路，可提高發射功率，增加紅外發射的作用距離.

2.2 紅外接收電路

紅外接收電路是將遙控發射部分發射的紅外光信號接收、放大、檢波、整形轉換成電信號輸入到單片機的電路模塊.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節解調頻率的端口.應用時必須保證發射端調制載波的頻率與接收端相應的解調頻率之間互相匹配.

圖4 紅外接收電路圖

2.3 矩陣鍵盤

矩陣鍵盤是單片機外部設備中所使用的排布類似于矩陣的鍵盤組，在鍵盤中按鍵數量較多時，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，而且線數越多，區別越明顯，比如再多加一條線就可以構成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雜，上圖中，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的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法兩種方法，本設計采用行掃描法.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，循環進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、數字、符號等的點陣型液晶模塊.它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形.

1602 LCD是指顯示的內容為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.通過單片機來控制其線圈的通斷電，從而控制其觸點的吸和與斷開.繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統和被控制系統，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”.故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用.對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”.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.

圖8 開鎖電路圖

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成.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，從而產生電磁效應，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與靜觸點吸合.當線圈斷電后，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，使動觸點與原來的靜觸點吸合.這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、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，當密碼輸入正確開鎖時，經過三極管放大電流驅動蜂鳴器工作.

圖9 蜂鳴電路

3 紅外電子密碼鎖軟件設計

3.1 遙控發射程序設計

3.1.1 遙控發射主程序流程圖

主程序中發射端主要有一個紅外發射二極管發射調制好的頻率波，有一個4*4矩陣鍵盤，分別為0～9、確認、設置、取消，剩下的三個鍵沒有定義，程序開始初始化，調用按鍵子程序，送到串行口端的紅外發射二極管進行調制并發送出去，直至數據發送完畢.

圖10 遙控發射程序流程圖

3.1.2 按鍵子程序

按鍵子程序中用的4*4鍵盤，掃描的方式進行判斷，當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，則會返回一個相應的鍵值，單片機根據返回值，判斷那個鍵被按下，從而發送數據.

圖11 按鍵子程序

3.2 主機接收程序設計

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過來，當信號發過來時，進入相應的子程序，在接收的時候，紅外接收的信號都是雙份的，一個是數據的原碼，一個是數據的反碼，當接收完畢后，單片機會把反碼轉換成原碼，然后和接收的原碼進行校驗是否正確，如果正確則這次接收的數據是有效數據，如果不正確則這次接收的數據就會被判作無效數據，就會被舍去，等待下一個數據到來.

圖12 主機接收程序流程圖

3.2.2 密碼識別子程序

在密碼識別程序中，當輸入正確的4位密碼時，開鎖指示燈會亮起，當輸入錯誤密碼時，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進行初始化，單片機向LCD寫命令，接著單片機向LCD寫數據，寫完后程序結束.

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，按設置鍵進入修改子程序界面，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錯誤，并返回，如果輸入正確，則顯示設置成功.

圖15 修改密碼子程序流程圖

4 紅外電子密碼鎖設計研究結論

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

設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.

本設計實現的功能：

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

（2）密碼對比開鎖：主機部分存有密碼，輸入的密碼與已存的密碼進行對比，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，表示已經開鎖.

（4）液晶顯示：通過LCD1602液晶可顯示正在進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，以防誤操作.

本設計符合設計要求，操作簡單，方便易用，功能性較強，具有一定的實踐意義和使用價值.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射板發射的紅外信號（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果，從而完成了紅外遙控電子密碼鎖的要求.但本設計仍有不足之處，本設計沒有在主機上安裝4*4鍵盤，所以不能實現本機開鎖功能，而且本設計采用的USB供電，這在實驗中很方便，但在實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，對本設計的實際應用非常有利.