基于紅外模塊的單片機(jī)電子密碼鎖安全性論證

甘依林

(山東大學(xué)威海分校機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東威海 264209)

1 密碼鎖的安全性論述

1.1 課題背景

隨著科技發(fā)展與生活水平的提高，人們的安全意識越來越強(qiáng)。傳統(tǒng)的機(jī)械鎖仍在大量使用，但是在安全性能要求較高的場合，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其成本高、制造難度大、安全系數(shù)低等缺點(diǎn)，已不能滿足需求。

電子密碼鎖是由輸入密碼來控制電路或芯片工作，繼而控制機(jī)械開關(guān)的閉合，完成開鎖、閉鎖任務(wù)的電子產(chǎn)品。近年來，紅外遙控技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用到電子鎖領(lǐng)域，則形成了紅外控制開啟的電子鎖。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與意義

以AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)合理的外圍電路，從而構(gòu)成電子密碼鎖系統(tǒng)，并對主控芯片編程實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)輸入正確密碼后開鎖。用戶按開鎖鍵進(jìn)入開鎖模式，正確鍵入6位密碼，實(shí)現(xiàn)開鎖。

(2)用戶可隨時(shí)更改開鎖密碼。用戶按SET鍵，進(jìn)入密碼設(shè)置模式，可設(shè)置6位新密碼。但要求先正確輸入當(dāng)前密碼，然后輸入新密碼，以防用戶誤操作，需再次輸入新密碼進(jìn)行確定。

(3)提示輸入密碼位數(shù)。設(shè)計(jì)有LCD顯示電路，當(dāng)用戶通過鍵盤或是遙控器輸入密碼時(shí)，不顯示輸入具體數(shù)值，而是顯示“*”，如此即方便了用戶輸入，同時(shí)增加了保密性。

(4)防盜報(bào)警。當(dāng)用戶輸入錯(cuò)誤密碼時(shí)，會提示輸入錯(cuò)誤。當(dāng)用戶連續(xù)3次輸入密碼錯(cuò)誤時(shí)，會自動聲光報(bào)警，以增加防盜安全系數(shù)。

(5)遙控功能。實(shí)現(xiàn)一定距離的遙控操作開鎖，在車庫倉庫等應(yīng)用廣泛，用戶不需要下車，只需遙控操作，鍵入正確密碼開鎖。

2 密碼鎖安全系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 密碼鎖系統(tǒng)框圖

3 紅外遙控作用

遙控編碼脈沖信號通常包括3大部分，即引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼和功能碼。

(1)引導(dǎo)碼，也稱引導(dǎo)脈沖，一般由高電平1和低電平0的脈沖組成，二者的寬度之比可為1∶1，占9 ms，也可為2∶1，占13.5 ms(寬度為9 ms的高電平和寬度為4.5 ms的低電平組成)，也可能有其他組成情況。引導(dǎo)碼的主要作用類似于穿行通信中的同步脈沖，用來標(biāo)志遙控編碼脈沖信號的開始，使遙控接收器能由此判斷出所接收的信號是干擾還是系統(tǒng)的遙控代碼。

(2)系統(tǒng)碼，也稱用戶碼、識別碼、設(shè)備碼、安全碼，用來指示遙控系統(tǒng)的種類，以區(qū)別其它遙控系統(tǒng)，防止各遙控系統(tǒng)的誤動作。這種碼是由生產(chǎn)廠商自行規(guī)定，出廠時(shí)已設(shè)置好。這是不同遙控器不能通用的主要原因。

(3)功能碼，也稱鍵位數(shù)據(jù)碼。它與鍵盤的鍵位相對應(yīng)，由它傳送所需要的遙控信息。功能碼通常也是由8位原碼和8位反碼組成。反碼的加入是為了能在接收端校對傳輸過程中是否產(chǎn)生差錯(cuò)。

下面以LC7461編碼芯片為例。LC7461是采用PWM調(diào)制的串行二進(jìn)制碼，所發(fā)送的一幀數(shù)據(jù)中含42位碼，包含一引導(dǎo)碼、13位用戶碼和8位數(shù)據(jù)碼以及它們的反碼。發(fā)射碼的格式如圖2所示。

“1”和“0”的區(qū)分取決與脈沖之間的時(shí)間:以脈寬為0.565 ms、間隔0.56 ms、周期為1.125 ms的組合表示二進(jìn)制的“0”;以脈寬為0.565 ms、間隔1.685 ms、周期為2.25 ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。如圖4所示，圖中 Tm=0.56 ms。

圖4 LC7461的“1”和“0”的區(qū)分

4 遙控模塊硬件的安全性設(shè)計(jì)方案

4.1 遙控系統(tǒng)的構(gòu)成

遙控系統(tǒng)主要由紅外遙控發(fā)射裝置、接收裝置、微處理機(jī)等組成，如圖5所示。

圖5 遙控系統(tǒng)框圖

4.2 選用芯片介紹

(1)遙控編碼芯片LC7461。

圖6 遙控編碼芯片

LC7461是由SANYO公司生產(chǎn)能的遙控專用編碼芯片。OSCO和 OSCl之間接諧振器。由Ko0～Ko7，KI0～KI3構(gòu)成鍵盤的行與列。OUT引腳輸出紅外發(fā)射管控制信號。

7461產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的42位二進(jìn)制碼組，其中前26位為用戶識別利，能區(qū)別不同的紅外遙控設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。后16位為8位操作碼和8位操作反碼用于核對數(shù)據(jù)是否接收準(zhǔn)確。當(dāng)遙控器上任意一個(gè)按鍵按下超過36 ms時(shí)，LC7461芯片的振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一個(gè)特定的同步碼，對于接收端而言就是一個(gè)9 ms的低電平和一個(gè)4.5 ms的高電平，使程序知道從這個(gè)同步碼之后可以開始接收數(shù)據(jù)。

(2)一體化紅外接收頭。

HS0038接收紅外信號頻率為38 kHz，周期約26 μs，同時(shí)將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，是紅外接收電路一體化的紅外接收裝置，如圖7所示。并能與TTL、COMS電路兼容，簡化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計(jì)工作。

圖7 一體化紅外接收頭

HS0038為黑色環(huán)氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內(nèi)附磁屏蔽，功耗低、靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號情況下，其接收距離可達(dá)35 m。HS0038為直立側(cè)面收光型，3個(gè)管腳分別是地、+5 V電源、解調(diào)信號輸出端。

4.3 遙控模塊電路設(shè)計(jì)

當(dāng)鍵盤有鍵按下時(shí)，編碼芯片激活，發(fā)送相應(yīng)紅外編碼信號。由遙控器發(fā)送的紅外信號，經(jīng)過紅外一體化接收頭接收、放大、解調(diào)之后，將信號送到單片機(jī)P3.2引腳。

5 遙控模塊軟件的安全性設(shè)計(jì)方案

(1)HS0038的解調(diào)。一體化紅外接收頭HS0038將接收到的紅外信號放大、解調(diào)才送給單片機(jī)的。接收頭接收到的是38 kHz的串行脈沖信號，經(jīng)過解調(diào)之后轉(zhuǎn)換成TTL電平。接收頭的解調(diào)可簡單理解為:在輸入脈沖串時(shí)輸出低電平，否則輸出高電平。一體化紅外接收頭解調(diào)前后的信號對比如圖10所示，可見解調(diào)后信號與編碼信號反相。

圖10 信號對比

當(dāng)按鍵按下后，經(jīng)過HS0038解調(diào)輸出的一幀信號則如圖11所示。

圖11 解調(diào)信號

(2)解碼。

7461產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的42位二進(jìn)制碼組，其中前26位為用戶識別碼，能區(qū)別不同的紅外遙控設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。后16位為8位的操作碼和8位的操作反碼用于核對數(shù)據(jù)是否接收準(zhǔn)確。

單片機(jī)解碼是根據(jù)一體化紅外接收頭的解調(diào)信號進(jìn)行的，從上面的分析可知:任意按鍵按下后，都有9 ms的低電平起始碼和4.5 ms的高電平結(jié)果碼作為引導(dǎo)信號，因此應(yīng)該在引導(dǎo)碼之后才能進(jìn)行解碼。

如何識別“0”和“1”是解碼的關(guān)鍵。根據(jù)位定義:“0”、“1”均以0.56 ms的低電平作為起始，兩者區(qū)別在于高電平的寬度不同，即“0”高電平為0.56 ms，“1”高電平為1.68 ms，因此解碼時(shí)須根據(jù)高電平的寬度來區(qū)別“0”和“1”。若從0.56 ms低電平過后，開始延時(shí)，0.56 ms之后，檢測到的為低電平，則該位為“0”，反之則為“1”。為了保證解碼的可靠性，高電平檢測延時(shí)應(yīng)該在0.56～1.12 ms，否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此取(1.12+0.56)/2=0.84 ms較可靠，一般取0.84 ms即可。

6 密碼鎖安全系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

(1)密碼掉電存儲模塊，如圖12所示。

圖12 密碼存儲

AT24C02是美國Atmel公司的低功耗CMOS型EEPROM，內(nèi)含256×8位存儲空間。芯片采用I2C總線式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件，占用很少的資源和I/O線，并且支持在線編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存取十分方便。串行時(shí)鐘由單片機(jī)P3.6引腳提供，通過P3.7引腳對AT24C02進(jìn)行在線讀寫。由于該芯片數(shù)據(jù)掉電不丟失，故用于存放開鎖密碼。當(dāng)需要開鎖和設(shè)置新密碼時(shí)，均需讀取AT24C02中的密碼;設(shè)置新密碼后，在線寫AT24C02，覆蓋原密碼。

(2)開鎖電路，如圖13所示。開鎖電路由三極管、繼電器、綠色發(fā)光二極管組成，由P2.7引腳控制，低電平有效。按下鍵盤開鎖鍵進(jìn)入開鎖模式，正確輸入6位密碼，按下“OK”鍵之后，單片機(jī)對輸入密碼與設(shè)定密碼進(jìn)行對比，對比正確，則P27發(fā)出低電平，使三極管Q3導(dǎo)通，從而使得繼電器RL吸合，并由繼電器控制使得門禁得電打開。此設(shè)計(jì)中，若是有開鎖動作，則綠色LED燈亮。

圖13 開鎖電路

7 密碼鎖安全系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

(1)主程序流程圖，如圖14所示。

(2)密碼接收子程序流程圖，如圖15所示。

若正確接收6位密碼，則輸入密碼存于數(shù)組中，返回值為1。若取消操作，返回值為0。

(3)安全開鎖判斷子程序流程圖如圖16所示。

該程序?qū)⑤斎朊艽a進(jìn)行對比。若密碼正確，則返回值為1，表明應(yīng)該進(jìn)行開鎖動作。密碼錯(cuò)誤，返回值為0，不進(jìn)行開鎖。有取消動作，則返回3，不進(jìn)行密碼對比。

(4)更改密碼判定子程序流程圖如圖17所示。

改程序要求先輸入當(dāng)前密碼，當(dāng)前密碼正確后，連續(xù)兩次輸入新密碼，兩次輸入相同時(shí)，返回1，表明應(yīng)該寫AT24C02。否則返回0，表明修改密碼失敗。

8 系統(tǒng)安全性分析論證

設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合相應(yīng)的外圍電路，構(gòu)成電子密碼鎖系統(tǒng)。該電子密碼鎖，開發(fā)簡單、安全性高、成本低，適合辦公室、實(shí)驗(yàn)室、檔案室等場所，其遙控功能更適合應(yīng)用在車庫倉庫的安全防盜。在設(shè)計(jì)完成過程中，先進(jìn)行Proteus軟件仿真，最后進(jìn)行實(shí)物調(diào)試，最終達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。另外UPS供電還有待解決。電子密碼鎖安全性能較高，具有較好的市場前景。

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