红外遥控电子密码锁设计—硬件设计文献综述

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文献综述红外遥控电子密码锁设计—硬件设计1前言1.1研究背景随着社会科技进步，电子产品向智能化和微型化不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中的首选控制器。伴随电子技术的不断提高，给古老的锁具生产带来了巨大的改革，如磁卡锁、指纹锁等。这些电子密码锁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、闭锁任务的电子产品。它的种类很多,有简易的电路产品,也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心,通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁,特点有:保密性好,编码量多,随机开锁成功率几乎为零,密码可变。这些电子锁虽然其保密性高，使用灵活性好，安全系数高。但是这些锁不能实现远程遥控控制限制了其在日常生活中的进一步推广。1.2国内外发展现状及研究方向目前国内外密码锁系统的主要方向的发展是：接触式密码锁系统，非接触式密码锁系统，智能识别密码锁系统，但是他们都相应的存在着不同的缺点。例如：接触式密码锁系统成本较低，体积小，卡片本身无须电源，但使用不太方便，而且有接触磨损。相比之下，红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，使用十分方便。目前大部分的锁采用的都是机械式的，其最大的缺点是利用简单工具就能很容易地把锁打开。针对这种情况，我们设计了一种红外遥控密码锁，而一般设备都采用专用的遥控编码及解码集成电路，其制作简单、容易，但由于特定功能的限制，只适用于专用的电器产品，其应用范围受到限制。而设计的红外遥控密码锁系统能提高门禁系统的可靠性和安全性,适应市场需要。该系统具有普通电子密码锁功能的同时,还增加了遥控功能。该系统具有较强的实际应用价值,所涉及的技术包括:红外载波数据传输技术、单片机控制技术、红外遥控系统编码及译码技术、电路设计与演示板制作技术等。2.红外线电子密码锁相关技术及实现方案 2.1红外线遥控技术介绍红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。 红外遥控具有许多优点，例如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。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。所以红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。2.2IDRA标准简介1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会(InfraredDataAssociation,简称IrDA)，1993年6月28日，来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。一年以后，第一个IRDA的红外数据通讯标准发布，即IRDA1.0。IRDA1.0简称为SIR(SerialInfraRed)，它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。SIR以系统的异步通讯收发器(UART)为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程(3/16EnDec)实现红外数据传输。由于受到UART通讯速率的限制，SIR的最高通讯速率只有115.2Kbps[1]，也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。IRDA标准包括三个基本的规范和协议：物理层规范(PhysicalLayerLinkSpecification)、链接建立协议(LinkAccessProtocol:IrLAP)和链接管理协议（LinkManagementProtocol:IrLMP） 图2IrBUS红外线通信协议层物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对链接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IRDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等（见图2）。2.3红外线通信基本原理红外遥控是单工的红外通信方式，本设计的红外遥控采用以通信方式为基础的红外遥控，而且本设计也使用了红外通信技术，故着重分析红外通信的基本原理。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。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。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。脉时调制（PPM）是红外数据协会(IrDA)和国际电子电工委员会(IEEE)都推荐的调制方式，本设计采用脉时调制方法，即用两个脉冲串之间的时间间隔来表示二进制信息，数据比特的传送仿照不带奇偶校验的RS232通信，首先产生一个同步头，然后接着8位数据比特。如图3所示。图3普通的红外遥控采用面向指令的帧结构，数据帧由同步码，地址码和指令码组成，指令码长度多为8～16个比特，传送多字节遥控协议时效率偏低，而增加指令码的长度不利于接收器同步，为此本设计选用一种面向字节的帧结构，采用类似于异步串行通信的帧结构，每帧由一个起始位（二进制数0）、8个数据位和2个停止位（二进制数1）构成，如图4所示。每帧传送1个字节的数据，帧与帧间隔大于2ms，帧结构不含地址信息，寻址问题由高层协议解决。图4由于红外光存在反射,在全双工的方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此，红外通信应采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。2.4红外遥控电子密码锁设计思路红外遥控电子密码锁的开发是为了打破传统电子锁的解锁方式，采用一种全新的方式对基于单片机的密码锁进行远程控制，同时降低成本，进一步方便用户使用，从而大大提高电子锁的可用范围，因此，主要遵循的主要开发思路有以下几点：1.保证系统稳定性。由于适用场合的特殊，电子密码锁系统的不稳定可能为使用者带来巨大损失与麻烦，为此要从根本保证系统的正常稳定运行 2.借鉴以往相关系统的特点，在设计系统中参考了原有系统的设计3.照顾使用者的习惯，主要体现在用户操作体验及便捷性上。2.5红外遥控电子密码锁设计要求1.易用性：控制操作简单，能让老人儿童以及残障者都方便使用2.通用性：系统设计具有易移植性3.保密性：操作时保证足够的保密性4.扩充性：根据发展及不同时期的要求，系统应具有可扩充性2.6红外遥控电子密码锁硬件部分功能模块如图5整个系统包括：红外遥控模块，控制器模块，液晶显示模块，开锁模块，蜂鸣器模块和电源模块。单片机主要用于控制和处理各功能模块的工作，实现电子密码锁的开启、密码的修改和操作信息的提示等功能。各个模块的功能如下：红外遥控模块：遥控器按键被按下时，输出一定数量被调制的脉冲信号。当接收器收到发射器的红外指令信号时，它将红外信号变成TTL电平信号，再经放大、解调、整形、解码处理后送入CPU，由CPU进行识别处理，以控制电子密码锁的工作。控制器模块：主控电路模块主要采用以单片机AT89S52为核心的主控电路。红外线接收头LT0038A把接收到的信号传送给单片机，单片机对信号进行识别，把信号识别成指令，利用这些指令控制电子密码锁的运行。液晶显示模块：此模块采用单片机向液晶显示屏的串口发送数据，当串口接收到一串数据后，液晶显示屏能实现文字的显示、清屏操作和光标的设置等操作。开锁模块：当密码输入正确时，单片机发出驱动信号，使电子密码锁开启。蜂鸣器模块：每按一次键时，单片机发出驱动信号，使蜂鸣器“嘀”的一声响。电源模块：电源是10～15V直流电源。稳压电源输出的直流电压通过专门的电源插座RCI把直流电压引入单片机的控制电路，使得电路的工作更加的稳定。图5 2.7红外线遥控电子密码锁软件控制流程图如图六所示图6随着时代进步，人类社会已步入21世纪信息社会。人们的工作生活通信与信息的连接越来越紧密，信息社会在改变人们日常学习工作时的生活习惯的同时，也对传统技术或设备提出了新的挑战，锁就是其中之一。当代社会对锁的要求已不再是单纯的对财务及重要物件的保护，而是需要更为方便，便宜，高效的锁具。红外电子密码锁能够很好的满足用户的需求，通过红外遥控设备与单片机的相互配合，提供了更长的开锁距离，更好的密码保护以及更完善的功能系统。 3总结目前，市场上比较先进的智能锁有IC卡密码锁、射频卡密码锁、红外遥控密码锁、指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁等。IC卡密码锁成本低，体积小，卡片本身无须电源等优点占领了一定的市场份额，但是由于有机械接触，会产生接触磨损，而且使用不太方便，一定程度上限制了它的应用；射频卡密码锁是非接触式密码锁，成本也不太高，体积跟IC卡密码锁相当，卡片使用感应电源，重量很轻，技术成熟，受到了广泛的欢迎，但是与IC卡密码锁相比，成本偏高；指纹识别密码锁和瞳孔识别密码锁统可靠性很高性、安全性是目前门禁系统中最高的，但是成本高昂，还没进入大众化使用阶段红外遥控密码锁系统的成本与接触式密码锁系统相当，而且可以进行近距离遥控，遥控距离远大于射频卡密码锁的遥控距离，低耗很低，可以使用普通碱性电池供电，使用十分方便。红外遥控密码锁系统成本低廉，如经优化设计，成本可以进一步降低。因此，红外线遥控密码锁拥有以下优势使得其推广前景巨大，拥有有广阔的市场空间。(1)可靠性高：红外密码锁有多重加密方法，难以复制。同时采用非机械化的钥匙，不易被复制(2)稳定性强：红外线波长长，频谱稳定，不用担心采用电磁波发射和接受的系统容易受干扰的问题，同时采用单片机作为控制器控制各功能模块，更好的提高了系统的稳定性。(3)遥控防盗锁人机交互界面友好，易于操作。 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