基于AT89C51的紅外遙控密碼鎖系統的設計方案

　　1.引言

　　目前國內外密碼鎖系統的主要發展方向是：接觸式密碼鎖系統、非接觸式密碼鎖系統、智能識別密碼鎖系統；但是他們都相應的存在著不同的缺點。紅外遙控密碼鎖系統的成本與接觸式密碼鎖系統相當，而且可以進行近距離遙控，使用十分方便。采用數字信號編碼和二次調制方式，不僅可以實現多路信息的控制，增加遙控功能，提高信號傳輸的抗干擾性，減少誤動作，而且功率消耗低；紅外線不會向室外泄露，不會產生信號串擾；反應速度快、傳輸效率高、工作穩定可靠等。工業設備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環境下，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。

　　為此本方案設計由紅外接收頭HS0038（紅外接收頻率為38khz）和AT89C51控制的接收部分構成；由紅外發光二極管和AT89C51控制的發射部分來完成密碼的發送過程。設計中使用電磁繼電器來代替所的功能，并且有兩個LED燈來對系統的按鍵和開鎖進行指示。采用單片機進行遙控系統的應用設計，具有編程靈活多樣，電路結構清晰。特別適合家庭、賓館、倉庫、私家車庫等場所。

　　2.密碼鎖的總體設計方案

　　本系統采用AT89C51單片機作為本設計的核心元件，該系統由發射模塊和接收模塊兩部分構成，遙控器發射模塊可以隨身攜帶，只要在接收器附近，即可遙控開鎖。遙控發射器主要由AT89C51單片機、紅外發射二極管、矩陣鍵盤及遙控開關電路組成。該部分的結構圖如圖1所示。

　　紅外遙控由發送和接收兩部分組成，發送端采用單片機將待發送的二進制信號編碼調制為一系列的脈沖信號，通過紅外發射管發射紅外信號。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，它同時對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經單片機解碼并進行相關操作。

　　紅外線發射及接收控制電路均采用8051單片機來實現，電路簡單，輸出控制方式可選擇，實用性強。圖2為發送與接收示意圖：

　　3.系統主要硬件設計

　　在本設計中，是以AT89C51單片機為核心的。AT89C51單片機是一款低功耗、低電壓、高性能CMOS 8位單片機，其輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容。AT89C51是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各個控制領域。

　　3.1 紅外發射與接收裝置

　　這里采用紅外發光二極管如SE303·PH303，外形和發光二極管LED相似，發出紅外光（近紅外線約0.93um）。管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA.為了適應不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。發射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控制的距離與發射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發光二極管工作于脈沖狀態，因為脈動光，也就是調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光二極管的發射距離大大增加。要使紅外發光二極管產生調制光，只需在驅動管上加一定頻率的脈沖電壓。

　　本設計采用紅外一體化接收頭HS0038.HS0038將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，這樣大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作，方便使用。

　　3.2 紅外信號的編碼處理

　　3.2.1 紅外編碼

　　遙控器信息碼是由AT89C51單片機的定時器T1調制成38.5KHz紅外載波信號，不同的脈沖個數代表不同的操作碼信息，最少為兩個脈沖（采用兩個），其他信息碼的脈沖個數逐個遞增。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，遙控碼數據間隔大于10ms.遙控器上每個鍵都有唯一的一個鍵號，單片機通過查得按下鍵的鍵值發送約定個數的脈沖。

　　3.2.2 紅外接收信號的解碼

　　接收信號的解碼是根據紅外線接收器輸出脈沖幀的格式來進行解碼的，即用累加器A分別對符合條件的負跳變脈沖進行計數。當紅外線接收器輸出脈沖幀數據時，第一位碼的低電平將啟動中斷程序，實時接收數據幀。在接收數據幀時，根據發射幀的格式將對第一位（起始）碼的碼寬進行驗證。若第一位低電平碼的脈沖寬小于2ms，將作為錯誤碼處理。當間隔位的高電平脈沖大于3ms時，結束接收，然后根據累加器A中的脈沖個數，判斷鍵盤輸入六位密碼是否與設定密碼相同，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

　　計算機與單片機之間的通訊是采用串口通信方式，串口通信是現階段PC串口和設備之間的最簡單也是應用最廣泛的一種數據通信的方式。串口是計算機內的通用設備通信的協議，采用RS-232接口標準就可以實現數據之間的傳輸，完成溫度數據和控制指令傳輸。

　　4.系統軟件設計

　　4.1 遙控發射部分程序設計

　　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射程序。主要是對定時器T1定時的方式的設定，計數器的初始化等。

　　4.2 上位機軟件設計

　　本文還設計了上位機軟件，來進行人機交互，能夠拓展密碼鎖的在更廣的領域應用。

　　本文采用LabVIEW圖形化編程語言，完成了控制平臺的設計。系統軟件采用模塊化的設計思想，LabVIEW程序通過串口通信電路讀取密碼鎖數據，并對數據進行相應的分析處理。

　　4.2.1 用戶管理模塊

　　密碼鎖監控系統的正常運行關系到整個密碼鎖系統的安全，只有授權用戶才能進入系統進行操作。每個授權用戶都有一個唯一的身份標識，即用戶名，用戶憑密碼登錄系統。用戶根據權限可分為三類：管理員、普通用戶、測試用戶。測試用戶只能使用系統的部分功能；普通用戶可以使用系統全部功能；管理員用戶除了普通用戶的權限外，還可以管理其他用戶，包括增加用戶、修改用戶權限、刪除用戶等。

　　4.2.2 密碼鎖狀態與顯示模塊

　　密碼鎖狀態通過LabVIEW前面板在計算機顯示器上逐點顯示并連線，便可實時顯示被測密碼鎖。數據采集程序框圖如圖4所示。

　　數據存取模塊通過調用LabVIEW中的WriteCharacters To File，使子程序將檢測到的密碼鎖狀態值保存到Excel表格，方便用戶今后調出歷史密碼鎖狀態數值進行查閱研究。

　　5.結束語

　　本設計是利用單片機芯片來控制一個紅外線遙控系統，使其克服了傳統鎖那樣一定要將鑰匙插進鎖里才能開啟的缺點，并具有遠距離遙控開鎖功能。并建立上位機軟件來管理紅外遙控密碼鎖網絡的狀態。本方案中所設計的紅外遙控密碼鎖具有遙控開鎖、密碼修改、密碼錯誤報警等功能，并且具備保密性好、安全可靠、成本低廉等特點。經測試，該紅外遙控密碼鎖具有較強的實用性。