基于光控元件的智能鎖設計①

董向博++曹博++劉冬++張琰

摘 要：該文依據光控元件的特點，用光控元件代替數字鍵盤設計出門鎖的硬件電路，結合由單片機構成的控制電路，設計出新型的智能門鎖。該智能門鎖具有安全性能高、成本低的特點。

關鍵詞：光控元件 門控系統 智能鎖

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0062-03

門禁的安全性是日常生活中人們最關心的話題，使用安全性能高的門鎖是門禁安全的保障。數字電子技術和微處理器（單片機系統）的相結合使得電子密碼鎖成為新時代門禁系統的“新寵”。密碼鎖的鍵盤部分通常采用數字鍵盤系統構成。這種鍵盤系統的特點是直觀、簡單，用戶只需要記住數字構成的密碼，就可以開啟房門。但這種由0～9構成的數字密碼一般都設計為4為數字密碼，很容易被破解，安全性也隨著降低。隨著光電技術的日益發展，利用半導體的光電效應和光生伏特效應制成的光電元件[1]以其快速、測量精確、無接觸、測量距離遠的特點在生活中的應用越來越廣泛。本設計利用光電元件的特點，將光電元件構成的鍵盤系統代替電子密碼鎖的數字鍵盤系統，結合單片機控制系統，設計出新型的智能密碼鎖，從而提高了門禁系統的安全性。

1 整體設計

由光控元件（光電傳感器）構成智能鎖的鍵盤部分，LCD屏顯示開鎖過程中出現的狀況，AT89C52單片機實現整個系統的功能，用電磁鎖替換傳統的機械鎖。光控元件將手勢的“觸摸”信號傳遞給單片機，通過單片機判斷信號的正確與否啟動電磁鎖的開啟與否。

設計的智能鎖可以實現的功能有。

（1）在輸入密碼時在LCD屏幕上顯示*號；

（2）設計開鎖密碼為特定手勢；

（3）能夠LCD顯示在手勢正確時顯示PASSWORD OK，手勢錯誤時顯示PASSWORD ERROR，輸入手勢時顯示INPUT PASSWORD；

（4）實現輸入手勢錯誤超過限定的三次密碼，鍵盤“鎖死”，發報警信號；

（5）該產品具備報警功能，當輸入密碼錯誤時蜂鳴器響并且LED燈亮；

（6）密碼可以由用戶自己修改設定（只支持6位密碼），修改密碼之前必須再次輸入密碼，在輸入新密碼時候需要二次確認，以防止誤操作。

設計的智能鎖系統圖如圖1所示。

2 單元電路的設計與特點

2.1 光控元件構成的鍵盤電路

基于光電元件構成的鍵盤系統，其核心元件是光敏元件構成的光電傳感器。光電傳感器的特點是[2]：結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應快等。設計中采用小型光電傳感模塊構成3×3鍵盤系統，單個模塊電路如圖2所示。

該模塊的特點是對光線的適應能力強，通過電位器可以調節手指接觸鍵盤的距離（可調距離為2～30cm），干擾小，便于安裝，使用方便。在設計時，將手指與鍵盤之間的距離統一調節為10cm，可避免因距離問題，使非正確信號（開門信號）傳遞給控制系統，從而使錯誤信號啟動了門鎖的報警系統。

2.2 繼電器驅動電路設計

門鎖的“鎖”部分由電磁鎖構成，設計中采用SRD-05VDC-SL-C型繼電器驅動電磁鎖“開鎖”。由于采用了光控元件，電磁鎖的電源電壓相對較小，一般采用5V即可。設計的繼電器驅動電路如圖3所示。

3 門控系統設計

門鎖的核心系統是門控系統，該系統由AT89C52單片機最小系統構成[3]，利用AT89C52單片機靈活的編程設計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性，實現基本的智能鎖功能，其程序流程圖如圖4所示。

系統的I/O口分配如表1所示。

4 系統調試

首先應用Proteus軟件進行系統仿真[4]，系統圖如圖4所示。仿真過程中，先給一個啟動鎖的手勢信號（相當于機械鎖的插入鑰匙狀態），LCD屏顯示“*”信息，再給定正確的開鎖手勢信號，顯示屏顯示“PASS WORD OK”。連接實物進行軟件系統與硬件系統聯調時，給定正確手勢信號，聽見繼電器動作聲音，卻不見電磁鎖動作（開鎖）。在初步設計中，電磁鎖與繼電器構成的輸出電路中采用的電源電壓過大，導致繼電器線圈燒壞，因此出現繼電器一次側吸合動作，二次側電磁鎖不動作。調整了外接電源后，電磁鎖順利動作，達到設計要求。

在仿真過程中為方便運行和系統圖布局，用3*3陣列按鍵代替了光電傳感器模塊構成的按鍵系統，實際系統搭建時鍵盤系統是由光電模塊構成，仿真的結果和實物調試結果一致。

5 結語

該文介紹了一項大學生創新創業訓練項目—— 智能鎖的設計方案，闡述了整個設計流程，在此基礎上進行了設計仿真和實物制作調試。基于光控元件的智能鎖的設計，結構簡單、使用便捷、安全性能高，具有良好的實用性。

參考文獻

[1] 童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 張洪潤.傳感技術與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3] 張毅剛.單片機原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[4] 陳海宴.51單片機原理及應用：基于Keil C與Proteus：2版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.