红外遥控电子密码锁设计.docx
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红外遥控电子密码锁设计
福建信息职业技术学院
毕业设计（论文）
题目红外遥控电子密码锁设计
学生姓名王翔
学号**********
专业班级通信技术
指导教师卓秀钦
学院福建信息职业技术学院
答辩日期2012.06.12
摘要
目前大部分的锁采用的都是机械式的，其最大的缺点是利用简单工具就能很容易地把锁打开。
针对这种情况，我们设计了一种红外遥控密码锁，而一般设备都采用专用的遥控编码及解码集成电路，其制作简单、容易，但由于特定功能的限制，只适用于专用的电器产品，其应用范围受到限制。
本设计由红外接收头hs0038（红外接收频率为38khz）和AT89C51控制的接收部分构成。
采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活多样，电路结构清晰。
整个设计具有遥控开锁，本机控制开锁，密码修改等功能，可在密码外泄的情况下及时修改密码，具有保密性好、安全可靠、成本低廉、连接方便，简单易用，适用范围广等特点，而且特别适合家庭，宾馆，仓库，私家车库等场所。
关键词：
红外遥控、红外接收、单片机、密码修改
ABSTRACT
Mostofthelockisadopted,thelargestofthemechanicalfaultsareusingsimpletoolscaneasilyopenthelock.Inviewofthissituation,wedesignedakindofinfraredremotelocks,andgeneralequipmentadoptsremotecodinganddecodingthespecial-purposeintegratedcircuits,itsproductionissimple,easy,butduetotheparticularfunctionlimit,appliesonlytotheproduct,itsspecialelectricalapplicationscopeislimited.
Thisdesignbyinfraredreceivingheadhs0038（ir）and38khzreceivefrequencyforreceivingpartofAT89C51control.Ontheremotecontrolsystemadoptssingle-chipmicrocomputerapplicationprogrammingdesign,flexible,circuitstructureisclear.Thedesignhastheremotecontrolofthelock,lock,thepasswordrevisionandsoonthefunction,mayinthecircumstancetimelyleakedpasswordrevisionpassword,havegoodsecrecy,safeandreliable,lowcost,simple,easy-to-use,andwideapplicationscope,andspecialfeaturesforfamily,hotel,warehouse,privategarageandetc.
Keywords:
infraredremotecontrol,infraredreceiving,MCU,passwordrevisio
第一章绪论
1.1设计背景
现代社会盗窃事件频频发生，主要因为传统的机械锁具结构简单、制作工艺落后，无法阻止技术手段的破坏。
面对这一现状，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。
20世纪70年代，随着微电子技术的应用，出现了磁控锁、声控锁、超声波锁、红外线锁、电磁波锁、电子卡片锁、视网膜锁、遥控锁等。
这些高科技锁有机械锁所无法比拟的高保密性能。
红外遥控电子密码锁结合电子技术、通信技术、遥控技术为一体，具有编码量多、安全性强、可修改密码、密码错误报警、低功耗等优点，同时可以实现远程控制，能为保卫系统提供极强的可靠性和安全性，因此有很高的实际应用价值。
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子设备。
现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。
其编码数量巨大，随机开锁的可能性几乎为零，性能和安全性已大大超过了机械锁。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用。
由于红外线在频谱上位于可见光之外，所以抗干扰性强，具有光波的直线传播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。
信息可以直接对红外光进行调制传输，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进调制，接收端再去掉载波，取到信息。
从信息的可靠传输来说，后一种方法更好，这就是目前大多数红外遥控器所采用的方法。
由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，在红外遥控技术时，不必要像无线电遥控器那样，每套要有不同的遥控频率或编码，所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，也不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。
而且红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。
同时反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠，可以应用工业设备中。
在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外遥控技术不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰，还可避免人体直接接触危险因素。
所以红外遥控是目前使用很广泛的一种通信手段。
1.2市场前景
红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式，在数字投影机、DVD、VCD、录像机、电视机、车载影音导航系统等被广泛的应用。
由于红外遥控不影响周边环境、不干扰其他电器设备，其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰;电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作;编解码容易，可进行多路遥控。
近年来随着生活水平的提高，人们更加注重生活质量，更乐意去享受方便快捷的生活方式，而红外密码锁恰恰具有使用方便、操作简单、价格低廉等特点，可以给人们的生活带来了极大方便而受到广大人们的欢迎。
又因其有着广泛的应用，因此其发展前景可观。
1.3设计依据
出于安全、方便等的要求，许多电子密码锁已经问世。
例如磁卡锁、声控锁、指纹识别、IC卡识别等等。
但这类产品的特点是针对特定有效卡、指纹或声音有效，且不能实现远程控制，只能适用于保密要求高且仅供个人使用的箱、柜、房间等。
本系统是本着在不影响功能实现的前提条件下尽可能降低生产成本的宗旨，要求在学生已学过《计算机控制技术》等课程的基础上，以单片机为核心，采用红外遥控技术设计适合家庭使用的具有本机开锁和遥控开锁的电子密码锁，并能基本达到设计要求。
1.4设计任务
1.4.1设计的主要内容及功能
设计一个采用红外遥控的5位电子密码锁软硬件。
具体功能如下：
1）能实现本机键盘开锁；
2）能实现遥控开锁；
3）能有效保护用户密码；4）若密码意外泄漏，可及时修改密码；
5）密码输入错误能立即报警：
当密码输入错误时，系统就会报警，由扬声器发出5秒报警声，当连续三次出现密码错误时，由扬声器发出1分钟报警声，此时必须按复位方可停止，且禁止密码输入1小时；
6）为防止长时间无效操作，采用90秒定时中断，清除所有显示输出，重新等待输入密码；
7）低功耗功能：
当系统未使用时，处于休眠状态。
1.4.2技术指标
遥控距离8-10m。
第二章方案设计
2.1设计思路
本次设计一个红外电子遥控密码锁，主要分为遥控器部分和主机部分。
当从遥控器输入密码时，键盘向单片机发送外部中断，单片机识别按键号码并且将其编码后通过红外发光二极管发送到主机接收部分。
主机接收部分的红外接收器接收到红外信号，将其整理放大之后通过串行口向单片机发送串行口中断，单片机得到串行中断信号将其解码还原成发射前的信号，之后验证密码，判断开锁还是报警。
主机接收部分通过键盘的外部中断得到密码信号，无需红外遥控发射，可直接验证密码。
同时主机部分还有修改密码的功能，倘若密码泄露可以及时更改密码。
红外遥控电子密码锁的工作原理图如图2.1所示：
图2.1工作原理图
2.2系统结构
本次设计的红外遥控电子密码锁系统由遥控发射部分和主机接收部分组成。
以两片AT89C51单片机为主要控制核心，结合矩阵键盘、液晶显示器、电磁锁、报警器以及红外发射器、红外接收器等外部设备构成一个完整红外遥控电子密码锁系统。
2.2.1遥控发射部分
遥控发射部分由AT89C51单片机、红外发射二极管、矩阵键盘、复位电路以及振荡电路组成，其结构图如图2.2所示：
图2.2遥控发射结构框图
2.2.2主机接收部分
主机接收部分由AT89C51单片机、红外接收装置、矩阵键盘、液晶显示器、电磁锁、报警器、复位电路以及振荡电路组成，其结构图如图2.3所示：
图2.3主机结构框图
2.3红外通信原理
2.3.1红外通信简介
红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为0.01um—1000um;波长为0.76um—1000um的光波为红外线，红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为0.76um—1.5um;用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为0.8um—0.94um，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。
红外线是一种光线，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可调，可以通过光学透镜聚焦，可以被不透明物体遮挡等等。
特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便地改变红外线的强度，达到调制的目的，因此，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线范围内的通讯载波，最典型的应用就是电视机的遥控器。
使用红外线做信号载波的优点很多：
成本低、传播范围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。
红外通讯，顾名思义，就是通过红外线传输数据。
在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。
于是后来就有了了红外、蓝牙、等无线数据传输技术。
红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种。
红外线的特征：
红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍，由于红外线的直射特性，红外通讯技术不太适合传输障碍比较多的地方。
因此，红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。
2.3.2红外信号编码
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。
这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的脉宽调制来加以说明，现以日本NEC的UPD6121G组成发射电路为例说明编码原理（一般家庭用的DVD、VCD、音响都使用这种编码方式）当遥控器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.56ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2.4所示。
图2.4红外遥控码波形图
二进制码的调制由单片机来完成，它把编码后的二进制信号调制成频率为38khz（周期约为26us）的间断脉冲串，此脉冲串即是用于红外发射二极管发送的信号。
如若想发送二进“0”则发送20个脉冲，制然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图2.5所示。
图2.5遥控信号编码波形图
遥控器产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。
该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。
UPD6121G最多有128种不同组合的编码。
遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间，图2.6为发射波形图。
图2.6遥控连发信号波形
当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个引导码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms~18ms）,高8位地址码（9ms~18ms）,8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。
如果按键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发码）将仅由起始码（9ms）和结果码（2.25ms）组成。
引导码和结果码波形如图2.7所示：
图2.7引导码和结果码
2.3.3遥控信号接收
接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，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，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。
二进制信号的解调也由一体化红外接收头来完成，它把接收到的信号经内部处理并解调复原。
接收头的解调可理解为：
在输入脉冲串时输出低电平，否则输出高电平。
红外光电二极管将接收到的红外光信号转化为电信号，然后把信号送到放大电路进行放大，限幅放大电路在放大信号的同时又把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。
交流信号进入带通滤波器，带通滤波器滤除中心频率外频率的噪声，出来的信号通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的二进制信号波形。
二进制的解码由单片机来完成，它把红外接收头送来的二进制编码波形通过解码，还原成发送端发送的数据。
解码在于如何识别“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的引导码和4.5ms的结果码完成后才能读码。
在发送字节的开始先通过单片机发送20个脉冲宽度（每个脉冲周期26us）的高电平作为传输的开始，接着发送8位二进制数据（高位在前，低位在后），最后发送10个脉冲宽度的低电平作为传输的结束，如图2.8所示：
图2.8字节传输解码
2.4单片机串行通信原理
2.4.1串行通信基础
在实际工作中，CPU与其外部设备之间常常要进行信息的交换，一台计算机与其他的计算机之间有时也要交换信息，所有这些信息交换均可称为“通信”。
通信的基本方式可分为并行通信和串行通信两种，本设计选取串行通信，如图2.9所示为串行通信的示意图。
而按照串行数据的传输方式，串行通信可分为异步传送和同步传送两类，本设计选取异步传送方式，如图2.10所示为异步通信的字符帧格式。
图2.9串行通信的示意图
图2.10异步通信的字符帧格式
由图2.10可见，异步传输方式中的每个字符由4个部分组成：
起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。
一个字符由起始位开始，停止位结束。
这4个部分组成异步传输中的一帧，即异步传输以帧为单位进行。
2.4.2串行通信中串行I/O和数据的实现
数据的串行转换通常都是用硬件手段——一种称为通用异步接收器/发送器UART来实现的。
硬件UART由3部分组成：
接收部分，发送部分和控制部分，它既能进行到串行的转换，又能进行串行到并行的转换。
同时接收和发送都具有双缓冲结构。
（1）接收部分
接收时，由RXD送来的串行数据先进入接收移位寄存器，变成并行数据后传送给接收数据缓冲器，在控制信号的作用下并行数据通过数据总线送给CPU。
在UART处于工作状态时，接收部分始终检测着RXD线，一旦发现线路上出现低电平信号，便开始一个字符数据的同步过程。
UART使用外部时钟CLOCK来同步接收的字符，外部时钟周期Tc和数据Td之间的关系为：
Tc=Td/K（K=16或64）
若K=16，意味着在每一个时钟脉冲的上升沿采样RXD线，若发现低电平，再连续采样8次（一个CLOCK采样一次），如果都是“0”便确认起始位开始，这样便从第9个CLOCK开始，每隔16个时钟周期采样一次数据线作为输入数据位。
接收部分在对奇偶校验位和停止位进行了处理，有效的字符数据被装入接收数据缓冲器。
如图2.12所示。
（2）发送部分
UART的发射过程由发送数据缓冲器接收CPU送来的并行数据，然后并行送至发送移位寄存器，并在发送时钟和发送控制电路控制下通过TXD线一位一位的发送出去。
起始位，停止位是由UART在发送时自动添加上去的。
UART发送完一帧后产生中断请求，CPU相应后可以吧下一个字符送到发送数据缓冲器，重复上述过程。
图2.12接收数据的字符同步过程
（3）控制部分
UART在发送时，⊕电路自动检测发送字符位中“1”的个数，并在奇偶校验上添加“1”或“0”，使得“1”的总数（包括奇偶校验位）为偶数（奇校验时为奇数），UART在接收时，⊕电路对字符和奇偶校验位中的“1”的个数加以检测，如“1”的个数为偶数（奇校验时为奇数），则表明数据传输正确：
如“1”的个数为奇（奇校验时为偶数）则表明数据在传输过程中出现错误。
2.4.3串行口的选择及波特率的计算
（1）MCS-51单片机串行接口的工作方式有4种，由SCON中的SM0,SM1定义，编码及功能如表4-1所示，本设计选择串行口工作方式3.
表2.1串行口工作方式
（2）波特率的设置
当串行口工作在方式3时，波特率由下式确定，即
其中，fOSC选12，T1的初值为0F4H,SMOD=0,则
第三章硬件电路设调试
红外遥控电子密码锁硬件系统分为遥控发射部分和主机接收部分两个独立的板块，每个板块都由不同电路模块组成。
系统能完成开锁、出错报警、超次长鸣、修改用户密码等基本的密码锁的功能，并且能实现遥控、本机键盘开锁、声光提示、定时清除显示输出等功能。
3.1系统硬件原理图
遥控发射部分由单片机、矩阵键盘、复位电路、振荡电路、红外发射电路、看门狗电路组成，其硬件电路原理图如图3.1所示：
图3.1遥控发射部分硬件电路图
主机接收部分由单片机、矩阵键盘、复位电路、振荡电路、红外接收电路、看门狗电路、显示模块、开锁电路、电源电路组成。
其硬件电路原理图如图3.2所示：
图3.2主机接收部分硬件电路图
3.2单片机系统
本次设计的主控制芯片采用ATMEL公司的AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
而且该系列单片机与51系列单片机的引脚功能兼容，使用起来非常方便，广泛引用于计算机外部设备、工业生产实时控制、仪器仪表、通信设备、家用电器和宇航设备等各个领域。
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。
AT89C51单片机引脚图如图3.3所示：
图3.3引脚图
3.2.1主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
3.2.2管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
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
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