基于單片機(jī)和紅外技術(shù)的智能鑰匙查找系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉晗

基于單片機(jī)和紅外技術(shù)的智能鑰匙查找系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡曉晗

針對(duì)樓層管理中查找鑰匙煩瑣的問(wèn)題，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種基于紅外通信和單片機(jī)控制技術(shù)的智能鑰匙查找系統(tǒng)，與普通鑰匙查找相比較，智能鑰匙查找系統(tǒng)的每個(gè)鑰匙扣旁都有一個(gè)LED燈，其通過(guò)紅外光通信識(shí)別門牌號(hào)，獲取門牌號(hào)后點(diǎn)亮相應(yīng)鑰匙扣旁的LED燈，提示管理員快速查找到需要的鑰匙。智能鑰匙查找系統(tǒng)上配有按鍵和蜂鳴器，操作方便快捷。

單片機(jī)；智能鑰匙查找系統(tǒng)；紅外光通信；電路設(shè)計(jì)

在生活中，樓層管理人員管理著大樓里多個(gè)房門，開(kāi)門的時(shí)候需要逐一查找鑰匙。為了開(kāi)門的方便，有些樓管將所有的鑰匙逐個(gè)貼上標(biāo)簽并匯聚在一把鑰匙串上。但這種方法仍費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因?yàn)殚_(kāi)門時(shí)需要逐一查找標(biāo)簽，一一比對(duì)后才能找到鑰匙。而鑰匙上的標(biāo)簽也可能發(fā)生污損而辨認(rèn)不清，從而帶來(lái)管理上的不便。

針對(duì)找鑰匙煩瑣的問(wèn)題，有人采用過(guò)貼標(biāo)簽、射頻識(shí)別等方法，但這些方法總有一些缺陷。本文根據(jù)紅外通信系統(tǒng)與單片機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[1-4]，構(gòu)思設(shè)計(jì)一種智能鑰匙查找系統(tǒng)，該智能系統(tǒng)帶有自動(dòng)提示功能，樓管可根據(jù)提示快速找到鑰匙，簡(jiǎn)單方便。

一、設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的基本思路是在每個(gè)門上裝有一套紅外光發(fā)射裝置，智能鑰匙接收裝置上裝有一紅外光接收器和多個(gè)鑰匙扣，每個(gè)鑰匙扣旁裝有LED燈。開(kāi)門時(shí)，只要將智能鑰匙接收裝置上的紅外接收器與門上的紅外發(fā)射裝置對(duì)應(yīng)，則可以根據(jù)接收的信息取得當(dāng)前的門牌號(hào)從而使相應(yīng)鑰匙扣旁的LED點(diǎn)亮，樓管根據(jù)發(fā)光位置可快速找到鑰匙。

根據(jù)上述構(gòu)思，設(shè)計(jì)方案如下：智能鑰匙查找系統(tǒng)的接收裝置類似于一個(gè)接收模塊，主要安裝有一個(gè)紅外接收器、多個(gè)鑰匙扣和多個(gè)LED燈，鑰匙與LED燈一一對(duì)應(yīng)；每一扇房門的門鎖相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射裝置，門鎖旁邊有一個(gè)紅外發(fā)射管、一個(gè)按鍵。接收裝置與發(fā)射裝置之間采用紅外線通信方式，當(dāng)需要打開(kāi)某一把門鎖時(shí)，按下按鍵即可快速找到鑰匙。智能鑰匙查找系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　智能鑰匙查找系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.紅外通信技術(shù)簡(jiǎn)介

紅外數(shù)據(jù)通信指的是兩臺(tái)設(shè)備之間通過(guò)紅外線進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N數(shù)據(jù)傳輸方式，一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長(zhǎng)在0.75 μm～25 μm。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)成立后，為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能夠獲得最佳的通信效果，將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長(zhǎng)的范圍限定在850 nm～900 nm。

紅外通信技術(shù)應(yīng)用廣泛，主要有被眾多的軟硬件平臺(tái)所支持、兼容性好、小角度(30°以內(nèi))、短距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸及保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，其中最大特點(diǎn)在于它替代了設(shè)備與設(shè)備之間傳統(tǒng)的線纜連接，通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，使不同平臺(tái)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換變得簡(jiǎn)單。

2.紅外通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紅外通信的基本原理是發(fā)送端將基帶二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)。發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Code Modulation， 簡(jiǎn)稱PWM)方式或者脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，簡(jiǎn)稱PPM)方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制。接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送到解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制信號(hào)輸出。圖2為紅外通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2　紅外通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外通信

單片機(jī)是在一片半導(dǎo)體硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路的簡(jiǎn)單微型計(jì)算機(jī)[5]。這樣一塊集成電路芯片相當(dāng)于一個(gè)更加簡(jiǎn)化的微型計(jì)算機(jī)，也能在程序的控制下工作，因此被稱為“單片微型計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱“單片機(jī)”。圖3為STC公司的STC89C52單片機(jī)實(shí)物圖。

圖3　STC89C52單片機(jī)

運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵在于紅外接口電路以及驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。紅外發(fā)射電路一般利用單片機(jī)的IO(輸入輸出)口和紅外發(fā)射二極管構(gòu)成。

單片機(jī)紅外接收電路由單片機(jī)和紅外接收器組成，本研究采用的接收器是一種紅外專用接收集成電路HS0038，用它來(lái)完成紅外信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換與接收功能。HS0038是塑封一體化紅外線接收器，其體積不大，是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出等工作，適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。圖4為其實(shí)際封裝及引腳情況。

圖4　一體化紅外接收頭HS0038

二、硬件設(shè)計(jì)[5]

智能鑰匙查找系統(tǒng)的硬件電路主要包括紅外發(fā)射電路和紅外接收電路兩個(gè)部分，系統(tǒng)的主控芯片為51單片機(jī)。

1.紅外發(fā)射硬件設(shè)計(jì)

每一套紅外發(fā)射電路都由單片機(jī)、三極管驅(qū)動(dòng)電路和紅外發(fā)射二極管組成。當(dāng)接通電源后，單片機(jī)IO口發(fā)送編碼信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管放大到一定功率后推動(dòng)紅外發(fā)射二極管，將紅外線信號(hào)發(fā)射出去。

圖5　紅外發(fā)射電路原理圖

2.紅外接收硬件設(shè)計(jì)

紅外接收電路包括按鍵電路、紅外接收電路、蜂鳴器電路以及LED燈指示電路。系統(tǒng)目前提供8路LED指示燈，可管理8個(gè)房門的鑰匙。最大可提供28路LED指示燈，可管理28個(gè)房門的鑰匙。

圖6　紅外接收電路原理圖

三、軟件設(shè)計(jì)[5-7]

本系統(tǒng)程序是在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil軟件下，使用C51語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)的。Keil軟件是德國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，Keil軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。C51語(yǔ)言能直接對(duì)單片機(jī)硬件進(jìn)行操作，既有高級(jí)語(yǔ)言特點(diǎn)，又有匯編語(yǔ)言特點(diǎn)，因此得到非常廣泛的使用。

軟件設(shè)計(jì)主要包括紅外發(fā)射程序設(shè)計(jì)和紅外接收程序設(shè)計(jì)兩部分，二者共同工作，完成鑰匙查找功能。

1.紅外發(fā)射程序

當(dāng)電源開(kāi)關(guān)按下后，單片機(jī)啟動(dòng)紅外發(fā)射程序，將門牌號(hào)通過(guò)紅外編碼信號(hào)發(fā)射出去。圖7是紅外發(fā)射程序流程圖。

圖7　紅外發(fā)射程序流程圖

2.紅外接收程序

第一次按下按鍵時(shí)，電源指示燈亮，提示用戶當(dāng)前為工作模式，當(dāng)接收到紅外信號(hào)后，點(diǎn)亮相應(yīng)鑰匙扣旁的LED燈。再次按下按鍵時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入休眠模式，LED燈全部熄滅。下次使用時(shí)按下按鍵即可再次進(jìn)入工作模式，并可以反復(fù)循環(huán)工作。圖8是紅外接收程序流程圖。

圖8　紅外接收程序流程圖

四、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種智能鑰匙查找系統(tǒng)，該智能系統(tǒng)帶有自動(dòng)提示功能，樓管可根據(jù)提示快速找到鑰匙，簡(jiǎn)單方便。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，制作了簡(jiǎn)易的鑰匙查找系統(tǒng)，采用1個(gè)紅外接收裝置與3個(gè)紅外發(fā)射裝置，能夠模擬完成自動(dòng)查找鑰匙功能的全過(guò)程，操作方便快捷。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于將智能電子技術(shù)引入人們?nèi)粘５恼诣€匙活動(dòng)中，減少了找鑰匙開(kāi)門的時(shí)間，給人們帶來(lái)了便利。

筆者完成了裝置研制，相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)了實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL201520031986.9）。筆者攜帶作品參加了 2015年安徽省青少年科技創(chuàng)新大賽，獲得了省級(jí)二等獎(jiǎng)。

[1] 王小兵.基于單片機(jī)和SMS的紅外線防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2009,5(16)∶11-13.

[2] 付麗輝,戴峻峰,陳寶新.紅外線遙控智能密碼鎖設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2002,4(9)∶14-16.

[3] 李秀娟.多通道紅外監(jiān)測(cè)無(wú)線循環(huán)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2009,3(16)∶16-18.

[4] 方建超.單片機(jī)多機(jī)紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化,2001,20(2)∶57-61.

[5] 郭天祥,編著.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程∶入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京∶電子工業(yè)出版社,2013.

[6] 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)[M].北京∶清華大學(xué)出版社,1991.

[7] 張毅剛.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱∶哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2003.

胡曉晗，在讀高中生。安徽省合肥市第一中學(xué)，230601