射頻感應(yīng)鎖控制器設(shè)計(jì)實(shí)例

　　射頻感應(yīng)電鎖通常由載有密碼的射頻IC卡（射頻鑰匙）來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬制作的鑰匙。在讀出密 碼后,通過(guò)一個(gè)電子控制器產(chǎn)生開(kāi)門電信號(hào),繼而接通電源,驅(qū)動(dòng)電控鎖具開(kāi)關(guān)門。這樣做的好處首 先是杜絕了非法復(fù)制鑰匙,其次是為人員進(jìn)出實(shí)現(xiàn)信息化管理創(chuàng)立了條件。但是,鎖的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜 起來(lái),不可靠的因素隨之增加,成本也大幅度上升;又由于增加了某些操作,與機(jī)械鎖相比使用難 度也提高了?？梢?jiàn),射頻感應(yīng)電鎖在安全性能改善的同時(shí),也帶來(lái)了可靠性、成本、可操作性等一系 列新問(wèn)題。如果在設(shè)計(jì)上不給以注意和采取措施的話,它反倒成了一種麻煩。

　　可以認(rèn)為,過(guò)于復(fù)雜的控制器往往是“麻煩”的根源。基于上述考慮,對(duì)射頻感應(yīng)電鎖控制器, 不論采用何種技術(shù)設(shè)計(jì),都應(yīng)該遵從一個(gè)原則,即在保證基本功能的前提下,控制器要做得盡可能簡(jiǎn) 單。這里,基本功能一條很重要。也就是說(shuō), 在設(shè)計(jì)的開(kāi)始,一定要仔細(xì)界定功能, 堅(jiān)決剔除那些可有可無(wú)的東西。有的電控鎖,除了開(kāi)關(guān)門功能以 外,增加了許多不常用或難使用的功能,其結(jié)果,不但徒然增加了許多成本,還大大降低了可靠性。 這是導(dǎo)致產(chǎn)品不成功的重要因素。

　　本文介紹的感應(yīng)鎖控制器,力求符合實(shí)用、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則,務(wù)求電控鎖能夠充分地?fù)P長(zhǎng)避短, 即在更安全的同時(shí),保持較低成本（不降低性能為前提）、提高可靠性。

1  設(shè)計(jì)規(guī)范

1.1 功能要求

　　一個(gè)感應(yīng)鎖控制器的基本功能應(yīng)包括：

　　◇ 感應(yīng)鑰匙開(kāi)/關(guān)門;
　　◇ 感應(yīng)鑰匙（射頻IC卡）的添加與清除;
　　◇ 鎖體電磁離合器的驅(qū)動(dòng);
　　◇ 控制器工作狀態(tài)聲、光提示;
　　◇ 為節(jié)省電力進(jìn)行限時(shí)操作,超時(shí)后即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài);
　　◇ 低電壓報(bào)警;
　　◇ 按鍵喚醒功能。

　　為實(shí)現(xiàn)上述功能所需的人機(jī)界面：?jiǎn)?dòng)鍵（喚醒鍵）、清除母鑰鍵、添加子鑰鍵、清除子鑰鍵、 狀態(tài)指示燈、低壓指示燈、蜂鳴器。

1.2  操作要求

　　管理射頻鑰匙一般采用授權(quán)發(fā)卡體系或卡片分級(jí)體系。為了 兼顧安全性和易使用要求,采用母鑰-子鑰二級(jí)模式管理鑰匙。母鑰的作用相當(dāng)于一個(gè)系 統(tǒng)操作密碼,由它對(duì)開(kāi)門鑰匙（集子鑰）的添加和刪除進(jìn)行限制。

　　如何簡(jiǎn)單而有效地添加鑰匙,是決定感應(yīng)鎖性能的重要課題。以往見(jiàn)到的二進(jìn)制撥碼開(kāi)關(guān)增、刪 子鑰模式的主要問(wèn)題是操作繁瑣、效率低。采用添加、刪除鍵,利用相鄰子鑰進(jìn)行單一刪除,是一種 自然、簡(jiǎn)便的方法。以下是本設(shè)計(jì)提供的鑰匙增刪操作要求。

　　①  清除母鑰。先按住母鑰刪除鍵,后按下啟動(dòng)鍵,再放開(kāi)啟動(dòng)鍵。母鑰刪除鍵保持按住5 s,聽(tīng)到一長(zhǎng)聲后即表示刪除母鑰完成。此后雙燈閃爍,同時(shí)鳴叫五短聲,表示母鑰未設(shè)定。

　　② 設(shè)定母鑰。在雙燈閃爍的同時(shí)鳴叫五短聲后,感應(yīng)鎖控制器將預(yù)設(shè)為母鑰的感應(yīng)鑰匙感應(yīng)。 聽(tīng)到一短聲后,按添加鍵,蜂鳴器會(huì)發(fā)出兩長(zhǎng)聲,此時(shí)即表示母鑰已設(shè)定完成。每鎖只能有一個(gè)母 鑰,母鑰只能用于增刪子鑰,不能開(kāi)門。

　　③ 增加子鑰。按啟動(dòng)鍵后,將母鑰感應(yīng),聽(tīng)到一短聲后,再將欲加入的子鑰感應(yīng)。聽(tīng)到一短聲后 按添加鍵,聽(tīng)到三短聲即完成一個(gè)子鑰之設(shè)定。若按增加鍵后聽(tīng)到一短聲,則表示欲加入的子鑰早已 設(shè)定于內(nèi),是重復(fù)錯(cuò)誤。用母卡做此增加時(shí),也視為重復(fù)錯(cuò)誤。連續(xù)增加時(shí),只需重復(fù)感應(yīng)欲增加的 新子鑰,然后按添加鍵即可,最多增加29個(gè)子鑰。

　　④  開(kāi)/關(guān)門。先按啟動(dòng)鍵,電路由睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入讀鑰態(tài)。此時(shí),可用鑰匙感應(yīng),正確時(shí)聽(tīng)到一短 聲,狀態(tài)燈閃爍,門鎖離合器通電動(dòng)作,門開(kāi)啟。開(kāi)啟態(tài)持續(xù)5 s后,狀態(tài)燈熄滅,離合器分?jǐn)?門恢復(fù)關(guān)閉態(tài)。

　　⑤  清除單一子鑰。按啟動(dòng)鍵后將母鑰感應(yīng),聽(tīng)到一短聲后按清除鍵,將欲清除的子鑰的前一個(gè)子 鑰感應(yīng),聽(tīng)到一短聲后再按清除鍵,聽(tīng)到二短聲后即清除完成。如果欲清除的子鑰為第一個(gè),則它的 前一個(gè)子鑰就是母鑰。如欲清除的子鑰的前一個(gè)子鑰已被清除但尚未補(bǔ)入新子鑰,請(qǐng)用再前一個(gè)子鑰 清除,依次類推。如打算清除其他子鑰,請(qǐng)重復(fù)以上操作。

　?、?nbsp; 清除全部子鑰。按啟動(dòng)鍵后將母鑰感應(yīng),聽(tīng)到一短聲后,再次用母鑰感應(yīng),又聽(tīng)到一短聲后, 按住清除鍵5 s,聽(tīng)到兩短聲加一長(zhǎng)聲,即將所有子鑰清除完畢。

　　控制器的幾個(gè)基本工作狀態(tài)：

　?、?nbsp; 啟動(dòng)態(tài)。接通電源后,如果母鑰已設(shè)定好,電池不欠壓,則雙燈均為熄滅狀態(tài);如果電池欠 壓,則僅欠壓指示燈穩(wěn)定燃亮。如果母鑰未設(shè)定好,則雙燈閃爍,同時(shí)鳴叫五短聲。

　　②  睡眠態(tài)。如果10 s內(nèi)沒(méi)有任何讀鑰操作發(fā)生,則電路自動(dòng)轉(zhuǎn)入睡眠態(tài),以節(jié)省電力。

　　③  電池低壓報(bào)警態(tài)。電池電壓≤5 V時(shí)低壓燈燃亮。此時(shí)應(yīng)盡快更換電池。

　　④  故障狀態(tài)。在做增加、清除操作時(shí),如果發(fā)現(xiàn)狀態(tài)燈持續(xù)亮,則表示電路故障,應(yīng)停止使用。

　　以上操作及相關(guān)的聲光提示,請(qǐng)參見(jiàn)表1　。

                                       表1  功能與聲、光提示對(duì)照表

1.3  技術(shù)參數(shù)

　　感應(yīng)鎖控制器的技術(shù)參數(shù)如表2所列。

                                              表2  感應(yīng)鎖控制器技術(shù)參數(shù)

2  控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　控制電路由單片機(jī)(U1)、鑰匙存儲(chǔ)器(U2)、射頻模塊(U3)、 人機(jī)界面部件、電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路和射頻天線組成, 采用直流6 V（4節(jié)5號(hào)電池）供電。 圖 1 是電路原理圖。

                                                     圖1  感應(yīng)鎖控制器電路原理圖

　　射頻模塊選用基于美國(guó)德州儀器公司（TI）的射頻模塊RFM01。它功耗低,讀卡速度高,接線簡(jiǎn) 潔。它需要配接1個(gè)電感值為 430～460μH、Q值大于15的天線線圈。也可以選用基于美國(guó)ATMEL 公司U2270B的射頻模塊,但性能稍差。

　　單片機(jī)選用ATMEL公司的89C2051。它的端口數(shù)和ROM可滿足本電路的功能要求。單片機(jī)的工 作頻率為11.059 2 MHz（不可以高于或低于這個(gè)數(shù)值,因?yàn)檐浖眠@個(gè)頻率和射頻模塊匹配）。如果 還要擴(kuò)展其他功能,例如改用12或16鍵鍵盤,增加日歷時(shí)鐘或外擴(kuò)存儲(chǔ)器,可以選用端口數(shù)和 ROM更大的單片機(jī)。為獲得更高的可靠性應(yīng)采用OTP型兼容單片機(jī)。

　　鑰匙存儲(chǔ)器選用ATMEL公司的24C02 ,可存儲(chǔ)30個(gè)鑰匙。如果打算存儲(chǔ)更多的鑰匙,應(yīng)選用該系 列更大容量的型號(hào)。為獲得更高的可靠性可采用美國(guó)XCOR公司的兼容型號(hào)。

　　本電路采用了中功率PNP三極管擔(dān)當(dāng)電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路,可以驅(qū)動(dòng)負(fù)荷電流在0.8 A以內(nèi)的各種電鎖專用電磁離合器或電機(jī)。如果打算驅(qū)動(dòng)更大 負(fù)荷,可以改為繼電器驅(qū)動(dòng)方式,三極管輸出接到繼電器線圈即可,但這樣會(huì)增大功耗。

　　由4個(gè)按鍵、2只發(fā)光二極管、1個(gè)蜂鳴器組成人機(jī)界面,以便完成 添加、刪除、啟動(dòng)等必要的操作。

　　射頻模塊所匹配的天線線圈的參數(shù)必須準(zhǔn)確,否則讀卡 性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。制作天線時(shí),必須用儀器測(cè)量其參數(shù)。這里提供一套與 RFM01匹配的天線參數(shù),如 表 3 所列。該線圈對(duì)鑰匙型感應(yīng)體的識(shí)別距離為80 mm,對(duì)卡片型感應(yīng)體的識(shí)別距離為120 mm。

                                                表3  天線參數(shù)表

　　本電路利用89C2051片上集成的比較器構(gòu)成電池欠壓檢測(cè)電路。當(dāng)發(fā)生 欠壓時(shí),點(diǎn)亮發(fā)光二極管。

　　為了最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命,當(dāng)幾秒鐘沒(méi)有操 作發(fā)生時(shí),電路自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),即所謂“睡眠態(tài)”。這 是通過(guò)軟件控制89C2051和射頻模塊的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。

3 控制器的軟件設(shè)計(jì)

　　硬件需要與高效率的軟件相配合,才能實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電子鎖的各種功能。軟件源代碼使用C語(yǔ)言編 寫(xiě),最終代碼固化于89C2051的Flash ROM內(nèi)。圖 2 為流程圖。

                                              圖2  軟件設(shè)計(jì)流程圖