基于單片機和紅外技術的智能鑰匙查找系統設計

胡曉晗

基于單片機和紅外技術的智能鑰匙查找系統設計

胡曉晗

針對樓層管理中查找鑰匙煩瑣的問題，構思設計了一種基于紅外通信和單片機控制技術的智能鑰匙查找系統，與普通鑰匙查找相比較，智能鑰匙查找系統的每個鑰匙扣旁都有一個LED燈，其通過紅外光通信識別門牌號，獲取門牌號后點亮相應鑰匙扣旁的LED燈，提示管理員快速查找到需要的鑰匙。智能鑰匙查找系統上配有按鍵和蜂鳴器，操作方便快捷。

單片機；智能鑰匙查找系統；紅外光通信；電路設計

在生活中，樓層管理人員管理著大樓里多個房門，開門的時候需要逐一查找鑰匙。為了開門的方便，有些樓管將所有的鑰匙逐個貼上標簽并匯聚在一把鑰匙串上。但這種方法仍費時費力，因為開門時需要逐一查找標簽，一一比對后才能找到鑰匙。而鑰匙上的標簽也可能發生污損而辨認不清，從而帶來管理上的不便。

針對找鑰匙煩瑣的問題，有人采用過貼標簽、射頻識別等方法，但這些方法總有一些缺陷。本文根據紅外通信系統與單片機控制技術的優點[1-4]，構思設計一種智能鑰匙查找系統，該智能系統帶有自動提示功能，樓管可根據提示快速找到鑰匙，簡單方便。

一、設計方案

本設計的基本思路是在每個門上裝有一套紅外光發射裝置，智能鑰匙接收裝置上裝有一紅外光接收器和多個鑰匙扣，每個鑰匙扣旁裝有LED燈。開門時，只要將智能鑰匙接收裝置上的紅外接收器與門上的紅外發射裝置對應，則可以根據接收的信息取得當前的門牌號從而使相應鑰匙扣旁的LED點亮，樓管根據發光位置可快速找到鑰匙。

根據上述構思，設計方案如下：智能鑰匙查找系統的接收裝置類似于一個接收模塊，主要安裝有一個紅外接收器、多個鑰匙扣和多個LED燈，鑰匙與LED燈一一對應；每一扇房門的門鎖相當于一個發射裝置，門鎖旁邊有一個紅外發射管、一個按鍵。接收裝置與發射裝置之間采用紅外線通信方式，當需要打開某一把門鎖時，按下按鍵即可快速找到鑰匙。智能鑰匙查找系統的結構如圖1所示。

圖1　智能鑰匙查找系統的結構示意圖

1.紅外通信技術簡介

紅外數據通信指的是兩臺設備之間通過紅外線進行無線數據傳輸的一種數據傳輸方式，一般采用紅外波段內的近紅外線，波長在0.75 μm～25 μm。紅外數據協會(IrDA)成立后，為了保證不同廠商的紅外產品能夠獲得最佳的通信效果，將紅外數據通信所采用的光波波長的范圍限定在850 nm～900 nm。

紅外通信技術應用廣泛，主要有被眾多的軟硬件平臺所支持、兼容性好、小角度(30°以內)、短距離、點對點直線數據傳輸及保密性強等特點，其中最大特點在于它替代了設備與設備之間傳統的線纜連接，通過數據電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現無線數據收發，使不同平臺設備間的數據交換變得簡單。

2.紅外通信系統結構

紅外通信的基本原理是發送端將基帶二進制數字信號調制為一系列的脈沖串信號。發射管發射紅外信號，通過脈沖寬度調制(Pulse Code Modulation， 簡稱PWM)方式或者脈沖位置調制(pulse position modulation，簡稱PPM)方式實現信號的調制。接收端將接收到的光脈沖轉換為電信號，再經過放大、濾波等處理后送到解調電路進行解調，還原為二進制信號輸出。圖2為紅外通信系統結構框圖。

圖2　紅外通信系統結構框圖

3.單片機實現紅外通信

單片機是在一片半導體硅片上集成了微處理器、存儲器和I/O接口電路的簡單微型計算機[5]。這樣一塊集成電路芯片相當于一個更加簡化的微型計算機，也能在程序的控制下工作，因此被稱為“單片微型計算機”，簡稱“單片機”。圖3為STC公司的STC89C52單片機實物圖。

圖3　STC89C52單片機

運用單片機實現紅外數據通信的關鍵在于紅外接口電路以及驅動程序的設計。紅外發射電路一般利用單片機的IO(輸入輸出)口和紅外發射二極管構成。

單片機紅外接收電路由單片機和紅外接收器組成，本研究采用的接收器是一種紅外專用接收集成電路HS0038，用它來完成紅外信號的光電轉換與接收功能。HS0038是塑封一體化紅外線接收器，其體積不大，是一種集紅外線接收、放大、整形于一體的集成電路，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出等工作，適合于各種紅外線遙控和紅外線數據傳輸。圖4為其實際封裝及引腳情況。

圖4　一體化紅外接收頭HS0038

二、硬件設計[5]

智能鑰匙查找系統的硬件電路主要包括紅外發射電路和紅外接收電路兩個部分，系統的主控芯片為51單片機。

1.紅外發射硬件設計

每一套紅外發射電路都由單片機、三極管驅動電路和紅外發射二極管組成。當接通電源后，單片機IO口發送編碼信號，經過三極管放大到一定功率后推動紅外發射二極管，將紅外線信號發射出去。

圖5　紅外發射電路原理圖

2.紅外接收硬件設計

紅外接收電路包括按鍵電路、紅外接收電路、蜂鳴器電路以及LED燈指示電路。系統目前提供8路LED指示燈，可管理8個房門的鑰匙。最大可提供28路LED指示燈，可管理28個房門的鑰匙。

圖6　紅外接收電路原理圖

三、軟件設計[5-7]

本系統程序是在集成開發環境Keil軟件下，使用C51語言編寫實現的。Keil軟件是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，Keil軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。C51語言能直接對單片機硬件進行操作，既有高級語言特點，又有匯編語言特點，因此得到非常廣泛的使用。

軟件設計主要包括紅外發射程序設計和紅外接收程序設計兩部分，二者共同工作，完成鑰匙查找功能。

1.紅外發射程序

當電源開關按下后，單片機啟動紅外發射程序，將門牌號通過紅外編碼信號發射出去。圖7是紅外發射程序流程圖。

圖7　紅外發射程序流程圖

2.紅外接收程序

第一次按下按鍵時，電源指示燈亮，提示用戶當前為工作模式，當接收到紅外信號后，點亮相應鑰匙扣旁的LED燈。再次按下按鍵時，單片機進入休眠模式，LED燈全部熄滅。下次使用時按下按鍵即可再次進入工作模式，并可以反復循環工作。圖8是紅外接收程序流程圖。

圖8　紅外接收程序流程圖

四、結束語

本文設計實現了一種智能鑰匙查找系統，該智能系統帶有自動提示功能，樓管可根據提示快速找到鑰匙，簡單方便。實驗測試時，制作了簡易的鑰匙查找系統，采用1個紅外接收裝置與3個紅外發射裝置，能夠模擬完成自動查找鑰匙功能的全過程，操作方便快捷。本設計的創新點在于將智能電子技術引入人們日常的找鑰匙活動中，減少了找鑰匙開門的時間，給人們帶來了便利。

筆者完成了裝置研制，相關技術申請了實用新型專利（專利號：ZL201520031986.9）。筆者攜帶作品參加了 2015年安徽省青少年科技創新大賽，獲得了省級二等獎。

[1] 王小兵.基于單片機和SMS的紅外線防盜系統設計[J].儀器儀表用戶,2009,5(16)∶11-13.

[2] 付麗輝,戴峻峰,陳寶新.紅外線遙控智能密碼鎖設計[J].儀器儀表用戶,2002,4(9)∶14-16.

[3] 李秀娟.多通道紅外監測無線循環報警系統的設計[J].儀器儀表用戶,2009,3(16)∶16-18.

[4] 方建超.單片機多機紅外通信系統的設計與實現[J].計算技術與自動化,2001,20(2)∶57-61.

[5] 郭天祥,編著.新概念51單片機C語言教程∶入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京∶電子工業出版社,2013.

[6] 譚浩強. C程序設計[M].北京∶清華大學出版社,1991.

[7] 張毅剛.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱∶哈爾濱工業大學出版社,2003.

胡曉晗，在讀高中生。安徽省合肥市第一中學，230601