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08033020徐华勇论文
分类号TP36单位代码10642
密级公开学号2004080330220
重庆文理学院
学士学位论文
论文题目:
红外线遥控密码锁的设计
论文作者:
徐华勇
指导教师:
郭仿军副教授
专业:
电子信息科学与技术
提交论文日期:
2008年5月30日
论文答辩日期:
2008年6月2日
学位授予单位:
重庆文理学院
中国重庆
2008年06月
GraduationThesisofChongqingUniversityofArtsandsciences
TheDesignofInfrared-Control
IntelligentLockinCode
Candidate:
XuHua-yong
Supervisor:
GuoFang-jun
Major:
ElectronicInformationScienceandTechnology
DepartmentofPhysics&InformationEngineering
ChongqingUniversityofArtsandSciences
JUNE,2008
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
1.1问题的提出及研究意义1
1.1.1问题的提出1
1.1.2研究的意义1
1.2国内外研究现状1
2相关理论分析1
2.1IRDA标准简介1
2.2红外通信基本原理2
3系统设计3
3.1总体设计3
3.2系统工作过程3
3.3基本功能设计4
4硬件电路的工作原理4
4.1红外遥控发射模块设计4
4.2.本机开锁及红外接收模块设计5
4.2.1本机键开锁的工作原理5
4.2.2遥控开锁的工作原理7
4.2.3按键显示的工作原理8
5单片机软件设计8
5.1软件结构9
6系统调试9
6.1整体调试9
6.2硬件单元电路调试10
6.2.1本机开锁调试10
6.2.2红外遥控开锁调试10
6.3软件调试10
7总结11
7.1不完善之处11
7.2经济效益分析11
附页:
13
致谢21
摘要
随着电子产品向智能化和微型化的不断发展,单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器。
为了更好地推广单片机在家电领域中的应用,介绍了一种应用AT89C51单片机设计的电子密码锁。
红外线遥控智能密码锁是一种比较先进的密码开关,由红外线发射机发射信号,接收机接收信号,然后经放大电路,再由CPU对其进行识别、处理,从而实现智能控制的遥控密码锁的功能。
经实验验证该密码锁具有安全、实用、成本低等特点,符合住宅用锁的要求,可作为产品进行开发。
关键词:
密码锁;单片机;红外线;报警
Abstract
:
Aselectronicproductsaredevelopingtowardsintelligenceandminimization,single-chipComputers(SCM)havebecomethefirstchoiceforcontrollersinthedevelopmentofelectronicproducts.InordertoexpandtheapplicationsofSCMintohouseholdappliances,anewdesigningmethodofelectroniccipherlocksbytheuseofAT89C51single-chipprocessorisintroducedinthispaper.Thispaperintroducesinfrared—controlintelligentlockincode,whichisaadvancedcodeswitch.Theinfraredtransmittersendinformationandthereceiveraccepttheinformation.Aftermagnified,CPUcanidentifyanddisposetheinformation.Accordingly,itcanimplementfunctionofinfrared-controlintelligentlockincodeExperiment
Showthatthedesignedcipherlockischaracterizedbyitslowcostandhighdegreeofsafetyandpracticality.Besides,itworkswellasaresidencelockandhasgreatpotentialforcommercialdevelopment.
Keywords:
cipherlock;singlechipinfraredray;alarm
1引言
1.1问题的提出及研究意义
1.1.1问题的提出
在日常生活和现代办公中,住宅与办公室的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存等多以加锁的办法来解决。
若使用机械式钥匙开锁,人们常需携带多把钥匙,使用极不方便,且钥匙丢失后安全性即大打折扣。
为满足人们对门锁的使用要求,增加其安全性,用密码电子锁代替传统机械锁应运而生。
1.1.2研究的意义
由于红外遥控具有许多优点,例如红外线发射装置采用红外发光二极管,遥控发射器易于小型化且价格低廉;采用数字信号编码和二次调制方式,不仅可以实现多路信息的控制,增加遥控功能,提高信号传输的抗干扰性,减少误动作,而且功率消耗低;红外线不会向室外泄露,不会产生信号串扰;反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。
工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下,采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
所以红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
而又由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为钥匙的电子信息,组合使用这些信息能够使电子防盗锁获得高度的保密性,如防范森严的金库,需要使用复合信息密码的电子防盗锁,这样对盗贼而言是“道高一尺、魔高一丈”。
组合使用信息也能够使电子防盗锁获得无穷扩展的可能,使产品多样化,对用户而言是“千挑百选、自得其所”。
1.2国内外研究现状
目前国内外密码锁系统的主要方向的发展是:
接触式密码锁系统,非接触式密码锁系统,智能识别密码锁系统,但是他们都相应的存在着不同的缺点。
例如:
接触式密码锁系统成本较低,体积小,卡片本身无须电源,但使用不太方便,而且有接触磨损。
相比之下,红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当,而且可以进行近距离遥控,使用十分方便。
本文将在前人研究成果的基础之上,在红外接受部分添加了LED显示部分,使密码锁更加人性化,更方便人们使用,也使红外密码锁的功能得到了进一步的拓展。
2相关理论分析
2.1IRDA标准简介
1993年,由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会(InfraredDataAssociation,简称IrDA),1993年6月28日,来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议,并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。
一年以后,第一个IRDA的红外数据通讯标准发布,即IRDA1.0。
IRDA1.0简称为SIR(SerialInfraRed),它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。
SIR以系统的异步通讯收发器(UART)为依托,通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程(3/16EnDec)实现红外数据传输。
由于受到UART通讯速率的限制,SIR的最高通讯速率只有115.2Kbps[1],也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。
IRDA[1.2.3.4]标准包括三个基本的规范和协议:
物理层规范(PhysicalLayerLinkSpecification)、链接建立协议(LinkAccessProtocol:
IrLAP)和链接管理协议(LinkManagementProtocol:
IrLMP)。
物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求,IrLAP和IrLMP为两个软件层,负责对链接进行设置、管理和维护。
在IrLAP和IrLMP基础上,针对一些特定的红外通信应用领域,IRDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议,如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等(见图2-1)。
图2-1IrBus红外线通信协议层
2.2红外通信基本原理
红外遥控是单工的红外通信方式,本设计的红外遥控采用以通信方式为基础的红外遥控,而且本设计也使用了红外通信技术,故着重分析红外通信的基本原理。
红外通信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。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号,而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收,就构成红外通信系统。
红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波,它的频率高于微波而低于可见光,是一种人的眼睛看不到的光线。
[5]红外通信一般采用红外波段内的近红外线,波长在0.75um至25um之间。
红外数据协会(IrDA)成立后,为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果,红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。
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。
[6]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。
脉时调制(PPM)是红外数据协会(IrDA)和国际电子电工委员会(IEEE)都推荐的调制方式[7,8,9,10],本设计采用脉时调制方法,即用两个脉冲串之间的时间间隔来表示二进制信息,数据比特的传送仿照不带奇偶校验的RS232通信,首先产生一个同步头,然后接着8位数据比特,如图2-2所示。
图2-2PPM调制波形图
载波信号的频率f=38KHz,载波周期T=26.32us,本设计使用单片机软件产生载波,取T=26us,脉冲宽度t1=10T=260us,二进制数0的脉冲串周期t2=500us,二进制数1的脉冲串周期t3=1000us。
普通的红外遥控采用面向指令的帧结构,数据帧由同步码,地址码和指令码组成,指令码长度多为8~16个比特,传送多字节遥控协议时效率偏低,而增加指令码的长度不利于接收器同步,为此本设计选用一种面向字节的帧结构,采用类似于异步串行通信的帧结构,每帧由一个起始位(二进制数0)、8个数据位和2个停止位(二进制数1)构成,如图2-3所示。
每帧传送1个字节的数据,帧与帧间隔大于2ms,帧结构不含地址信息,寻址问题由高层协议解决[8]。
数据帧
图2-3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,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。
3系统设计
本系统采用单片机AT89C51作为本设计的核心元件,利用红外线遥控原理和单片机串行发射、接受等功能而设计的一款具有本机开锁和遥控开锁的电子密码锁。
3.1总体设计
根据设计任务要求,本设计的系统结构框图如图3-1
图3-1系统结构框图
3.2系统工作过程
该系统的工作过程是:
当选择遥控开锁时,本机键便会被封锁。
这时,首先由发射模块中的单片机在外部命令的控制下按一定的时问间隔连续产生20次同一数码指令信号,该指令信号由16位二进制数所组成的一串数码。
然后该信号经过调制电路被调制到载波信号上,调制信号经过放大后驱动红外线发射二极管发射红外线信号。
接收端的红外接收装置MK0038对发射过来的红外调制信号进行前置放大、限幅滤波、检波等一系列过程后逐一解调出原数码指令信号,再将解调的信号与发射模块中的原数码指令信号相比较。
如果有I5次以上比较结果是相同的,则认为接收成功,并通过系统与内部原先设置的数据进行比较确认,如果确认一致,则用该数码信号驱动继电器工作,最后由继电器控制密码锁的闭合和开启,如果不一致便放弃开锁。
当没有接受到遥控信号时,这时由本机键开锁。
当正确输入5位有效密码并按“#”时,P1.7口输出高电平使继电器动作完成开锁;若密码输入错误,或不按确认键“#”时,将无法开锁,同时报警器还会发出5秒钟的报警信号。
若连续三次输入错误密码,系统会长时间报警,只到按下复位键。
3.3基本功能设计
遥控密码锁的基本设计主要分为如下五个部分。
1选择密码
将编好的密码程序存储在EPROM中,用户通过密码选择键——AT89C51中的P1.5口上的按键进行选择。
当按下P1.5口上的按键时,LED上会轮流显示“1”和“2”。
显示“1”代表选择了第一套密码,显示“2”则代表选择了第二套密码。
具体操作过程如下:
首先按一下P1.5口上的按键,然后再逐渐输入号码,最后按“#”好确认即可。
比如现在用户要是选择了57618这组数字作为密码,则用户只有首先按一下P1.5上的按键,接着在本机键盘上一一输入5、7、6、1、8之后再按“#”号键即表示密码被设置好了,那么下次用户只要键入这组数据即可开锁。
本设计中我们编入了两套密码即:
57618和43792。
当然我们还可以根据需要在EPROM中存入更多的密码,供用户选择。
2密码显示
为了帮助用户确认是否有按键按下,我们特在电路中设置了模拟显示电路:
而为了防止密码外泄;显示时,并不是显示用户按下的数字符号,而是以一个特定的字母符号提醒用户是否有键按下。
有键按下,就会依次显示出字符——“1”、“2”、“3”、“4”、“5”;当按下确认键时,则会显示出字符——“0”,没有键按下,则不会显示字符。
这样既巧妙地提醒了用户又保护了用户密码,此乃本设计可靠优点之一。
3本机键开锁
当用户键入正确密码后,再按确认键——“#”号,便会自动开锁。
但是用户键入密码应注意:
数字与数字之间的间隔时间为3秒,例如密码为57618,当键入第一个数字5后应在3秒内键入第二个数字7,否则,就会视为无效。
如果键入完密码后不按“#”号,系统会当做放弃开锁处理。
4密码错误报警
当用户键入错误密码时,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,则系统会长期报警不止。
这时必须按复位方可停止。
此乃安全可靠性能之二。
5遥控开锁
当此锁用于私家车库或仓库时,用户可以不上车,只要手执遥控器,键入正确密码,便会自动开锁;如果密码错误,同样也会报警。
这是本设计优越性能之三。
4硬件电路的工作原理
4.1红外遥控发射模块设计
遥控发射电路直接采用的是市售的成品彩电遥控器,型号为RM—F,内部芯片型号为LA7461。
采用这个芯片的彩电非常普遍,很容易买到,且价格也很便宜。
该红外遥控编码芯片采用调制的串行码,以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.265ms,间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。
该系列的彩电遥控器有两种型号,分别为RM—D和RM—F。
这两种遥控器的编码位数不一样,RM—D遥控器一组数据由起始码(9ms),一个结果码(4.5ms),低8位地址码,高8位地址码,8位数据码和这8位数据的反码组成。
RM—F遥控器一组数据由起始码(9ms),一个结果码(4.5ms),13位地址码,13位地址反码,8位数据码和这8位数据的反码组成。
两者的不同之处在于地址码的长度不同,其他的编码一样,这个制作选用的是RM—F型彩电遥控器。
其原理框图如图4-1所示。
图4-1遥控发射原理图
4.2.本机开锁及红外接收模块设计
4.2.1本机键开锁的工作原理
图4-2本机键开锁电路图
本机键开锁如图4-2所示,AT89C51作为本电路的核心,P0口和P1.0、P1.1、P1.2外接本机键。
P3.0口外接遥控接收头,P1.3口外接报警信号放大器,用来放大报警信号,驱动扬声器,p1.7口外接开锁电磁驱动电路,P1.5外接密码锁选择键,EPROM内存有两套密码,P2口接数码管,用来显示按键是否按下。
P1.4口外接驱动控制电路用来控制LM386的电源,也就是说只有报警时,LM386才提供电源,平常断电,这样大大减小了耗电流。
本电路由遥控发射器、接收器、键盘、显示器组成,本机采用了0个按键,作为密码输入键,同时也采用了遥控器开锁。
具有以下功能:
1、当没有接收到遥控信号时,这时由键盘输入密码,当5位有效密码输入正确时“#”号确认,P1.7口输入高电平使电磁锁动作,完成开锁同时,电路进入延时状态,延时5秒钟后,电路将自动恢复到初始的闭锁状态。
2、当5位有效密码输入正确,但没有按“#”号键确认时,这时电路将自动放弃,恢复到初始和闭锁状态。
3、在输入5位有效密码时,必须按照先后顺序输入,如顺序错误或密码不对时,这时若不按“#”号确认,将无法开锁,并同时发出5秒钟的报警信号,用一提醒用户。
4、若连续3次输入密码错误,系统会长时间报警,这时必须按复位键恢复到初始化状态。
5、输入密码时,首位密码正确输入后,电路将开始自动计时,每位密码数之间的输入间隔应在3秒内。
否则将当作超时处理,系统自动放弃,恢复到初始状态。
●相关芯片介绍
1、MK0038芯片介绍
MK0038的管脚分布如图4-3所示,2脚、3脚分别为地电源和地,1脚是解调信号输出,其电平与TTL兼容。
MK0038系列特性如下:
Ø频率范围:
32.75KHz、36.7KHz、38KHz、40KHz
Ø电源电压范围:
4.7V~5.3V
Ø工作电流:
3mA
Ø最大遥控距离:
>8m
Ø工作温度:
-10~+60℃
MK0038是黑色环氧聚光透镜,滤除了可见光的干扰。
内含红外线PIN接收管、选频放大器和解调器。
当红外线发射器发出的信号经空间传送到MK0038时,它内部的PIN红外线接收管将红外线转换为电信号,该信号经选频放大、解调后由1脚输出与TTL电平兼容的电信号,该信号可以直接送入微处理器进行处理。
MK0038的输出波形如图4-2所示。
当接收到频带内的红外信号时,MK0038接收器会输出低电平,否则数据高电平,从而“将时断时续”的红外信号解调成原来的连续方波信号。
图4-2(a)已调制红外信号(b)MK0038输出信号图4-3MK0038引脚图
2、AT89C51单片机介绍
1AT89C51引脚说明,如图4-4
ØVCC`AT89C51电源正极输入,接+5V电压。
ØGND电源接地端。
ØXTAL1接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部,它是一反相放大器输入端,这个放大器构成了片内振荡器。
它采用外部振荡器时,些引脚应接地。
ØXTAL2接外部晶振的一个引脚。
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。
ØRSTAT89C51的复位信号输入引脚,高电位工作,当要对芯片又时,只要将此引脚电位提升到高电位,并持续两个机器周期以上的时间,AT89C51便能完成系统复位的各项工作,使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ØP3P3口(P3.0~P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口),它还提供特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。
其特殊功能引脚分配如下:
P3.0RXD串行通信输入
P3.1TXD串行通信输出
P3.2INT0外部中断0输入,低电平有效
P3.3INT1外部中断1输入,低电平有效
P3.4T0计数器0外部事件计数输入端
P3.5T1计数器1外部事件计数输入端
P3.6WR外部随机存储器的写选通,低电平有效
P3.7RD外部随机存储器的读选通,低电平有效
图4-489C51单片机的引脚图
2、AT89C51各中断源向量地址
中断源
向量地址
外部中断0(INT0)(IE0)
0003H
定时/计数器0(TF0)
000BH
外部中断1(INT1)(IE1)
0013H
定时/计数器(TF1)
001BH
串行通讯(R1+TI)
0023H
表4-1各中断源向量地址
4.2.2遥控开锁的工作原理
当选择遥控开锁时,本机键便会被封锁。
这时,用户手执遥控器按下AT89C51上的P1.0口上的按键时,便有数字从AT89C51P1.2口发出,发送过程如下:
先将从P3.1送出5FH反馈到P1.2口通过红外发光二极管以波长为940mm的红外光发出红外遥控信号。
然后,在本机控制电路的AT89C51的P3.0口接有与红外发光二极管配套的接收头,将接收的光信号转换成点信号数据。
最后,通过系统与内部原先设置的数据进行比较确认,如果一致便可开锁,如果不一致便放弃开锁。
4.2.3按键显示的工作原理
1、LED显示器结构与原理
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。
在单片机应用系统中通常使用的是7段LED。
这种显示快共有共阴极与共阳极两种,本设计将用共阳极。
共阳极LED显示块的发光二极管与阳极并接,如图4-5所示
图4-5LED内部电路
LED显示块功能表
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
D
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
B
7CH
83H
4
66H
99H
F
71H
8EH
5
6DH
92H
P
73H
8CH
6
7DH
82H
U
3EH
C1H
7
07H
F8H
L
31H
CEH
8
7FH
80H
Y
6EH
91H
9
6FH
90H
…
…
…
A
77H
88H
表4-2LED显示块功能表
通常的7段显示块中共有8个发光二极管,其中7个发光二极管构成七笔字形“8”,1个发光二极管构成小数点。
7段显示块与单片机接口非常容易。
只要将一个8位并行输出与显示块的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符,如表4-2所示。
通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码。
共阳极与共阴极的段选码互为补数。
2、按键方式
按键方式分为独立式和行列式两种,本设计采用独立式按键结构,共设置了10个按键。
独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立按键单独占有一根I/O口线,每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
它的电路配置灵活,软件结构简单。
5单片机软件设计
5.1软
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