基于51單片機(jī)和無(wú)線通信的紅外智能密碼鎖設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)和WiFi無(wú)線通信的紅外智能密碼鎖。密碼鎖由紅外解碼鎖具、液晶密碼鑰匙和用于設(shè)置參數(shù)的手機(jī)端應(yīng)用軟件組成。通過(guò)手機(jī)無(wú)線設(shè)定密碼到鎖具端和鑰匙，鑰匙將密碼顯示為點(diǎn)陣圖形，鎖具端識(shí)別圖形并判斷，一致則開鎖。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，紅外，WiFi，密碼鎖

中圖分類號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

0 引言

隨著科技進(jìn)步發(fā)展，智能密碼鎖的使用越來(lái)越多。機(jī)械或電子密碼鎖通常采用轉(zhuǎn)盤或按鍵，每次開鎖都通過(guò)人工轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤或按鍵輸入密碼進(jìn)行?？哭D(zhuǎn)盤開鎖，鎖具磨損大，壽命低;用按鍵輸入密碼開鎖，輸入繁瑣，存在密碼多次輸錯(cuò)被鎖死的問(wèn)題。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和WiFi通信的紅外智能密碼鎖。

1紅外智能密碼鎖組成

紅外智能密碼鎖由紅外解碼鎖具、液晶密碼鑰匙和手機(jī)端應(yīng)用軟件三部分組成。紅外解碼鎖具包括51單片機(jī)和多個(gè)解碼單元，每個(gè)解碼單元包括一對(duì)紅外發(fā)射管、接收管;單片機(jī)接收紅外接收管的信號(hào)。液晶密碼鑰匙包括單片機(jī)和點(diǎn)陣液晶屏，單片機(jī)控制液晶屏上黑色點(diǎn)陣的顯示位置即密碼圖形，圖形組數(shù)，每組圖形切換的間隔時(shí)間。

用戶手機(jī)下載“智能密碼鎖”App應(yīng)用，以每套鎖具唯一的用戶名和密碼注冊(cè)登錄后，在設(shè)置界面上可隨意設(shè)置密碼圖形，圖形組數(shù)和每組圖形切換時(shí)間，點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，即可更改開鎖密碼。

2紅外智能密碼鎖工作原理

鑰匙端單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)顯示規(guī)定組數(shù)的不同圖形;鎖具端單片機(jī)不工作時(shí)處于休眠狀態(tài)，一旦鑰匙靠近即被喚醒，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)所有紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，遇到液晶屏上非黑色點(diǎn)陣被反射，由與其配對(duì)的紅外接收管接收，單片機(jī)讀取紅外接收管的狀態(tài)并通過(guò)軟件解析出密碼圖形;若解碼圖形和密碼圖形一致，則開鎖。液晶屏可以被設(shè)置成多組圖形，且每組圖形切換時(shí)間也可被設(shè)置。鎖具端解碼每組圖形的切換時(shí)間，圖形組數(shù)和每組圖形樣式必須和鑰匙端的設(shè)置一致才能開鎖。鎖具端和鑰匙端的單片機(jī)串口均連接有串口WiFi模塊，用于接收手機(jī)端App發(fā)送來(lái)的密碼圖形組數(shù)，圖形切換時(shí)間等參數(shù)。工作原理示意如圖1所示。

3 紅外智能密碼鎖硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AT89C51作為核心控制部件。51系列單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM，多種I/O口中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是目前性價(jià)比高、應(yīng)用最為廣泛的8位單片機(jī)之一。鎖具端和鑰匙端各采用一片單片機(jī)作為控制核心。

鎖具端單片機(jī)的P0口控制三極管導(dǎo)通或截止，三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線;P1 和P2端口分別連接8個(gè)紅外接收管，讀取紅外接收管的狀態(tài)并解析。如果解密成功則驅(qū)動(dòng)繼電器通電，接通鎖頭馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)開鎖。P3.3連接蜂鳴器報(bào)警，一旦解析出的密碼和鎖具端的不一致，則蜂鳴器報(bào)警。鎖具端電路如圖2所示。

液晶密碼鑰匙端單片機(jī)連接點(diǎn)陣液晶屏，通過(guò)軟件控制液晶屏幕顯示不同的點(diǎn)陣圖形。本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶屏，可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，字符庫(kù)中有全黑“■”字符，軟件控制液晶顯示各個(gè)字符為全黑或空白。由兩行字符構(gòu)成的圖形共有6.5萬(wàn)余種，即每組圖形是6.5萬(wàn)多種中的一種。通過(guò)編程可設(shè)置兩組、三組，甚至更多組密碼圖形，每組圖形之間的切換時(shí)間也可以設(shè)置。如此，密碼的復(fù)雜度極高。sw1為啟動(dòng)按鈕，喚醒鑰匙端單片機(jī)工作，sw2為鑰匙關(guān)按鈕，控制單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省電池電量。鑰匙端電路如圖3所示。

鎖具端和鑰匙端都有連接有串口WiFi模塊，本設(shè)計(jì)采用ESP8266串口WiFi模塊，是新一代嵌入式WiFi模塊，體積小，功耗低。采用UART接口。串口WiFi模塊是基于通用串行接口特性，符合IEEE802.11?協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)（WIFI）3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換，使傳統(tǒng)串口設(shè)備更好的加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口WiFi模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。模塊的UTXD和單片機(jī)的TXD相連，URXD和單片機(jī)的RXD相連。如此，手機(jī)App中設(shè)置的參數(shù)即可通過(guò)WiFi轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送到鑰匙和鎖具端單片機(jī)，省去了用專用下載器下載程序的麻煩。

4 紅外智能密碼鎖軟件設(shè)計(jì)

用C語(yǔ)言編寫軟件，可調(diào)用庫(kù)函數(shù)多，編程簡(jiǎn)單，移植性好。鎖具和鑰匙端程序均采用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。

鎖具端單片機(jī)平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)鑰匙靠近時(shí)被喚醒，然后開始連續(xù)讀取連接紅外接收管的P1、P2端口的狀態(tài)，當(dāng)P1、P2口狀態(tài)為全0時(shí)，即紅外接收管沒(méi)有接收到信號(hào)，表示液晶鑰匙還沒(méi)貼在鎖具上，當(dāng)P1、P2口狀態(tài)為全1時(shí)，表示鑰匙已貼緊鎖具，進(jìn)入讀取圖形階段。將讀到的圖形和設(shè)置的密碼圖形比對(duì)，如果一致，按設(shè)定的時(shí)間間隔讀取第二幅圖形;如此按照設(shè)定的圖形樣式、組數(shù)，每組圖形切換的間隔時(shí)間，讀取P1、P2口的狀態(tài)并進(jìn)行解析。直到解析到的每組圖形均和設(shè)置的圖形完全一致，單片機(jī)P3.2口驅(qū)動(dòng)繼電器打開鎖頭。若不一致，通過(guò)P3.3口連接的蜂鳴器報(bào)警。開鎖后，單片機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。鎖具端程序流程如圖4所示。

液晶鑰匙端單片機(jī)平時(shí)也處于休眠狀態(tài)，開鎖時(shí)按下鑰匙上按鈕sw1喚醒單片機(jī)。啟動(dòng)后單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏全部點(diǎn)亮以通知鎖具端進(jìn)入開鎖階段。接著按設(shè)置的和鎖具端一致的圖形樣式、圖形組數(shù)和每組圖形切換的時(shí)間間隔驅(qū)動(dòng)液晶顯示。為和鎖具端單片機(jī)同步，上述全黑點(diǎn)陣和密碼圖形將循環(huán)顯示，直到開鎖結(jié)束。按下鑰匙端開關(guān)sw2，鑰匙端單片機(jī)進(jìn)入休眠。鑰匙端程序流程如圖5所示。

用戶在手機(jī)App上根據(jù)需要設(shè)置圖形樣式、圖形組數(shù)和每組圖形切換時(shí)間后，利用手機(jī)WiFi和連接鎖具端和鑰匙端的串口WiFi模塊并將參數(shù)發(fā)送給此兩模塊保存。

5手機(jī)App軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)手機(jī)App基于Android Studio開發(fā)，用戶首先需要根據(jù)購(gòu)買密碼鎖時(shí)提供的用戶名和密碼進(jìn)行注冊(cè)并登錄，界面上有圖形樣式設(shè)置、圖形組數(shù)設(shè)置和每組圖形切換時(shí)間設(shè)置框，用戶自行填寫或通過(guò)下拉框選擇數(shù)據(jù)（下拉框中數(shù)據(jù)隨機(jī)生成），點(diǎn)擊App界面上的“確定”按鈕，用戶設(shè)置的參數(shù)即刻通過(guò)WiFi發(fā)送到鎖具和鑰匙的單片機(jī)并存儲(chǔ)。限于篇幅，App的軟件設(shè)計(jì)不再贅述。

6結(jié)論

利用51單片機(jī)和WiFi無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅外密碼鎖的設(shè)計(jì)，用戶通過(guò)手機(jī)App設(shè)置參數(shù)來(lái)修改密碼鎖的密碼，操作簡(jiǎn)單，設(shè)置安全可靠。通過(guò)單片機(jī)C語(yǔ)言編寫鑰匙端和鎖具端程序，密碼設(shè)置方法獨(dú)特，難破解，安全性、可靠性高。此設(shè)計(jì)已申請(qǐng)發(fā)明專利并授權(quán)，本文將其具體實(shí)施并準(zhǔn)備推入市場(chǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：馮蓉珍，女，1970年11月出生，江蘇蘇州人，副教授/高級(jí)工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

通信地址：江蘇省蘇州市經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院蘇州國(guó)際教育園北區(qū)學(xué)府路287號(hào)，

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