【正文】 紅外遙控電磁密碼鎖設(shè)計方案 課題研究的背景電子技術(shù)的飛速發(fā)展，給古老的鎖具生產(chǎn)帶來了巨大的變革，現(xiàn)代的電子技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了一大批如聲控鎖、磁控鎖、密碼鎖、遙控鎖，指紋鎖等先進(jìn)的鎖具。 目前國內(nèi)外密碼鎖系統(tǒng)的主要方向的發(fā)展是：接觸式密碼鎖系統(tǒng)，非接觸式密碼鎖系統(tǒng)，智能識別密碼鎖系統(tǒng)，但是他們都相應(yīng)的存在著不同的缺點(diǎn)。例如：接觸式密碼鎖系統(tǒng)成本較低，體積小，卡片本身無須電源，但使用不太方便，而且有接觸磨損。相比之下，紅外遙控密碼鎖系統(tǒng)的成本與接觸式密碼鎖系統(tǒng)相當(dāng)，而且可以進(jìn)行近距離遙控，使用十分方便。而且它已經(jīng)與 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，可以組成一套酒店房間的門禁管理系統(tǒng)。 由于紅外遙控具有許多優(yōu)點(diǎn)， 例如紅外線發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管遙控發(fā)射器易于小型化且價格低廉； 采用數(shù)字信號編碼和二次調(diào)制方式，不僅可以實(shí)現(xiàn)多路信息的控制，增加遙控功能，提高信號傳輸?shù)目垢蓴_性，減少誤動作，而且功率消耗低；紅外線不會向室外泄露，不會產(chǎn)生信號串?dāng)_；反應(yīng)速度快、傳輸效率高、工作穩(wěn)定可靠等。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。所以紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。 在本設(shè)計中，紅外遙控密碼鎖和 PC 機(jī)、數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)適時的、強(qiáng)大的管理，使得整個紅外遙控系統(tǒng)得到更好的完善。 課題研究的現(xiàn)狀和發(fā)展方向目前大部分的鎖采用的都是機(jī)械式的，其最大的缺點(diǎn)是利用簡單工具就能很容易地把鎖打開。針對這種情況，我們設(shè)計了一種紅外遙控密碼鎖，而一般設(shè)備都采用專用的遙控編碼及解碼集成電路，其制作簡單、容易，但由于特定功能的限制，只適用于專用的電器產(chǎn)品，其應(yīng)用范圍受到限制。而設(shè)計的紅外遙控密碼鎖系統(tǒng)能提高門禁系統(tǒng)的可靠性和安全性,適應(yīng)市場需要。該系統(tǒng)具有普通電子密碼鎖功能的同時,還增加了遙控功能。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值,所涉及的技術(shù)包括:紅外載波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、紅外遙控系統(tǒng)編碼及譯碼技術(shù)、電路設(shè)計與演示板制作技術(shù)等。 課題研究的工作方法 本系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)（主要是STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)）、紅外遙控器、LCD1602顯示和報警系統(tǒng)等組成，具有設(shè)置、修改六位用戶密碼、超次報警、超次鎖定、密碼錯誤報警等功能（本設(shè)計由P0口控制LCD顯示，密碼正確顯示Correct！ 密碼錯誤顯示Error！超過三次輸入錯誤自動鎖定。鍵盤含有09數(shù)字鍵和功能鍵。）。除上述基本的密碼鎖功能外，依據(jù)實(shí)際的情況還可以添加其他功能。本系統(tǒng)成本低廉，功能實(shí)用。密碼鎖具無需鑰匙，開啟方便，用途廣泛。傳統(tǒng)的機(jī)械密碼鎖組碼位數(shù)低、重碼率高、安全性差、開啟操作不便。電子式密碼鎖具以其高位數(shù)組碼、按鈕式操作、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代機(jī)械密碼鎖。該設(shè)計使用密碼控制技術(shù)，克服了傳統(tǒng)機(jī)械式密碼鎖具的缺陷，具有電子式密碼鎖具的特點(diǎn)，組碼位數(shù)最高可達(dá)到10位。遙控上按鈕式開鎖，無需光照和電源，機(jī)件牢固，安全可靠，造價低廉，集機(jī)械式、電子式密碼鎖具優(yōu)點(diǎn)為一體，具有較好的市場發(fā)展前景和技術(shù)應(yīng)用價值。2系統(tǒng)設(shè)計方案研究 方案論證 發(fā)射模塊的方案使用NEC編碼格式紅外線遙控編碼芯片uPD6122G等作為主芯片再加上外圍電路完成發(fā)射部分，或直接購買紅外線遙控編碼芯片的遙控器成品作為系統(tǒng)的發(fā)射部分。因?yàn)槭羌t外線遙控編碼專用芯片，其內(nèi)部已經(jīng)集成了按鍵檢測、處理和紅外編碼模塊。而且無須編程，使用十分方便。故市面上的絕大多數(shù)的紅外遙控器都是使用類似的方案，可見這方面的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。在抗干擾能力上，因?yàn)闆]有涉及到軟件，故其抗干擾能力強(qiáng)。 接收模塊的方案發(fā)射模塊使用型號為HZFT007的車載MP3紅外遙控器因?yàn)樗鼈兌际遣捎肗EC編碼格式的紅外遙控芯片作為主要芯片；使用一體化紅外接收頭HS0038和單片機(jī)STC89C52RC結(jié)合的方式完成接收解碼模塊，學(xué)習(xí)識別NEC編碼格式的不同遙控器；使用LCD1602A實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示模塊。這樣的選擇使系統(tǒng)在較低成本的情況下較好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且系統(tǒng)有著較高的抗干擾性和穩(wěn)定性。按鍵uPD6122GHS0038MCU報警模塊LCD1602電磁鎖NEC編碼遙控器 選用方案系統(tǒng)框圖 方案的比較及確定本設(shè)計的重點(diǎn)在于遙控解碼，遙控解碼的方式有硬件解碼與軟件解碼。方案一：硬件解碼。硬件解碼：在接受遙控的一邊可以連接一個專用解碼芯片，只要按鍵盤上的鍵值，它就能直接把這個鍵值解碼出來并存儲，當(dāng)你調(diào)用這個鍵值的時候只要從里面去讀取就行了，所以它的解碼率高，讀取顯示簡單，這是它的優(yōu)點(diǎn)。可是該芯片價格昂貴，而且只能解碼對應(yīng)的遙控器，兼容性差，成本昂貴，不適合用作市場量產(chǎn)。方案二：軟件解碼。軟件解碼：根據(jù)遙控器選擇的芯片不同，其遙控碼格式也有不同?，F(xiàn)在市場上主要有日本的NEC標(biāo)準(zhǔn)和飛利浦標(biāo)準(zhǔn)，通過軟件的方式解碼時解碼的正確率就是一個很重要的指標(biāo)了。在單片機(jī)編程的時候是選擇用執(zhí)行效率高的匯編語言還是選用可讀性編寫容易的C語言呢？不可否認(rèn)匯編的執(zhí)行效率是C語言的幾倍甚至幾十倍，而且誤碼率低，可是如果選擇匯編的話編寫難度可想而知，可是如果用C語言編寫的話誤碼率及實(shí)時性又會變得比較差。綜合以上考慮，如果我們能夠在解碼這部分用匯編，而顯示及控制這部分用C語言編寫的話，就能較好的完成我們預(yù)期的目標(biāo)。因此我選用了兩塊C52單片機(jī)芯片，一塊負(fù)責(zé)紅外解碼，一塊負(fù)責(zé)顯示與控制。事實(shí)證明，我的選擇和預(yù)想中的一樣，很好的解決了匯編與C語言難以共存的問題?；谏鲜霰容^，我們選擇了方案二，采用匯編與C語言共同的軟件解碼方式。方案一：采用數(shù)字電路控制。用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設(shè)了9個用戶輸入鍵，其中只有4個是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時間超過10秒（一般情況下，用戶不會超過10秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報警20秒，若電路連續(xù)報警三次，電路將鎖定鍵盤2分鐘，防止他人的非法操作。采用數(shù)字電路設(shè)計的方案好處就是設(shè)計簡單但控制的準(zhǔn)確性和靈活性差。故不采用。方案二：采用一種是用以STC89C52為核心的單片機(jī)控制方案。選用單片機(jī)STC89C52 作為本設(shè)計的核心元件，利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能。在單片機(jī)的外圍電路外接輸入鍵盤用于密碼的輸入和一些功能的控制，外接LCD1602顯示器用于顯示作用。： 單片機(jī)控制密碼鎖原理圖可以看出方案二控制靈活準(zhǔn)確性好且保密性強(qiáng)還具有擴(kuò)展功能，根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活的需要此次設(shè)計采用此方案3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 紅外通訊原理紅外遙控是單工的紅外通信方式，本設(shè)計的紅外遙控采用以通信方式為基礎(chǔ)的紅外遙控，而且本設(shè)計也使用了紅外通信技術(shù)，故著重分析紅外通信的基本原理。紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對一個紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測器進(jìn)行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。紅外線是波長在 750nm至1mm之間的電磁波[5]，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在 25um之間。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）成立后，為了保證不同廠商的紅外產(chǎn)品能夠獲得最佳的通信效果，紅外通信協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長的范圍限定在 850 至 900nm之內(nèi)。紅外通信的基本原理[6]是發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖串信號（載波信號） ，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。常用的有通過脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制（PWM）和通過脈沖串之間的時間間隔來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（PPM）兩種方法。脈時調(diào)制（PPM）[7,8,9,10]是紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)和國際電子電工委員會(IEEE)都推薦的調(diào)制方式，本設(shè)計采用脈時調(diào)制方法，即用兩個脈沖串之間的時間間隔來表示二進(jìn)制信息，數(shù)據(jù)比特的傳送仿照不帶奇偶校驗(yàn)的RS232 [8]通信，首先產(chǎn)生一個同步頭，然后接著 8 位數(shù)據(jù)比特。如圖 。圖 PPM 調(diào)制波形圖普通的紅外遙控采用面向指令的幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)幀由同步碼，地址碼和指令碼組成，指令碼長度多為 8～16 個比特，傳送多字節(jié)遙控協(xié)議時效率偏低，而增加指令碼的長度不利于接收器同步，為此本設(shè)計選用一種面向字節(jié)的幀結(jié)構(gòu)，采用類似于異步串行通信的幀結(jié)構(gòu)，每幀由一個起始位（二進(jìn)制數(shù) 0） 、8 個數(shù)據(jù)位和 2 個停止位（二進(jìn)制數(shù) 1）構(gòu)成，如圖 所示。每幀傳送 1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，幀與幀間隔大于 2ms，幀結(jié)構(gòu)不含地址信息，尋址問題由高層協(xié)議解決[8]。圖 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)示意圖由于紅外光存在反射,在全雙工的方式下發(fā)送的信號也可能會被本身接收，因此，紅外通信應(yīng)采用異步半雙工方式，即通信的某一方發(fā)送和接收是交替進(jìn)行的。 NEC編碼格式介紹本系統(tǒng)使用的型號為HZFT007的車載MP3紅外遙控器，它們主要芯片都是NEC編碼格式的紅外遙控芯片。NEC編碼廣泛應(yīng)用于電視機(jī)，DVD，PC電腦，音響等，是比較常用的一種紅外編碼格式。下面以NEC編碼標(biāo)準(zhǔn)的紅外編碼芯片uPD6122G作為例子介紹。NEC遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中的前十六位是用戶碼，后16位為8位的數(shù)據(jù)碼及其反碼。（或稱起始碼）。而且第二段的用戶碼也可以在遙控應(yīng)用電路中被設(shè)置為第一段用戶碼的反碼。 幀結(jié)構(gòu)NEC編碼標(biāo)準(zhǔn)是以用不同脈沖的時間間隔來區(qū)分‘0’和‘1’的，、‘0’；、‘1’。 脈沖波形圖： 晶振時各代碼所占時間uPD6122G按鍵輸出有兩種方式：一種是每次按鍵都輸出完整的一幀數(shù)據(jù)；另一種是按下按鍵不松開時，發(fā)送完整的一幀數(shù)據(jù)后再發(fā)送重復(fù)碼，直到按鍵被松開。 按鍵輸出波形接收解碼的關(guān)鍵是如何識別‘0’和‘1’，本系統(tǒng)使用的是一體化紅外接收頭進(jìn)行紅外信號接收，在沒有信號的時候其輸出端是高電平，而有信號的時候是低電平，所以其輸出信號電平正好和遙控發(fā)射端相反。從上面的討論可以發(fā)現(xiàn)在遙控發(fā)射端‘0’和‘1’，不同的是低電平的寬度，‘0’，‘1’，所以必須根據(jù)低電平的寬度區(qū)別‘0’和‘1’。本系統(tǒng)用中斷的方式實(shí)現(xiàn)從接收頭到MCU的信號傳輸。如圖9所示，紅外接收頭的輸出端連接到單片機(jī)的INT0腳。單片機(jī)響應(yīng)中斷并進(jìn)行信號的接收解碼。解碼后的信號就變成相應(yīng)的遙控器按鍵代碼，從而可以成為密碼鎖的密碼。接收頭HS0038MCUINT0 中斷接收示意