基于单片机的红外遥控电子密码锁设计.docx
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基于单片机的红外遥控电子密码锁设计
摘要：
目前大部分的锁都是机械式的，其最大的缺点是利用简单工具就能很容易地把锁打开，不安全。
针对这种情况，设计了基于单片机AT89C52和红外线接收管的红外遥控密码锁，设计包含红外发射模块、红外接收模块和单片机处理模块。
与一般的采用专用遥控编码和解码集成电路的设备不同，它具有安全可靠、成本低廉、连接方便，简单易用，应用范围广等特点，而且特别适合家庭，宾馆，仓库，私家车库等场所。
红外遥控电子密码锁，主要分为遥控部分和主机部分。
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其稳定的特点，安全的性能，便捷的操作方式和广泛的应用范围等使其具有良好的市场前景和发展空间。
关键词：
单片机；红外发射；红外接收；串行中断信号；密码修改
DesignoftheInfraredRemoteControlElectronicLocksBasedonMCU
Abstract:
Atpresent,mostofthelocksaremechanically,itsbiggestdrawbackistheuseofsimpletoolscaneasilyopenthelock,notverysafe.Inviewofthissituation,IdesignedtheinfraredremotecontrollocksbasedonmicrocontrollerAT89C52andtheinfraredreceivertube.Thedesignincludesaninfraredtransmittermodule,infraredreceivermoduleandmicrocontrollerprocessingmodule.Differentwiththededicatedremoteencodinganddecodingintegratedcircuitdevice,ithasasafe,reliable,lowcost,easytoconnect,easytouse,andawiderangeofapplications,andisparticularlysuitableforfamilies,hotels,warehouses,privategaragesandotherplaces.
Theinfraredremotecontrolelectroniclocks,isdividedintoaremotepartandahostpart.Whenyouenterthepasswordfromtheremotecontrol,thekeyboardissentexternalinterrupttotheMCU,microcontrolleridentificationkeynumberandencodedbytheinfraredlight-emittingdiodessenttothehostreceivingpart.Theinfraredreceiverinthehostreceivesreceivetheinfraredsignal,finishingzoomsentserialportinterrupttothemicrocontrollerthroughtheserialport,themicrocontrollerserialinterruptsignaltodecodethesignalintopre-launch,afterverificationpassword,judgmentunlockoralarm.Thehostreceivingpartreceivesencryptedsignalsthroughexternalkeyboardinterruptwithouttheinfraredremotecontroltransmittercanbedirectlyauthenticationpassword.Hostpartalsocanchangethepassword,ifthepasswordisleakedatthesametime,wecanchangethepassword.Stablecharacteristics,safeperformance,convenientoperationandextensiverangeofapplicationsoftheinfraredremotecontrolelectroniclockshasagoodmarketprospectsanddevelopmentspace.
Keywords:
Microcontroller;Infraredemission;Infraredreceiver;Serialinterruptsignal;Changethepassword
1、绪论
1.1设计的背景和意义
红外遥控密码锁总的来说就是一种锁具，然而锁具的发展历史是很长很复杂的，从最初的简单锁具到现代锁具和智能锁具经历了不断地改进和变化。
然而，当今社会盗窃事件仍频频发生，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。
虽然经典的锁具仍是不可替代的，但为了用于更多的地方，满足更多更复杂的需求，锁的改革势不可挡。
随着微电子技术的应用，出现了声控锁、红外线锁等智能锁，这些锁有着机械锁无法比拟的高保密性能，代表着锁的最新发展趋势，顾名思义，这种锁具比传统锁具更智能，更体现人性化和实用性,因而有着更广泛的应用。
智能锁在识别用户、安全性、管理性方面更加智能化，是门禁系统中锁门的执行部件。
智能锁区别于传统机械锁,具有安全性和便利性,在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁代替传统的机械式密码锁，使锁的发展更进一步。
随着单片机的问世，出现了带微处理器的智能密码锁，它除了具有电子密码锁的功能外，还引入了智能化管理、专家分析系统等功能，从而使密码锁具有很高的安全性、可靠性，应用越来越广泛，本设计就是基于单片机的智能密码锁。
在电子科技飞速发展的今天，智能密码锁系统已经逐渐发展成为一套完整的出入管理系统，在生活中发挥着巨大的作用。
其中，红外遥控密码锁是新型现代化安全管理系统，它的遥控电路通常由遥控发射、遥控接收、微处理器等几块集成电路及其外围元件组成。
红外遥控密码锁集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，是实现安全防范管理的有效措施，适用于各种场合，例如银行、宾馆的自动门，机房、军械库、机要室之类机要地方的门禁、某些智能办公室、小区的楼道门、工厂的仓库门、甚至在某些家庭中用于防盗等等，这些例子足可说明红外遥控密码锁应用之广泛，功能之强大。
同时，红外遥控密码锁是在传统的门锁的基础上发展而来的。
在此之前出现了电子磁卡锁、电子密码锁两种智能锁具来代替传统锁具，这两种锁的出现提高了锁的安全性，因而有着较为广泛的应用。
但是随着这两种电子锁的不断应用，我们也慢慢发现了它们本身的缺点，例如磁卡锁，它的信息容易复制，卡片与读卡机之间有磨损容易损坏，不安全；而密码锁的问题是锁的密码容易泄露，并且一旦泄露很难去查清，同样安全系数很低。
同时这两种锁也易被人在室外打开。
所以总的来说，这两种密码锁仍然存在着这样那样的缺点需要改进。
而红外线遥控智能密码锁的出现克服了这几个缺点，它可靠性高，抗干扰性强，因而得到了更加广泛的应用。
本课题就设计了基于单片机的一种红外遥控电子密码锁，它具有使用方便、安全可靠、操作简单、价格低廉等特点，既有可行性，又有实用性。
1.2设计的任务和要求
设计一个基于单片机的采用红外遥控的5位电子密码锁软硬件。
具体功能如下：
a）能实现本机键盘开锁；
b）能实现遥控开锁；
c）若密码意外泄漏，可及时修改密码；
d）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；
设计方案中包括硬件设计、软件设计和实物制作。
1.3设计理论
本设计的红外遥控密码锁是以AT89C52单片机作为密码锁监控装置的检测和控制核心，分为主机和从机。
实现钥匙信息在主机上的初步认证注册，并且根据51单片机之间的串行通信原理，利用红外线来传输，通过红外遥控和单片机间的串行通信实现近距离遥控开锁。
红外遥控密码锁是利用红外传输为途径，实现近距离开锁。
数据的接收、发射等部分是利用串行通信方式实现的。
以红外为载波，将数码指令信号调制到载波上，通过红外发射二极管发射出去，实现密码信息传送的效果。
1.4待解决的问题
此题目的重点、难点是如何实现红外信号的接收、密码的储存和如何正确识别按键信息并显示操作结果。
鉴于这些，我们分析如下：
首先，由于红外线是不可见光，与一般的可见光不同，它不受周边环境的影响、不会干扰其它电器设备，也不会被其它电器干扰，并且由于它无法穿透墙壁，所以，它有强大的抗干扰性和接收方便的性能，典型的应用就是遥控器，在不同房间的空调、电视机等可使用通用的遥控器而不会相互干扰，；其次，红外遥控电路调试起来比较简单，一般只要电路连接没有错误即可投入使用，所以在调试方面也不必过于担心；最后，它的编程解码容易，可进行多路遥控，更体现了其功能的强大性。
综上，又由于红外电子密码锁体积较小、操作方便，它实现起来较为简便，具有很好的市场前景。
2、总体设计方案
2.1设计思路
红外遥控电子密码锁由红外遥控发射部分、红外接收部分、带控制的电子锁构成。
当红外接收端收到遥控板送来的开锁密码信号，并与保存在终端中的密码对比，当对比成功后终端向电子锁发出开锁命令，从而完成开锁功能；反之则实现报警功能。
设计包括两部分，硬件部分设计和软件部分设计：
A、硬件部分
本系统主要由六大部分组成：
a）单片机最小系统模块（核心）；
b）LCD显示电路模块（LED数字显示）；
c）阵列键盘模块（密码输入）；
d）红外接收模块（密码接收）；
e）存储模块（原始密码存储）；
f）蜂鸣器模块（报警提示）。
B、软件部分
本设计是以单片机AT89C52为核心控制器件，通过单片机与存储模块的信息交换后，利用串行通信接收到用户端输入的密码，与之进行对比，用LED显示器显示结果，相符则打开，不符则蜂鸣器报警，从而实现红外遥控电子密码锁的设计，编程语言选择C语言。
2.2红外通信部分设计
A、设计理念
红外通信，就是通过红外线传输数据，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。
它是从线缆传输技术渐渐转换过来的。
红外通信一般由红外发射系统和接收系统两部分组成。
这也是本设计中的一个主要理念。
红外线是波长在760纳米至1毫米之间的非可见光,它能覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可以调节，能通过光学透镜聚焦，也可以被不透明物体遮挡等。
在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离的通讯载波用于传输数据、信号等，而在我们生活中，最典型也是最常见的利用红外线传输信号的例子就是电视机的遥控器。
总结一下，使用红外线做信号载波的优点：
a）成本低廉；
b）传播的范围和方向均可以控制；
c）抗干扰性强，也不会干扰其他信号；
d）可应用于多种场合等。
由此可以看出，以红外线为载波的密码锁同样具有成本低、抗干扰性高、应用范围广泛的优点。
B、红外遥控信号的编码设计：
红外通信的基本原理是红外遥控的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），然后通过红外线发射管发射信号。
常用的方式有两种，一种是脉宽调制（PWM），另一种则是脉时调制（PPM），它们各有各的特点，在此一一进行简单的介绍。
a）脉宽调制（PWM）
现以日本NEC的UPD6121G组成的发射电路为例说明，它的原理是当按下遥控器按键，也就是当发出遥控码后，随着所按的键不同遥控编码也会有所不同。
这种遥控码是采用脉宽调制的串行码，其中，二进制的“0”是用脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示的；二进制的“1”是用脉宽为0.56ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示的，如图2-1就是红外遥控码的波形图。
图2-1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，此脉冲串就是用于红外线发射二极管发送的信号。
一组码本身能持续的时间随着它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，一般在45～63ms之间。
图2-2为遥控信号发射的波形图。
108ms
108ms
32位数据码
连发码
连发码
引导码
图2-2遥控信号的波形
当按下按键超过36ms时振荡器激活了芯片，将发射一组周期为108ms的编码脉冲,这108ms的发射代码由一个引导码（9ms）,一个结果码（4.5ms）等六种码组成；而如果按下按键超过108ms仍不松开，接下来将会发射的代码也就是连发码仅由起始码（9ms）和结果码（2.25ms）组成。
图2-3为引导码和结果码的波形图。
4.5ms
2.25ms
9ms
9ms
图2-3引导码和结果码
由上可见，使用脉宽调制比较繁琐，所以在本设计中我选择了下面这种的脉时调制。
接下来将介绍脉时调制的具体过程。
b）脉时调制（PPM）
脉时调制的原理是以发射载波的位置表示“0”和“1”。
从发射载波到不发射载波为“0”，从不发射载波到发射载波为“1”。
每位的时间都是固定的为0.68ms。
图2-4为脉时调制的波形图。
……
t1
t1
t3
t2
二进制数1
二进制数0
图2-4PPM调制波形图
载波信号的频率f=38KHz，载波周期T=26.32μs，本设计是使用单片机软件产生载波，选取T=26μs，脉冲宽度t1=10T=260μs，二进制数0的脉冲串周期t2=500μs，二进制数1的脉冲串周期t3=1000μs。
一般的红外遥控采用面向指令的帧结构，数据帧由三种码组成，分别是地址码，同步码和指令码，其中，指令码传送的字节多时效率较低，而如果增加指令码的长度又不利于接收器的同步，为此，本设计选择一种面向字节的帧结构，采用类似于异步通信的帧结构，每个帧由一个起始位（二进制数0）、8个数据位和2个停止位（二进制数1）构成，图2-5所示即为数据帧结构的示意图。
每帧传送数据为1个字节，每个帧之间的间隔大于2ms。
数据帧
帧间隔
停止位
停止位
数据位（8位）
起始位
……
图2-5数据帧结构示意图
由于红外光存在反射,在全双工的方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此，红外通信应采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。
C、红外遥控信号接收器的选择：
所有红外遥控器的输出都是用编码后串行数据对38～40kHz的方波进行脉冲幅度调制而产生的。
单片机的指令周期是微秒级。
接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的红外线接收器，不需要再外接任何元件，就能完成红外线的接收功能、红外线的输出功能和TTL电平信号兼容问题，而红外线接收器的体积和普通的塑封三极管大小一样，小巧、方便。
它能用于各种场合的红外线遥控和红外线数据的传输。
在本设计中我就选择了这样一种红外线接收器HS0038，从而便于设计的实现。
2.3单片机串口通信部分设计
A、串口通信原理简介
串口通信对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算机对单片机的控制。
由于其所需电缆线少，接线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。
串口通信就是串口按位发送和接收字节。
尽管比按字节的并行通信慢，但是串口可以实现异步通信，效率比按字节的并行通信要高。
它很简单并且能够实现远距离通信。
串口通信有四个重要的参数，分别是波特率、数据位、停止位和奇偶校验:
a）波特率：
用于衡量通信速度的参数。
它表示每秒钟传送的bit的个数。
波特率和距离成反比，高的波特率通常用于近距离之间的通信。
而本设计中也需要选择一个适当的波特率。
b）数据位：
用于衡量通信中实际数据位的参数。
实际数据位取决于通信协议的选取。
例如，使用标准的ASCII码是0～127（7位），而使用扩展的ASCII码是0～255（8位）。
c）停止位：
用于表示单个包的最后一位。
典型的位数值为1，1.5和2位。
它不仅表示传输的结束，也给了计算机校正时钟的同步一定的时间。
位数和传输率成反比。
d）奇偶校验位：
是串口通信中一种简单的检错方式。
其中包含偶、奇、高和低四种。
对于奇、偶校验的情况，串口会设置校验位即数据位后面的一位，用一个值确保传输的数据有偶数个或者奇数个的逻辑高位。
而高位和低位并不真正用于检查数据，只是简单置位逻辑高或者逻辑低校验。
B、波特率的选择
波特率就是在串口通信中每秒能够发送的位数。
MSC-51串行端口有四种工作模式，它们有各自的波特率算法。
其中，模式0和模式2波特率计算很简单；模式1和模式3的波特率选择相同，在此仅以工作模式1为例来说明串口通信波特率的选择。
在串行端口工作于模式1时，其波特率将由计时/计数器1来产生，通常设置定时器工作于模式2（自动再加模式）。
在此模式下波特率计算公式为：
波特率=（1+SMOD）*晶振频率/（384*（256-TH1））
其中，SMOD——寄存器PCON的第7位，称为波特率倍增位；TH1——定时器的重载值。
在选择波特率的时候需要考虑两点：
首先，系统需要的通信速率，这要根据系统的运作特点来确定通信的频率范围；然后考虑通信时钟误差，因为使用同一晶振频率在选择不同的通信速率时通信时钟误差也会有很大差别，那么为了通信的稳定性，我们应该尽量选择时钟误差最小的频率进行通信。
下面举例说明波特率选择的具体过程：
假设系统要求的通信频率在20000bit/s以下，晶振频率为12MHz，设置SMOD=1。
则TH1=256-62500/波特率
根据波特率取值表，我们知道可以选取的波特率有：
1200，2400，4800，9600，19200。
列出计数器重载值，通信误差如下表2-1所示：
表2-1波特率误差表
波特率
TH1
波特率误差
1200
204
0.16%
2400
230
0.16%
4800
243
0.16%
9600
249
6.99%
19200
253
8.51%
因此，在通信中，最好选用波特率1200，2400，4800中的一个。
我们可以根据上述波特率的选择方式来选择，选取尽可能误差小的那个波特率。
在本设计中，我选择了波特率1200。
3、硬件电路设计
本设计是以AT89C52作为控制芯片；用一体化红外接收管HS0038接收红外遥控信号；密码存储在外部存储器AT24C02中；用LCD1602作为显示屏显示用户密码操作结果。
3.1控制芯片单片机与系统框图
首先，对于单片机的选择，我做出了两种考虑，一种是STC89C52RC，一种是AT89C52。
这两种单片机的主要区别是：
AT89C52只能用编程器下载HEX文件，STC89C52RC的单片机直接通过串口就可以下载；两者编程用法基本相同，但是STC的单片机速度更快，总的来说STC89C52RC的功能更为强大，然后对本次设计我们再次进行对比。
对于本次设计的红外遥控电子密码锁，使用STC89C52RC单片机则不需要外接存储模块，可以直接使用单片机内部EEPROM作为存储模块；而使用AT89C52需要外接存储电路，密码可以存储在外部存储器AT24C02上。
本着设计并学习的目的，在此我选择了单片机AT89C52，将外部存储器AT24C02作为密码存储部分来完成本次的红外遥控密码锁设计。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器（ROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），能兼容标准的MCS-51指令系统，单片机内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，在电子行业中有着广泛的应用。
A、功能特性
AT89C52单片机能兼容MCS-51指令系统，并且内有8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM，2个串行中断口，2个外部中断源，2个读写中断口，其中中断源共有8个；它的32个双向I/O口，可以根据实际需要进行连接，用于添加外部功能部件，例如本设计中的LCD1602显示、红外接收头HS0038的接收、串口通信等；现在社会都提倡低碳环保，所以本单片机中低功耗空闲和掉电模式的功能就十分符合现在人的需求；同时AT89C52有多种的封装形式，以适应不同产品的需求，所以完全可以满足本设计的要求。
B、引脚介绍
AT89C52为8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，主要的管脚如下：
RST（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振组成的振荡电路。
GND（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接地和接+5V电源。
P0～P3为可编程的通用I/O脚，其功能用途根据实际由软件定义。
在本设计中，P0端口（32～39脚）被定义为功能控制端口，分别与LCD1602的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口与串口通信模块相连，分别连接U2的R1OUT（12脚）和R2OUT（9脚）端口，P2端口（21～27脚）连接按键功能部分，8脚连接电磁锁开锁电路，XTAL1、XTAL2（18、19脚）外接振荡电路部分，RST（9脚）外接复位电路部分。
如图3-1为AT89C52引脚图。
图3-1AT89C52引脚图
在单片机的外围电路接红外遥控接收电路和一些功能的控制部分，外接LCD1602显示器用于显示作用。
如图3-2则为单片机控制密码锁的原理框图。
图3-2单片机控制密码锁原理框图
3.2单片机最小系统
最小系统包括复位电路和晶振电路。
复位电路:
本设计采用手动按键复位方式实现系统的复位操作。
手动复位要求在电源接通的条件下,在单片机运行期间,用开关按键操作使单片机复位。
其结构如图3-3中R1,C4和K1。
手动按键复位是通过按键将RST与VCC接通来实现。
晶振电路:
单片机内部具有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器。
通常在引脚XTAL1和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器,组成振荡电路，结构如图3-4中Y1,C1,C2所示。
本设计选择了11.0592MHz频率的石英晶体,补偿电容采用30pF左右的瓷片电容。
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