红外遥控电子密码锁的设计103.docx
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红外遥控电子密码锁的设计103.docx
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红外遥控电子密码锁的设计103
红外遥控电子密码锁的设计
摘要
在我们的日常生活以及工作之中,密码锁是一种随处可见、不可或缺的必需品,也是我们个人隐私和财物的保护伞。
小到个人日记本,大到国家机密,它无处不在,当然,形式也是各有不同。
平时所见的机械式锁必然离不开钥匙,而且一旦钥匙丢失或者遗忘在办公室等地方,会给人们带来不必要的麻烦,显然,古老的保护装置已经无法满足新时代的要求。
以前的电子锁密码结构简单,存在安全性问题。
而今天的密码锁具有较高的密保性,并且生产成本低,容易操作。
开锁人不需要携带钥匙,更不必担心钥匙丢失,只需记住密码就能打开。
本次设计以STC89C52单片机为基础,增添了许多功能,比如矩阵型键盘、提示音和显示屏。
可以设置和修改用户密码(默认密码为六位),也包括密码错误报警指令、多次输入错误锁定、多次输入错误报警等功能。
当密码输入正确时,会自动显示“OPEN!
”,密码错误则为“ERROR!
”。
当密码连着输错三次,系统就会自动锁死。
关键词STC89C51LCD1602电子密码锁4×4矩阵键盘
Designofinfraredremotecontrolelectroniccodelock
Abstract
Inourdailylifeandwork,thepasswordlockisakindofeverywhere,indispensablenecessities,itprotectsourprivacyandpersonalpropertysafety.Smalltoindividualdiaries,largetostatesecrets,itiseverywhere,certainly,themodusismanyforms.Usuallyseethemechanicallockmustbeinseparablefromthekey,andoncethekeyislostorforgottenintheofficeandotherplaces,willgivepeopleunnecessarytrouble,obviously,theoldprotectiondevicehasbeenunabletomeettherequirementsofthenewera.
Atpresent,weusetheelectroniccodelockinsteadoftheoriginalmechanicallock,tosolvethepreviouspasswordistoosimple,lackofsecurityshortcomings.Thenewelectroniccodelockisnotonlylowprocessingcost,simpleoperation,andsafetyperformanceisalsothetraditionalmechanicallockcannotbecompared.Unlockingpeopledonotneedtocarrythekey,donothavetoworryaboutthekeyislost,justrememberthepasswordwillbeabletoopen.
ThisdesignisbasedonSTC89C51single-chipsystemdesign,andsubjojina4×4keyboard,showandalarmsystem.Youcansetandmodifytheuserpassword(thedefaultpasswordissix),includingpassworderroralarminstructions,multipleinputerrorlock,multipleinputerroralarmandotherfunctions.Whenthepasswordisenteredcorrectly,itwillautomaticallydisplay"OPEN!
"Andthepassworderroris"error!
".Iftheerrorthreetimes,itwilllock.
Keywords:
STC89C51LCD1602Electronicpasswordlock4×4keyboard
1绪论
1.1课题研究背景及意义
自古以来,为了保护人身和财产安全,防盗锁与人们的生活有着密不可分的关系,而古代的锁主要是由铜块制成,机械而又笨重。
民国时期,人们才开始使用体积小的铁锁,但是都必须携带相应的钥匙。
后来进入电子时代,研究各种电子锁似乎是这个时代的使命,时代的潮流使得人们对防盗锁的要求更加严格。
如今的电子密码锁,核心部件是有成本小,外观简单的单片级控制,不需要携带钥匙,而且综合它的优点,将电子锁应用于各个领域,比如家用电器、军事及国民经济建设等方面。
本系统试着利用单片机和附加电子元件器件设计具有报警防盗功能的红外遥控电子密码锁,通过数据控制和采集算法,实现某一实际功能。
从课题确定到系统开发,本次设计不仅提高了我对整体设计的规划能力,而且增加了我对电子科学知识的储备量。
通过一遍一遍地对硬件部分调试和电路修改,软件部分的编写和仿真,最大程度地优化了本系统的运行性能。
1.2研究现状
电子锁的发展取得了极大的进步,但是在家庭防盗门中还没有普及,人们使用的还是机械锁,虽然构造极其简单,但是携带钥匙不便、锁容易被撬开、锁内易生锈等缺点问题亟待被解决,更重要的是钥匙丢失会影响人们一时的正常生活。
但是,一些医院、公司企业及高档住宅区开始使用指纹、人脸识别门禁系统,也存在IC卡、磁卡锁等门禁系统。
相对于西方发达国家来说,各种琳琅满目的智能锁已广泛使用,不仅是门禁系统。
并且在国外密码锁的成本在大部分人的接受能力范围内,所以得到了普及。
国际电子锁的发展潮流是按键、磁卡和钥匙方向。
我们可以多加学习外国先进知识,引进先进技术,比较各种智能锁的优缺点,结合开发软件,实现硬件的更便捷。
更大方面的说,除了门禁系统外,我们用的日记本也使用密码锁,手机和电脑密码锁的使用保护了我们的隐私,保险箱的密码锁使用保护了我们的财产安全。
所以对于密码锁的研究尤其重要,而在本设计中增加的红外遥控部分,对于日常家用来说即使我们不在现场也可以对门禁系统加以控制。
如果和家庭防盗报警器结合起来使用就更加方便与安全了,当我们接收到报警信号时可以第一时间利用红外遥控功能对密码进行改控,从而避免引起不必要的损失。
鉴于以上优点,希望可以利用电子技术对红外遥控密码锁进行优化,通过努力我们的生活更加安全便捷。
1.3电子密码锁的发展趋势
电子密码锁无非是借以下几个方面受人们青睐。
一、外观结构,美观是次要的,但是锁外壳的强度以及缝隙的衔接影响着安全度,坚硬不易变形的外壳不仅能防盗,而且能延长年限。
恰到好处的缝隙更有便于开、闭的使用。
二、价格水平,新进的电子技术产品必定会引起高价水平,但是我们可以比较单片机各个种类特点,选择单片机的时候,只要性能满足要求,可以选择成本低一些的,以便于便捷安全的密码锁在各个领域内得到普及。
二、性能实用,不是用了密码便可以高枕无忧了,现在不法分子对电子技术的掌握可以达到破解密码的水平,所以单单靠电子密码防范是不够的。
密码锁相对于金融业发展趋势比较显著,而金融业大部分场合有人物轮流值班,监控影像显示以及探测报警功能,所以可以结合物理防范与人物防范来达到防盗功能。
除此之外,可以把数字、图像、人物特征和地点时间等结合起来组成复杂的电子密码,从而达到密保的高度。
这样多样化的组合又便于研究出不同密保型的智能锁,也便于人们对不同场合应用的选择。
反而观之,盗贼的高技术也促使我们对密码锁的研究要求更加严格。
目前,金融行业对电子密码锁的密集使用以及高风险密保的评估使得电子密码锁的研究尤为重要。
1.4本章小结
国内电子锁的研究起源与1930年,当时的密码仅仅是把传统数字改为电脑字符,极大的密钥量与机械锁的结合使用必然会提高的密保性,但是体积大可靠性不够高成为一大缺点。
随即在80年代以后,对于集成电路的研究应用使得人们把重点放在密码锁上,轻便而又高性能的电子密码锁出现,但是由于成本较高一直未能普及人们的日常生活,只是用于较为重要的场合。
其发展前景可观,而我们可以抓住这一机遇,通过不断学习世界上先进技术,来实现我们电子密码锁的普及使用。
2总体设计方案
2.1电子密码锁设计的具体要求
(1)LCD显示模块:
输入密码,显示INPUTPASSWORD;输入密码时,屏幕会出现*号,起到隐藏密码作用;输入密码正确,显示OPEN;输入错误密码,则显示ERROR。
(2)单片机模块:
基本密码锁性能的实现。
(3)蜂鸣器模块:
当错误密码被输错三次时,蜂鸣器开始发出提示音,红灯闪亮。
(4)阵列键盘模块:
装有10个数字键、ABCD四个字母键,*、#两个符号键。
其中ABC键没有具体功能。
(5)AT24C02模块:
实时储存,防止保存密码时断电;如果自己修改这六位密码时要进行两遍确认。
(6)本设计设置六位密码为开锁密码,且连续输入错误三次会自动锁定。
(7)红外接收模块:
在遥控器上实现开锁、修改密码功能。
(8)电磁锁:
用负载电磁锁模拟密码锁是否打开。
2.2本设计软件的总体构思
此设计以单片机最小系统为基础,于存储器可进行密码互换,用户可以通过遥控器和键盘输入密码,在与以上密码作比较,相一致时LCD显示OPPEN,同时蜂鸣器提示电子锁打开,电磁锁同时回缩;不一致时LCD显示EROOR同时蜂鸣器报警电磁锁没有反应。
本电子密码锁具有以上几个功能,如下图2-1:
STC89C52
单片机
AT24C02存储器保存
键盘输入
红外接收
液晶LCD12864显示
蜂鸣器提示
图2-1主体构架
2.3总体设计方案选定
方案一:
基于数字电路电子密码锁
此类密码锁不仅设计简单,不需要大量的程序代码,并且成本比较低,比较容易普及。
此密码锁基本组成包括:
键盘,锁存器,识别、开锁和报警电路。
按钮建用于密码输入,锁存器用于预置密码,逻辑电路用于各系统之间连接。
把按键分为输入密码、清空键和确认键等12个键。
同时,用户可以设置限定密码输错的次数,如果超过限定的次数,5秒后报警器自动响起(也可以设定为10秒),当报警器响起超过三次则密码锁死,防止不法分子继续操作。
方案二:
基于单片机电子密码锁
考虑到设计的简单可行性以及成本可接受性,这里选择STC89C52(与51通用)单片机作为核心控制部件,外接键盘、存储器、LCD显示屏等电路,用于实现密码的输入、修改、检测、以及电路的开闭锁、执行和报警等功能。
单片机具有丰富的IO端口,可以外接红外遥控,实现远程操控。
除此之外,单片机可用C语言灵活编程,从而可以提高控制电路的准确性。
其具体原理图如下图2-2所示:
图2-2密码锁的原理图
以上的两个方案中,虽然设计比较简洁,但不易达到人们对密码锁的密保性要求。
而相对于单片机来说,更具实用性,可以外加各种功能以满足市场的不同需求。
由以上两种方案的比较结果我选择第二种。
2.4本章小结
根据设计要求,需通过红外接收或键盘输入后完成开锁功能。
其具体任务是当红外遥控发射端发出开锁密码信号时,接收端收到的信号与存储器端口密码做比较,符合时完成开锁功能。
然而在选择的单片机方案中存在C语言程序设计、动态显示模块等重难点,设计电路时需考虑周全。
3系统硬件设计
3.1设计原理
要设计本方案需硬件和软件两部分结合,硬件中使用的器件为单片机最小系统、LCD显示屏、存储器、键盘、蜂鸣器、红外遥控、负载电磁锁等。
软件采用C语言编程控制扫描、显示、保存、开闭锁等。
整个系统工作原理主要是硬件通过软件程序写入的控制来模拟现实的电子密码锁。
当接通电源时,LCD显示屏则会提示INPUTPASSWORD输入密码,与此同时,单片机和存储器交换密码后得以保存,输入密码与保存密码相对比,蜂鸣报警器做出相应的反应,并且LCD屏显示结果。
整个电路外接负载电磁锁用以模拟锁是否打开。
由于单面机IO端口灵活性较高,所以外接了红外信号接收部分,配置相应的遥控器,可以实现与键盘输入相同的功能。
原理图如下图3-1:
图3-1红外遥控电子密码锁原理图
3.2单片机STC89C51简介
51单片机作为一种低耗、高性能的微型控制器,它在嵌入式控制系统中有着无可代替的作用。
电源、时钟、复位系统等等,这也是一个单片机保证正常运行所不可缺少的。
电源和时钟是本系统的核心部分,通过对其进行RAM、A/D拓展,进行简单的人机交流,使之完成各种指令。
最小系统如下图3-2-1所示:
图3-2-1单片机最小系统图
单片机标准功能如表3-2-1所示:
表3-2-1单片机标准功能
而且STC89C51也能在需要时候进入节电模式,如表3-2-2所示:
表3-2-2单片机工作模式
其DIP封装如下图3-2-2所示:
图3-2-2引脚图
其中包括主电源引脚(2根)、外接晶振引脚(2根)、控制引脚(4根)、可编程输入/输出引脚(32根),如图3-2-3所示:
图3-2-3引脚功能
(1)时钟电路
本设计采用了普通的外部和内部时钟信号。
以内部时钟为例:
图3-2-4STC89C51内部时钟电路
晶振:
单片机内部存在的振荡电路路使振荡器内部产生脉冲信号的现象。
复位电路
此次设计采用了手动复位合电复位两种系统。
一旦我们的RST引脚出现高电平信号,而且保持两个或者两个以上机械周期的现象,这样一来,其内部就自动开始复位反应。
并且,假如这种高电平状态一直持续下去的话,我们的单片机也会进入循环复位,直到停止。
图3-2-5复位电路
(1)中断系统
单片机的中断系统主要是用来进行必要的实时监测,控制整个系统,要求单片机面临中断请求时,能够迅速响应、并做出处理。
首先由中断源发出指示,接下来经过中断服务程序响应并做出相应的处理后,再次回到主程序,接着前面再次执行被中断的程序。
图3-2-6中断响应及其处理过程
单片机中断系统可以节省大量时间,防止不断重复进行定时查询操作,解决了单片机查询等待现象,使得效率得到了提高,也让响应更加具有实时性。
3.3AT24C02存储芯片
本设计芯片采用T2C总线式去串行器件来对我们所输入的数据进行读写,且所有字节均由单一操作,I/O使用量少,不管是在线编程还是数据存取,都节省了大量的端口使用量。
其中带有内部储存器,每当我们输入或者读出一个字节后,地址寄存器+1,这样就可以方便进行接下来的存储单元读写。
如表3-3-1所示:
表3-3-1AT24C02特点
表3-3-2总线介绍
SOICPDIP
图3-3-1AT24C02两种引脚图
这个设计是让单片机作为主机,AT24C02作为从属机,分别作为接收器和发送器,执行功能。
如表3-3-3所示:
表3-3-3主从机工作状态
图3-3-2AT24C02电路接线图
引脚介绍如下表3-3-4所示:
表3-3-4AT24C02引脚介绍
3.4LCD显示模块
液晶显示在我们的工作和生活中已经很普遍,它领导着各式各样的电子产品,例如计算机、电视等等。
在实验设备中,电子表盘以及万用表也都是用的液晶显示。
通过数字、符号和图形,来进行简单的人机交流。
本次设计采用的是LCD1602A显像液晶,它具有以下优点:
表3-4-1液晶显示
(1)引脚说明如表3-3-6所示:
表3-4-2液晶引脚说明
(2)1602LCDRAM地址映射和标准字库表
本设计用的液晶显示模块内储存了大量的字符图形,而且每个字符都会有相应的固定代码。
其中负责指令的编程控制着简单的读写、显示和光标操作。
其中1为高电平,0为低电平。
如表3-3-7介绍:
表3-4-3指令功能
3.5键盘设置
本设计使用的是4×4行列式键盘。
那么为什么要用行列式键盘呢?
如表3-3-8介绍:
表3-5-1键盘介绍
利用矩阵行列式键盘,使得一个端口就可以拥有16个按键,而且每一条水平线和垂直线都是不连通的,只有按下按键时候,才会连接。
如图3-5所示:
3-5键盘整体模框
我们所采用的按键式键盘属于机械式开关,为了让键盘维持输入稳定,我们需要考虑当按键按下,会有震动间隔,那么我们防止单片机错误的判定为多次输入,需要去取消按键按下的一小段时间间隔,当我们的键盘稳定后,再去判读。
3.6蜂鸣器提示模块
蜂鸣器的种类比较普遍的是压电式和电磁式。
而电磁式蜂鸣器又分为有源和无源两种。
而本设计中所用到的正是有源蜂鸣器。
有源蜂鸣器不仅价格便宜,而且容易控制声音的频率,以此达到高低不同的音效。
再者,控制程序比较方便。
因此在手机、电话、电冰箱等设备中比较常用。
最重要的是,有源蜂鸣器里自带振荡电路,可产生1.7-2.8KHZ的电压信号,只需接通直流电源便可以发声。
有源蜂鸣器具体发声原理是靠起振片震动引起的。
起振片是由陶瓷为压电材料制成的。
当频率不同的电压作用于陶瓷时,陶瓷会做出相应的机械变形,再由晶振电路起振,这种机械形变继而转化为电荷,由此发出声音。
以下图3-6为声音提示电路图:
图3-6声音提示电路
3.7继电器模块
在各种自动化控制电路中,继电器是一种必不可少的驱动部件。
他不仅可以用电流控制开关,而且可在开关电路中增加延时功能。
其中,电磁继电器被大部分电子产品所应用。
本设计正是利用电磁继电器的工作原理来执行驱动开闭锁功能。
接通电路时,线圈中存在电流,线圈中的铁芯在电流的作用下产生磁效应,而随之产生的磁力使得衔铁克服弹簧返回作用力与铁芯触点结合,达到“常闭”作用。
断开电源时,磁铁失去磁力,衔铁在弹簧拉力下与铁芯在触点分离,达到“常开”作用。
整个过程由高低电压对电路进行保护和驱动。
外接负载电磁锁,正是在继电器这样“开闭”驱动下锁芯进行伸缩动态来模拟真实的锁。
以下图3.7是继电器控制负载的电路图:
图3-7继电器电路
3.8红外遥控模块
目前,红外遥控的应用随处可见,主要是利用其通信原理。
像家用电器中的彩电、空调、录像机等设备,可以利用其传播不受干扰的特点多方面使用,所以即使不同发射端同时交错方向发出遥控信号时,不同的电器运作不会错乱。
其次医疗设备也离不开红外通信原理,比如红外扫描仪来检查骨骼生长状况,关注将抗水平,或者用以美容仪上来完善肌肤,这些在当代市场上都具有很深的发展潜力。
再者工业设备也需要用红外线的特性原理来隔离有毒气体或者粉尘粉末。
而本此设计主要是利用了红外接收原理来完成遥控任务。
红外遥控最重要的部分也就是我们生活上常见的遥控器了。
遥控器内的电路结构接有二极管,当按下键盘时,指令编码器把二极管发出的红外信号经调制载体调制成电信号,再送经驱动电路被放大,至此由发射电路把信号发射出去。
红外遥控的接收端由一个小型的接收头构成,接收探头内一般是由二极管、三极管构成。
当接收电路收到由发射电路发射的经解调后的信号时,再由放大器放大送往解调器上,解调器对信号进行解调已调制的信号,然后译码器接收到信号,并自动开始译码,最终再通过驱动电路的响应,命令整个硬件进行接下来的处理。
红外遥控之所以能够实现两点近距离信息接收和密保转发,正是利用了红外通信技术中的这些原理。
正如上面所提到的,红外光线本身就是我们人的肉眼无法看到的,根据厂商的不同取上下限定范围内。
红外光可由太阳光三棱镜分离出来。
以下图3-8是本次设计所用到的遥控器:
图3-8红外遥控器
4系统软件设计
4.1程序流程图
4.1.1主程序模块
我们的软件部分流程是:
先通过主程序,主程序执行完控制,再经过系统初始化之后显示主页面,最后进入键盘扫描工作。
流程图如下:
表4-1-1软件系统介绍
图4-1-1主程序流程图
4.1.2按键扫描流程图
图4-1-2键盘扫描流程图
4.1.3密码判断、报警流程图
图4-1-3密码判断及报警流程图
4.1.4开锁流程图
图4-1-4开锁流程图
4.1.5红外接收流程图
图4-1-5红外接收流程图
4.2程序设计(见附录三)
4.3软件调试
本设计使用C语言进行编程,使整个系统运行速度快,并且编译实用性强。
对电路进行proteus修改,用Keil设计的程序,把可以辨认的S51文档翻译成芯片,再把PC机写入芯片内开始仿真实验,然后对出现的谬误进行修正,最终在图4-3-1~图4-3-5可看出成功解决调试。
图4-3-1keil成功编译程序
图4-3-2生成hex文件
图4-3-3文件仿真
图4-3-4仿真成功
图4-3-5密码正确
5.系统制作及调试
5.1焊接注意事项:
表5-1-1LCD焊接注意事项
建议:
因为芯片是十分脆弱的,焊接过程中十分容易损坏,所以烙铁需要是恒温的(260~300℃),且功率保持在30W。
5-1-2其他电子器件焊接
5.2问题解决
软件程序调试时出现了蜂鸣器提示音不准确的问题,经过老师建议在延时部分做了细致的整理。
硬件部分有时候显示屏不亮,检查出来有短路情况,对电路做了调整。
6.总结
本设计应用了成本低,灵活性强,准确度高的单片机最小系统。
其丰富的IO端口可外接多种负载,根据实际需要实现不同的功能。
利用C语言编程,把程序写入单片机内控制整个电路正常运行。
并且利用proteus的便捷,来做到对硬件的重建,使整个系统除了具备密码输入、设定、修改和开锁基本功能外,还可实现遥控开锁。
很好地利用了红外信号传播过程中相互交叉但不受干扰的优点。
但本设计也存在一定的不足,红外线发射时如果遇到阴雨天气或者雾霾尘埃等不良天气,信号就会受到影响,所以密码通过遥控发射时可能通过监测反射的红外线被窃取,另外红外遥控距离有限,只能近距离接收信号。
因此希望以后通过更深的研究改善红外密码锁的功能状况。
在之前的小组课程设计中,主要参与硬件焊接和测试,对于软件部分都是一知半解。
通过这次毕业设计,结合平时学的理论知识和一定的实验经历,再加上各种参考文献的学习,熟悉掌握了C语言编程方法,。
这为我将来的工作奠定了良好的技术,让我学习掌握了许多知识,更多是在实践中提高了自己。
与此同时,我也从本次设计中明白,如何把课本上的知识运用到实际中,仍然存在许多不足,较少的知识储备量给我这次任务带来了很大的麻烦。
不过最后成功的设计给我增强信心,我会带着这份信心继续对电子科学的学习。
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