红外遥控密码锁的设计论文Word文档下载推荐.docx
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2.8电磁继电器(13)
2.8.1电磁继电器的工作原理和特性(14)
2.8.2电磁式继电器的主要参数(14)
2.9报警器(14)
3.软件程序设计(15)
3.1遥控发射部分(15)
3.2主机接收部分(16)
4.联合仿真和调试(17)
总结(19)
参考文献(20)
附录(21)
红外遥控密码锁的设计
学生:
王书平
张大雷
淮南师范学院:
电子与通信工程系
摘 要:
随着科学技术的不断发展,人们对日常生活中的安全保险器件的要求越来越高。
在日常的生活和工作中,住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。
若使用传统的机械式钥匙开锁,人们常需携带多把钥匙,使用极不方便,且用简单的机械工具就能很容易的把锁打开,在这种情况下密码锁应运而生。
本次设计一款由红外线控制的密码锁,它包括单片机STC89C52、4*4键盘矩阵、红外接收头、蜂鸣器等,通过红外发射电路、红外接收电路进行数据传送以实现远程开锁、修改密码、报警等功能,满足现代人们方便、智能化的需求。
关键词:
单片机;
红外;
遥控;
密码锁
Designofinfraredremotepasswordlock
Student:
WangShuping
Instructor:
ZhangDalei
HuainanNormalCollegeDepartmentofElectronicsandCommunication
Abstract:
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,peoplehavebecomeincreasinglydemandinginsuranceforthesafetydevicesindailylife.Inthedailylifeandwork,residentialsecuritysector,unitsofpaperfiles,financialstatements,aswellasthepreservationofsomeofthepersonalinformationofmorethanlockingapproachtosolve.Traditionalmechanicalkeytounlock,peopleoftenneedtocarrymultiplekeys,veryinconvenienttouse,andwithasimplemechanicaltoolcaneasilyopenthelock,passwordlockcameintobeinginthiscase.
Thedesignisacombinationlockcontrolledbyinfrared,includingthemicrocontrollerSTC89C52,4*4keyboardmatrix,infraredreceiver,buzzer,throughinfraredtransmittercircuit,infraredreceivercircuitfordatatransmissiontoremoteunlock,changepasswordsalarmandotherfunctionstomeetthemoderndemandforintelligentpeople.
Keywords:
MCU;
Infrared;
Remotecontrol;
Passwordlock
前言
现代锁具发展了一百多年,人们对它的结构、机理也研究得很透彻,因此,不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。
现代人类文明社会里,由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈,人们的思想道德观念,价值观念,文化修养水平等差异,群众中良莠不齐,善良的人们能够自觉规范自己的行为,“非礼不为”,虽无钥匙亦不会乱闯。
然而,那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁,使广大居民防不胜防。
为什么会出现这种情况呢?
因为传统锁具都存在致命的弱点:
第一、锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料,抵抗不了强力破坏;
第二、锁具制作工艺,技术落后,无法阻止技术手段的开启。
目前,市场上很多国内外的锁具,实际上都不具备真正的防盗功能。
在惯偷面前,两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开,有的惯偷甚至公开扬言:
“没有我打不开的锁。
”其实,不是他们多高明,而是一般锁具技术原理太过简单。
面对这一残酷的现状,新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求。
20世纪70年代,随着微电子技术的应用,出现了磁控锁、声控锁、超声波锁、红外线锁、电磁波锁、电子卡片锁、八佰指纹锁、视网膜锁、遥控锁等。
这些锁具有机械结构所无法比拟的高保密性能。
现代锁还可在特定的系统中、按设定的逻辑关系实现系统的程序控制。
1.密码锁:
是通过密码来开锁,主要用于保险柜这类安全性较高的锁。
2.感应锁:
IC卡锁:
又分接触式IC卡锁与非接触式。
接触式的要将卡插锁锁缝,将芯片锁的内部读卡器接触;
非接触式就是不用这一过程,只需要将卡与锁的读卡器靠在一起就可以。
电磁锁:
应用电磁原理制成,电磁力达几百公斤,上锁状态下,一般人根本无法拉开。
致命点,停电就无法关门,故一般用在有人值守的通道门,用于房间门需与机械锁配套使用。
3.生物锁:
是生物识别技术发展,出现了使指纹锁,掌纹锁,视网膜锁。
虽然现代智能锁的安全及可靠性较以前机械式已有很大提升,但仍然存在不安全因素。
例如:
磁卡锁的问题是信息容易复制,卡片与读卡机具之间磨损大,安全系数低。
同时产品由于大多采用读卡部分与控制部分合在一起安装在门外,很容易被人在室外打开锁。
而红外遥控密码锁克服了这几个缺点,同时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,因而得到了更加广泛的应用。
目前,和西方发达国家相比,我国的电子密码锁技术还相对落后。
在西方发达国家,电子密码锁的种类已经很齐全,技术也比较先进,且在各个领域得到了广泛应用。
在我国,电子密码锁技术却才相当于国际上七十年代的水平,相对来说还很落后。
20世纪80年代以来,随着各种电子集成电路的出现,特别是单片机的面世,电子密码锁得到了很大的发展。
相对于笨重而构造简单的传统机械锁来说,电子密码锁具有体积小,可靠性高的优势。
但是就目前而言,电子密码锁的价格相对较高且需要有电源提供能量,使得其使用还局限在一定范围,特别是在国内,各种条件的制约使得电子密码锁暂时难以普及。
尽管电子密码锁还存在着一些缺陷,但是其安全性高、方便易用、能够智能报警的优势却是传统钥匙锁取代不了的,而且随着电子信息技术的发展和各种电子器件的价格的不断降低,电子密码锁也将往低成本、多功能的方向发展。
1.系统整体设计任务及要求
1.1概述
利用单片机AT89C51、红外发光二极管、3*4键盘矩阵、红外接收头、蜂鸣器等设计一个红外遥控密码锁。
该系统硬件部分由红外发射电路、红外接收电路、复位电路、晶振电路、数码显示电路、报警电路、开锁指示灯电路组成,系统能完成本机、红外遥控开锁、修改用户密码等基本的密码锁的功能。
1.2密码锁的主要功能
a设定密码:
在该设计中设定了一组原始密码:
123456,用户可以通过主机矩形键盘的修改键来修改原始密码。
b密码输入有效显示:
为了确信是否有键按下以及防止密码外泄,在电路中设置了数码管显示,即在显示时并不是显示用户按下的数字符号,而是在输入一位时,数码管则显示一个字符“H”,这样既巧妙地提醒了用户又保护了用户密码。
c错误报警:
当用户输入的密码连续三次出现密码错误时,系统会长期报警不止,这时必须按复位方可停止。
d遥控开锁:
用户可以不必在主机上输入,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。
1.3设计要求
1.根据设计绘出原理图;
2.使用5V供电电源;
3.使用仿真软件对设计电路进行仿真;
4.将KEIL和PROTEUS联合仿真、调试,查看是否实现所有功能;
5.利用仿真电路对设计任务进行逐一测试。
1.4系统结构
本设计系统主要由单片机芯片、矩阵键盘、LCD数码显示模块、掉电存储模块、报警机构和开锁机构组成。
图1系统总框图
2.红外遥控锁硬件电路设计方法及原理
2.1红外遥控系统
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。
图2红外遥控系统
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。
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。
遥控发射:
遥控发射器主要由AT89C51单片机、红外发射二级管、矩形键盘、数码显示管及复位电路等组成。
该部分的结构图如图1-1所示。
图3红外遥控发射系统
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。
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)两种方法本次设计采用脉宽调制方式。
二进制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的间断脉冲串,此脉冲串即是用于红外发射二极管发送的信号。
现以日本的NEC的UPD6121G组成发射电路为例说明编码原理,当发射器按键按下以后即有遥控码发出,所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码具有以下特征:
采用脉宽调制的串行码,以脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;
以脉宽为0.56ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”,其波形如图所示。
图4遥控码的“0”和“1”
上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38KHZ的载频进行二进制调制以提高发射频率,达到降低电源功耗的目的,然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。
UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进制编码组,其中前16位为用户识别码,能区别不同的电器设备,防止不同机种遥控码互相干扰。
该芯片的用户识别码固定为16进制01H;
后16位为8位操作码及其反码。
UPD6121G最多有128种不同组合的编码。
遥控器在按键按下后,周期性发出同一种32位二进制码,周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同,大约在45~63ms之间。
图5遥控连发信号波形
控制接收:
主机接收部分主要由AT89C51单片机、红外接收头、矩形键盘、数码显示管、MAX7221、报警器、电磁锁及复位电路等组成。
该部分的结构图如图1-2所示。
图6本机接收及受控系统
红外接收信号的解码:
接收信号的解码是根据红外线接收器输出脉冲帧的格式来进行解码的,即用累加器A分别对符合条件的负跳变脉冲进行计数。
当红外线接收器输出脉冲帧数据时,第一位码的低电平将启动中断程序,实时接收数据帧。
在接收数据帧时,根据发射帧的格式将对第一位(起始码)的码宽进行验证。
若第一位低电平码的脉冲宽小于2ms,将作为错误码处理。
当间隔位的高电平脉冲大于3ms时,结束接收,然后根据累加器A中的脉冲个数,执行相应的操作。
2.2单片机AT89C51简介
2.2.1主要特性
在本设计中,是以AT89C51单片机为核心的。
AT89C51单片机是由ATMEL公司推出的AT89系列的单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C51是它的一种精简版本。
引脚排练如图所示。
它的性能与主要特点如下:
(1)与MCS-51微控制器产品系列兼容.
(2)片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器(FlashMemory)。
(3)存储器可循环写入/擦除1000次。
(4)宽工作电压范围:
Vcc可为2.7V-6V。
(5)128×
8位内部RAM。
(6)32条可编程I/O线。
(7)两个16位定时器/计数器。
(8)中断结构具有5个中断源和2个优先级。
(9)可编程全双工串行通道。
(10)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
图7AT89C51的引脚排列
2.2.2管脚说明
主要引脚的具体描述如下:
Vcc:
电源。
提供掉线、空闲、正常+5V工作电压。
Vss(GND):
接地。
P0口:
P0口可以作普通的双向I/O口使用,也可以在访问外部存储器时用作低8位地址线和数据总线。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,向P2口管脚写入1后,被内部上拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时,被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。
P2口:
P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,向P2口管脚写入1后,被内部上拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。
在访问外部程序存储器和外部数据存储器时,可作为地址总线的高位字节。
P3口:
也是一个双向功能口既可以作普通输入输出口使用,也可以按每一位的定义实现第二功能操作。
P3口的第二功能如表所示:
口线
第二功能
信号名称
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
/INTO
外部中断0
P3.3
/INT1
外部中断1
P3.4
T0
定时器/计数器0
P3.5
T1
定时器/计数器1
P3.6
/WR
外部数据存储器写选通
P3.7
/RD
外部数据存储器读选通
表1P3口的第二功能
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6,因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
2.2.3芯片可擦除性
AT89C51单片机还具有芯片擦除性,整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
2.3单片机最小系统设计
2.3.1单片机的电源电路
电源电路由桥式整流,滤波电容,7805稳压器及电源指示灯组成。
交流电经过桥式整流变成直流电,再经过电容滤波。
7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源。
用一个发光二级管指示灯指示电源状态。
电源电路如图所示:
图8电源电路
2.3.2复位电路
单片机复位时RESET需要保持96个晶振周期的高电平(即需8个机器周期)。
复位以后P0─P3口输出高电平,堆栈指针SP指向07H,其他特殊功能寄存器和程序计数器PC清零。
只要RESET保持高电平,AT89C51就会循环复位。
RESET当由高电平变为低电平后,单片机从程序存储器0地址开始执行程序。
但单片机复位不影响内部RAM的状态,包括工作寄存器R0─R7。
图9复位电路
2.3.3晶振电路
所谓的晶振电路即指单片机的时钟电路。
该电路通常有内部时钟电路和外部时钟电路。
一般选用前者。
单片机芯片内部有一个反相放大器构成的振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1输出端为XTAL2,把XTAL1和XTAL2与外部石英晶体及两个电容连接起来可构成一个石英晶体振荡器如图3-4所示。
时钟发生器是一个2分频电路。
它把晶体振荡器的频率2分频后供给片内其他电路。
一般电容C1和C2起到稳定振荡频率、快速起振的作用。
图10晶振电路
2.4红外发射装置
常用的红外发光二极管(如SE303.PH303),其外形和发光二极管LED相似,发出红外光。
管压降约1.4v,工作电流一般小于20mA。
为了适应不同的工作电压,回路中常常串有限流电阻。
本设计中采用的PH303型号的红外发光二极管。
发射红外线去控制相应的受控装置时,其控制的距离与发射功率成正比。
为了增加红外线的控制距离,红外发光二极管工作于脉冲状态,因为脉动光(调制光)的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比,只需尽量提高峰值电流,就能增加红外光的发射距离。
提高峰值电流的方法是减小脉冲占空比,即压缩脉冲的宽度。
减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。
要使红外发光二极管产生调制光,只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。
红外发射电路如图所示:
图11红外发射电路
2.5红外接收装置
常用的红外接收装置有如红外接收二极管,光电三极管等。
实用中已有红外发射和接收配对的二级管。
在本设计中采用红外一体化接收头HS0038。
它有如下优点:
一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身,并且输出可以让单片机识别TTL信号,这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作,方便使用。
接收头连接图及红外接收电路图如图所示:
HS0038黑色环氧树脂封装,不受日光、荧光灯等光源干扰,内附磁屏蔽功耗低灵敏度高。
在用小功率发射管发射信号情况下,其接收距离可达35m。
它能与TTL、COMS电路兼容。
HS0038为直立侧面收光型。
它接收红外信号频率38KHZ,周期约26μs,同时能对信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号。
三个管脚(1、2、3)分别是地、+5V电源、解调信号输出端。
图12红外接收头图13红外接收电路
2.63*4矩阵键盘
在单片机运用系统中,经常使用简单的键盘和BCD拨码盘作为系统的输入。
键盘由一组常开的按键组成,可以通过键盘输入数据或命令。
每个按键都被赋予一个代码,称为键码。
键码分为编码键盘和非编码键盘。
编码键盘是通过一个编码电路识别闭合键的键码,而非编码键盘是通过软件来识别键盘的。
通常因由于机械触点的弹性作用,触点在闭合和断开瞬间的电接触情况不稳定,造成了电压信号的抖动现象,键抖动的时间一般为5—10ms。
为了避免一次闭合引起CPU多次处理,通常回采取去抖动措施。
非编码键盘有独立式键盘和行列式(矩阵)键盘。
由于前者在按键较多时会站用较多的I/O口,因此采用行列式(矩阵)键盘。
矩阵键盘及其接口:
行列式键盘又叫矩阵键盘,是将I/O线的一部分作为行线,另一部分作为列线,按键设置在行线和列线的交叉点上,它是通过检测键盘有无闭合以及查找闭合键的键号,一般采用扫描法。
在这里设计了一3×
4的矩阵键盘。
如图所示:
图143*4矩阵键盘
(1)先向所有的行线输出“0”,列线输出“1”,然后检测各列线的按键状态,由相应的列线读入累加器A中。
有键按下时,对应的列线输入“0”,无键按下时所有的列线输入“1”。
(2)若有键闭合,依次从行线上逐列输出“0”,然后依次检测各列线的状态。
若为“1”,说明闭合键不在该列,若有的为“0”则说明闭合键在该列与行线的交点上。
由于每个按键所有的行号与列号不相同,所以每个按键按行号加列号的值赋予了一个键号。
2.7数码管显示及驱动电路
单片机运用系统中,使用的显示器主要有LED,发光二级管显示器,和LCD液晶显示器。
这两种显示器成本低廉,配置灵活,与单片机接口方便。
它由7个发光二极管组成,这7个发光二极管A~G呈“日”字形排列,其结构及其连接如图所示:
图15LED数码显示管
LED数码管中的发光二极管有两种接法:
(1)所有发光二极管的阳极连接在一起,这种连接方法称为共阳极接法;
(2)所有发光二极管的阴极连接在一起,这种连接方法称为共阴极接法。
共阳极的LED为高电平时,对应的段码被点亮;
共阴极的LED为低电平时对应的段码被点亮。
一般共阴极可以不外接电阻,但共阳极中的发光二极管一定要外接电阻。
LED数码管的发光二极管亮暗组合实质上就是不同电平的组合,也就是为LED数码管提供不同的代码,这些代码称为字形代码。
LED显示器的字码段(7段码)如表所示:
字符
段码(共阴极)
段码(共阳极)
3FH
COH
9
6FH
90H
1
06H
F9H
A
77H
88H
2
5BH
A4H
B
7CH
83H
3
4FH
B0H
C
39H
C6H
4
66H
99H
D
5EH
A1H
5
6DH
92H
E
79H
86H
6
7DH
82H
F
71H
8EH
7
07H
F8H
P
73H
8CH
8
7FH
80H
熄灭
00H
FFH
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