红外电子密码锁.docx

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红外电子密码锁

摘要

现代生活中，很多行业的许多地方都需要密码锁，密码锁的应用就显得尤为重要。

科学技术的发展，特别是单片机技术和集成电路技术的日臻成熟，为防盗遥控技术提供了功能齐全、操作方便、工作可靠、成本低廉的系统电路。

该设计的红外遥控密码锁是将红外遥控技术和单片机技术应用相结合的一种方案，它主要应用在家庭防盗门系统中。

它的任务是：

用户先给密码锁设定一个密码，当外面的人要进门时，就在红外遥控器键入代码，该密码与用户设定的密码比较，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁，人可以进门；如果密码不正确，则允许操作人员重新输入密码，最多可输入三次，若三次都不正确，则单片机通过蜂鸣器给予警告，并自动锁门半小时，才允许再次输入代码再试。

通过如此严密的检查程序，可以极大地排除陌生人进门的可能性，从而保证了住户安全。

关键词：

密码锁，红外遥控，单片机，智能控制

Abstact

Inthemodernlife,alotofplacesoftradeneedpasswordlock,theapplicationofpasswordlocksseemsparticularlyimportant.Thedevelopmentofscienceandtechnology,especiallythesituationthatthetechnologyofthemicro-controlunitandintegratedcircuittechnologyareripedaybyday,hasofferedthetheft-proofremotecontroltechnologywithasystematiccircuitwithsuchvirtuesascheapcost,multiplefunction,easyoperation,etc.Itisakindofschemeofcombiningtechnicalapplicationofthemicro-controlunitwithinfraredremotecontroltechnologythattheinfraredremotecontrolpasswordoriginallydesignedislocked,itismainlyappliedtothesystemofburglary-resistingdoorofthefamily.

Itstaskis:

thehomerlocksandestablishesapasswordforthepasswordlockfirst.Whenthepersonoutsidewantstoenterthedoor,heorshemusttypethecodeinthemicro-controlunit,andthispasswordwillbecomparedwiththepasswordthatthehomerhasestablishedintheEEPROM.Ifthepasswordiscorrect,thesystemwillurgetheelectromagneticcarryingoutdevicetobeturnedonandlocked,itisallrightforpeopletoenterthedoor;Ifthepasswordisincorrect,theresultisthatthepersonisrefused.

Throughsuchprocedures,thepossibilityofstrangers’comingintothehousedoesn’testablish,andsodoesthesafetyofthehouse.

Keywords：

Coded-lock,Infraredremotecontrol,Micro-controlunit,theintelligentcontrol

1绪言

本章阐述了红外遥控智能密码锁的研究背景、现状以及发展方向，明确指出了在家庭防盗门系统中所面临的问题。

1.1课题背景

智能密码锁是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。

它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施，适用各种场合，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间、智能化小区、工厂、家庭等。

而红外技术在遥控技术领域的应用越来越广泛，遥控技术的发展经历大致了从有线到无线的超声波扬声器，从振动子到红外线，再到使用总线接口的微机红外线遥控这样几个发展阶段[1]。

遥控电路通常由遥控发射、遥控接收、微处理器等几块集成电路及其外围元件组成。

所以把这两种技术融合起来所得的密码锁的性能将会更好。

在数字技术网络技术飞速发展的今天，智能密码锁技术得到了迅猛的发展。

智能密码锁系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统。

它在工作环境安全、人事考勤管理等行政管理工作中发挥着巨大的作用[2]。

在该系统的基础上增加相应的辅助设备可以进行电梯控制、车辆进出控制，物业消防监控、保安巡检管理、餐饮收费管理等，真正实现区域内一卡智能管理。

智能密码锁是在传统的门锁基础上发展而来的。

传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能用通过各种手段把它打开。

在出入人很多的通道（象办公室，酒店客房）钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。

为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。

密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低[3]。

同时这个时期的产品由于大多采用读卡部分（密码输入）与控制部分合在一起安装在门外，很容易被人在室外打开锁。

这个时期的门禁系统还停留在早期不成熟阶段，因此当时的门禁系统通常被人称为电子锁，应用也不广泛。

红外遥控智能密码锁出现克服了这几个缺点，因而得到了更加广泛的应用。

1.2课题研究的目的和意义

电子杂志、报刊经常刊登有密码开关，密码锁这样电路，大多数是使用常用的数字电路，如CD4017，然后通过不同的连接方式实现密码控制功能。

这种电路的特点就是密码修改只能通过改变电路的连接来实现，密码很容易被破解，电路复杂，故障率高[4]。

本制作是针对这些电路而设计的，而且还增加了红外遥控功能，移动方便。

如果使用该红外密码开关安装在电子锁上，就成了一个功能强大，操作方便的电子密码锁了。

因为不用安装控制键盘，所以安装方便、快捷，还消除了控制键盘被人为破坏的可能。

   红外遥控技术在工农业生产，通信技术，家用电器等多种领域中得到了广泛的应用，特别是在门禁系统中的应用，更加受到了人们的瞩目[5]。

本设计的红外线遥控智能密码锁就是将红外遥控技术和单片机应用相结合的一种方案。

它的特点是：

抗干扰能力强，工作可靠，使用方便，具有较强的隐蔽性、保密性，而且可以智能修改密码。

它与传统锁具的不同之处在于：

它与微电脑相结合，能够实现适时、智能控制管理功能。

红外遥控智能密码锁作为一种高科技产品，在酒店门锁领域已成为主导产品，现在它正以飞快的速度进入寻常百姓家。

密码锁具无需钥匙，开启方便，用途广泛。

传统的机械密码锁组码位数低（3位数左右）、重码率高、安全性差、开启操作不便。

电子式密码锁具以其高位数组码、按钮式操作、安全可靠等优点，逐步取代机械密码锁。

该设计使用密码控制技术，克服了传统机械式密码锁具的缺陷，具有电子式密码锁具的特点，组码位数最高可达到10位。

按钮式开锁，无需光照和电源，机件牢固，安全可靠，造价低廉，集机械式、电子式密码锁具优点为一体，具有较好的市场发展前景和技术应用价值[6]。

1.3国内外概况

 随着我国对外开放的不断深入，高档建筑发展很快，高档锁具市场的前景乐观。

我国锁具行业对锁具高新技术的投入正逐年增大，高档锁的市场需求也逐年增加。

在安防工程中，门禁系统的锁具产品是关系到整个系统安全性的重要设备，所以锁具产品的优劣也关系了整个安防工程的质量和验收。

其重要性由如下事例可看出。

温州客商拟投资20亿元打造枝江中国锁都 3月17日，温州市五金商会会长、天宇锁业有限公司董事长奚德平透露，该会拟投资20亿元，在枝江市建设“中国锁都”。

这是奚德平应枝江市政府之邀，率30多位企业董事长、总经理到枝江考察后作出的决定。

据悉，温州有“中国锁都”之称，全市锁具产品占全国市场份额65%以上[7]。

智能门锁作为一种高科技产品，在酒店门锁领域已成为主导产品。

一般情况下，酒店希望智能门锁的使用寿命至少在5年以上，所以选择智能门锁时必须考虑多种因素，如产品的品牌、质量、价格、服务等，以免带来经济损失。

综观硝烟弥漫的智能门锁市场，浙江的智能门锁技术无论在品牌、质量、价格，还是服务上，都走在国内该行业的前列的。

 在电子控制方面，TCL智能门锁的控制电路主板采用自动贴片技术（SMT）、高温老化、在线测试、振动老化、侵漆防潮等生产工艺，从而彻底杜绝了因室内外的温差引起门锁内部水气凝结而对电路主板元器件的损坏，提高了电路的性能。

而且，TCL智能门锁还采用智能编码技术，抗强光干扰，使门锁的功耗很低，降低更换门锁电池的频率。

 在智能卡钥匙的加密方面，智能门锁的各种智能卡钥匙均应采用具备物理密码验证功能、安全性好、可靠性高的电子钥匙，可保存数据在10年以上，而所有的电子钥匙为了提高保密性能在编码上都采用加密算法，除了采用具有独立知识产权开发的软件系统制作电子钥匙外，电子钥匙是根本不可能复制的，克服了机械钥匙很强的可复制性，使门锁整体的安全性能降低的缺点，提高了门锁的安全性能。

在国外，美国、日本、德国的智能密码锁保密性较好，并结合感应卡技术，生物识别技术，使智能密码锁系统得到了飞跃式的发展。

这几个国家的密码锁识别的密码更复杂，并且综合性比较好，已经进入了成熟期，出现了感应卡式门禁系统，指纹门禁系统，虹膜门禁系统，面部识别门禁系统，乱序键盘门禁系统等各种技术的系统，它们在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，新型的密码锁系统的应用也越来越广[8]。

1.4课题的主要研究工作

课题主要解决系统在硬件和软件两方面的问题。

硬件方面要解决单片机与外围电路的接口问题，还要解决红外遥控系统的编码解码。

本设计的红外遥控发射器直接采用市售的成品彩色电视机遥控器，型号为RM-F，内部芯片型号为LC7461。

采用这个芯片的彩电非常普遍，很容易买到，且价格也便宜，所以只需要了解红外遥控发射器的编码。

当然，电子产品的兼容性也是不容忽视的。

在软件方面，主要工作是怎样防止人为的多次试探密码和增加破解密码的难度。

除此之外，程序还要完成基本的密码修改和开锁功能，并通过蜂鸣器长时间鸣叫报警通知屋主或保安。

2系统设计方案的研究

2.1系统的控制特点与性能要求

为了提高智能密码锁的安全性和可靠性，成熟的红外遥控智能密码锁除在器件选择上采取措施（如采用低工耗、宽温度范围的器件）外，在设计中还要求采用以下关键技术：

（1）线路复用技术

智能监控器和电子锁具异地放置，智能监控器供给电子锁具所需的电源并接收其发送的报警信息。

如果采用通信线路和供电线路分开的方式，势必要增加电缆芯数，安全隐患增加，本文采用了线路复用技术，仅用一根二芯电缆，实现了供电和信息的传输[9]。

在发送端，电子锁具通过脉冲变压器T将调制好的数据信号升压后发送出去：

在接收端，脉冲器T到的数据信号降压后送解调器，以减少载波信号在传输过程中的损耗。

为了减少通信和供电之间的相互干扰，对扼流圈L、电容C的选择也综合考虑。

设载波频率f0=400千赫兹,为了保证绝大部分能量传输到接收端，取L=33.7微亨,c1=0.047微法拉。

（2）电流监视技术

为了防止通信线路的人为破坏和电磁执行器因某种原因造成流过电磁线圈的电流过大而烧毁线圈，本文在智能密码锁设计中采用电流监视技术。

电流监视器采用MAXIM公司生产的电流/电压转换芯片AX471，该芯片能将被测电流I转化成对地输出电压U，且有测量范围大、精度高、输出电压U和被测电流I成正比等特点。

电流监视器输出电压送A/D转换器，单片机通过读取A/D转换结果，获知线路中电流的变化情况，通过分析及时发现异常，发出报警信号。

（3）数据通讯与预处理技术

智能监控器接收锁具发来的状态信息（其中包括锁具的开启、关闭、第一次密码错、第二次密码错、第三次密码错等）、流过电磁执行器线圈的电流值，并读取该时刻通讯线路的供电电流值，三者结合起来构成一个数据块，其中操作状态占1个字节，供电电流占2个字节，线圈电流占2个字节。

智能监控器在与电子锁具通信过程中，始终处于接收状态。

为了提高通信可靠性，本文在通信协议中采用重复发送的方式，电子锁具对每一组数据重复发送5次，智能监控器接收到这组数据后，采用大数译码定律纠错，保证了数据接收的准确性。

2.2系统实现的原理

智能密码锁在今天能得以广泛的应用。

而智能密码锁是与红外线遥控和单片机密不可分的。

当按下遥控发射器上的按键时，发射器内的编码器输出一组对应的二进制代码（这便是编码过程），再将此二进制代码按一定格式调制到高频载波上、加至红外发光二极管上变成光信号发射出去。

该信号被红外接收二极管所接收变成电信号，再经放大，限幅检波及波形等处理后送入微处理器。

微处理器是遥控电路的核心，同时又是各种合成电压信号及开关控制信号的产生源，人们习惯称其为CPU[10]。

它包括只读存储器（ROM）、随机存取（读/写）存储器（RAM）及专用数/模（D/A）转换器等单元电路。

微处理器对遥控送来的功能信号进行译码、识别出控制种类和内容，据此控制门的开或关[11]。

接口电路介于CPU与被控制电路之间。

它的主要任务是CPU输出的各种脉冲信号变为模拟电压去控制相应的电路，因此它的功能是完成数模转换和电平转换。

存储器用来记忆或存储各种控制参数，一般采用EAROM（电可改写只读存储器），它所存储的信息可长时间地保存下来，即使关闭电源，存储的信息也不会丢失。

电子锁具的组成框图如图2.1所示，它也是以51系列单片机（8051）为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别和显示、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收传感器送来的报警信号、发送数据等功能。

单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的密码进行比较。

若密码正确，则门打开；否则，门不开。

2.3系统实现方案分析

大部分红外遥控智能密码锁在硬件结构的设计上差别不大，整个红外部分电路主要由红外遥控发射电路和红外接收解码电路组成。

电子锁具的组成框图是以51系列单片机（AT89C8051）为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别和显示、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收传感器送来的报警信号等功能。

单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的密码进行比较，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁；如果密码不正确，则允许操作人员重新输入密码，最多可输入三次；如果三次都不正确，则单片机通过通信线路向智能监控器报警。

单片机将每次开锁操作和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给智能监控器，同时将接收来自传感器接口的报警信息也发送给智能监控器，作为智能化分析的依据。

2.3.1红外遥控发射电路

 本电路使用的红外线遥控编码芯片为LC7461，该芯片常常用在彩电遥控器中，我们可以直接采用市售成品彩电遥控器。

通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作[12]，如图2.2所示。

发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器，解调、解码电路。

2.3.2遥控发射器及其编码：

红外遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的脉冲宽度调制来加以说明，现以LC7461组成发射电路为例说明编码原理[13]。

当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。

这种遥控码具有以下特征：

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。

上述“0”和“1”组成的42位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。

然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，

LC7461产生的遥控编码是连续的42位二进制码组，其中前26位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，防止不同机种遥控码互相干扰。

后16位为8位的操作码和8位的操作反码用于核对数据是否接收准确。

当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时，LC7461芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9ms的低电平,和一个4.5ms的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。

解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。

如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右即可。

   根据红外编码的格式，程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。

2.3.3、接收器及解码

LT0038是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线

数据传输[14]。

3红外遥控密码锁的设计

3.1元件的选用

为使基于单片机控制的红外线遥控密码锁在实际使用过程中方便快捷，并且具有较高的性能/价格比，所以对该系统的元器件作了精心挑选。

按在实际工作中的作用，可分为以下几个部分。

其中，AT89C51单片机是整个电路的核心，它控制其他模块来完成各种复杂的操作；红外线一体化接收头负责接受命令；继电器是开锁执行部件；发光二极管和蜂鸣器用来提示和报警。

3.1.1中央控制器——AT89C51

89C51是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。

其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。

其程序的电可泦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[15]。

89C51有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。

89C51工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。

这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。

（1）AT89C51的特点

AT89C51具有以下几个特点[16]：

①AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；

②片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

③全静态工作,工作范围:

0Hz～24MHz；

④128×8位内部RAM；

⑤32位双向输入输出线；

⑥两个十六位定时器/计数器；

⑦五个中断源,两级中断优先级；

⑧一个全双工的异步串行口；

⑨间歇和掉电两种工作方式。

（2）AT89C51的功能描述

AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。

它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作[17]。

（3）AT89C51引脚功能

AT89C51单片机为40引脚芯片，如上图3.1。

地址总线和数据总线：

P0、P1、P2、P3共四个八位口：

①P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。

由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。

②P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。

③P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。

不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。

④P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。

作为第一功能使用时操作同P1口。

P3口的第二功能如下表3.1所示[18]。

控制口线RESET（复位控制）、:

PSEN（片外选取控制）、ALE/PROG（地址锁存控制）、PSEN（选通信号）、EA/VPP（片外存储器选择）、XTAL1/XTAL2（晶震）；

RST：

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲；在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间