基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法
2023-05-27 15:24:56 2
專利名稱：基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電子密碼鎖裝置及其控制方法，更具體的說是一種以單片機為主 要元件、以紅外線為數據傳輸介質的遙控電子密碼鎖及其控制方法。
背景技術：
在現有無線遙控電子鎖裝置中，電子鑰匙直接將開鎖密碼通過無線電或則紅外線 傳輸給電子鎖的密碼驗證裝置，電子鎖的密碼驗證裝置對開鎖密碼進行驗證，如果驗證結 果一致，則進行開鎖，否則拒絕開鎖。
無線遙控電子密碼鎖無需尋找鎖眼即可開鎖，使用方便，但由於無線遙控電子鎖 的鑰匙和鎖是獨立的，它們之間進行的通信採用無線傳輸模式，無線傳輸是一種開放傳輸 模式，如果開鎖密碼未進行加密，很容易在電子鑰匙和電子鎖之間通過無線接收設備截獲 開鎖密碼，並複製開鎖密碼，達到非法開鎖的目的。
發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明提供了基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝 置及其控制方法，它結構簡單，成本低廉，數據加密方式多樣，安全性高，可廣泛應用於工 廠、賓館、家庭等門禁系統。本發明包括鑰匙單元、鎖單元之間的通信電路及其控制方法兩方面內容1、鑰匙單元和鎖單元紅外線數據通信電路鑰匙單元與鎖單元的紅外線數據通信線路完全一致，包括紅外線數據發送和接 收。(1)紅外線數據發送電路單片機的1個帶有內部上拉電阻的雙向I/O引腳串聯1個分壓電阻後與三極體 9013的基極連接，三極體9013的集電極與單片機工作電源連接，發射極與紅外線發射管 正極連接，紅外線發射管的負極串上限流電阻後與單片機的串行數據通信輸出引腳TXD連 接。三極體9013在電路中作為開關管，產生38KHz的頻率。(2)紅外線數據接收電路紅外線一體化接收頭的電源與單片機電源Vcc連接、負極與單片機的地端連接， 輸出腳串聯限流電阻後與單片機的串行數據通信輸入引腳RXD連接。2、控制方法⑴開鎖方法①鑰匙單元通過紅外線向鎖單元串行發送一組預先設置的固定數據。在8位單片機串行通信中1幀數據的有效數位為8位二進位數，即可換算為2位 十六進位數，所以固定數據、隨機數據在預先設置時，只能設置為偶數位的十六進位數。鑰 匙單元的開鎖按鍵是一個串入單片機工作系統和電源之間的開關按鍵，開關按鍵為常開 型，當開關按鍵按下時，鑰匙單元的單片機系統進行上電復位，單片機執行程序，通過紅外線向鎖單元串行方式發送1組預設固定數據，所謂固定數據，是因為鑰匙單元每次開鎖都要發送這組數據，且具體數值可以進行預設。②鎖單元將鑰匙單元的固定數據與鎖單元的預先設置固定數據進行比較，結果一 致則通過紅外線向鑰匙單元串行發送一組隨機數據，隨後鎖單元對隨機數據進行加密。鎖單元在接收到鑰匙單元發送的固定數據後，與自身預設的固定數據進行比較， 結果一致後，通過紅外線向鑰匙單元串行方式發送1組隨機數據，隨後對隨機數據進行加 密，加密結果作為校對密碼存儲；如果結果不一致，鎖單元將返回到初始狀態。③鑰匙單元對鎖單元發送的隨機數據進行加密，並將加密結果返回到鎖單元。鑰匙單元在接收到鎖單元發送的隨機數據後，對隨機數據進行數據加密，將加密 結果通過紅外線串行通信方式返回鎖單元。④鎖單元對鑰匙單元加密的結果與鎖單元自身的加密結果進行比較，結果一致則 開鎖，否則拒絕開鎖及判斷是否需要給出報警信號。鎖單元將鑰匙單元返回的加密結果與自身的隨機數據加密結果進行比較，結果一 致，則進行開鎖，否則，如果結果不一致次數達到一定數值後，將給報警裝置一個報警信號， 並返回到初始狀態。其中，鑰匙單元和鎖單元的加密方式方法必須完全一致。(2)數據加密方法數據加密方法包括數據置換處理、數據相加處理和數據環移處理。數據置換，將需要置換的數據作為置換表中的序號，用對應該序號的置換數據替 換原來需要置換的數。數據相加，將數據與預先設置的固定數進行相加，其中低位相加產生的進位保留， 高位相加產生的進位捨去。數據環移，數據環移包括左環移和右環移，在8位單片機中可以通過程序對8位二 進位格式存儲的數進行左環移或則右環移操作，以此達到數據變化的目的。在本發明中，數據加密方法至少使用1次數據置換處理、1次數據相加處理和1次 數據環移處理，其使用的先後順序可以設置。本發明採用上述裝置及其控制方法，首先，鑰匙單元和鎖單元的單片機集紅外線 數據發送、數據接收、數據解碼、數據校驗和數據加密晶片於一體，簡化了電路，降低了成 本；其次，單片機可以設置程序加密，禁止讀出單片機內部程序，防止鑰匙程序被複製；最 後，每次開鎖密碼是一組隨機數據經過一種加密方式得到，而加密方式至少使用了 1次數 據置換、1次數據相加、1次數據環移，破解加密方法的難度增大，增加了安全性。
圖1是本發明的原理框圖。圖2是本發明的鑰匙單元電氣原理圖。圖3是本發明的鎖單元電氣原理圖。圖4是本發明的加密原理圖。圖5是本發明鑰匙單元的程序流程圖。圖6是本發明鎖單元的程序流程圖。
圖7是本發明數據加密方法實例。
具體實施方式
1、參照圖1基於單片機的紅外線電子密碼鎖及其控制方法的實施就是鑰匙單元與鎖單元之 間數據通信電路以及控制方法實施步驟第一步鑰匙單元的按鍵Kl按下，單片機Ul上電復位，隨即通過紅外線向鎖單元 串行通信方式發送1組預設的固定數據。第二步鎖單元的單片機U2將鑰匙單元發送的固定數據與自身預設的固定數據 進行比較，比較結果一致後，通過紅外線向鑰匙單元的單片機Ul串行通信方式發送1組隨 機數據，隨後單片機U2對發送的隨機數據進行加密，並將加密後的結果存儲於單片機U2的 數據存儲器中。第三步鑰匙單元的單片機Ul對接收到的隨機數據進行加密，將加密後的結果通 過紅外線串行通信方式返回給鎖單元，隨後通過軟體讓單片機Ul停止工作。第四步鎖單元的單片機U2對鑰匙單元返回的加密後的數據與自身加密後的數 據進行比較，結果一致則給開鎖裝置Dl —個開鎖信號，否則再判斷是否給報警裝置D2 —個
報警信號。2、參照圖2、圖3單片機工作電路鑰匙單元通過電池為單片機Ul產生5V工作電壓；按鍵Kl控制整個單片機系統供 電；單片機Ul的復位端RST外接RC上電復位電路，使單片機系統在上電時自動進行復位； 單片機Ul的XTAL1、XTAL2和GND端外接晶振、電容，與單片機內部振蕩器形成振蕩電路，為 單片機Ul提供工作時鐘頻率。鎖單元的單片機U2在實際應用中通過市電轉換後成為5V直流電供電，也可以通 過電池供電；單片機U2的復位端RST外接RC上電復位電路，與單片機Ul不同的是在電容 C6上並聯了一個按鍵K2，目的是增加了手動復位按鍵；單片機U2的XTAL1、XTAL2和GND端 外接晶振、電容，與單片機內部振蕩器形成振蕩電路，為單片機U2提供工作時鐘頻率；1號 I/O引腳外接開鎖裝置(圖中標識0ΡΕΝ) ；2號I/O引腳外接報警裝置(圖中標識:ALAMR)。單片機紅外線數據串行發送電路紅外線發射電路，由於紅外線接收頭HS0038隻能接收37_39Khz的紅外線，直接發 出的未經調製的紅外線是不能被紅外線接收頭HS0038所識別，因此需要將紅外線光進行 調製為37-39Khz的載波；單片機Ul和單片機U2使用定時器產生定時中斷，對內部帶上拉 電阻的I/O引腳取反，產生38Khz的方波，並控制三極體9013的基極，以此控制紅外線發射 管的通斷，同時，紅外線發射管還受到單片機串行數據通信輸出引腳TXD引腳的控制，當串 行數據通信輸出引腳TXD為低電平的時候，紅外線發射管將產生38Khz的紅外線方波，反 之，當單片機串行數據通信輸出引腳TXD為高電平時，紅外線發射管兩端無電壓差，不能產 生紅外線。紅外線接收電路，紅外線接收頭HS0038接上工作電壓，輸出腳OUT串上限流電阻 後與單片機的串行數據通信輸入引腳RXD連接，當紅外線接收頭受光面接收到37-39Khz的紅外線時，在輸出端OUT輸出低電平，在未收到37-39Khz的紅外線時，輸出端輸出高電平。紅外線發射電路與接收電路的對應關係，當數據發射電路中的單片機串行數據通 信輸出引腳TXD為低電平時，紅外線發射管工作，產生38Khz的紅外線方波；接收電路中的 紅外線接收頭HS0038接收到38Khz的紅外線方波時，輸出腳OUT為低電平，因為數據接收 的單片機與紅外線接收頭HS0038共電源，所以單片機串行數據通信輸入引腳RXD也為低電 平，與發射電路中單片機的串行數據通信輸出引腳TXD端對應。反之，當數據發射電路中 的單片機串行數據通信輸出引腳TXD為高電平，紅外線發射管兩端均為高電平，不能產生 38Khz的紅外線，因此，接收電路中紅外線接收頭HS0038的輸出腳OUT為高電平，接收電路 中單片機的串行數據通信輸入引腳RXD也為高電平。由此可以看出，接收電路中單片機的 串行數據通信輸入引腳RXD與發射電路中單片機的串行數據通信輸出引腳TXD高低電平 一一對應，達到了串行方式通信的要求。3、參照圖4數據加密原理參照圖3中虛線框1，數據Ax是一個需要進行加密的原始數據，將Ax的值作為置 換表中序號值，再將對應該序號值的置換數取出代替原始數據，即Bx(虛線框2)代替數據 Ax。參照圖3中虛線框2，數據Ax置換結果Bx加上一個預設數據Cx，和為Dx (虛線框 3)，其中，由於電路採用8位單片機，數據存儲為8位二進位數，相當於2位十六進位數，如 果Cx的低位與Dx的低位相加產生進位則高位加一，Cx的高位與Dx的高位相加產生的進 位則捨去。參照圖3中虛線框3，數據Dx經過環移後(環移方向和位數可以預設)，成為Ex， 即Ex為Ax的加密結果。圖3為一般的數據加密原理，在實際使用中，數據置換、數據相加和數據環移所調 用次數和調用順序是可以設置的。4、參照圖5步驟101，鑰匙單元單片機在上電復位後，單片機開始正常工作。步驟102，鑰匙單元單片機在做開鎖前的準備工作，包括定時器定時設置、數據串 行方式發送、接收的波特率、數據串行方式發送、接收格式的設置。步驟103，打開定時器，定時中斷控制一個內部帶上拉電阻的I/O 口產生38Khz的 頻率，並通過串行數據通信輸出引腳TXD向鎖單元發送一組預設的固定數據。步驟104，關閉定時器，停止產生38Khz頻率，等待接收隨機數據。步驟105，隨機數據接收完成後，對接收的隨機數據進行加密。步驟106，參照步驟103，打開定時器，產生38Khz的頻率，並通過串行數據通信輸 出引腳TXD向鎖單元發送加密後的數據。步驟107，通過程序使單片機停止工作。5、參照圖6步驟201，鎖單元單片機在復位後，單片機開始正常工作。步驟202，鎖單元單片機在做開鎖前的準備工作，包括定時器定時設置、數據串行 通信發送、接收的波特率、數據串行通信發送、接收的格式、密碼錯誤次數上限設置、開鎖和報警裝置的I/O 口定義。步驟203，等待鑰匙單元的數據發送，當單片機串行數據通信輸入引腳RXD出現低 電平時，時間限制定時器立即開始定時，如果在限定的時間內，數據未接收完成，返回到初 始狀態。如果接收的數據與自身的預設固定數據不一致，返回到初始狀態。步驟204，在接收數據與自身的預設固定數據比較結果一致的情況下，鎖單元的 單片機立即產生一組隨機數據，並將這組隨機數據通過串行通信發送口 TXD發送到鑰匙單 兀。步驟205，關閉產生38Khz頻率的定時器，對產生的隨機數據進行加密。步驟206，接收鑰匙單元加密後的數據，如果在限制時間內未接收完成，鎖單元的 單片機返回到初始狀態。步驟207，數據接收完成，關閉時間限制定時器，將鑰匙單元加密後的數據與自身 的加密數據進行比較。步驟208，鑰匙單元的加密數據和鎖單元的隨機密碼加密後的數據比較結果一致， 給出開鎖信號，並返回到初始狀態。步驟209，判斷步驟207的比較結果不一致的次數在一定時間內，是否達到上限， 未達到，返回到初始狀態。步驟210，在步驟209中，比較結果不一致的次數在一定時間內達到了上限，給出 報警信號，返回到初始狀態。步驟211，本步驟是防止數據傳輸中斷後鎖單元進入持續等待數據接收的狀態。6、參照圖7設加密前隨機數據為兩位十六進位數D3，加數為兩位十六進位數72，環移位數為 左環移2位，置換表序號0-F對應置換數順序為:3、5、D、9、7、6、1、2、F、4、C、B、8、A、0、E。加 密原則為按數據相加、數據環移、數據置換順序各執行1次。十六進位數D3換算為8位二進位數是11010011。十六進位加數72換算為8位二進位數是01110010數據相加十六進位數D3加上十六進位數72就相當於二進位數11010011加上 01110010，十六進位表示相加結果為145，二進位表示相加結果為101000101，由於最高位 的進位捨去，因此十六進位表示相加結果為45，二進位表示相加結果為01000101。數據環移二進位數01000101左環移2位表示從左至右順序，第3位0至第8位 向左順序移動2位，而第1、2位則分別放在第7和第8位置，結果二進位表示為00010101， 十六進位表示為15。數據置換對照置換表，15的第1位數字1對應置換表中的5，第2位數字5對應 置換表中的6，即15置換結果為56。因此十六進位隨機數D3的加密結果為十六進位數56。
權利要求
基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法，包括鑰匙單元、鎖單元及其控制方法，其特徵在於鑰匙單元與鎖單元均以單片機作為數據傳輸、數據加密、數據校驗的核心元件；鑰匙單元與鎖單元之間的數據傳輸是以紅外線作為介質；控制方法包括開鎖方法和數據加密方法。開鎖方法如下①鑰匙單元通過紅外線向鎖單元串行傳輸方式發送一組預先設置的固定數據。②鎖單元將鑰匙單元的固定數據與鎖單元預先設置的固定數據進行比較，結果一致則通過紅外線向鑰匙單元串行發送一組隨機數據，隨後鎖單元對隨機數據進行加密。③鑰匙單元對鎖單元發送的隨機數據進行加密，並將加密結果返回到鎖單元。④鎖單元對鑰匙單元加密的結果與鎖單元自身的加密結果進行比較，結果一致則開鎖，否則拒絕開鎖及判斷是否需要給出報警信號。數據加密方法是採用數據置換、數據相加和數據環移的數據處理方法。
2.根據權利要求1所述的基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法，其 特徵在於鑰匙單元和鎖單元均採用8位單片機；鑰匙單元的單片機至少含有1個帶有內 部上拉電阻的雙向I/O引腳、1個串行數據通信輸入引腳和1個串行數據通信輸出引腳；鎖 單元的單片機至少含有3個帶有內部上拉電阻的雙向I/O引腳、1個串行數據通信輸入引腳 和1個串行數據通信輸出引腳。
3.根據權利要求1所述的基於單片機的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法，其 特徵在於數據加密方法中至少採用1次數據置換處理、1次數據相加處理和1次數據環移 處理，其採用的先後順序可以設置。
全文摘要
本發明公開了一種用單片機實現的紅外線遙控電子密碼鎖裝置及其控制方法，包括紅外線發射電路、接收電路及控制方法，控制方法包括開鎖方法和數據加密方法。在開鎖方法中鑰匙單元首先通過紅外線向鎖單元發送一組預設的固定數據，鎖單元接收到該組固定數據後將其與自身的固定數據進行比較，比較結果一致，則向鑰匙單元發送一組隨機數據，並對該組隨機數據加密，鑰匙單元也對該組隨機數據加密，並將加密結果返回到鎖單元，鎖單元對鑰匙單元的加密結果和自身的加密結果進行比較，結果一致則進行開鎖；在加密方法中包括數據置換、數據相加、數據環移的處理。本發明採用單片機進行數據傳輸、數據加密、密碼校驗，簡化了電路，降低了成本，增強了安全性。
文檔編號G07C9/00GK101833798SQ20091016764
公開日2010年9月15日 申請日期2009年9月16日 優先權日2009年9月16日
發明者徐照英 申請人:徐照英