基于AT89C51的紅外遙控密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.引言

目前國(guó)內(nèi)外密碼鎖系統(tǒng)的主要發(fā)展方向是：接觸式密碼鎖系統(tǒng)、非接觸式密碼鎖系統(tǒng)、智能識(shí)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)。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。采用數(shù)字信號(hào)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(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性，減少誤動(dòng)作，而且功率消耗低;紅外線不會(huì)向室外泄露，不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)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。

為此本方案設(shè)計(jì)由紅外接收頭HS0038(紅外接收頻率為38khz)和AT89C51控制的接收部分構(gòu)成;由紅外發(fā)光二極管和AT89C51控制的發(fā)射部分來(lái)完成密碼的發(fā)送過程。設(shè)計(jì)中使用電磁繼電器來(lái)代替所的功能，并且有兩個(gè)LED燈來(lái)對(duì)系統(tǒng)的按鍵和開鎖進(jìn)行指示。采用單片機(jī)進(jìn)行遙控系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有編程靈活多樣，電路結(jié)構(gòu)清晰。特別適合家庭、賓館、倉(cāng)庫(kù)、私家車庫(kù)等場(chǎng)所。

2.密碼鎖的總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心元件，該系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分構(gòu)成，遙控器發(fā)射模塊可以隨身攜帶，只要在接收器附近，即可遙控開鎖。遙控發(fā)射器主要由AT89C51單片機(jī)、紅外發(fā)射二極管、矩陣鍵盤及遙控開關(guān)電路組成。該部分的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

紅外遙控由發(fā)送和接收兩部分組成，發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖信號(hào)，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收采用性能可靠的配套的一體化紅外接收頭接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并進(jìn)行相關(guān)操作。

紅外線發(fā)射及接收控制電路均采用8051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，輸出控制方式可選擇，實(shí)用性強(qiáng)。圖2為發(fā)送與接收示意圖：

3.系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，是以AT89C51單片機(jī)為核心的。AT89C51單片機(jī)是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。AT89C51是一種功能強(qiáng)，靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各個(gè)控制領(lǐng)域。

3.1 紅外發(fā)射與接收裝置

這里采用紅外發(fā)光二極管如SE303·PH303,外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光(近紅外線約0.93um)。管壓降約1.4V,工作電流一般小于20mA.為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。發(fā)射紅外線去控制相應(yīng)的受控裝置時(shí)，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因?yàn)槊}動(dòng)光，也就是調(diào)制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值電流，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高峰值電流的方法，就是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度。減小脈沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動(dòng)管上加一定頻率的脈沖電壓。

本設(shè)計(jì)采用紅外一體化接收頭HS0038.HS0038將遙控信號(hào)的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機(jī)識(shí)別的TTL信號(hào)，這樣大大簡(jiǎn)化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計(jì)工作，方便使用。

3.2 紅外信號(hào)的編碼處理

3.2.1 紅外編碼

遙控器信息碼是由AT89C51單片機(jī)的定時(shí)器T1調(diào)制成38.5KHz紅外載波信號(hào)，不同的脈沖個(gè)數(shù)代表不同的操作碼信息，最少為兩個(gè)脈沖(采用兩個(gè))，其他信息碼的脈沖個(gè)數(shù)逐個(gè)遞增。為了使接收盡量可靠，第一位碼寬為3ms,其余為1ms,碼間距為1ms,遙控碼數(shù)據(jù)間隔大于10ms.遙控器上每個(gè)鍵都有唯一的一個(gè)鍵號(hào)，單片機(jī)通過查得按下鍵的鍵值發(fā)送約定個(gè)數(shù)的脈沖。

3.2.2 紅外接收信號(hào)的解碼

接收信號(hào)的解碼是根據(jù)紅外線接收器輸出脈沖幀的格式來(lái)進(jìn)行解碼的，即用累加器A分別對(duì)符合條件的負(fù)跳變脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)紅外線接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時(shí)，第一位碼的低電平將啟動(dòng)中斷程序，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)幀。在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，根據(jù)發(fā)射幀的格式將對(duì)第一位(起始)碼的碼寬進(jìn)行驗(yàn)證。若第一位低電平碼的脈沖寬小于2ms,將作為錯(cuò)誤碼處理。當(dāng)間隔位的高電平脈沖大于3ms時(shí)，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器A中的脈沖個(gè)數(shù)，判斷鍵盤輸入六位密碼是否與設(shè)定密碼相同，從而控制繼電器開鎖與否。圖3為紅外線接收器輸出的一幀遙控碼波形圖。

3.2.3 通信接口電路

計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通訊是采用串口通信方式，串口通信是現(xiàn)階段PC串口和設(shè)備之間的最簡(jiǎn)單也是應(yīng)用最廣泛的一種數(shù)據(jù)通信的方式。串口是計(jì)算機(jī)內(nèi)的通用設(shè)備通信的協(xié)議，采用RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸，完成溫度數(shù)據(jù)和控制指令傳輸。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 遙控發(fā)射部分程序設(shè)計(jì)

該部分主要分為主程序、按鍵掃描程序以及遙控編碼脈沖發(fā)射程序。主要是對(duì)定時(shí)器T1定時(shí)的方式的設(shè)定，計(jì)數(shù)器的初始化等。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文還設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互，能夠拓展密碼鎖的在更廣的領(lǐng)域應(yīng)用。

本文采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，完成了控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，LabVIEW程序通過串口通信電路讀取密碼鎖數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理。

4.2.1 用戶管理模塊

密碼鎖監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)密碼鎖系統(tǒng)的安全，只有授權(quán)用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作。每個(gè)授權(quán)用戶都有一個(gè)唯一的身份標(biāo)識(shí)，即用戶名，用戶憑密碼登錄系統(tǒng)。用戶根據(jù)權(quán)限可分為三類：管理員、普通用戶、測(cè)試用戶。測(cè)試用戶只能使用系統(tǒng)的部分功能;普通用戶可以使用系統(tǒng)全部功能;管理員用戶除了普通用戶的權(quán)限外，還可以管理其他用戶，包括增加用戶、修改用戶權(quán)限、刪除用戶等。

4.2.2 密碼鎖狀態(tài)與顯示模塊

密碼鎖狀態(tài)通過LabVIEW前面板在計(jì)算機(jī)顯示器上逐點(diǎn)顯示并連線，便可實(shí)時(shí)顯示被測(cè)密碼鎖。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)存取模塊通過調(diào)用LabVIEW中的WriteCharacters To File,使子程序?qū)z測(cè)到的密碼鎖狀態(tài)值保存到Excel表格，方便用戶今后調(diào)出歷史密碼鎖狀態(tài)數(shù)值進(jìn)行查閱研究。

5.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)芯片來(lái)控制一個(gè)紅外線遙控系統(tǒng)，使其克服了傳統(tǒng)鎖那樣一定要將鑰匙插進(jìn)鎖里才能開啟的缺點(diǎn)，并具有遠(yuǎn)距離遙控開鎖功能。并建立上位機(jī)軟件來(lái)管理紅外遙控密碼鎖網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。本方案中所設(shè)計(jì)的紅外遙控密碼鎖具有遙控開鎖、密碼修改、密碼錯(cuò)誤報(bào)警等功能，并且具備保密性好、安全可靠、成本低廉等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，該紅外遙控密碼鎖具有較強(qiáng)的實(shí)用性。