【文章內(nèi)容簡介】 。 35 畢業(yè)論文（設(shè) 計） 成績評定表 52 1 1 緒論 引言 鎖是 置于可啟閉的器物上 ,用以關(guān)住某個確定的空間范圍或某種器具的 ,必須以 鑰匙或暗碼打開的扣件。 鎖具發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年的歷史了， 人們對它的結(jié)構(gòu)、機理也研究得很透徹，因此，不用鑰匙就能打開的方法和工具也層出不窮。現(xiàn)代人類文明社會里，由于社會中各種矛盾沖突十分劇烈 ，人們的思想道德觀念，價值觀念，文化修養(yǎng)水平等差異，群眾中良莠不齊，善良的人們能夠自覺規(guī)范自已的行為， “ 非禮不為 ” ，雖無鑰匙亦不會亂闖。然而，那些毫無道德觀念的盜賊卻想方設(shè)法利用高科技手段撬門開鎖，使廣大居民防不勝防。 為什么會出現(xiàn)這種情況呢？因為傳統(tǒng)鎖具都存在致命的弱點： 第一、 鎖芯采用常見的銅、鋁、鋅等材料，抵抗不了強力破壞； 第二、 鎖具制作工藝，技術(shù)落后，無法阻止技術(shù)手段的開啟。 目前，市場上很多國內(nèi)外的鎖具，實際上都不具備真正的防盜功能。在慣偷面前，兩根鋼絲或幾件簡單的工具就可以把這 些鎖打開，有的慣偷甚至公開揚言： “ 沒有我打不開的鎖。 ” 其實，不是他們多高明，而是一般鎖具技術(shù)原理太過簡單。面對這一殘酷的現(xiàn)狀，新時代提出了鎖具必須革命的迫切的要求。 隨著社會科技的進步，鎖已 發(fā)展到了密碼鎖、磁性鎖、電子鎖、激光鎖、聲控鎖等等。在傳統(tǒng)鑰匙的基礎(chǔ)上，加了一組或多組密碼，不同聲音，不同磁場，不同聲波，不同光束光波，不同圖像。 （ 如指紋、眼底視網(wǎng)膜等）來控制鎖的開啟。 從而大大提高了鎖的安全性，使不法之徒 無從下手， 人們 也就 能對自身財產(chǎn)安全有了更多的保障 。 本設(shè)計就是其中的一種，紅外遙控電子密碼鎖。 本 設(shè)計 是利用紅外傳輸為途徑，方便遠(yuǎn)距離開鎖，不用像傳統(tǒng)鎖那樣一定要將鑰匙插進鎖里才能開啟；利用單片機來隨機產(chǎn)生密碼并加密，防止了在開鎖時被人中途攔截了密碼信息而復(fù)制出另外的鑰匙來，這是因為密碼是隨機產(chǎn)生的，每次開鎖的具體密碼均是不一樣的，所以就算竊取了上次開鎖的密碼也是不能將鎖打開。 本設(shè)計的最大特點就在于采用了雙單片機的雙向通訊，密碼是在鎖與鑰匙兩邊均有加密的，從而杜絕了開鎖信息被盜取的可能性。 該 設(shè)計 具有使用方便、操作簡單、價格低廉等特點，特別適用于那些正常人體不宜接近的特殊場合，比如高輻射區(qū)、高傳染區(qū)等。 2 紅外通信基本原理 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)實現(xiàn)兩點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，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是發(fā)送端將基帶二進制信號調(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現(xiàn)信號調(diào)制的脈時調(diào)制（ PPM）兩種方法。脈時調(diào)制（ PPM）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制信息，數(shù)據(jù)比特的傳送仿照不帶奇偶校驗的 RS232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 11所示。 圖 11 PPM調(diào)制波形圖 載波信號的頻率 f=38KHz，載波周期 T=，本設(shè)計使用單片機軟件產(chǎn)生載波，取 T=26us，脈沖寬度 t1=10T=260us，二進制數(shù) 0的脈沖串周期 t2=500us，二進制數(shù) 1的脈沖串周期 t3=1000us。 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 3 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（二進制數(shù) 0）、 8個數(shù)據(jù)位和 2個停止位（二進制數(shù) 1）構(gòu)成，如圖 28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。 圖 22 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)送和接收是交替進行的。 設(shè)計要求 基本要求 ⑴ 通過紅外遙控 ， 單片機之間的串口通信來實現(xiàn)近距離遙控開鎖。 ⑵ 利用軟件來加密和解密，加強密碼的安全性 。 ⑶ 鎖和鑰匙要成配套 ， 不同套之間的鑰匙和鎖不 能 使用。 ⑷ 要有鑰匙丟失之后 ， 可將該鑰匙報廢的功能。 說明 ⑴ 紅外通信元件不限 ，其安裝位置及安裝方式自定。 ⑵ 紅外傳輸要有 1M 以上的距離 。 ⑶ 單片機類型不限，經(jīng)濟實用，性價比高為上 。 ⑷ 單片機內(nèi)的序列號是產(chǎn)品在出廠時就已經(jīng)設(shè)定，無法更改。 2 系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，本設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 4 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 通信接口組成及工作原理 通信接口電路是連接前臺計算機和紅外鑰匙、紅外遙控門鎖的的通信橋梁。它通過一個 RS232串行通信接口將紅外鑰匙和 紅外遙控 門鎖連接 到計算機。其結(jié)構(gòu)框圖如圖22： RS232C標(biāo)準(zhǔn)是最簡單最常用的串行通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)是美國電氣工業(yè)協(xié)會(EIA)1969制訂的。 RS232C標(biāo)準(zhǔn)傳輸信號采用 RS232C 圖 22 通信接口結(jié)構(gòu)框圖 邏輯電平，與 TTL（ 0～ 5V）、 CMOS（ 0～ 15V）邏輯電平完全不同：邏輯 0電平規(guī)定為+5V～ +15V之間，邏輯 1電平為 5V～ 15V之間，因此，一般使用專用芯片把微處理器信號電平 (TTL電平 ) 轉(zhuǎn)換為 RS232C電平。該 標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率只能達到 20kb/s,最大傳輸距離15m。 RS232C通信口與計算機連接常用 DB25插座和 DB9插座，其接口連線分三種：信號線、握手線與地線。 RS232C通信握手方式有兩種：硬件握手和軟件握手，常用的近距離通信采用軟件握手方式，三根數(shù)據(jù)線和地線就可以連接起來通信。 紅外鑰匙（從機）組成及工作原理 紅外鑰匙是紅外遙控密碼鎖的遙控器部分，紅外鑰匙內(nèi)部存儲了 本套系統(tǒng)的序列號 、注冊 及 加 密 方法 等信息。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 23： 計算機 通信接口 紅外遙控門鎖（主機） 紅外鑰匙（從機） 計算機通信 接 口 RS － 232接 口 紅外鑰匙讀寫接口 紅外遙控門鎖讀寫接口 5 圖 23 紅外鑰匙結(jié)構(gòu)框圖 紅外鑰匙采用軟件編碼方式，取代傳統(tǒng)的專用芯片編碼。在待機狀態(tài)下，整個紅外鑰匙系統(tǒng)工作在完全掉電方式，當(dāng)有鍵盤按下，系統(tǒng)上電工作， 發(fā)射一個信息給主機，然后接收了主機發(fā)過來的隨機密碼信息，再將接收到的休息加密經(jīng)紅外線調(diào)制后發(fā)射出去。 紅外遙控門鎖（主機）組成及工作原理 紅外遙控門鎖是整套系統(tǒng)的主控部分，其內(nèi)部包含了本套系統(tǒng)的序列號及其識別方法、注冊信息、隨機密碼的產(chǎn)生機制和解密從機密碼及郊驗等信息。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2－4： 圖 24 紅外 遙控門鎖 結(jié)構(gòu)框圖 待機狀態(tài)下，紅外遙控門鎖系統(tǒng)工作在完全掉電狀態(tài)，整個系統(tǒng)除了實時時鐘電路和紅外檢測開關(guān)外，均不加電。當(dāng)有檢測到有紅外線時，打開電控開關(guān)，系統(tǒng)上電工作，開始接收紅外線數(shù)據(jù)。 收到信息后就產(chǎn)生一個隨機數(shù)發(fā)送給從機，當(dāng)接收到經(jīng)過從機將發(fā)過去的隨機數(shù)與本套系統(tǒng)序列叫加密后的信息，就解密并檢驗解密后的序列號是否正確，否就繼續(xù)等待，是就通過。 紅外鑰匙（從機）與紅外遙控門鎖 （主機） 之間的通訊協(xié)議 第一步：從機：“我來了”； 主機：“誰啊”＋ m1（隨機數(shù)） ； 單 片 機 數(shù)據(jù)存儲 紅外發(fā)送 紅外接收 軟件 看門狗 單 片 機 數(shù)據(jù)存儲 軟件 看門狗 紅外發(fā)送 紅外接收 顯示 開鎖驅(qū)動 6 第二步：從機： m1 與序列號（一套鑰匙與鎖唯一且獨一的固定號碼，出廠時固加硬件上的）加密后得到 N1,發(fā)數(shù) N1； 主機： N1 與 m1解密后得到序列號，比較序列號是否相同，不同繼續(xù)等待握手，相同時，發(fā)送“密碼”＋ m2（隨機數(shù)）； 第三步：從機： m2 與密碼加密后得到 N2,發(fā)送 N2； 主機： N2 與 m2 解密后得到密碼，密碼相同則繼續(xù)，不同繼續(xù)等待握手，相同時發(fā)送“新的密碼”＋新的密碼； 第四步：從機：保存密碼，將密碼再返回給主機； 主機：密碼對了，發(fā)送“結(jié)束”，開鎖；不 對，再發(fā)送密碼； 從機：結(jié)束。 注冊協(xié)議： 第一步：同上； 第二步：不同時同上；相同時，發(fā)送“注冊啦”＋密碼； 第三步：從機：保存密碼，將密碼返回給主機； 主機：密碼對了，注冊完畢，發(fā)送“結(jié)束 ”，不對重發(fā)。 3 方案選擇和論證 紅外編碼和發(fā)射模塊 方案一：專用芯片解決方案。 專用紅外編碼芯片種類很多，如日本三菱公司的 M50426AP、 PT226 BL914 ZD6631等，此類芯片一般集載波振蕩、編碼、發(fā)射于一體，具有很強的抗干擾能力，外圍電路簡單，使用很方便 ，而且價格也很低。通用的遙控器上大多使用此類專用芯片。 但是，專用芯片也有致命的弱點：專用芯片的應(yīng)用靈活性很差，其內(nèi)部編碼已經(jīng)固定，無法修改內(nèi)部數(shù)據(jù)，不適用于經(jīng)常需要改動傳送數(shù)據(jù)的場合；專用芯片幾乎都是面向指令型的編碼遙控方式，傳輸效率較低；大多數(shù)的專用芯片的內(nèi)部編碼及技術(shù)數(shù)據(jù)已經(jīng)公諸于世，會產(chǎn)生安全漏洞。 方案二：微處理器與專用芯片組合解決方案，見圖 31。 7 圖 31 PT2262紅外編碼發(fā)射電路 該方案由微處理器與專用編碼芯片 PT2262組合完成編碼工作，載波產(chǎn)生由 MC4011與38KHz晶振 一起構(gòu)成，振蕩產(chǎn)生 38KHz方波。 PT2262的功能是讓待發(fā)射數(shù)據(jù)以 6位為一體的方式并行發(fā)出。 PT2262把 6位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，減輕編程負(fù)擔(dān)，使傳輸速度更快。 PT2262的 A6/D0～ A11/D5共 6個復(fù)用端口全部用作數(shù)據(jù)口，則 PT2262自動把微處理器送出的 6位數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)從 Dout口發(fā)出。 該方案可由微處理器任意制定密碼位數(shù)、編碼解碼算法和同步信號，大大提高了數(shù)據(jù)保密度。其缺點是由于使用了 PT2262，增加了硬件成本和電路復(fù)雜性。 方案三：微處理器單獨解決方案。電路如圖 42所示。 1KR4RPotQ22N3906Q12N3906VCCDS3LED0PL2 TX2KR3Res12KR7Res1 圖 32 軟件編碼發(fā)射電路 該方案使用微處理器的 I/O口直接產(chǎn)生 38KHz已調(diào)波，驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，發(fā)射紅 8 外數(shù)據(jù)。 38KHz方波由 CPU的定時器產(chǎn)生或由軟件編程產(chǎn)生。 紅外編碼工作由軟件完成，因此，紅外編碼方案可以任意設(shè)計，外部只需配接非常簡單的硬件電路，大大降低了了電路的復(fù)雜性，有利于降低成本，減小遙控器的體積。 由于使用軟件編碼方案，占用了 CPU的一定的時間， CPU處理速度 受到一定的影響，但是，對于遙控器這一類功能比較單一的系統(tǒng)來說，處理任務(wù)比較少，根本影響不了 CPU的處理效率，僅僅是增加了 軟件編程的負(fù)擔(dān)。 經(jīng)比較，方案三既可滿足題目要求，電路又非常簡單，硬件成本又很低，僅僅是增加了軟件的編程負(fù)擔(dān)，使得紅外編碼非常靈活，所以采用該方案。 紅外解碼和接收模塊 方案一：分立元件解決方案，電路如圖 33所示。 圖中 RD1為紅外接收管； R R4， VT1構(gòu)成反相放大器； VT R C2構(gòu)成濾波器，濾掉 38KHz的高頻載波； R R VT3構(gòu)成整形電路， 圖 33 低電壓紅外接收電路 將濾波后的波形處理為較好的方波； C C3為耦合電容； R2為限流電阻，當(dāng)接收到較強的信號是保護 VT1。 該方案最大的優(yōu)點是供電電壓比較低，可用兩節(jié)電池 3V電壓供電。 但是，由于電路使用分立元件構(gòu)成，其穩(wěn)定性和抗干擾能力不高，影響紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。 方案二：集成電路解決方案，電路如圖 34所示。 該方案使用一體化紅外接收器，集紅外接收和放大于一體，不需任何外接元件，就能完成從紅外接收到輸出與 TTL電平兼容的所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣。 9 123P3紅外 一體化VCCRX10KR10Res1 圖 34 TL1838接收電路 TL1838一體化接收頭的簡介： TL1838的管腳分布如圖 45所示， 2腳、 3腳分別為地電源和地， 1腳 是解調(diào)信號輸出，其電平與 TTL兼容。 TL1838系列特性如下： 38KHz 寬電壓一體紅外接收頭 作電壓： ～ 工作電流： 距離： 15M 頻率： 38K 角度： 177。45176。 波長： 940nm 鐵殼：有 TL1838是黑色環(huán)氧聚光透鏡，濾除了可見光的干擾。內(nèi)含紅外線 PIN接收管、選頻放大器和解調(diào)器。 當(dāng)紅外線發(fā)射器發(fā)出的信號經(jīng)空間傳送到 TL1838時，它內(nèi)部的 PIN紅外線接收管將紅外線轉(zhuǎn)換為電信號，該信號經(jīng)選頻放大、解調(diào)后由 1腳輸出與 TTL電平兼容的電信號，該信號可以直接送入微處理器進行 處理。 TL1838的輸出波形如圖 36所示。當(dāng)接收到頻帶內(nèi)的紅外信號時， TL1838接收器會輸出低電平，否則數(shù)據(jù)高電平，從而 “ 將時斷時續(xù) ” 的紅外信號解調(diào)成原來的連續(xù)方波信號。 圖 35 MK0038引腳圖 Figure35 TL1838 Pin Configuration 10 圖 36 (a) 已調(diào)制紅外信號 (b) TL1838輸出信號 TL1838的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，抗干擾能力很強，外圍電路非常簡潔，成本又不高，適用于各種紅外遙控和紅外數(shù)據(jù)傳輸，是替代其它紅外接收放大器的理想元件。 而且它的工作電壓是 ～ ，有效傳輸距離為 15M,是一款性價比很高的紅外一體化接收頭。 經(jīng)比較，方案二既可滿 足題目要求，電路又非常簡單，硬件成本又很低，通過軟件編程，使得紅外編碼非常靈活，所以采用該方案。 紅外鑰匙（從機）子系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)紅外遙 鑰匙（從機） 的功能需求和總體設(shè)計方案，建立紅外 鑰匙（從機） 的邏輯框圖，如圖 37所示。 紅外遙控器（鑰匙）的硬件特點： ? 硬件以美國 ATMEL公司的 AT89C2051為控制核心， DIP20封裝，體積小，功能齊全，工作電壓范圍 ～ 6V； （考慮到價格等因素，實驗用 AT89S52） ? 設(shè)置電壓監(jiān)控功能，當(dāng)電源電壓低于 ，產(chǎn)生一下下降沿脈沖，向單片機申 請電壓低中斷； ? 低功耗控制電路管理整個系統(tǒng)的電源，待機狀態(tài)下，低功耗控制電路關(guān)閉整個系統(tǒng)的電源，系統(tǒng)功耗幾乎為零； 11 圖 37 紅外遙控器邏輯框圖 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計 由于紅外鑰匙 （從機） 大部分時間工作的掉電狀態(tài)下，因此，有必要對紅外鑰匙 （從機） 正常工作所需的數(shù)據(jù)進行保護，例如紅外鑰匙 （從機） 本身的 序列號和加密程序 ，由于實驗所有的單片機內(nèi)存儲空間有限，所以 本設(shè)計采用了串行 EEPROM AT24C02，電路原理圖如圖 38所示。 圖 38 數(shù)據(jù)存儲電路 紅外鑰匙（從機）的加密程序和主機產(chǎn)生的密碼存放在 AT24C02 中，當(dāng)需要更改或讀取密碼時，只需對 AT24C02 里的數(shù)據(jù)更改或讀取。 該電路要注意的是 SCL、 SDA 必須加上一上拉電阻，阻值為 10K。 芯片介紹： AT24C01 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 I2C串行 E2PROM。它為可用電擦除、可編程只讀存 AT24C01 紅外接收 紅外發(fā)送 開關(guān)按鍵 看門狗 5V 電源 12 儲器，自定時寫周期，包括自動擦除時間不超過 10ms，典型時間為 5ms。芯片 至 6V的工作電壓，可擦寫 100 萬次，數(shù)據(jù)保存可長達 100 年， 提供 8腳 DIP 和 SOIC 封裝。AT24C01 允許在一個寫周期內(nèi)同時對 1字節(jié)到 1頁的若干字節(jié)進行編程寫入，一頁的大小取決于芯片內(nèi)寄存器的大小。