光电密码锁的实验研究

李平舟，谭少轩

（西安电子科技大学理学院，陕西西安710071）

1 引 言

智能密码锁系统由智能监控器和电子锁具组成.二者异地放置，智能监控器供给电子锁具所需的电源并接收其发送的报警信息和状态信息.采用线路复用技术，使电能供给和信息传输共用1根二芯电缆，提高了系统的可靠性和安全性.

智能监控器由单片机、时钟、键盘、LCD显示器、存贮器、解调器、线路复用及监测、A／D转换、蜂鸣器等单元组成.主要完成与电子锁具之间的通信、智能化分析及通信线路的安全监测等功能.现在广泛应用的光电密码锁是用红外传输替代短距离的电缆，其性能比智能密码锁更安全快捷[1].

2 光电密码锁原理

光电密码锁实验是经过GDZ1光电检测和信息处理平台板实现的，其主要器材有：光电检测和信息处理平台、光电密码锁实验板、示波器等.其中实验板（图1）主要器件包括：反射式光电开关、对射式光电开关、光电耦、光电池、光敏电阻等.

光电密码锁应用光电传感器的开关特性，利用光电元件受光照或无光照时有无电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号，在信号处理上代替了单片机的按键置入和开关的抖动[2].下面对照图2对各个器件的工作原理进行介绍.

反射式光电对管前无障碍物，所以接收管不导通，其输出为高电平，经74LS04反相器后22脚为低电平，LED1发光；当在对管前扫障碍物时，接收管导通，22脚输出为高电平，LED1不发光，22脚为单片机的输入，如图2（a）所示.

图1 光电密码锁实验板

对射式光电对管前无障碍物，接收管可以接收由发射管L1发射的光谱，它处于导通状态，输出低电平，经74LS04反向器后24脚为高电平，LED2不发光；当在两管中间加隔离时，接收管处于截止状态，24输出低电平，LED2发光.24脚为单片机输入，如图2（b）所示.

（a）第一位密码设置

图2 光电密码锁实验原理图

若光耦的发射管与接收管间无障碍物，接收管导通，其输出为低电平，经一级反向器后26脚为高电平，LED3不发光；当光耦的发射管与接收管间有障碍物隔离时，发射管不导通，26脚输出低电平，LED3发光.26脚为单片机的输入，如图2（c）所示.

对光电池加光照[3]，其两端会产生光电电动势，经LM741放大器放大后加至比较器LM339的6脚（负输出端），使比较器输出低电平，经74LS04反向器后28脚为高电平，LED5不发光；当无光照时，光电池不产生光电电动势，比较器输出高电平，28脚电压为低，LED5发光.一般比较器7脚（正输入端）悬空，也可与34脚相连，接可调电源，通过改变比较阈值来调节此实验板对光照度的感应灵敏度.28脚为单片机输入，如图2（d）所示.

对光敏电阻不加光照[3]，暗阻很高，比较器LM339的4脚（负输入端）为高电平，所以其9脚输出低电平，经一级反向器后30脚为高电平，再经一级反向器输出低电平，LED4发光；当有光线照射光敏电阻时，亮阻较小，比较器LM339的4脚（负输入端）为低电平，其9脚为高电平，30脚输出低电平，且LED4不发光.一般比较器5脚（正输入端）悬空，也可将其与38脚相连，接可调电源.通过改变比较阈值来调节此实验板对光照强度的感应灵敏度.30脚为单片机输入，如图2（e）所示.

3 密码锁器件的特性分析

图3 光电密码锁硬件连接图

1）按图3连接线路.首先，选用发光二极管作为检测光信号的主要元件[4]，用它的亮度变化显示各个器件输入密码的次数和接收到的光强.光电信息处理平台自带1块ATMKEGA16芯片，通过编程让单片机实现其具体的运算处理.当密码器接收到光电密码实验板外已经过整形与放大的信号，就开始判断，如果此信号是设置密码信号，那么便将信号放人存储器中作为记忆内容存储；如果是开锁信号就将收到的信号与以前存在存储器中的密码进行比较，当与预先存在存储器中的密码相同时，则实行解锁.

2）用万用表测量反射、对射式开关分别在正常状态和挡光时的输出电压，即22和24接线端的电压变化.在反射式开关关闭时其输出电压为4.26V，开通时电压为446mV.在对射式开关关闭时其输出电压为4.53V，开通时为300mV.其测量结果与器件原理分析相同如图4.电压的变化随所接收到的光强的变化而变化，电压－照度关系为线性[5].

图4 反射式开关示波器电压示意图

3）通过调节模拟电源电压在光敏电阻和光电池遮光和挡光时，用照度计和万用表多角度分别测量光敏电阻和光电池的电动势和光电流[4].光敏电阻满足I＝KUaLb，光电特性曲线如图5所示.光电池光强与光生电动势之间的关系是非线性的，当光强达到一定强度后，开路电压趋于饱和[6]，如图6所示.

图5 光敏电阻光电特性曲线

图6 光电池光电特性曲线

4 光电密码检测

ATMEGA16单片机中设定密码为“4321”.在实验开始前液晶显示屏显示请输入密码“0000”.首先，用遮光片在光电密码锁实验板的反射管前挡4次，密码变为“4000”；其次在对射管前挡3次密码变为“4300”.接着改变光电池的光照强度（用手电筒或强光照射二极管），液晶显示为“4320”.最后改变光敏电阻前的光照强度，密码变为“4321”，然后光电耦合器前挡1次遮光片，为确认当前密码，当4位密码均输入成功时，喇叭会响起内置音乐.

在实验过程中如输入密码的次数错误或者未按器件的顺序输入，都会显示重新输入.

5 结束语

通过实验介绍光电密码锁的基本原理和对其性能的分析可以得知[7]：光电密码锁拥有液晶显示屏幕，完全中文显示，具有友好的界面和控制平台.密码控制器可以由使用者随意编码，在不得知密码的情况下，无法破译.适合应用在机场、车站、银行、旅馆、办公室及广大家庭.全部操作功能由光电信息处理平台来完成，具有时空双重控制功能，而且制作伪钥匙的难度较大，在技术上比较先进.

[1] 郭海英.基于单片机的电子安全密码锁的设计[J].现代电子技术，2005，28（13）：95－97.

[2] 马建国.电子系统设计[M].北京：高等教育出版社，2004：1－182.

[3] 王清正.光电探测技术[M].北京：电子工业出版社，1994：70－100.

[4] 王媛，潘葳，李向亭.基于发光二级管的普朗克常量的测量[J].物理实验，2011，30（10）：5－7.

[5] 林晓龙，何春凤，冯毅.光电效应物理演示实验仪器的研究与设计[J].物理实验，2011，31（12）：8－10.

[6] 刘恩科.光电池及其应用[M].北京：科学出版社，1989：73－108.

[7] 王宽仁.可靠安全的智能密码锁[J].电子技术应用，2001，27（2）：14－16.