基于單片機的紅外線電子鎖控系統(tǒng)研制

易文振，張 誠，王忠友

(湖北科技學院 計算機科學與技術學院,湖北 咸寧 437100)

為保護家庭和集體財產的安全，門鎖的控制成了關鍵，普通的門鎖、防盜門或者監(jiān)控、報警等系統(tǒng)在一些場合已是不夠防范了。于是，智能門禁系統(tǒng)[1～3]作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分應運而生，現(xiàn)正以遠高于其他安防產品的進度迅猛發(fā)展。門禁系統(tǒng)，又稱出入管理控制系統(tǒng)，是一種管理人員進出的數(shù)字化智能管理系統(tǒng)。它屬于弱電系統(tǒng)中的一種智能安防系統(tǒng)，是一種綜合多學科的高科技技術集合。它涉及電子、機械、光學、計算機技術、通信技術、生物統(tǒng)計學等諸多新技術領域[4]。

本設計的紅外線遙控智能密碼鎖[5～8]是將紅外遙控技術和單片機應用相結合的一種方案。它的特點是：抗干擾能力強，工作可靠，使用方便，具有較強的隱蔽性、保密性，而且可以智能修改密碼。 它與傳統(tǒng)鎖具的不同之處在于：它與微電腦相結合，能夠實現(xiàn)適時、智能控制管理功能。

一、紅外電子密碼鎖實現(xiàn)原理

開鎖密碼需先進行編碼，然后調制到紅外信號從遙控發(fā)射器上發(fā)送出去，發(fā)送的紅外信號被紅外接收管接受后，輸入到單片機系統(tǒng)進行解碼以獲得相應開鎖密碼，將該密碼與已存儲在外存儲器的密碼比較，一致便驅動繼電器實現(xiàn)開鎖，否則通過蜂鳴器報警。

通過紅外遙控發(fā)射器發(fā)射的紅外信號是二進制編碼信號調制在高頻載波上的調制信息。對紅外信號的編碼解碼是密碼鎖控制的關鍵。

遙控器發(fā)射的紅外信號編碼一般有脈沖寬度調制和脈沖位置調制。本系統(tǒng)采用的是脈沖位置調制(PPM)形式，這是一種脈沖位置根據(jù)被調信號的變化而變化的調制方法[9]。本系統(tǒng)用到的脈沖位置調制編碼方式的遙控器芯片為WD6122。該芯片所發(fā)射的一幀碼含有一個引導碼，16位的用戶編碼和8位的鍵數(shù)據(jù)碼、鍵數(shù)據(jù)碼的反碼也同時被傳送。碼型結構如圖1所示。

圖1信號碼型結構

引導碼由一個9ms的載波波形和4.5ms的關斷時間構成，它作為隨后發(fā)射的碼的引導，這樣當接受系統(tǒng)是由微處理器構成的時候，能更有效地處理碼的接受與檢測以及其他各項控制之間的時序關系。當遙控器上任意一個按鍵按下超過10ms時，將發(fā)射一個特定的同步碼頭即引導碼，這個同步碼頭可以使程序知道從這個同步碼頭開始可以接受數(shù)據(jù)[10～11]，接受數(shù)據(jù)時利用脈沖之間的時間間隔來區(qū)分“0”和“1”。每次8位的碼被傳送之后，它們的反碼也被傳送，減少了系統(tǒng)的誤碼率。“0”和“1”的編碼如圖2所示。

圖2 “0”和“1”的編碼

二、系統(tǒng)總體與硬件電路設計

紅外電子密碼鎖系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 總體設計框圖

整個系統(tǒng)由紅外遙控發(fā)射和紅外接收處理兩部分電路構成。

紅外遙控發(fā)射部分是一個通用的遙控器，其核心芯片為WD6122，最多可外接64個按鍵，用于發(fā)射紅外控制信號。當按下遙控發(fā)射器上的按鍵時，發(fā)射器內的編碼器輸出一組對應的二進制代碼，再將此二進制代碼按一定格式調制到高頻載波上、加至紅外發(fā)光二極管上變成光信號發(fā)射出去。

本系統(tǒng)紅外接收與處理硬件電路如圖4所示。紅外接收采用一體化的紅外接收頭1838T(即圖4中的LDR1)，其內置專用的IC，集信號的接收和放大于一體，不需要任何外接器件。該接受頭體積小，能在低電壓下工作，適用與寬角度及長距離接受，其抗干擾能力強，能較好地抵擋環(huán)境干擾光線。紅外信號被紅外接收頭接收轉換成電信號，再經放大、限幅檢波及波形整理等處理后送入單片機進行解碼處理。對電鎖及其開鎖密碼處理的核心芯片是單片機AT89C51(即圖4中的U1)，轉換后的紅外電信號通過U1的P3.3引腳進入單片機內。

圖4 紅外接收模塊電路

經U1處理的含有電鎖密碼的紅外信號，一部分通過U1的P0口送到液晶顯示器LCD1(LCD1602)顯示，用來顯示操作信息，另一部分密碼信息用來與原先保存到U3(24C02A)的密碼比較。其中P2.5、P2.6和P2.7為液晶顯示屏LCD1控制信號。比較的密碼信號若與外存儲器存儲的密碼信號一致時，開鎖脈沖信號通過U1的P1.4引腳輸出到鎖具驅動塊U2(ULN2003)上，再控制鎖具控制繼電器線圈RL1，實現(xiàn)開鎖；若兩者密碼不一致，且有三次人為輸入情況下，則一方面不會輸出開鎖脈沖，另一方面再通過U2輸出報警信號給蜂鳴器。

三、驅動程序軟件設計

根據(jù)以上設計要求，系統(tǒng)的紅外遙控電子密碼鎖的解鎖流程如圖5所示。解碼的關鍵是如何識別“0”和“1”。根據(jù)圖2信號的編碼要求“0”和“1”識別編寫程序，超過識別脈沖寬度的當干擾碼處理。對所獲得的帶密碼的信號解碼過程流程圖如圖6所示。

圖5 控制流程圖 圖6 解碼流程圖

紅外信號解碼主要通過編寫的中斷函數(shù)IR_IN() interrupt來完成，其主要代碼如下：

void IR_IN() interrupt 2 using 0//紅外信號(IR)中斷函數(shù)

{

unsigned char temp,i,j,k,N=0;

EX1 = 0;

Delay_1(60);

if (IRIN==1)

{

EX1 =1;

return;

}//確認IR信號出現(xiàn)

while (!IRIN)//等IR變?yōu)楦唠娖?，跳過9ms的前導低電平信號。

{ Delay_1(1); }

for (j=0;j<4;j++)//收集四組數(shù)據(jù)

{

for (k=0;k<8;k++)//每組數(shù)據(jù)有8位

{

while (IRIN)//等 IR 變?yōu)榈碗娖?，跳過4.5ms的前導高電平信號。

{ Delay_1(1);}

while (!IRIN)//等 IR 變?yōu)楦唠娖?/p>

{ Delay_1(1); }

while (IRIN)//計算IR高電平時長

{

Delay_1(1);

N++;

if (N>=110)

{

EX1=1;

return;

}//計數(shù)過長自動退出中斷

} //高電平計數(shù)完畢

IRCOM[j]=IRCOM[j] >> 1;//數(shù)據(jù)最高位補“0”

if (N>=35) {IRCOM[j] = IRCOM[j] | 0x80;}//數(shù)據(jù)最高位補“1”

N=0;

}//end for k

}//end for j

if (IRCOM[2]!=～IRCOM[3])

{

EX1=1;

return;

}

......}

在上面的代碼中，變量IRIN為紅外信號。根據(jù)紅外信號的編碼，首先是要跳過前面的引導碼，程序中通過Delay_1()延時函數(shù)完成。在引導碼之后則是四組八位數(shù)據(jù)，通過兩個for循環(huán)語句嵌套，分別取得這四組數(shù)據(jù)。取得的數(shù)據(jù)都放在數(shù)組IRCOM中，其中IRCOM[2]和IRCOM[3]分別為數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)反碼，若它們數(shù)據(jù)不互為反碼則為數(shù)據(jù)錯誤并退出中斷。

對密碼鎖的安全性及方便性，紅外電子密碼鎖設置了一個初始密碼和一個底層密碼。當用戶首次使用密碼鎖的時候，可以通過初始密碼獲得控制權限，然后用戶可通過修改密碼來替換初始密碼以提高密碼鎖的安全性。若用戶忘記自己修改后的密碼，則可以通過驗證底層密碼來重置密碼，將密碼重新設置為初始密碼。流程圖如圖7所示。

圖7 密碼重置流程圖

密碼重置的關鍵代碼：

IRCOM[5]=IRCOM[2] & 0x0F;//取鍵碼的低四位

IRCOM[6]=IRCOM[2] >> 4;//右移4次，高四位變?yōu)榈退奈唬慈「咚奈?/p>

if(IRCOM[6]==0x34){//功能鍵定義

if(IRCOM[5]==0x36){ //重置密碼

if(table[0]==buf1[0]&&table[1]==buf1[1]&&table[2]==buf1[2]&&table[3]==buf1[3])//驗證底層密碼

{

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x00; }

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x31+i; }

for (i=0;i<4;i++) //寫入初始密碼

{

x24c02_write(i+1,table[i]);

Delay_1(50);

}

for(i=0;i<4;i++) { buf[i]=table[i]; }

for(i=0;i<4;i++) { table[i]=0x00; }

.......

}

else

{

......

}

在上述程序中，將數(shù)據(jù)碼的低四位和高四位分別放在數(shù)組IRCOM[5]和IRCOM[6]中。按鍵對應的數(shù)據(jù)碼的IRCOM[6]==0x34且IRCOM[5]==0x36即為密碼重置鍵。數(shù)組table和數(shù)組buf1分別存儲的是用戶輸入的密碼和底層密碼，首先判斷判斷兩者是否相等，相等則通過寫入函數(shù)x24c02_write()把初始密碼寫到外部存儲器中，不相等則退出密碼重置程序。

四、系統(tǒng)調試與運行結果

液晶LCD1602是用戶和系統(tǒng)交互的界面，根據(jù)液晶界面的提示可以觀察系統(tǒng)的運行狀況。圖8和圖9是紅外電子密碼鎖解鎖和修改密碼的實物圖片。

圖8 解鎖界面

圖9 修改密碼界面

五、總結

本文研究的是具單片機和紅外遙控技術結合的密碼鎖, 通過掌握其實現(xiàn)原理及控制過程,以及運用軟件編程方式來解決紅外的編碼與解碼問題。通過實測基本可達到用紅外遙控方式實現(xiàn)密碼鎖的控制過程。

參考文獻:

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[7]劉瀟婷.基于FPGA的紅外遙控電子密碼鎖的實現(xiàn)[D].大連:大連海事大學,2008.

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[9]百度百科.PPM[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/65814.htm,2011-10-24.

[10]尹學鋒.紅外線遙控密碼鎖的研究[J].安防科技,2008,(3):10～13.

[11] Zhang Cheng Xue,Shun Xia Wu.The design of electronic locks based on infrared remote-Control with MCU[Z].International Conference on Computer Science & Education(ICCSE) :592～594.