一种光机电结合的智能锁系统的制作方法

本发明属于电子、建筑领域，涉及一种光机电结合的智能锁系统。

背景技术：

传统机械锁芯由锁胆圆头和平头弹子、锁舌动件、弹子弹簧等部件组成。钥匙未插入锁芯时，通过牙花编码产生不同的长度平头弹子长度不等地进入锁胆，限制锁胆旋转实现闭锁功能；当钥匙插入锁芯以后，钥匙与圆头弹子相互配合，解除平头弹子的制动，使锁胆旋转实现开启功能。虽然传统机械锁芯的结构简单，生产成本低廉，但其机械结构具有相对固定性，不法分子可以使用多种特殊的开锁工具进行技术性开锁，而不必物理性破坏锁体传统门锁。而且传统锁芯是完全由机械结构实现的，存在牙花编码不足的问题，造成钥匙的互开率较高，为了解决这个问题，有些厂家采用在钥匙端增加ibutton芯片，该芯片由maxim公司的ds2400为代表。该方法提高了传统锁芯的性能，实现了机电结合。但是由于存在接触方式将id码送到锁芯中的主控芯片中，需要在钥匙弹子的位置设立触点，减少了机械钥匙上的牙花数。如果钥匙上供电，触点数更多，使得机械部分弹子减少的牙花互开率上升更多。还有当前社会上的电子锁为了防止锁芯电子模块故障或电池电量耗尽后导致锁的锁死，大部分电子锁芯在电量低时处于常开状态，这一设定存在着极高的安全隐患。因此，通过将钥匙上的id信息通过红外线发送到锁芯中的主控芯片上，钥匙上配置主控芯片，实现cpu卡的功能特点，解除了上述安全隐患，同时提高了性价比与可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种光机电结合的智能锁系统。

本发明包括钥匙和锁芯。所述的钥匙包括第一单片机、第一红外收发模块和钥匙电池。第一单片机用于存储钥匙id信息。第一单片机控制第一红外收发模块向第二红外收发模块发送钥匙id信息。钥匙电池用于为第一单片机供电。第一单片机采用普通内部无id芯片的单片机，在外部设计id芯片，构成主控芯片+id的结构，或采用内含id芯片的单片机。

所述的锁芯包括第二单片机、第二红外收发模块、锁芯电池、蜂鸣器、驱动电机、锁舌卡扣和微动开关。第二单片机用于存储的合法id信息。第二单片机内有flashrom或eeprom能够保存程序和储存的多把钥匙id信息，用于判断是否存在与插入锁芯的钥匙相同的id信息。第二红外收发模块用于向第一红外收发模块发出钥匙插入锁芯的信息，并接收第一红外收发模块发出的钥匙id信息。锁芯电池为第二单片机供电；蜂鸣器用于报警。驱动电机在锁芯电池在电量低时，会扣住锁舌卡扣，使之变为单纯的机械锁。锁舌卡扣通过第二单片机控制电机正反转来控制卡扣开闭。微动开关用于控制第二单片机，同时实现电源保持。

所述的钥匙在钥匙电路的控制下运行。钥匙电路包括钥匙主控电路和辅助电源接口电路。钥匙主控电路用于控制钥匙工作，辅助电源接口电路用于为锁芯提供备用电源。所述的钥匙主控电路，包括钥匙主控芯片u1，存储芯片u2和钥匙红外对管j1；钥匙主控芯片u1采用有14个io脚的16脚芯片，钥匙主控芯片u1的接地脚接地。钥匙主控芯片u1的第一io脚通过电阻r1接发光二极管led1的负极，发光二极管led1的正极接电源vcc-bt。存储芯片u2采用单种线存储芯片；存储芯片u2的1脚通过电阻r2接电源vcc-bt，存储芯片u2的2脚与钥匙主控芯片u1的第二io脚连接后接地。钥匙红外对管j1的1脚与主控芯片u1的第三io脚连接后通过电阻r3接电源vcc-bt；钥匙红外对管j1的2脚接三极管q1的集电极；钥匙红外对管j1的3脚与4脚连接后接地。三极管q1的发射极接电源vcc-bt，三级管的基极接钥匙主控芯片u1的第四io脚。所述的辅助电源接口电路包括microusb座u3，microusb座u3的接地脚接地，microusb座u3的1脚作为vcc-ds电源输出端。钥匙主控芯片u1的其余脚空置。

所述的锁芯在锁芯电路的控制下运行。锁芯电路包括锁芯主控电路、电机驱动电路、电源保持电路、辅助电源电路、程序下载接口、蜂鸣器电路和复位开关电路。锁芯主控电路用于控制锁芯工作，电机驱动电路用于控制锁芯内电机正反转，电源保持电路用于保持电路导通，辅助电源电路用于连接辅助电源接口电路为锁芯提供备用电源，程序下载接口用于辅助下载程序，蜂鸣器电路用于报警以及人机交互，复位开关电路用于“管理钥匙”的重置。

所述的锁芯主控电路包括锁芯主控芯片u4和锁芯红外对管j2，锁芯主控芯片u4采用有14个io脚的16脚芯片，锁芯主控芯片u4的2个io脚空置，锁芯主控芯片u4的电源脚接ad_power接地脚接地；锁芯主控芯片u4的第一io脚接电阻r4的一端，第二io脚接电阻r5的一端。电阻r4的另一端与发光二极管led2的负极连接后通过电阻r6后通过电容c1接地。电阻r5的另一端接发光二极管led3的负极。发光二极管led2的正极与发光二极管led3的正极连接后接输入电源vcc。钥匙红外对管j2的1脚与主控芯片u4的第三io脚连接后通过电阻r7接输入电源vcc；钥匙红外对管j2的2脚接三极管q2的集电极；钥匙红外对管j2的3脚与4脚连接后接地。三极管q2的发射极接输入电源vcc，三级管的基极接钥匙主控芯片u4的第四io脚。

所述的电机驱动电路包括四个三极管，八个电阻，一个电容。电阻r8的一端接输入电源vcc，电阻r8的另一端、电阻r9的一端与电阻r10的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第五io脚；电阻r9的另一端与三极管q3的基极连接；电阻r10的另一端与三极管q4的基极连接；三极管q3的集电极与三极管q4的集电极连接后接电机的一端m+；三极管q4的发射极、电阻r11的一端、三极管q6的发射极与电阻r12的一端连接；电阻r12的另一端与电容c2的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4带有ad采样功能的第六io脚；三极管q5的集电极与三极管q6的集电极连接后接电机的另一端m-；电阻r13的一端与三极管q5的基极连接；电阻r14的一端与三极管q6的基极连接；电阻r13的另一端、电阻r14的另一端与电阻r15的一端连接后接接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第七io脚；三极管q3的发射极、三极管q5的发射极、电阻r15的另一端接输入电源vcc；电阻r11的另一端、电容c2的另一端接地。

所述的电源保持电路，包括三个三极管、五个电阻、一个开关二极管。电阻r16的一端与主控芯片的第八io脚连接后接p-gnd，电阻r16的另一端、电阻r17的一端连接后接三极管q7的基极；电阻r17的另一端与开关二极管d1的负极连接后接地；三极管q7的发射极与开关二极管d1的正极相连；电阻r18的一端接三极管q7的集电极，电阻r18的另一端接三极管q8的基极；三极管q8的发射极接输入电源vcc；电阻r19的一端、电阻r20的一端连接后接三极管q8的集电极；电阻r19的另一端与三极管q9的发射极连接后接地；三极管q9的集电极接地；电阻r20的另一端接三极管q9的基极。

所述的辅助电源电路包括触点接口j3，接口j3采用触点的形式使得钥匙在插入锁芯后钥匙的电源和地线与锁芯侧连通，触点接口j3的1脚接地，触点接口j3的2脚、电阻r21的一端、二极管d2的正极连接后接钥匙电路中辅助电源接口电路的vcc-ds电源输出端。电阻r21的另一端与二极管d2的负极连接后接输入电源vcc。

所述的程序下载接口包括四芯接口u5；四芯接口u5的接地脚接地，电源脚接输入电源vcc。四芯接口u5的2脚和3脚分别与锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第九io脚与第十io脚连接。

所述的蜂鸣器电路包括四个电阻、一个蜂鸣器和两个三极管。电阻r22的一端接与锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第十一io脚；电阻r22的另一端接三极管q10的基极，三极管q10的发射极通过电阻r24接地；三极管q10的集电极与电阻r23的一端连接后接三极管q11的基极；三极管q11的发射极与电阻r23的另一端连接后接输入电源vcc；三极管q11的集电极接蜂鸣器b的一端，蜂鸣器b的另一端通过电阻r25接地。

所述的复位开关电路包括两个电阻、一个二极管和一个按键开关。二极管d3的正极通过电阻r26接地；二极管d3的负极、电阻r27的一端与按键开关key的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第十二io脚。按键开关key的另一端接地；电阻r27的另一端接输入电源vcc。

所述的vcc-bt为直流电源。

作为优选，所述的vcc为4.5v输入电源。钥匙主控芯片u1和锁芯主控芯片u4采用stc15w404as芯片。三极管q4、q6、q7和q9采用npn型三极管，三极管q3、q5和q8采用pnp型三极管。开关二极管采用1n4148型开关二极管。

本发明锁芯的机械部分在保留传统的葫芦锁的机械结构与功能的基础上增加了对钥匙上带有的电子id的验证。使得使用者必须拥有能同时打开机械锁和通过电子id验证的钥匙才能开锁，大幅增强了锁的安全性。钥匙柄上的id芯片与锁体内的主控芯片通过红外进行通信，而不是实际的电路相连简化了结构，可以在相同体积的锁内增加更多的弹子，获得更好的安全性。此外本发明还配套设计了钥匙的电子id验证机制以及权限设置机制以确保本发明的有效工作。

附图说明

图1为本发明的整体结构模块图；

图2为钥匙主控电路的电路图；

图3为辅助电源接口电路的电路图；

图4为锁芯主控电路的电路图；

图5为电机驱动电路的电路图；

图6为电源保持电路的电路图；

图7为辅助电源电路的电路图；

图8为程序下载接口的电路图；

图9为蜂鸣器电路的电路图；

图10为复位开关电路的电路图；

图11为电源保持电路工作原理图；

图12为本发明钥匙的工作流程图；

图13为本发明锁芯的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示,一种光机电结合的智能锁系统包括钥匙1和锁芯2。

钥匙1包括第一单片机1-1、第一红外收发模块1-2和钥匙电池1-3。第一单片机1-1用于存储钥匙id信息。第一单片机1-1可以采用内含id芯片的单片机，也可以采用普通内部无id芯片的单片机，在外部设计id芯片，构成主控芯片+id的结构。钥匙电池1-3用于为第一单片机1-1供电。为降低钥匙侧的功耗，钥匙中的第一单片机在低功耗模式下工作，每秒唤醒3～5次，检测第二红外模块发出的钥匙插入信息时，退出低功耗模式，启动第一单片机，控制第一红外收发模块向第二红外收发模块发送钥匙id信息，延长电池寿命。

锁芯2包括第二单片机2-1、第二红外收发模块2-2、锁芯电池2-3、蜂鸣器2-4、驱动电机2-5、锁舌卡扣2-6和微动开关2-7。

第二单片机2-1用于存储的合法id信息。第二单片机2-1内有flashrom或eeprom可以保存程序和储存的多把钥匙id信息，用于判断是否存在与插入锁芯的钥匙相同的id信息。

第二红外收发模块2-2用于向第一红外收发模块1-2发出钥匙插入锁芯的信息，并接收第一红外收发模块1-2发出的钥匙id信息。第二红外收发模块2-2接收到第一红外收发模块1-1发出的钥匙id信息后，与第二单片机2-1中存储的合法id信息对比；如果第二单片机内合法id信息存在该钥匙id信息，该钥匙视为“合法钥匙”；若第二单片机内没有储存该id信息，则该钥匙会被视为“非法钥匙”。

锁芯电池2-3为第二单片机供电；蜂鸣器2-4用于报警。

驱动电机2-5在锁芯电池在电量低时，会扣住锁舌卡扣2-6，使之变为单纯的机械锁；此时，插入钥匙蜂鸣器2-4报警，提醒更换电池。待更换电池后会自动恢复到双重验证状态。

锁舌卡扣2-6通过第二单片机控制电机正反转来控制卡扣开闭；钥匙为“合法钥匙”，则控制电机开启锁舌卡扣，然后用户可以转动钥匙以达到开门的目的；反之，锁舌卡扣将不被开启，将不能够打开门。

微动开关2-7用于控制第二单片机，同时在电路中实现电源保持电路，达到只有插入机械钥匙，电源电路才会开机，降低锁芯的功耗，延长电池寿命。

钥匙1在钥匙电路的控制下运行。钥匙电路包括钥匙主控电路和辅助电源接口电路。钥匙主控电路用于控制钥匙工作，辅助电源接口电路用于为锁芯提供备用电源。

如图2所示为钥匙主控电路，包括钥匙主控芯片u1，存储芯片u2和钥匙红外对管j1；钥匙主控芯片u1采用有14个io脚的16脚芯片，钥匙主控芯片u1的接地脚接地。钥匙主控芯片u1的第一io脚通过电阻r1接发光二极管led1的负极，发光二极管led1的正极接电源vcc-bt。存储芯片u2采用单种线存储芯片；存储芯片u2的1脚通过电阻r2接电源vcc-bt，存储芯片u2的2脚与钥匙主控芯片u1的第二io脚连接后接地。钥匙红外对管j1的1脚与主控芯片u1的第三io脚连接后通过电阻r3接电源vcc-bt；钥匙红外对管j1的2脚接三极管q1的集电极；钥匙红外对管j1的3脚与4脚连接后接地。三极管q1的发射极接电源vcc-bt，三级管的基极接钥匙主控芯片u1的第四io脚。如图3所示，辅助电源接口电路包括microusb座u3，microusb座u3的接地脚接地，microusb座u3的1脚作为vcc-ds电源输出端。钥匙主控芯片u1的其余脚空置。钥匙主控芯片u1采用stc15w404as。

锁芯2在锁芯电路的控制下运行。锁芯电路包括锁芯主控电路、电机驱动电路、电源保持电路、辅助电源电路、程序下载接口、蜂鸣器电路和复位开关电路。锁芯主控电路用于控制锁芯工作，电机驱动电路用于控制锁芯内电机正反转，电源保持电路用于保持电路导通，辅助电源电路用于连接辅助电源接口电路为锁芯提供备用电源，程序下载接口用于辅助下载程序，蜂鸣器电路用于报警以及人机交互，复位开关电路用于“管理钥匙”的重置。

如图4所示，锁芯主控电路包括锁芯主控芯片u4和锁芯红外对管j2，锁芯主控芯片u4采用有14个io脚的16脚芯片，锁芯主控芯片u4的2个io脚空置，锁芯主控芯片u4的电源脚接ad_power接地脚接地；锁芯主控芯片u4的第一io脚接电阻r4的一端，第二io脚接电阻r5的一端。电阻r4的另一端与发光二极管led2的负极连接后通过电阻r6后通过电容c1接地。电阻r5的另一端接发光二极管led3的负极。发光二极管led2的正极与发光二极管led3的正极连接后接输入电源vcc。钥匙红外对管j2的1脚与主控芯片u4的第三io脚连接后通过电阻r7接输入电源vcc；钥匙红外对管j2的2脚接三极管q2的集电极；钥匙红外对管j2的3脚与4脚连接后接地。三极管q2的发射极接输入电源vcc，三级管的基极接钥匙主控芯片u4的第四io脚。锁芯主控芯片u4采用stc15w404as。

如图5所示，电机驱动电路包括四个三极管，八个电阻，一个电容。电阻r8的一端接输入电源vcc，电阻r8的另一端、电阻r9的一端与电阻r10的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第五io脚；电阻r9的另一端与三极管q3的基极连接；电阻r10的另一端与三极管q4的基极连接；三极管q3的集电极与三极管q4的集电极连接后接电机的一端m+；三极管q4的发射极、电阻r11的一端、三极管q6的发射极与电阻r12的一端连接；电阻r12的另一端与电容c2的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4带有ad采样功能的第六io脚；三极管q5的集电极与三极管q6的集电极连接后接电机的另一端m-；电阻r13的一端与三极管q5的基极连接；电阻r14的一端与三极管q6的基极连接；电阻r13的另一端、电阻r14的另一端与电阻r15的一端连接后接接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第七io脚；三极管q3的发射极、三极管q5的发射极、电阻r15的另一端接输入电源vcc；电阻r11的另一端、电容c2的另一端接地。p-m+与p-m-是连接单片机的两个引脚，通过这两个引脚来控制电机正转反转与停止。

电路工作时，通过主控芯片来控制p-m-与p-m+两个端口的高低电平来驱动电机实现正反转。当p-m-为高电平p-m+为低电平时，三极管q1、q4导通，q2、q3截止，驱动电机正转。同理，当p-m-为低电平p-m+为高电平时，三极管q2、q3导通，q1、q4截止，驱动电机反转。当p-m-和p-m+同时为高电平或为低电平时则电机不导通。单片机驱动电机时，电流流过电机后再流经阻值为1ω的采样电阻r11，通过主控芯片的ad采样来检测该采样电阻的压降，用电压除以电阻值就能得到电机的工作电流值；能够实时检测驱动电机转动的电流。当电机转到位时，锁芯的锁舌卡扣会卡紧，使得电机产生堵转现象，此时它的电流会迅速增大，当单片机检测到该现象后就控制通过控制p-m-与p-m+端口输出低电平以关闭电机。

如图6所示，电源保持电路，包括三个三极管、五个电阻、一个开关二极管。电阻r16的一端与主控芯片的第八io脚连接后接p-gnd，电阻r16的另一端、电阻r17的一端连接后接三极管q7的基极；电阻r17的另一端与开关二极管d1的负极连接后接地；三极管q7的发射极与开关二极管d1的正极相连；电阻r18的一端接三极管q7的集电极，电阻r18的另一端接三极管q8的基极；三极管q8的发射极接输入电源vcc；电阻r19的一端、电阻r20的一端连接后接三极管q8的集电极；电阻r19的另一端与三极管q9的发射极连接后接地；三极管q9的集电极接地；电阻r20的另一端接三极管q9的基极。

如图7所示，辅助电源电路包括触点接口j3，触点接口j3的1脚接地，触点接口j3的2脚、电阻r21的一端、二极管d2的正极连接后接钥匙电路中辅助电源接口电路的vcc-ds电源输出端。电阻r21的另一端与二极管d2的负极连接后接输入电源vcc。

如图8所示，程序下载接口包括四芯接口u5；四芯接口u5的接地脚接地，电源脚接输入电源vcc。四芯接口u5的2脚和3脚分别与锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第九io脚与第十io脚连接。

如图9所示，蜂鸣器电路包括四个电阻、一个蜂鸣器和两个三极管。电阻r22的一端接与锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第十一io脚；电阻r22的另一端接三极管q10的基极，三极管q10的发射极通过电阻r24接地；三极管q10的集电极与电阻r23的一端连接后接三极管q11的基极；三极管q11的发射极与电阻r23的另一端连接后接输入电源vcc；三极管q11的集电极接蜂鸣器b的一端，蜂鸣器b的另一端通过电阻r25接地。

如图10所示，复位开关电路包括两个电阻、一个二极管和一个按键开关。二极管d3的正极通过电阻r26接地；二极管d3的负极、电阻r27的一端与按键开关key的一端连接后接锁芯主控电路中锁芯主控芯片u4的第十二io脚。按键开关key的另一端接地；电阻r27的另一端接输入电源vcc。

vcc-bt为直流电源，vcc为4.5v输入电源。三极管q4、q6、q7和q9采用npn型三极管，三极管q3、q5和q8采用pnp型三极管。开关二极管采用1n4148型开关二极管。

为了降低电子锁的功耗，我们要让锁芯在没有钥匙插入的时候在低功耗甚至零功耗模式下工作。如图11所示，我们将电路板的地线分成gnd与pgnd两个网络，将二者用电源保持电路以及锁芯与钥匙插入时的连接点相连。只有当钥匙插入锁芯或者电源保持电路工作时电子锁才正常工作否则进入断电状态。电源保持电路的工作流程如下：初始状态钥匙未插入，电源保持电路不导通gnd与pgnd断开，电路不工作；当钥匙插入gnd与pgnd导通，电路工作，主控芯片驱动电源保持电路导通；钥匙拔出后，主控芯片检测钥匙拔出，然后控制电源保持电路断开，系统0断电，回到初始状态。p-gnd的输出电平由主控芯片控制，当主控芯片输出高电平时q7、q8、q9导通，使得pgnd网络与gnd相连，使电路形成闭合回路。反之，当主控芯片输出低电平时，q5、q6、q7截止，pgnd网络与gnd断开，整个电路不能形成回路。

本发明的工作过程如下：如图12和13所示，采用“双重验证”的方法：首先钥匙侧与锁芯侧的第一第二单片机先验证是否为同厂家同型号的设备；然后再验证钥匙侧的id芯片中存储的id号是否被锁芯侧的第二单片机保存。这样可以让钥匙侧的id不是以广播的形式，加强了通信的稳定性和安全性。首次验证由钥匙侧的第一单片机通过红外收发模块发送特定频率的方波信号。若锁芯侧的第二单片机通过红外收发模块收到该信号则回发一个不同频率的方波信号；等待第一单片机收到回复信号则首次验证完成。二次验证：钥匙侧的第一单片机通过红外收发模块发送钥匙id号，锁芯侧的第二单片机通过红外模块收到后验证是否是内部存储的有效id，是则驱动电机卡紧锁舌卡扣使钥匙可以转动开门反之驱动蜂鸣器报警。

当钥匙插入锁芯时，触发锁内的微动开关，锁内的第二单片机上电开机，利用第一红外收发模块将第一单片机内存储的钥匙id信息发送第二红外收发模块。然后第二单片机将第二红外收发模块接收到的id数据与存储的合法id信息进行比对，如果该钥匙为合法钥匙，第二单片机会驱动电机，使锁舌卡扣卡紧，此时若该钥匙的弹子与锁的锁胆相匹配，用户就可以转动钥匙开门。如果该钥匙为非法钥匙，单片机不会驱动电机卡紧锁舌卡扣，而是驱动蜂鸣器发出报警声。当钥匙拔出后第二单片机会驱动电机反转，使锁舌卡扣脱离，此时即使用技术手段破解了机械锁也无法开锁。

在上述基础上，引入“管理钥匙”的概念。“管理钥匙”在物理上与普通钥匙完全一致，只是它的id信息在出厂时被写入锁内的主控芯片中，与锁芯配对；用户可以通过管理钥匙来添加或删除普通钥匙的开锁权限。为了安全起见防止“管理钥匙”丢失，“管理钥匙”不具有打开门的作用。

“管理钥匙”具体的管理流程如下：

管理钥匙插入锁芯，带锁芯识别为管理钥匙插入后拔出，随后插入任意把普通钥匙，它们的id信息就会被锁芯内的主控芯片保存所以这些普通钥匙就具有了打开此锁芯的权限；当连续2次插拔管理钥匙时则会删除所有已有开锁权限的普通钥匙的权限，随后再插入任意把普通钥匙则这些普通钥匙就具有了打开此锁芯的权限。