有德義（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東蓬萊，265600）

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基于單片機(jī)指紋識(shí)別電子密碼鎖的設(shè)計(jì)

有德義
（濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東蓬萊，265600）

摘要：針對(duì)性價(jià)比很高的單片機(jī)在指紋識(shí)別技術(shù)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。提出一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別電子密碼鎖的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)鎖到新型指紋鎖的轉(zhuǎn)化。該方法采用Atmeg16單片機(jī)原理，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)指紋識(shí)別和加密的控制過(guò)程。采用Altium Designer軟件對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)物制作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了這種設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)指紋識(shí)別密碼鎖的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別；模塊化；指紋；Atmeg16單片機(jī)

0 引言

隨著現(xiàn)在技術(shù)的快速發(fā)展，指紋采集技術(shù)在生活中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。指紋信息成為我們驗(yàn)證身份的簡(jiǎn)單而又快捷的方法。指紋辨別與指紋驗(yàn)證在識(shí)別身份中成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，首先在指紋庫(kù)提取一個(gè)指紋信息，然后我們現(xiàn)在采集大量人的信息與之前提取的信息對(duì)比來(lái)辨別是不是我們需要的信息。指紋紋路分為三種：環(huán)形紋路，弓形紋路和螺旋形紋路，這三種紋路是最基本的紋路其余的紋路都是基于這三種紋路演化的，但是在龐大的指紋庫(kù)中直接搜索某一個(gè)指紋計(jì)算量是非常大的，但是利用這一基本的分類能使檢索的速度與準(zhǔn)確性大大的提高。

1 基本原理

系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)用戶在使用時(shí)，首先指紋模塊會(huì)感應(yīng)手指在指紋模塊上，指紋模塊就會(huì)自檢、初始化，處理器隔一段時(shí)間自檢，液晶屏上顯示。指紋識(shí)別模塊采集過(guò)程，在指紋模塊中會(huì)對(duì)指紋進(jìn)行拍照、處理、提取、保存、與庫(kù)中匹配等一系列的過(guò)程，最后指紋模塊會(huì)把對(duì)比的結(jié)果傳給處理器，處理器收到信號(hào)匹配成功后，輸出信號(hào)給光耦使光耦閉合大電流通過(guò)給指紋鎖的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)啟鎖功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

電子密碼鎖包括五個(gè)方面：光學(xué)指紋識(shí)別模塊，鎖內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)（杠桿機(jī)械減速系統(tǒng)），指紋鎖主板，外部鎖機(jī)械，中央處理器單元。

2.1 中央處理器

系統(tǒng)采用Atmeg16單片機(jī)作為主控制器。Atmeg16單片機(jī)是一種低功耗的8位單片機(jī)片，16k字節(jié)的應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間，1K 字節(jié)SRAM，32 個(gè)引腳，32 個(gè)通用工作寄存器，同時(shí)此單片機(jī)內(nèi)部還有更程序調(diào)試的JTAG 接口三個(gè)靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，模式（T / C），內(nèi)部/外部中斷，可編程串行USART，初始條件，8路串行接口，10個(gè)數(shù)?；蛘吣?shù)轉(zhuǎn)換模塊，具有內(nèi)部振蕩器，可編程看門(mén)狗定時(shí)器，SPI串行口，同時(shí)單片機(jī)擁有自己的省電模式。

2.2 指紋輸入

本系統(tǒng)采用杭州城章科技有限公司生產(chǎn)的R30X型號(hào)的指紋模塊，R30X模塊可以獨(dú)立的完場(chǎng)指紋的采集，匹配，存儲(chǔ)，刪除等操作內(nèi)部擁有強(qiáng)大高效的DSP處理器和經(jīng)典算法和協(xié)議。而且它的一些算法比較高效。模塊整體通訊利用串口通訊簡(jiǎn)單高效有利于我們進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

通過(guò)指紋采集模塊采集到指紋圖像，將圖像在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)，假如未找到想同的指紋圖像，單片機(jī)中就會(huì)執(zhí)行存儲(chǔ)命令，將圖像自行存儲(chǔ)到可以實(shí)現(xiàn)覆蓋的儲(chǔ)物柜存儲(chǔ)地址上（相同的指紋完成兩次對(duì)比后可實(shí)現(xiàn)覆蓋存儲(chǔ)新的指紋圖像）；假如找到相同的指紋圖像，確定比對(duì)成功后，單片機(jī)中就會(huì)執(zhí)行開(kāi)鎖命令，將啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路控制電控鎖（電控鎖是由電磁繼電器控制開(kāi)關(guān)的，通電就會(huì)吸引銜鐵打開(kāi)電鎖）將鎖門(mén)打開(kāi)。

由鎖體、指紋采集模板、數(shù)據(jù)管理控制系統(tǒng)、自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)四部分組成，主要利用現(xiàn)行的指紋采集技術(shù)結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)形成。讓使用者通過(guò)自己的指紋實(shí)現(xiàn)鎖的開(kāi)關(guān)。作品改變了原有機(jī)械開(kāi)鎖的原理方式，大膽采用指紋技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)的開(kāi)鎖觀念，實(shí)現(xiàn)了科技對(duì)人們平時(shí)生活的影響，而且采用指紋識(shí)別省去了先金屬鑰匙更加利于環(huán)保。另外指紋識(shí)別具有安全性高、不可復(fù)制性、可記憶性強(qiáng)、方便、快捷、防盜性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 機(jī)械執(zhí)行

在執(zhí)行模塊中使用電磁鐵的吸合，放現(xiàn)場(chǎng)用戶輸入正確的指紋，經(jīng)過(guò)一系列的算法計(jì)算，會(huì)輸出一個(gè)電信號(hào)給光耦，光耦執(zhí)行后外部大電流就會(huì)通過(guò)電磁鐵，電磁鐵吸合銜鐵產(chǎn)生動(dòng)作，這就產(chǎn)生了開(kāi)鎖動(dòng)作，在開(kāi)鎖動(dòng)作的同時(shí)，蜂鳴器也會(huì)動(dòng)作有滴滴的響聲，提醒正確操作。但是如果輸入錯(cuò)誤指紋信息，匹配不正確蜂鳴器連續(xù)的報(bào)警來(lái)提醒錯(cuò)誤，同時(shí)屏幕顯示“指紋輸入錯(cuò)誤”字樣。

由于大部分鎖的鎖洞都是差不多的尺寸，所以指紋鎖的外形機(jī)械尺寸必須與普通機(jī)械鎖一致，這樣能保證所有門(mén)能直接換指紋鎖，不用二次對(duì)門(mén)和指紋鎖改造。

指紋鎖的機(jī)械外形采用后殼推拉式，在后殼前方設(shè)計(jì)兩個(gè)螺絲來(lái)固定和鑲嵌住后殼，這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這樣既避免了內(nèi)部機(jī)械生銹方便操作者卸開(kāi)上油，還能保證鎖安全可靠，不像焊接而成的鎖一旦開(kāi)焊鎖就不能再次使用。

為了獲得較大的電磁吸力又不對(duì)人體造成傷害所以使用36v電壓并且在電磁鐵內(nèi)部加入鐵芯，以至于獲得較大的吸力，防止由于門(mén)的擠壓造成的打不開(kāi)門(mén)的現(xiàn)象。除之以外我還利用杠桿原理使其有較大的力矩輸出。在這里杠桿比例采用1：3的距離比，這樣會(huì)有三倍的力矩輸出。杠桿減速系統(tǒng)作為一種減速機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安全性高，最重要的是穩(wěn)定性比較高。

整個(gè)系統(tǒng)中報(bào)警是必不可少的，輸入密碼就會(huì)有一聲報(bào)警聲，系統(tǒng)錯(cuò)誤也會(huì)有連續(xù)的報(bào)警聲?，F(xiàn)在快節(jié)奏的生活中我們很多人對(duì)液晶屏的關(guān)注度有時(shí)不夠徹底所以現(xiàn)在我們外加蜂鳴器裝置是非常必要的。蜂鳴器電路在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用單獨(dú)的單片機(jī)引腳控制，并且還不能與別的功能模塊公用一個(gè)引腳，所以把蜂鳴器電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)最下的一個(gè)腳P3.7腳，蜂鳴器電路一旦設(shè)計(jì)好之后不需要改變，并且不復(fù)雜與別的模塊聯(lián)系不密切。

采用模塊化的設(shè)計(jì)思想［5］，將指紋鎖分為幾個(gè)相關(guān)的模塊，首先對(duì)每個(gè)模塊設(shè)計(jì)，然后在將各個(gè)模塊組裝，根據(jù)相應(yīng)的功能選擇相應(yīng)的模塊，為了使指紋鎖更方便操作，需要在指紋鎖上外加一顯示屏一確定更人性化的操作，還能顯示當(dāng)前指紋鎖的狀態(tài)，根據(jù)需要對(duì)鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)也需要改裝，在鎖內(nèi)部增加減速器從而使指紋鎖有較大的輸出扭矩。

3 總結(jié)

通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)指紋鎖有了新的認(rèn)識(shí)，指紋鎖作為未來(lái)的一個(gè)新型的鎖它的用途和它的功能都讓我為之震撼，在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中要求使用Atmeg16單片機(jī)，由于之前沒(méi)有接觸過(guò)這種單片機(jī)，由于我有其他單片機(jī)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)以至于在之后的設(shè)計(jì)中有了優(yōu)勢(shì)，模塊化的設(shè)計(jì)思想是一種不錯(cuò)的思維方式，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程我采用了模塊化的設(shè)計(jì)，這也讓我體驗(yàn)到了它的優(yōu)越性和科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張圓圓.指紋識(shí)別技術(shù)相關(guān)算法的研究［D］.北京郵電大學(xué)，2012.

［2］ 張潔.殘缺指紋識(shí)別中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究［D］.北京郵電大學(xué)，2013.

［3］ 任志國(guó).基于ARM的嵌入式指紋采集與識(shí)別系統(tǒng)的研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2010.

Design of electronic password lock based on MCU fingerprint identification

You Deyi
（University of Jinan Quancheng College，Penglai Shandong，265600）

Abstract：For the high cost of SCM in fingerprint identification technology is widely applied.A design method for microcontroller-based fingerprint identification electronic locks to achieve the transformation of the traditional novel fingerprint lock to lock.The method uses Atmeg16 SCM principles，to achieve a single-chip fingerprint identification and encryption of control processes.Altium Designer software using automated fingerprint identification system circuit was designed and carried out simulations and physical production，the experimental results proved the feasibility of this design，has a guiding significance for fingerprint lock design and development.

Keywords：fingerprint identification；modular；fingerprint；Atmeg16 MCU

作者簡(jiǎn)介

有德義（1987.4-）山東煙臺(tái)人，主要研究方向：導(dǎo)航制導(dǎo)控制