(毕节职业技术学院 贵州 毕节 551700)
基于单片机的智能红外电子防盗锁设计
孙丛亮
(毕节职业技术学院贵州毕节551700)
在日常生活中,安全性在智能控制这一领域越来越重要,越来越多的领域开始需要智能化、人性化,当然,对于安全性能的要求也就越来越多。随着这一趋势,智能红外电子防盗锁将逐渐取代传统的机械密码锁,传统的机械式密码锁的密码位数相对较少,相对余智能红外电子防盗锁来说安全系数比较弱,但是电子密码锁就可以提高安全性等这些问题。随着计算机技术的发展,集成电路,电子智能门锁更多和更快的开发的智能电子锁,现在,除了传统的电子控制功能,还逐渐增加了智能化的管理功能和智能分析系统功能等等拓展功能,使得电子防盗锁控制体系更加完善,社会应用的可靠性得到提高,电子防盗锁的使用也变得更加普遍。
红外电子防盗锁;安全性;可靠性;STC89C52单片机
(一)课题背景及发展前景
1.红外遥控的背景及前景
由于红外线遥控的红外波不能够穿越障碍物,不像无线电遥控的无线波能够穿过障碍物达到对被控对象的控制,所以在设计这种家用的红外报警锁的红外线遥控器时,由于不会隔墙干扰到附近的其它电器,所以就没有必要像设计无线电遥控器那样,每套发射和接收的器材都要设定不同的遥控编码和选择不同的遥控频率。在这种方式中,对同一种产品,红外遥控你可以用遥控器的编码相同,也可以在相同的频率选择和控制,远程控制装置不能和其他设备相互干扰。这使得在家用电器上普及和使用红外遥控器的市场前景非常的好,而且非常方便且节约成本。从其他的方面来说,由于红外线,是属于不可见光的范畴,因此对环境影响来说,就相对很小。同时,波的波长的红外光比无线电波的波长小得多,所以几乎不影响其它电气设备使用的红外遥控设备,更不会影响无线电设备。
随着科技的不断进步,人们对科技所能给我们生活带来的便利的期待值会越来越高,这就需要更多的人性化的设计。
2.单片机的背景及前景
对于单片机领域的成长,如今可以说是百家争鸣,姹紫嫣红的时代。
世界各大芯片建造公司都在不断的推出自己的微控制器,从一开始的8位,到16位,再到现在的32位等等,品种众多,与主流的80C51、80C52等系列的单片机来说,有与其相兼容的,也有与其不兼容的,不过,它们都会有本身各自独特的一面,相互补充,这也就使得现在和未来单片机应用出现了广阔的远景。
纵观整个单片机的发展历程,可以大致预测微控制器的趋势,如下:
(1)低功耗的CMOS化
在8031单片机MCS-51系列在市场上推出,它是一种定微控制器的消费,但现在一般约为100兆瓦,单片机的低功耗的要求越来越高,每一个单片机设备的制造商,如今,基本上都选用了互补金属氧化物半导体的工艺(即CMOS)。例如,系列单片机80C51和80C52单片机系列。
尽管,CMOS工艺是属于低功耗的工艺。但是,它的物理特征还是决定了它的运动速率不足。是以,CHMOS工艺就同时具有了高速以及低功耗的这两种特质,对于这些特征来说,相对于低功率来说,是更适合于它的利用的,如电池供电。因此,这个工艺过程将是未来单片机开发的主要途径。
(2)微型单片化
如今,通常情况下使用的正常的微控制器,它的CPU(注:即中央处理器英文简称),RAM(注:即随机存取数据存储器简称),ROM(注:即只读程序存储器简称)等都集成在同一个芯片上,微控制器电路包含了更多的,更强大的功能。纵然是一些SCM厂商,也是可以依据用户的要求进行符合客户需求的量身定制,打造出具备用户自己所需求特色的微控制器芯片。
此外,对于当今市场来说,广泛的趋势是期望产品能够达到体积要小,并且重量还要轻。这就对除了微控制器强大的功用的要求,以及低功耗的要求以外,还提出了产品的体积要小、重量要轻等等的要求。
而今,很多的微控制器都拥有多种封装模式。这些包括如SMD(表面贴装)是在市场上越来越受到欢迎,对这一形势的发展使单片机系统对目标形成小型化的发展方向。
(3)主流与多品种的共存
如今,虽然单片机的品种繁多,而且都拥有自己的特点,但是他们仍然是以主流的80C51,80C52等系列的单片机作为单片机的核心的产品品种。
与其布局以及指挥体系可以兼容有这些产品:据代表性的是PHILIPS公司的产品,还有属于中国台湾的华邦系列的单片机的品种,还有就是ATMEL等公司的众多产品。
所以,以80C51系列单片机、还有80C52系列单片机,作为微控制器的核心,占有了单片机市场的半壁河山。微芯片的精简指令集(PIC精简指令集计算机)也有发展的趋势,而且趋势比较的强劲和迅猛。中国的台湾,近年来,越来越多的企业,越来越高的芯片产量,由于它的高质量和低价格的优势——占有了一定的市场份额。此外,一些大型的公司,例如摩托罗拉的产品,致力于在日本的微控制器。在一段时间内,这种情况能够得到持续,就不会再有单片机市场的垄断,单片机的市场将采取互补的相互依存,相互促进的战略,走共同发展的道路。
3.课题的发展前景
红外(IR)遥控技术对人类生活的贡献将会变得越来越大,会大大方便我们的生活,提高便捷的质量;对于单片机所能够进行的智能控制的需求也会有越来越大的趋势,使人类社会向着智能化前行。
因此,本着对方便性和安全性等的追求的设计要求和期望,我设计了这样一款红外遥控密码锁。
(二)课程的具体要求及任务
1.设计任务
采用红外遥控,STC89C52单片机,红外接收器,E2PROM存储电路,蜂鸣器等的红外遥控密码锁的设计。以单片机作为主要控制器,并且利用红外接收与发送模块,完成智能防盗密码锁的设计和实现。
2.基本要求
(1)以单片机作为主控制器,利用红外接收与发送模块完成智能防盗密码锁,要求完成:
①设计单片机和键盘接口电路;完成系统密码设置和修改工作。
②红外线信号的发送、以及红外线信号的接收信号的收集电路的设计;利用遥控器可以控制密码锁开启与关闭,同时具有报警功能。
③显示及报警系统设计。
(2)熟悉C语言和汇编语言在单片机的应用及其优缺点;熟悉Protel软件操作应用,绘制PCB图纸,和PCB板的制作毕业设计;
(3)完成硬件及软件设计,熟悉系统调试方法,并对所设计的系统进行调试和性能分析,分析系统存在问题,提出优化方案。
3.部分功能
(1)当密码锁(通过键盘或远程控制输入)输入正确的密码,打开锁(继电保护仿真);
(2)当密码锁(通过键盘或遥控器输入)连续输入错误密码3次(密码输入次数可以通过后台程序修改),会触发报警器(蜂鸣器)报警;
(4)可以使用键盘或者遥控器在控制前台直接无限次更改密码,更改密码必须在解锁状态下方能进行,更改密码过程中需要连续输入两次新设密码方能修改成功(前台LCD显示屏将会给予提示);
(5)密码锁工作情况均会通过显示屏进行显示。
(一)任务分析与实现
所需要达到设计的功能的原理是:用STC89C52单片机为核心设计,红外信号遥控发送和接收的红外接收器,也可以用键盘方向键控制,红外信号在经过接收管的解调后,可以将红外信号转换成为相对应的脉冲信号,并传递到单片微型计算机内机进行对信号的分析处理。解码红外波也是通过STC89C52单片机来对红外接收头所接收到的信号的脉宽进行检测,并以此来判断出接收到的0和1信号的数量,并将这些信号合成为4个字节的8位代码。通过该软件代码的过程,编制了相应的红外遥控器的初始化代码,系统开始成为六的初始密码更改密码的任意值,通过单片机解码以确定是否正确的密码,如果在密码输入时,出现了输入错误的情况的话,锁头当然不会被打开。显示屏也会显示ERROR的标志,并且跳转至密码输入界面。那么也就是说还会被系统再次要求重新输入密码。如果再次输入密码错误,系统过程如上再转入初始的密码输入界面。当连续输入错误,并且是第三次时,蜂鸣器报警,持续60秒。并且报警不会中断,只有切断强制开关(电源)方能停止报警。
这个系统的总体思想如下:
根据遥控器的键码值可以被编程为远程锁定,解锁从而设置初始化代码。当系统启动时,系统进入正常工作状态,此时,如果用户改变默认的密码,用户输入新的密码,继电器打开,从而解锁。操作使用上面的初始密码。如果密码连续输入三次错误,蜂鸣器长鸣60秒报警(报警时间可以通过软件设置)。这款设计的显示屏采用的是液晶显示面板(英文缩写LCD(或者称为液晶显示器))。LCD(Liquid Crystal Display),是将液晶盒,安插放置在两个,平行的玻璃基板中,并将TFT(薄膜晶体管),设立在下基板的玻璃上,将彩色滤色器设置在上部的玻璃基板上,经过转换在TFT上的电压信号,以达到能够在结构上控制液晶分子的旋转偏向的目的,并且以此来实现对每一个个像素的发光的偏振的控制,并以此来最终达到显示的目标。现在的液晶显示器已经成为主流并替代了CRT,如今价格也便宜了很多,达到了相当大的普及度。)
本次设计课题要求所要达到的目标和其简要实施方法如下:
据测算,燃气冷热电分布式能源系统中,燃料的能量转化为电能的比列仅占到约35%。剩余能量中,随烟气排出的约为30%,随发动机冷却水带走的约为25%,设备机身散发等途经损失约为10%。总体来看,通过烟气和换热器损失的能量比做的有用功还要多。为了提高系统经济性,必须对这部分能量加以综合利用,这便是能源梯级利用的由来。
1.红外线接收器所接收的编码的波形是从红外遥控器发射出来,通过脉冲红外接收机解调,然后放大到微控制器中进行处理。
2.记录脉冲信号的高和低持续时间,存储并计数。
实现目的:通过软件编程,用单片机的定时和计时和计数的高,低脉冲计数器。
3.数据分析和处理,并基于红外脉冲编码是0.565ms,间隔0.56ms,表现为两个系统循环1.125ms“0”;与0.565ms的脉冲宽度,1.685ms的间隙,周期为2.25ms,综上所述的所述组合物的二进制“1”。前解码的32的16位的用户识别码的二进制代码,以识别不同的电气设备,经过16到8的操作码(功能码)及其反函数。
实现:利用软件对80C52单片机进行编程,对应的编码值的数据处理对应的按钮。
最终目标:通过单片机的识别、存储和计算,实现按遥控器上的按钮的值来进行操作,然后设置开关锁的密码并对其进行比较分析,以进行识别和控制开关锁(继电器模拟)的密码。
(二)红外遥控锁硬件方案设计
对于遥控锁的设计来说,最先要解决的问题应该是编码和解码。本设计编码部分是通过芯片TC9012遥控板来进行编码的,通过按下不同的代码键,红外遥控器就会向红外智能密码锁的红外接收器发射出不同的遥控代码。
这个遥控代码有如下一些的特点:
从所生成的通过38kHz的第二载波频率调制,以提高传输效率,减少对象的功耗。而后,经过红外发射二极管放射出的红外线构成的以上的的“0”和“1”的32位的二进制码。是由连续的32位二进制码组,16至所述第一用户的标识符,以区分不同的电气设备产生的TC9012远程控制代码,飞机的类型,以防止遥控器代码之间的干扰。用户ID芯片固定的十六进制01H;经过16到8码(功能码)及其反。UPD6121G构成多达128个不同的编码的组合。在解码时,微控制器可以对脉冲信号的检测产生的红外接收器,以确定有多少接收的0和1,4字节的8位代码的最终合成。接收部分,利用红外接收器和SCM系统。红外线接收器接收到的波形转化成红外输入的微控制器的红外脉冲,接收和处理微控制器读取密钥值之后。
研究了红外接收装置的设计采用,是红外波段的红外接收头接收,放大,解调,红外波红外接收头接收分析,只要能够连接到微控制器的接收器的外部输出引脚以及微控制器的中断端口,我们就可以建立起一个相对比较简单的红外接收电路。经过红外接收器所接收到的红外波,红外遥控器所输出红外编码的红外信号的负脉冲的定时和计数,单片机能够通过计算达到分析出相应的二进制编码的阵列,并得到其相应的密钥。通过数组获取键值。电路相对比较简单,操作也比较容易,达到了减小硬件开销的效果。
一个电路发送红外信号的规格标准和接收系统,红外接收器集成电路通常是一个组成部分。红外二极管,所监测的红外遥控器,所发出来的是红外信号,该信号在接下来的流程里,将会被提供给一个限幅放大器和限幅器,其作用是用来控制,脉冲的幅度,并有另外一个目的就是要将其幅度都维持在一个可控的水平之中。交流信号通过转换以后,是可以进入带通滤波器的,接着,可以进入到解调电路,当进入到积分电路和比较器,它的副载波的频率,只要是符合不低于30KHZ,且低于60KHZ的情况时,比较器就会输出的是高电平和低电平,从而这种情况下就会降低了发送出的信号的波形。在这里,请注意,所述发射机反转,高电平和低电平的输出,从而达到的目的是为了提高接收灵敏度。
对于许多类型的红外线接收机来说,管脚所定义的意义也是有许多种情况的,一般的有三个管脚,囊括了:一个管脚供电,一个管脚接地,还有一个管脚作为信号输出端。这要依据所使用的红外发射器,以及红外接收器的不同,从而选择和使用使用相应的不同类别的解调频率。
红外接收头的1838引脚示意说明图
如果放大器增益内部红外接收器过大,很容易就会造成干扰,所以,接收器电源滤波电容应加入到引脚,一般在22UF以上。一些制造商建议,引脚和电源之间的电阻应在330欧姆之间,以进一步来降低电源干扰。
红外遥控发射器可以从相应的厂家定制。当然,我们也是能够通过我们自己的微控制器的PWM来生成,家用电器的远程控制,使用推荐的通常是红外发射器(I5IR4-45),它可以可以产生PWM37.91KHz的,PWM占空比为1/3,可以由简单的定时器中断开关PWM,来生成发送波形。
(三)红外遥控锁软件方案设计
通过软件控制单片机的功能和微控制器的优势的主要特征,在设计过程中考虑和可读性设计的合理性,遵循模块化设计,使用和遵守自上向下设计方法的原理。模块设计允许良好的可读性,易于修改和完善。
软件设计包括主程序,口令认证例行子程序,定时器和外部中断1,0的红外解码程序,初始化子程序,延时子程序,子程序等多个子程序。
密码校验子程序用于密码解码阵列和设置密码阵列的相互比较,从而判断密码不正确。
定时器0和外部中断一用来对定时器0和外部中断1进行初始化。
红外解码程序,用于实时数据接收红外脉冲到数据的二进制表示,然后再对密钥进行编码值。
(一)红外遥控系统
红外遥控器概述:
在红光光谱之外的红外线光谱,它的波长为0.76-1.5μm的,因此,红外线的波长,要比红光波长要长。红外遥控器是通过使用红外光来传递信息,并以此来控制的形式来达到遥控的目的的,红外遥控器选用的是抗干扰电路,这种电路相对来说比较简单,而且易于进行编码和解码,低功耗,低成本。因此,红外遥控,远程几乎所有家电产品制造商优先采纳。
红外线遥控体系的主要部分能够分为一下三个部分:
即调制、发射和接收三个部分,
简要示例如图所示:
图1 红外遥控系统
1.调制
对于红外遥控的调制,可以通过对数据载体,以及一定的频率,通过使用“与”操作,来进行调制。如此这样,既提升了发光效能,又能够减少电力损耗。
通常,在正常的情况下,对于调制载波的频率来说,不会低于30kHz,也不会高于60KHZ。所以,38kHz的载波频率、以及1/3的占空比。这样的一个方波,是对于大部分调制载波来说,都会采用的方波。
2.发射系统
对于各种不同的红外发光芯片可以根据不同的编码类型的选择而发行。由于发射系统一般采用电池来作为供电驱动,这就需要将芯片的功耗设计到非常低,芯片的设计是不工作时大多处于休眠状态,只有当按下按钮的时候才进入工作状态,这样就可以减少芯片所使用的功耗,晶体应该有足够的能力承受震动,因此不能用普通的石英晶体,陶瓷谐振器是通常被选择较为理想的材料,陶瓷石英晶体谐振器的精度并不是非常的高,但通常,这样的一个小错误,是可以被忽略不计的。
红外光谱是由红外发光二极管(LED)发射出来的。IR LED和普通的LED,在结构上来说基本上是相同的,正常的发光二极管,都是由不同质地的材质制成的,每当将适量的电压,施加到两个红外线发射器的顶端部位时,它就会放射出不能够被看到的红外线。
图2 简单驱动电路 图3 射击输出驱动电路
图2和图3都是比较简单的LED驱动电路,图2是一个最简单电路图,在电路元件的选用上,要注意晶体管的开关速度,选择要快。此外,还需要被考虑的,是LED的正向电流,和反向漏电流之间的相互关系,当通过LED的最大正向电流可以升高至100mA时,通过LED的电流愈大,其发射波形的强度也就愈大。
但是,对于图2来说,还是一个有一点小缺陷的电路,即当电池的电压在下降的时候,通过LED的电流就将会减少,减少了传输的波形的强度,从而就会导致遥控距离变小。图3所示发射器电路就是可以解决这个问题的,三极管被两个二极管钳位在周围的基极为1.2V电压,因此三极发射极电压固定为大约0.6V,发射极电流IE,几乎是不发生转变的,依据IE≈IC的约等式,可以判断通过LED的电流基本上保持稳定,从而可以保证,当电池电压出现降低的情况时,能够使得红外线遥控器可以保障一定的、有效的遥控间隔。
(二)单片机的原理及应用
1.单片机原理简介
单片机虽然很小,但包括电脑所有功能部件,都集中在了一块小芯片上。所有种类的单片机,都可以实现计算机的基本功能。事实上,单片机就是一个完整的计算机。
如图4:
图4 单片机内部结构布局
2.单片机定时/计数功能的介绍
对于STC89C52单片机来说,是由两个特殊功能寄存器来控制定时器/计数器。另一种工作方式寄存器是用来设置工作方式:TCON用于控制启动和中断请求。
(三)继电器工作原理
电磁继电器,通常都是由铁芯,衔铁,线圈,触点和簧片等组件构成。只须在线圈的两头,能够加之充足的,电压。就会使得,在线圈中,能够产生适当的电流。从而导致的电磁效应,在这个时候,电枢将由电磁力的吸引,通过抽吸作用,克服返回弹簧拉芯,以接触传播与静触头的常开触点拉电枢。
当向线圈内通入电流时,电磁吸力就会消失,这个时候衔铁弹簧会因为反作用力,将返回到一开始最初始的位置,使得原来的静触点,即常闭触点,的可动触点释放。这样通过吸和、释放的过程,从而就可以达到导通电路中的电流和切割的目的。
继电器“常开,常闭”两个触点,它们可以分为以下方式:
继电器线圈未通电时的静态接触形式,一般情况是也被称为“常开触点”;
在ON状态,所述固定触头的是“常闭触点”。
继电器的电路,在一般情况下,会由两股工作电路,分别为低电压和高电压的电压来控制电路。
(四)E2PROM数据存储电路
E2PROM数据存储原理图如图5所示:
图5 E2PROM数据存储原理图
(五)蜂鸣器电路
蜂鸣器电路图如图6所示:
图6 蜂鸣器电路图
(一)硬件调试
首先,经过编程、绘制原理图、封装、绘制PCB图、制版、打印PCB图纸、转印、钓鱼等等一系列的工作流程后,对所有的元器件进行必要的组件和分类。依照已经绘制好的PCB图纸和原理图,把所有的元器件插入到电路板相对应的焊盘中,以进行固定以防止坠落,并对所有的元器件进行焊接。焊接后所需的调试。调试和故障的原因如下。
1.接收不到红外信号
原因分析:红外接收头插反。
调试过程:使用红外遥控器对红外接收头按键,蜂鸣器没有发出应有的按键声,显示屏也没有任何反馈信号产生,这说明红外接收管并没有接收到红外信号,或者是程序没有正确的分析处理并反馈所接收到的红外信号。
结论:红外接收管的类型很多,但通常情况下只使用两个或三个种类,这两个或三个不同的输出引脚,需要在使用的过程中进行正确的识别。
2.蜂鸣器叫声小
原因分析:跟蜂鸣器串联的电阻过大
调试过程:将和蜂鸣器串联电阻进行合理的更换,该电阻应当选用电阻值较小的电阻
结论:正确识别和读取色环电阻。
3.按键没有反应
原因分析:在对按键进行焊接时产生了虚焊的情况,并因此导致按键的接触不良。
调试过程:重新进行焊接。
结论:焊接元器件的过程中必须注意不能够发生虚焊或过度焊接等情况。
4.LCD屏不显示或者显示不清
原因分析:与LCD屏串联的滑动变阻器的电阻过大,导致通过LCD的电流不足。
调试过程:调节与LCD屏串联的滑动变阻器,知道LCD屏的亮度达到合适值。
结论:滑动变阻器的电阻值应在合适的电阻范围内,选择滑动变阻器的元器件时,应当注意其电阻值变化范围,选择相适宜的电阻值。
(二)软件调试
具体的说这个应该属于是软硬件联合调试,在硬件调试好的情况下,调试软件应该还是比较容易的。调试故障及原因分析如下。
1.继电器不工作
原因分析:部分三极管的引脚顺序安装时放反了。
调试过程:检查三极管引脚放置情况,对放置错误的三极管进行更改。
结论:三极管的引脚顺序放反了,就达不到继电器工作的所需的电流,需要把三极管的引脚调正后,继电器就可以正常工作了。
2.LCD1602不显示
原因分析:没有根据相关的定时操作规定操作LCD1602。
调试过程:重新学习LCD1602的相关规定,重新编程。
结论:操作LCD1602是要按照厂家规定的协议去编程,才能使LCD1602工作的
不能按照自己的想法去操作。
3.密码更改过程中发生错误,无法顺利更改密码
原因分析:程序编写有漏洞,导致输入指令的过程中,单片机有了误判。
调试过程:检查相关的程序代码,并进行改写。
结论:程序代码的错误会导致整个设计整体或者部分的功能无法实现或者不能很好的实现,经常会导致程序的误读或者错误执行。
(一)结论
该红外遥控智能锁设计,其主要任务,是通过利用STC89C52单片机,作为整个体系的控制的核心,加上利用红外遥控接收和发送模块,来完成和实现对智能锁的遥控。开发出一个红外智能防盗报警密码锁。
本设计主要可以分为硬件部分和软件部分两个部分。在硬件部分,偏重考虑的是,硬件电路的简易性,故尽可能将硬件电路设计的简单,还要尽量节省电路板的空间,并以此来达到对硬件电路设计的最优化设计。在软件部分,采用的是C语言来进行程序的编写,采纳模块化的设计理念,这样设计出的程序,具有相对较强的可读性,能够达到满足设计要求,达到设计指标的目标,达成了使用红外线遥控器遥控和使用键盘控制,这两种控制方式来对开锁、关锁,启动系统,修改密码,多次输入错误密码会触发蜂鸣器报警等功能所进行的控制。
(二)展望
本设计的操作相对来说是较为简单的,而且再没有增加拓展功能之前也比较容易实现。
在硬件的部分,本设计采用的元器件都是是应用比较广泛的元器件,而且价格也相对比较低廉,比如说,如红外遥控器、STC89C52单片机、S8550三极管、24C02存储芯片、还有红外接收管等等,类似这些元器件,价格都是相对比较低廉的,而且其应用也比较广泛。所以,本设计所采纳的元器件的功能,相对来说是比较强大且稳定的。尤其是,在本次红外智能电子锁的设计当中,所采纳的核心控制元件,是STC89C52单片机。相对于该种类型的单片微型计算机机来说,它的技术实际上已经达到了相对于相似类型单片机较为成熟的水平。这种类别的微处理器成本低廉,既可用来做数据处理,又适合作为控制器来使用。该设计的软件采用的是模块化设计,因此具有比较强的可读性,而且可以方便的进行二次开发。
总的来说,该设计出的红外遥控智能密码锁系统,设计电路比较简单,功能易于实现,成本相对较低,且具有比较稳定的可靠性,开发远景比较好。
[1]朱月秀单片机原理与应用(第二版).科学出版社,2004,2:24-50.
[2]时德刚,刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制,2002,10:32-48.
[3]戴曰章.基于AT89C51单片机的超声波测距系统.电气时代,2005,8:42-56.
孙丛亮(1991.3-),男,汉族,安徽蚌埠,贵州省毕节职业技术学院,硕士研究生,研究方向心理学。