基于光控元件的智能锁设计①

董向博++曹博++刘冬++张琰

摘 要：该文依据光控元件的特点，用光控元件代替数字键盘设计出门锁的硬件电路，结合由单片机构成的控制电路，设计出新型的智能门锁。该智能门锁具有安全性能高、成本低的特点。

关键词：光控元件 门控系统 智能锁

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0062-03

门禁的安全性是日常生活中人们最关心的话题，使用安全性能高的门锁是门禁安全的保障。数字电子技术和微处理器（单片机系统）的相结合使得电子密码锁成为新时代门禁系统的“新宠”。密码锁的键盘部分通常采用数字键盘系统构成。这种键盘系统的特点是直观、简单，用户只需要记住数字构成的密码，就可以开启房门。但这种由0～9构成的数字密码一般都设计为4为数字密码，很容易被破解，安全性也随着降低。随着光电技术的日益发展，利用半导体的光电效应和光生伏特效应制成的光电元件[1]以其快速、测量精确、无接触、测量距离远的特点在生活中的应用越来越广泛。本设计利用光电元件的特点，将光电元件构成的键盘系统代替电子密码锁的数字键盘系统，结合单片机控制系统，设计出新型的智能密码锁，从而提高了门禁系统的安全性。

1 整体设计

由光控元件（光电传感器）构成智能锁的键盘部分，LCD屏显示开锁过程中出现的状况，AT89C52单片机实现整个系统的功能，用电磁锁替换传统的机械锁。光控元件将手势的“触摸”信号传递给单片机，通过单片机判断信号的正确与否启动电磁锁的开启与否。

设计的智能锁可以实现的功能有。

（1）在输入密码时在LCD屏幕上显示*号；

（2）设计开锁密码为特定手势；

（3）能够LCD显示在手势正确时显示PASSWORD OK，手势错误时显示PASSWORD ERROR，输入手势时显示INPUT PASSWORD；

（4）实现输入手势错误超过限定的三次密码，键盘“锁死”，发报警信号；

（5）该产品具备报警功能，当输入密码错误时蜂鸣器响并且LED灯亮；

（6）密码可以由用户自己修改设定（只支持6位密码），修改密码之前必须再次输入密码，在输入新密码时候需要二次确认，以防止误操作。

设计的智能锁系统图如图1所示。

2 单元电路的设计与特点

2.1 光控元件构成的键盘电路

基于光电元件构成的键盘系统，其核心元件是光敏元件构成的光电传感器。光电传感器的特点是[2]：结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等。设计中采用小型光电传感模块构成3×3键盘系统，单个模块电路如图2所示。

该模块的特点是对光线的适应能力强，通过电位器可以调节手指接触键盘的距离（可调距离为2～30cm），干扰小，便于安装，使用方便。在设计时，将手指与键盘之间的距离统一调节为10cm，可避免因距离问题，使非正确信号（开门信号）传递给控制系统，从而使错误信号启动了门锁的报警系统。

2.2 继电器驱动电路设计

门锁的“锁”部分由电磁锁构成，设计中采用SRD-05VDC-SL-C型继电器驱动电磁锁“开锁”。由于采用了光控元件，电磁锁的电源电压相对较小，一般采用5V即可。设计的继电器驱动电路如图3所示。

3 门控系统设计

门锁的核心系统是门控系统，该系统由AT89C52单片机最小系统构成[3]，利用AT89C52单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的智能锁功能，其程序流程图如图4所示。

系统的I/O口分配如表1所示。

4 系统调试

首先应用Proteus软件进行系统仿真[4]，系统图如图4所示。仿真过程中，先给一个启动锁的手势信号（相当于机械锁的插入钥匙状态），LCD屏显示“*”信息，再给定正确的开锁手势信号，显示屏显示“PASS WORD OK”。连接实物进行软件系统与硬件系统联调时，给定正确手势信号，听见继电器动作声音，却不见电磁锁动作（开锁）。在初步设计中，电磁锁与继电器构成的输出电路中采用的电源电压过大，导致继电器线圈烧坏，因此出现继电器一次侧吸合动作，二次侧电磁锁不动作。调整了外接电源后，电磁锁顺利动作，达到设计要求。

在仿真过程中为方便运行和系统图布局，用3*3阵列按键代替了光电传感器模块构成的按键系统，实际系统搭建时键盘系统是由光电模块构成，仿真的结果和实物调试结果一致。

5 结语

该文介绍了一项大学生创新创业训练项目—— 智能锁的设计方案，阐述了整个设计流程，在此基础上进行了设计仿真和实物制作调试。基于光控元件的智能锁的设计，结构简单、使用便捷、安全性能高，具有良好的实用性。

参考文献

[1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 张洪润.传感技术与应用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3] 张毅刚.单片机原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 陈海宴.51单片机原理及应用：基于Keil C与Proteus：2版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.