红外遥控密码锁的设计

第1页共52页红外遥控密码锁的设计前言红外线IrDA，简称IR，是一种点对点的无线通讯方式，只能进行短距离的无线数据的传输，且中间不能有障碍物。红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为0.01um—1000um;波长为0.76um—1000um的光波为红外光(线)，红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为0.76um—1.5um;用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为0.8um—0.94um，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。目前红外线得到了很普片的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。本论文设计的是基于C51单片机的红外遥控密码锁。该锁采用6位数作为密码，红外遥控密码锁的应用研究主要应用了单片机的编程进行红外的编码与解码，并通过单片机实现密码的设置、修改及识别功能。一绪论1.1课题背景进入二十一世纪以来各种电子信息技术进入高速发展阶段，包括信息系统技术微电子、计算机和现代通信技术、传感器技术，这也包括红外线技术，红外线是一种人的肉眼看不见的光线，最近二三十年来，初露头角的红外技术，在各个领域里获得了广泛的应用。开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术—红外技术。本设计针对传统机械锁的不足而设计的通过红外来控制的密码锁。1.2红外通讯红外通讯，顾名思义，就是通过红外线传输数据。在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。于是后来就有了红外、蓝牙、等无线数据传输技术。红外通讯技术利用红外线来传递第2页共52页数据，是无线通讯技术的一种。红外线的特征：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍，由于红外线的直射特性，红外通讯技术不太适合传输障碍比较多的地方。因此，红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。1.3密码锁的发展趋势与特点密码锁产生也是经历了一些阶段的，有传统的机械密码锁，电子密码锁，数字密码锁等。随着科学技术的发展，一些以芯片特别是单片机为处理核心的新型密码锁开始不断出现。电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁等任务。本论文就以AT89C51单片机设计了一个红外遥控密码锁。二密码锁的总体设计2.1密码锁的结构与组成该锁采用80C51作为本设计的核心，由遥控发射部分及主机接收部分组成。2.1.1遥控发射部分遥控发射器主要由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2-1所示。图2-1遥控发射结构框图AT89C51红外发射器显示复位晶振键盘第3页共52页2.1.2主机接收部分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，报警器，电磁锁及复位电路等组成。该部分的结构图如图2-2所示。图2-2主机结构框图2.2密码锁的工作原理2.2.1基本工作原理主机上通过键盘输入6位密码，将输入的密码与设定的密码进行比较，如果相同则驱动电磁锁进行开锁，如果不相同则不解锁；当从遥控器上输入6位密码时利用红外给主机一个中断信号，使主机执行中断服务程序（解码程序），来控制解锁与否。红处线发射及接收控制电路均采用8051单片机来实现，电路简单，输出控制方式可选择，实用性强。具体工作过程如下：发射时如图2-3所示，通过定时器T1（P3.5）口，利用定时中断来发射信号，定时器1中断服务程序的功能是：红外管发射的信号需经过高频（采用38.5KHZ）调制载波才可发射出去，利用定时器1的定时作用，在发射高频脉冲时，通过定时对P3.5口的取反的操作，使发射信号调制成38.5KHZ的高频。再经过红外发射二级管发射，发射距离为8-10米。AT89C51红外接收头显示复位晶振键盘电磁锁报警器第4页共52页图2-3红外发射框图接收时如图2-4所示，利用P3.2口（外部中断0）的下降沿触发中断来接收信号，并通过P3.3口来判断高低电平。外部中断0的中断服务程序的功能是：由接收第一位码的下降沿触发中断后，对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于2ms，将作为错误帧处理。当间隔位的高电平脉冲宽大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲数，执行相应的功能操作。图2-4红外接收框图AT89C51P3.5红外发射二级管AT89C51P3.2（INT0）P3.3红外接收头第5页共52页2.2.2红外发射信号的编码遥控器信息码是由AT89C51单片机的定时器T1调制成38.5KHZ红外载波信号，而关键是它的编码，在这里遥控器的编码采用脉冲个数编码格式，不同的脉冲个数代表不同的操作码信息，最少为2个脉冲（采用2个），其它信息码的脉冲个数逐个递增。为了使接收尽量可靠，第一位码宽为3ms，其余码宽为1ms，码间距为1ms，遥控码数据间隔大于10ms。遥控器上每个键都有唯一的一个键号，单片机通过查得按下键的键值发约定个数的脉冲。遥控器的编码格式如图2-5所示。频率为38.5KHZ，即周期约为26us,第一位码需115个脉冲周期，其余为38个脉冲周期，结束帧至少为385个脉冲周期。按键0编码输出格式115个38个……26us3ms1ms1ms按键1编码输出格式115个38个38个………3ms1ms1ms1ms1ms第6页共52页两帧信号之间的输出格式一帧信号两帧信号间隔一帧信号115个38个38个115个38个………3ms1ms1ms至少为10ms3ms1ms1ms图2-5遥控器编码图2.2.3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。图2-6为红外线接收器输出的一帧遥控码波形图。停止位10ms1ms10ms…3ms1ms图2-6红外接收遥控码波形图第7页共52页2.3密码锁的主要功能遥控密码锁的基本设计功能主要有如下几个部分：1．设定密码：在该设计中设定了一组原始密码：123456用户可以通过矩形键盘的修改键来修改原始密码。比如：按一下修改键，接着在本机上依次输入六位密码，再按确认(#)键即表示密码被设置好了，那么下次用户输入这组数据即可开锁。2．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，此本设计可靠性优点之一。3．密码错误报警：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。乃安全可靠性能之二。4．遥控开锁：这是本论文设计中的最大特点之处，用户可以不必在主机上输入密码开锁。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。三硬件电路设计3.1单片机AT89C51简介3.1.1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3-1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。第8页共52页图3-1AT89C51引脚排列图(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。3.1.2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。P1口还具备第二功能。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，被外部拉低的第9页共52页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1.1所示。口线第二功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0定时器/计数器0P3.5T1顶时器/计数器1P3.6/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1.1RST: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。第10页共52页XTAL2:来自反向振荡器的输出。3.1.3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。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.4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3-2所示。图3-2电源电路图3.1.5复位电路第11页共52页单片机复位时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