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摘要：近几年来入室盗窃屡见不鲜,传统机械锁构造简单、安全隐患大,面对家庭防盗问题已经显得捉襟见肘。能够通过IC卡、人脸识别、指纹识别来进行开锁的智能化电子锁开始受到广大用户的青睐。文中应用传感器技术、单片机与接口技术、信息电子技术等相关技术,设计了一款具有按键密码解锁、指纹密码解锁和IC卡解锁功能的密码锁,该设计有效的解决了传统锁具防盗功能差的问题,提高了锁具的智能化程度,推进了智能化家居的进程。
关键词：指纹密码锁；STC89C52；按键解锁；指纹解锁；智能家居
MCU-based Fingerprint Password Lock
JI Xianzhang,CAI Chenglong
(College of Electronic Information,GXMZU,Nanning Guangxi 530006)
【Abstract】：In recent years,burglary is common,the traditional mechanical lock structure is simple,the security risk is big,in the face of the family anti-theft problem has been stretched.Intelligent electronic lock that can be unlocked through IC card,face recognition andfingerprint recognition began to be favored by the majority of users.The application of sensor technology,single chip computer and interface technology,information electronic technology,designed a key password unlock,fingerprint password unlock and IC card unlock password lock,the design effectively solve the problem of traditional lock security function,improve the intelligent degree of lock,promote the process of intelligent home.
【Key words】：fingerprint password lock;STC89C52;key to unlock;fingerprint unlock;smart home
随着人们防盗意识的不断提高和安全信息系统的广泛应用,如何更加有效的实现家庭防盗成为了热门话题。锁具是生活中必不可少的一部分,具有巨大的市场和广泛的应用,但是传统机械锁的结构和机理较为简单,这也使得许多不法分子有机可乘；传统锁具需要配套钥匙才能开锁,使用不够方便快捷；针对传统锁具的诸多缺点,可以识别用户的智能电子锁应运而生,并很快受到了广大用户的喜爱,具有指纹识别功能的电子锁更是使传统锁具产生了质的飞跃,该设计的实物图如图1所示。
1系统方案设计与硬件选择
1.1系统方案设计
该设计由单片机最小系统板,电源电路和各类外设组成；其中单片机最小系统板主要由复位电路、晶振电路和主控芯片组成；各类外设由LCD12864液晶屏、指纹识别模块、IC卡模块、矩阵键盘模块、AT24C02存储模块、蜂鸣器报警电路组成,该设计具体的系统方案如图2所示[1]。
1.2控制芯片选择
控制芯片的选择主要考虑其数据处理能力和价格,STC89C52单片机是一款低功耗、高性能的8位CMOS微处理器,该芯片采用传统的MCS-51内核,具有8KB闪存,512B RAM,4KB EEROM,选用该芯片足够满足设计的性能要求,同时该芯片作为国产宏晶科技的成名之作,在价格和技术支持上有很大优势[2]。
1.3指纹识别模块选择
该设计采用基于光学原理的AS608指纹识别模块,该模块具有500DPI的较高分辨率,指纹录取时间小于1.0s,供电电压和电流分别为3.3V和50mA,无需外加降压模块就可以直接与单片机电源相连[3]。
1.4显示模块的选择
该设计采用功能强大的LCD12864液晶显示模块,该模块具有LCD屏的节能、轻便、廉价等优点,工作温度在-30℃到70℃之间,非常适合作为电子锁的显示模块；该模块具有128×64的显示分辨率,足以满足日常生活中对屏幕识别度的要求；内置数据库具有8192个16×16点汉字,满足了汉语显示功能,扩大了受众范围,同时具有128个16×8点ASCII字符集,极大的丰富了显示界面；利用该模块成熟的编程指令和简单的接线方式,可构成中文为主ASCII字符为辅的人机交互图形界面[4]。
1.5数据存储芯片选择
针对指纹数据的掉电存储问题,如果采用单片机内置EEPROM进行指纹数据的存储,需要先擦除整个扇区后才能写入,操作繁琐且会增大单片机负担,加长电子锁的反应时间,该设计采用外加数据存储芯片来解决这一问题,AT24C02数据存储芯片是一种主流的串行CMOS EEPROM,AT24C02有一个16字节页写缓冲器,同时具有写保护功能,AT24C02与单片机之间的数据传输通过IIC通信接口实现。
1.6人机交互输入器件的选择
该设计采用矩阵键盘作为输入设备,矩阵键盘不同与传统的独立键盘,它将行线和列线与单片机直接相连,通过行线与列线的高低电平结合程序算法实现对按下按键的判断,相比于独立按键,这种按键大大节约了单片机I/O口的使用[5]。
1.7 IC卡模块选择
2系统硬件电路设计
2.1单片机最小系统设计
最小系统主要由电源电路、复位电路和晶振电路构成。该设计采用2S 7.4V电池组作为系统电源,主要作用是为单片机、矩阵键盘、指纹识别模块和显示模块提供电流电压,但是7.4V电压无法直接加在上述负载上,需通过降压模块稳压后才能使用,该系统采用XL4015稳压模块将电压降至5V后供给单片机,再由单片机引出5V和3.3V电源分别为各负载供电[7]。
晶振电路是该系统最小的心脏,如图3所示,通过配置XTAL1和XTAL2可以实现对驱动器的选择,图3中采用片内振荡器,即利用芯片内部的振荡电路,在XTAL1、XTAL2的引脚上外接1个石英晶体和2个并联的30pF电容组成的定时元件,内部振荡器便能产生自激振荡,并联的电容可以实现对晶振电路频率的微调；晶振频率选用11.0592MHz,当传输速率为9600波特率时可以实现无误差传输[8]。该设计的复位电路具有上电自动复位和开关复位两种功能。
2.2 AT24C02存储电路
该芯片共有8个引脚,A0、A1、A2用于进行总线寻址,在该设计中只用到一个了AT24C02芯片,为了简化电路和方便读写操作,可以将A0、A1、A2、WP都连接到地端,并把SDA和SCL接到STC89C52单片机的两个引脚上[9]。
2.3矩阵键盘电路设计
该设计在实际工作时需要使用到较多按键,如果采用常规的独立按键会占用较多的I/O口,为了解决这一问题,通常将按键并排列成矩阵形式,每条行线和列线在交叉处通过一个按键加以连接。这样,一个端口就可以构成4×4=16个按键,相比于独立按键,该设计节约了8个I/O口的占用[10]。
2.4蜂鸣器电路设计
该设计采用5V有源蜂鸣器,额定工作电流为35mA。如果它直接连接到I/O端口,将会有较小的声音或没有响应,因此设计使用一个三极管开关电路来驱动蜂鸣器。PNP8550三极管基极和I/O端口之间有一个1KΩ的电阻,当I/O端口输出低电平时,三极管打开,蜂鸣器开始工作,通过控制三极管的开关频率,从而实现多个音乐提醒的警报[11]。
2.5继电器驱动电路设计
该电路的原理是通过继电器来实现小电流控制大电流,STC89C52单片机I/O口输出电流在4~20mA之间,采用直接控制无法驱动继电器,因此需要添加一个电流放大电路,本设计中采用PNP型S8550三极管进行放大,当单片机IO口输出低电平时,三极管导通,继电器吸合[12]。
3系统软件设计
3.1主程序设计
该设计的软件设计以Keil C51为开发系统,使用可读性更强的C语言进行编程实现。在该函数的开头进行一些变量的定义和赋值,完成单片机和外围器件的初始化；为了达到实时检测执行的目的,初始化完成之后进入while(1)循环。具体流程图如图3所示[13]。
3.2 AS608指纹搜索子函数设计
AS608通过内部集成的算法来实现指纹图像的特征提取和指纹处理,并采用串口通讯协议与单片机进行通讯,单片机在控制AS608搜索指纹时,首先单片机向AS608发送采集指纹信息的指令,然后等待AS608采集完成后,单片机再发送指纹匹配指令,如果指纹匹配成功则返回成功,否则返回失败[14]。
3.3 LCD12864显示程序设计
LCD12864的显示较为繁琐,该设计利用厂家提供的子程序和字符库,按照一定的时序要求嵌入主程序中进行调用就可以完成显示。首先,LCD12864液晶显示一原理,只需按顺序将需要显示的内容的对应字符库内函数写入即可；其次,函数名为LCD12864_display_ string(uchar x,uchar y,uchar*s),参数为x,y,*s,液晶显示屏上的位置坐标由x,y表示,需要显示的字符数组是*s,软件根据输入需要显示的位置坐标计算出地址[15]。
4结语
该设计研制了一款经济实用的具有防盗自动报警功能的指纹密码锁,如图4所示为系统仿真图,该系统通过按键实现密码的输入或重置时可进行退格、重输、退出、输入等操作；系统设置6位密码,输入密码,如果密码正确,继电器断开(锁开),如果密码错误,蜂鸣器报警提示；可通过密钥重置密码,然后输入新密码两次,直接退出修改后的密码页面；系统可以识别并存储指纹信息,并通过指纹比对进行快速解锁；密码具有掉电保护功能,可以应对断电等突发情况。密码锁设计方法合理、简单,成本低,符合住宅、办公锁的要求,具有一定的推广价值。
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