基于单片机红外遥控防盗密码锁的设计精品.docx

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基于单片机红外遥控防盗密码锁的设计精品

摘要

本文主要是围绕红外线遥控防盗密码锁控制系统的相关的理论和实践应用进行了研究。

本文主要包括以下内容:

根据项目要求提出了以单片机为中央处理器，短距离无线遥控技术和电子密码锁技术相结合的系统解决方案，给出了硬件设计电路和软件结构，详细叙述了系统硬件线路的设计要点和结构,以及软件的设计要点，同时给出了各个重要子程序的流程图。

文中提出了一种用4个数据位编码解码芯片来完成12个数据传送的设计方法，给出了该设计方法详细的原理说明和具体的设计电路。

同时文中提出了一种独特的硬件复位电路，给出了详细的系统抗干扰措施和系统节能措施。

文中设计的电路和控制方法适用于一般的单片机系统设计，硬件和软件也有一定的实用性和通用性。

关键词:

密码锁；单片机；无线遥控。

Abstract

ThispaperisontheinfraredremotecontrolsystemsecuritypasswordlocktherelevanttheoreticalandpracticalapplicationoftheresearchTheartilceprincipallyincludesnextcontents.ThearticledescribleasolutionprojectinwhichthemicrocontrollerisCPUandtheremotetechnologyiscomplexwiththetechnologyofelectroniccodelock.Thehardwarestructureandsoftwaredesignofsystemisexplained.Thearticledescriblethepithofdesignandstructureofhardwareandsoftwareindetailandtheflowchartofimportantsubroutineisshown.Adesignwaybywhichtheremotecontrolencoderanddecoderwithfourdatapinscantransmittwelvedatasisgivenintheartcle.Thedetailedprincipleandspecificcircuitofthedesignwayisshown.Aindividualhardwareresetcircuitisgivenintheartcle.Thedetailedmethodsofresistancetointrusionsandeconomyofpowerareshown.Thedesignedcircuitandcontrolmothodintheartclesuitcommonlyotherdesignofmicroprocessorsystem.Thehardwareandsoftwareispracticable.

Keywords:

Passwordlock,Microcontroller,Remotecontrol.

1绪论

1.1序言

随着计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们已不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭及住宅小区，并迅速在世界各地发展起来。

人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

电子技术的飞速发展，给古老的锁具生产带来了巨大的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批如声控锁、磁控锁、密码锁、遥控锁，指纹锁等先进的锁具。

目前国内外密码锁系统的主要方向的发展是：

接触式密码锁系统，非接触式密码锁系统，智能识别密码锁系统，但是他们都相应的存在着不同的缺点。

例如：

接触式密码锁系统成本较低，体积小，卡片本身无须电源，但使用不太方便，而且有接触磨损。

相比之下，红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，使用十分方便。

而且它已经与PC机的数据库相结合，可以组成一套酒店房间的门禁管理系统。

由于红外遥控具有许多优点，例如红外线发射装置采用红外发光二极管，遥控发射器易于小型化且价格低廉；采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低；红外线不会向室外泄露，不会产生信号串扰；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。

工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

所以红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。

在本设计中，红外遥控密码锁和PC机、数据库相结合，能够实现适时的、强大的管理，使得整个红外遥控系统得到更好的完善。

1.2密码锁的发展现状

1普通密码锁

日常生活中，锁具被广泛使用，锁具的发展大致可分为五个阶段:

（1）古代的木质锁；

（2）古代的机械锁；

（3）近代的机械锁；

（4）普通的电子密码锁、磁片锁、EP卡锁；

（5）未来的家用电子锁、遥控电子锁、以及用于特定场合的安全密码锁。

目前最常用的锁是五十年代意大利人设计的机械锁，这种锁结构简单、使用方便、价格便宜，但在使用中暴露了很多缺点:

（1）机械锁是靠金属制成的，通过钥匙上的不同齿形与锁芯的配合来工作的，据统计每四千把锁中就有两把锁的钥匙齿牙相同或类似，安全性较低;

（2）钥匙一旦丢失，无论谁捡到钥匙都可将门打开;（3）机械锁的材料多为黄铜，质地较软，容易损坏。

密码锁采用密码代替钥匙，省去了佩带钥匙的烦恼，也从根本上解决了普通门锁保密性差的缺点，比如采用五位密码，则密码组合可高达105个。

密码锁根据设计、制作原理的差异，可分为机械密码锁、电磁产卡片式密码锁、指纹密码锁、电子密码锁等类型。

2机械密码锁

该型锁将解锁密码以机械装定的形式存储在装置的鉴别机构上，在装置的外围设立密码操作键。

密码的输入，产生相应的鉴别动作，即正确的密码输入，鉴别机构产生开锁动作;错误的密码输入，鉴别机构的部件将发生错位或不做出响应。

机械密码锁采用机械加工（如精密机械加工/微细加工）制作，皮实、耐用，电磁干扰、外界的异常信号很难启动鉴别机构。

但机械密码锁通常包含多个较复杂的机、电功能组件，装置微小型化需借助先进的制造技术与装配工艺，制造周期长、成本高，机电接口及测试也有一定难度。

3电磁/卡片式密码锁

该型锁类似于机械锁，利用光电藕8合或电磁感应的原理，将密钥信息预先置于卡片充当钥匙，开锁时将卡片插入锁内或近距离感应就能将锁打开。

该锁的优点是:

成本较低；授权用户一人一卡，可联微机，有开门记录。

缺点是:

卡片设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制，不易双向控制:

磁卡内存储的信息容易因外界磁场干扰而错乱，以致卡片（钥匙）无效。

4指纹密码锁

该类锁通过检验人员生物特征（如指纹）等方式来识别开锁。

管理员利用采样控制软件，通过指纹采集仪采集、保存指纹；识别软件依赖指纹库识别开锁者的身份，通过外围设备显示、打印和存储。

指纹具有唯一性和终身不变性的特点，一直被当作身份鉴定的可靠手段，从是否允许非法开启角度来说，安全性极好；但从使用是否方便的角度看，对安装环境和使用者的要求很高（比如虹膜识别型和面部识别型），安装位置与使用者身高之间必须满足一定的关系；同一个人，在指纹划伤，眼睛红肿充血，或任何被用于开锁的识别部位有损伤的情况下，可能产生错误识别而无法开锁。

5电子密码锁

到了80年代，在日本产生了最早的电子密码锁。

随着日本经济复苏，电子行业的快速发展，一些利用简单的门电路设计的密码锁出现了。

这类电路安全性差，容易破解。

到了90年代，美国、意大利、德国、日本、加拿大、韩国以及我国的台湾、香港等地的微电子技术的进步和通信技术的发展为密码锁提供了技术上的基础，从而推动密码锁走向实际应用的阶段。

我国于90年代初开始对密码锁进行初步的探索。

到目前为止，在此领域虽已有较大的发展，采用各种电路进行设计的比较多，技术也相当先进，但是，我们必须正视的一个事实是，出口产品中高档产品只占15%-20%，而我国高档产品在发达国家也只能算是中档产品，价格低是普遍现象。

此外，我国目前的出口产品，与国外产品相比，无论是品牌知名度还是产品售价，我国产品有着非常大的差距。

电子技术发展至今已达到相当高的水平，电子密码锁技术己十分成熟。

家庭、宾馆已开始使用电子门，贵重物品、机密文件的保管也用到了电子密码锁，电子密码锁控制器在现场与传感器及执行机构相连，进行状态监视和完成控制功能。

小型便携的新型装置，可广泛应用在各种场合，其结构简单、造价低廉、安全性好。

通常电子密码锁系统由电路部分和机械执行部分组成。

电路部分有利用密码锁ASIC（专用集成电路）芯片控制、利用单片机控制以及逻辑门电路构成等多种方式。

在现有的电子密码锁中，基本上是用户由键盘通过接口电路将意图解锁码输入到控制器（主要由CPLD组成）中，控制器将输入的密码与电子锁内预置的开锁密码进行比较、鉴别，当确认完全一致时，送出一个信号给功率放大器，然后由继电器带动机械执行部件开锁。

输入的密码将被与电子锁内预置的开锁密码进行比较。

1.3市场前景

目前，市场上比较先进的智能锁有IC卡密码锁、射频卡密码锁、红外遥控密码锁、指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁等。

IC卡密码锁成本低，体积小，卡片本身无须电源等优点占领了一定的市场份额，但是由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用不太方便，一定程度上限制了它的应用；射频卡密码锁是非接触式密码锁，成本也不太高，体积跟IC卡密码锁相当，卡片使用感应电源，重量很轻，技术成熟，受到了广泛的欢迎，但是与IC卡密码锁相比，成本偏高；指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁统可靠性很高性、安全性是目前门禁系统中最高的，但是成本高昂，还没进入大众化使用阶段红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，遥控距离远大于射频卡密码锁的遥控距离，低耗很低，可以使用普通碱性电池供电，使用十分方便。

本设计的红外遥控密码锁系统成本低廉，其造价约100元/每套（每套包含一把钥匙、一个锁体、一个抄锁器，不包含PC机），如经优化设计，成本可以进一步降低。

红外遥控密码锁锁具有广阔的市场前景。

2系统设计

对红外遥控进行系统设计，必须先了解一些有关的原理和标准，如：

红外通信基本原理，红外数据协会标准，红外线遥控原理等；还要对设计的有一个比较清楚的方案。

2.1设计理论分析

2.1.1红外通信基本原理

红外遥控是单工的红外通信方式，本设计的红外遥控采用以通信方式为基础的红外遥控，而且本设计也使用了红外通信技术，故着重分析红外通信的基本原理。

红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。

它一般由红外发射和接收系统两部分组成。

发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人眼看不到的光线。

红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。

红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。

红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号（载波信号），通过红外发射管发射红外信号。

常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。

脉时调制（PPM）是红外数据协会（IRDA）和国际电子电工委员会（IEEE）都推荐的调制方式，本设计采用脉时调制方法，即用两个脉冲串之间的时间间隔来表示二进制信息，数据比特的传送仿照不带奇偶校验的RS232通信，首先产生一个同步头，然后接着8位数据比特，如图2-1所示。

载波信号的频率ƒ=38kHz，载波周期T=26.32us

载波信号的频率ƒ=38kHz，载波周期T=26.32us，本设计使用单片机软件产生载波，取T=26us，脉冲宽度t1=10T=260us，二进制数0的脉冲串周期t2=500us，二进制数1的脉冲串周期t3=1000us。

普通的红外遥控采用面向指令的帧结构，数据帧由同步码，地址码和指令码组成，指令码长度多为8～16个比特，传送多字节遥控协议时效率偏低，而增加指令码的长度不利于接收器同步，为此本设计选用一种面向字节的帧结构，采用类似于异步串行通信的帧结构，每帧由一个起始位（二进制数0）、8个数据位和2个停止位（二进制数1）构成，如图2-2所示。

每帧传送1个字节的数据，帧与帧间隔大于2ms，帧结构不含地址信息，寻

址问题由高层协议解决。

由于红外光存在反射，因此，红外通信应采用异步半双在全双工的方式下发送的信号也可能会被本身接收工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。

2.1.2红外通信标准

1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会（InfraredDataAssociation,简称IRDA），1993年6月28日，来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。

IRDA1.0简称为SIR（SerialInfraRed），它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。

SIR以系统的异步通讯收发器（UART）为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程（3/16EnDec）实现红外数据传输。

由于受到UART通讯速率的限制，SIR的最高通讯速率只有115.2kbps，也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。

IRDA标准包括三个基本的规范和协议：

物理层规范（PhysicalLayerLinkSpecification）链接建立协议（inkAccessProtocol:

IRLAP）链接管理协议（LinkManagementProtocol:

IRLMP）。

图2-3IRBUS红外线通信协议层

物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，IRLAP和IRLMP为两个软件层，负责对链接进行设置、管理和维护。

在IRLAP和IRLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IRDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TINYTP、IROBEX、IRCOMM、IRLAN和IRBUS等（见图2-3）。

2.1.3红外线遥控原理

红处线发射/接收控制电路均采用8051单片机来实现，电路简单，输出控制方式可选择，实用性强。

体工作过程如下：

发射时：

如图2-4，首先，将从串行发射口P3.1送出的数据反馈到P1.1口时行内部调制,再从P1.2口送出,再经过红外发射二极管发射出去,发射距离为10m。

接收时:

如图2-5，采用与发射部分配套的红外接收头,将发射出的数据接收后送到串行口P3.0中,再由系统进行确认接收数据是否与发送数据是否相符,相符则开锁,以发光二极管D2亮来表示，不相符则放弃，以发光二极管灭来表示。

2.2总体方案的设计

2.2.1总体设计

根据设计任务要求，本设计的系统结构框图如图2-6

图2-6系统结构框图

2.2.2主要模块设计

系统主要由发射块和接收模块两部分组成。

其中发射模块是由MCS-51单片机、载波发生器、调制放大电路以及红外发射电路组成；接收模块则由红外接收电路、MCS-51单片机、继电器和机械锁构成。

如图2-7所示。

单片机

红外

接收

红外

发射

调制发射

单片机

机械锁

继电器

载波

图2-7红外遥控密码锁的组成框图

为了尽可能地减小系统的体积，该系统中使用的单片机均为8051。

发射模块中使用的载波发生器是由4060分频器和晶振组成，红外发射电路则主要由红外线发射二极管所组成；接收模块中的红外接收部分是一种专用芯片0038B。

0038B的管脚分布如图2-8所示，2脚、3脚分别为地电源和地，1脚是解调信号输出，其电平与TTL兼容。

0038B系列特性如下：

频率范围：

32.75kHz、36.7kHz、38kHz、40kHz

电源电压范围：

4.7V～5.3V

工作电流：

3mA

最大遥控距离：

>8m

图2-80038B引脚图

工作温度：

-10～+60℃

0038B是黑色环氧聚光透镜，滤除了可见光的干扰。

内含红外线PIN接收管、选频放大器和解调器。

当红外线发射器发出的信号经空间传送到0038B时，它内部的PIN红外线接收管将红外线转换为电信号，该信号经选频放大、解调后由1脚输出与TTL电平兼容的电信号，该信号可以直接送入微处理器进行处理。

0038B的输出波形如图2-9所示。

当接收到频带内的红外信号时，0038B接收器会输出低电平，否则数据高电平，从而“将时断时续”的红外信号解调成原来的连续方波信号。

已调制红外信号0038B输出信号

图2-90038B的输出波形

0038B的优点是稳定性好，抗干扰能力很强，外围电路非常简洁，成本又不高，适用于各种红外遥控和红外数据传输，是替代其它红外接收放大器的理想元件。

唯一的缺点是电源供电需5V左右，用两节电池供电。

该芯片内部集成了前置放大、限幅放大、带通滤波、检波、积分，及施密特比较器等单元电路，输出端输出标准的TTL电平信号。

同时，0038B环氧树脂封装提供一个特殊的红外滤光器，可防止自然光的干扰，具有极好的抗自然光干扰的性能，可防止无用脉冲输出。

该系统的工作过程是：

首先由发射模块中的单片机在外部命令的控制下按一定的时间间隔连续产生20次同一数码。

然后该信号经过调制电路被调制到载波信号上，调制信号经过放大后驱动红外线发射二极管发射红外线信号。

接收端的红外接收装置0038B对发射过来的红外调制信号进行前置放大、限幅滤波、检波等一系列过程后逐一解调出原数码指令信号，再将解调出的信号与发射模块中的原数码指令信号相比较。

如果是15次以上比较果是相同的，则认为接收成功，并用该数码信号驱动继电器工作、最后由继电器控制密码锁的闭合和开启。

3系统硬件设计与实现

3.1硬件结构图

系统以单片机8051为核心。

系统结构框图如图3-1所示。

本系统的功能设计目标应该包括以下几个方面：

红外发射功能模块，红外线接收转换模块、单片机模块、蜂鸣器报警功能模块、密码存储功能模块，开锁功能模块等。

下面详细介绍一下各单元的硬件电路和实现的功能。

图3-1红外遥控密码锁硬件结构图

3.2遥控发射电路设计

遥控发射电路利用通用的红外发射管，如图2-5所示;从图中可以看出，遥控发射装置是利用8051单片机作为控制部分，控制图中的发光二极光发射出红外线，从而使本机中的红外接收部分感应，然后解码，对照接收到的信号是否正确，如果正确就正常开锁，完成遥控开锁任务。

遥控开锁部分的具体操作如下：

图2-4遥控发射电路

当选择遥控开锁时，本机键便会被封锁.这时,用户手执遥控器按下图2-4805上的P1.0口上的按键时,便有数字从8051的P1.2口发出，发送的过程如下：

先将从P3.0送出5FH，然后将5FH反馈到P1.1口进行内部调制，调制的规则是“0”电平调制,“1”电平不调制，最后将调好的数据从P1.2口通过红外发光二极管以波长为940mm的红外光发出红外遥控信号。

然后，在本机控制电路中的8051的P3.0口接有与红外发光二极管配套的接收头,将接收的光信号转换成电信号数据。

最后，通过系统与内部原先设置的数据进行比较确认，如果一致便可开锁，如果不一致放弃开锁。

3.3本机键开锁部分

本机键开锁电路如图2-5所示，8051作为本电路的核心，P0口与P1.0，P1.1，P1.2外接本机键盘，P3.0口外接爱控接收头，P1.3口外接报警信号放大器，用来放大报警信号，驱动扬声器，P1.7口外接开锁电磁驱动电路，P1.5外接密码选择键，EPROM内存有两密码，P2.0口用发光二极管显示按键是否按下，本电路由遥控发射击队器、接收器、键盘组成，本机采用了10个按键，作为密码输入键，同时也采用了遥控器开锁。

有以下功能：

1.当没有接收到遥控信号时，这时由键盘输入密码，当5位有效密码输入正确时按“#”号确认，P1.7口输出高电平使电磁锁动作，完成开锁,同时,电路进入延时状态，延时5秒钟后,电路将自动恢复到初始闭锁状态。

2.当5位有效密码输入正确,但没有按”#”号键确认时，这时电路将自动放弃,恢复到初始和闭锁状态。

3.在输入5位有效密码时,必须按照先后序输入，如顺序错误或密码不对时，这时若不按”#”号确认，将无法开锁,并同时发出5秒钟的报警信号,用以提醒用户。

4.若连续3次输入错误，系统会长时间报警，这时必须按复位键恢复到初始化状态。

5.输入密码时,首位密码正确输入后，电路将开始自动计时，每位密码数之间的输入间隔应在3秒内。

否则将输入超时处理,系统自动放弃，恢复到初始状态。

图2-5本机键开锁电路

3.4电源部分设计

本系统的电源部分使用LM7805芯片进行稳压后提供单片机5V的电压。

其电源部分电路的设计如图3-2所示。

该电源部分电路，使用四个1N4004二极管构成整流桥，可以输入直流或是交流9V电源，然后再通过7805稳定到5V供单片机工作。

固定式三端稳压电源7805是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于LM78XX系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，电路的稳定性也比较好。

图3-2红外遥控密码电源部分的电路原理图

3.5编码解码电路

PT2262和PT2272是台湾普城公司生产的一对COMS专用编码解码芯片。

本系统采用这对芯片来实现键值的编码与解码。

PT2262和PT2272的振荡频率都是通过一个外接电阻进行调节。

3.5.1PT2262介绍

PT2262最大可以具有12个地址位，它的数据位最大可以有6个。

每一个地址位可以有接地，接电源，悬空三种状态。

每个数据位可以有接地，接高两种状态。

PT2262就是将地址位和数据位的状态进行编码然后输出相应的编码信号。

PT2262能够满足两种工作方式:

射频工作方式（RF）和红外线工作方式（IR）。

由于在整个系统的遥控方式上我选用的射频的工作方式，下面详细介绍PT2262的射频工作方式。

编码芯片PT2262发出的编码信号由:

地址码，数据码，同步码组成一个完整的码字。

位码是编码波形的基本单位，可以分为AD位（地址，数据）和SYNC位（同步）。

根据相应端子电平的低，高，或者悬空状态，AD位可分别置为“0”，“l”或“f”，每位波形由两个脉冲周期构成，每个脉冲周期含16个时钟周期。

PT2262芯片引脚如图3－3

图3-3PT2262引脚

说明：

AO-A5：

三态地址位；A6/D5--All/DO：

三态地；址位或二态数据位；T\1\：

发射使能位；OSC1-OSC2：

内部振荡外接位；DOUT:

数据输出位；Vcc：

电源正极；Vss：

电源负极。

3.5.2