基于红外线技术的新型密码锁的研究与设计

赵铭

【摘 要】本文根据单片机技术及相关原理，设计出一款以单片机为控制核心并融合了红外线技术的新型密码锁。该锁结合电子密码和光控的技术优势，摆脱了老式机械锁难更换，易损坏以及电子锁安全性不高的缺点，是一类极具发展前景新型锁。

【关键词】红外线;密码锁;设计

20世纪末，电子技术的飞速发展有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，也使现代电子产品性能进一步提高，特别是在人类安全防护领域的运用尤为突出[1]。马洛斯提出的人类五级需求中安全需求排名第二，人类只有在安全得到保障的基础上才能往更高级别的需求发展。如何使自己的人身和财产安全得到有效的防护已成为人们考虑的焦点，因此，和人们生活息息相关的锁的发展和改进也更加受到关注和重视。

1 锁的应用现状

目前，市面上流通的锁的类型繁多，概括起来主要分为以下三种：第一种是机械锁，由20世纪50年代意大利人设计，其机构简单、使用方便、价格便宜。但在使用中暴露了诸多缺点：一是机械锁是靠金属制成的钥匙上的不同齿形与锁芯的配合来工作的;二是锁本身设计简单，极容易被撬开破坏。第二种电子密码锁，它具有成本低，抗干扰能力强的优点，但电子密码锁都采用的是固定键盘式的，使得用户在操作时没有隐蔽性，易被人看见和偷拍，使得密码不安全，而且没有自动报警功能，无法拒绝非法用户尝试密码。第三种智能锁（如指纹辨别、IC卡识别），但这类产品的特点是针对特定指纹或有效卡，只能适用于保密要求高且仅供个别人使用的箱、柜、房间等。而且IC卡易丢失，加上其成本一般较高，在一定程度上限制了这类产品的普及和推广。

根据以上三类锁的特点，取长补短，现根据单片机技术及相关原理，创新设计一个以单片机为控制核心并融合了红外线技术的新型密码锁。此锁结合了电子密码和光控的技术优势，摆脱了老式机械锁难更换，易损坏以及电子锁安全性不高的缺点，是一类极具发展前景新型锁型。

2 新型密码锁的可行性和设计思路

2.1 可行性

此新型密码锁是一款以单片机为控制核心并融合了光控技术的新锁型。该锁的设计有效地兼顾了目前三类锁的优点，并且引入了光控钥匙的概念，使其在未来的发展上有了更大的晋升空间。其优势可表现在如下几个方面：一是，该锁整体依靠各类电子器件来实现主要功能，无大型活动零件，因此避免了由于零件长期磨损而带来的各项问题;二是，该锁结合了密码输入与光控钥匙组成的双重保险，直接克服了电子密码锁单靠输入密码开启门锁的低安全性问题，即便按键密码泄露，无正确的光控钥匙依然无法打开由它把守的大门。三是，光控密码的设置更为灵活，更为人性化。用户可根据自己的意愿更改光控密码，并且无需重铸新钥匙，只要对应修改光控钥匙的密码即可。这也进一步避免了因钥匙遗失、密码泄露而不得不换锁的尴尬。四是，该锁的制造成本较低，投放至市场上，更能被普通用户所接受，易于大范围推广。五是，光控钥匙的使用是在近距离有遮蔽物的锁体内部，红外线不会受到外界环境的干擾，并且工作方式隐蔽，不容易被外人所察觉[2]。

2.2 总体设计思路

利用特制的光控钥匙与正确按键密码，共同驱动门锁将门打开。具体的功能是由光控模块，按键模块、单片机控制模块和显示模块来共同完成。此设计创新之处就在于利用了不可见的红外光线，来间接实现对锁头的控制，从而摆脱了普通锁锁头复杂的制作工艺，进而也避免了遗失钥匙后换新锁的繁琐过程，操控者只需对锁头进行简易的密码更改以及对应的密钥更改即可。同时，配合按键密码一同工作也极大地加强了锁的安全性。

3 新型密码锁的原理

新型密码锁主要由五个模块组成，分别为光控模块、按键模块、单片机控制模块、显示模块、门锁显示灯模块。如图1所示。其中，将按键模块、单片机控制模块合称为密码模块。

图1 新型密码锁原理图

新型密码锁的系统整体电路，如图2所示。其工作原理为：

图2 系统整体电路图

当光控模块插入正确的钥匙后，八输入与非门会输出一个高电平。同时当按键模块输入正确密码时，单片机P1.0口也会输出一个高电平，这样两个高电平再经过一次与非产生一个低电平，促使门锁显示灯电路导通，达到模拟开门的效果;若按键锁部分输入三次密码均不正确时，单片机会将键盘锁死，无法再次有效输入，当重新按下复位按钮时，系统恢复常态。

由于本设计是基于模拟电路设计的，所以使用Proteus软件进行仿真[3]。

4 系统的实现

第一步：通过对光敏二极管后方的开关进行A/B位选择，实现高/低输出电平的有效筛选，完成光控模块中锁部分的一位密码设置功能。当开关拨到A位时，选择低电平有效，光敏二极管处于接收红外线模式，为0状态;当开关拨到B位时，选择高电平有效，光敏二极管处于未接收红外线模式，为1状态。同理对多个开关进行位的选择，就能实现多位密码的设置。第二步：对光控模块中钥匙部分的开关进行开/闭位选择，实现对发光管工作位的控制，完成钥匙对应密码的设置功能。当开关拨到开位时，发光管处于红外线辐射模式，为0状态;当开关拨到闭位时，发光管处于休眠模式，为1状态。同理对多个开关进行位的选择，就能实现多位密码的设置。对单片机程序进行密码设定，完成对密码模块中按键密码的设置。第三步：将钥匙正确放入光控模块锁部分中。第四步：在键盘上键入4位数字密码，通过显示器对键入内容进行观察。若键入错误，可按退格键清除当前一位键入信息，或按清零键清除当前所有键入信息，重新输入。第五步：输入完毕后，按下确认键。若显示器显示“OPEN”字样，说明输入密码正确，门锁打开;若显示器显示“ERROR”字样，说明输入密码错误，门锁无法打开;若显示器显示“LOCK”字样，说明连续输入错误密码次数已超过3次，系统已自锁，无法再输入。第六步：当出现“LOCK”自锁情况时，主人需按下复位键，将系统重新复位，恢复正常工作。

5 展望

综上所述，本设计着重在于提出一种新的思路，为锁的未来发展提供一种新的参考。如果进行进一步的研究，还可以从以下几个方面着手：一是，光控模块的钥匙部分可以加入单片机进行电路集成，利用单片机实现对密码的设置、更改，控制红线的发射;二是，光控模块中锁的接收装置对信号的接收可以发展为单位时间内对红外线发射次数的采集，将次数信号转化为密码信息;三是，光控模块中锁的密码设置发展为利用单片机对其进行自由更改;四是，系统的电源采用可自行充放电的独立电源装置。

【参考文献】

[1]任旭.基于CPLD的全桥谐振式大功率脉冲激光电源的研究[D].长春理工大学，2004.

[2]赵思成.单片机红外线遥控器输入系统研究[J].硅谷，2009.

[3]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003.

[责任编辑：汤静]