基于單片機指紋識別電子密碼鎖的設計

有德義（濟南大學泉城學院，山東蓬萊，265600）

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基于單片機指紋識別電子密碼鎖的設計

有德義
（濟南大學泉城學院，山東蓬萊，265600）

摘要：針對性價比很高的單片機在指紋識別技術(shù)中應用越來越廣泛。提出一種基于單片機的指紋識別電子密碼鎖的設計方法，實現(xiàn)了傳統(tǒng)鎖到新型指紋鎖的轉(zhuǎn)化。該方法采用Atmeg16單片機原理，實現(xiàn)了單片機對指紋識別和加密的控制過程。采用Altium Designer軟件對自動指紋識別系統(tǒng)電路進行了設計，并進行了模擬實驗和實物制作，實驗結(jié)果充分證明了這種設計的可行性，對指紋識別密碼鎖的設計和研發(fā)具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：指紋識別；模塊化；指紋；Atmeg16單片機

0 引言

隨著現(xiàn)在技術(shù)的快速發(fā)展，指紋采集技術(shù)在生活中應用越來越廣泛。指紋信息成為我們驗證身份的簡單而又快捷的方法。指紋辨別與指紋驗證在識別身份中成為一項關(guān)鍵技術(shù)。在實際應用中，首先在指紋庫提取一個指紋信息，然后我們現(xiàn)在采集大量人的信息與之前提取的信息對比來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中直接搜索某一個指紋計算量是非常大的，但是利用這一基本的分類能使檢索的速度與準確性大大的提高。

1 基本原理

系統(tǒng)的工作原理：當用戶在使用時，首先指紋模塊會感應手指在指紋模塊上，指紋模塊就會自檢、初始化，處理器隔一段時間自檢，液晶屏上顯示。指紋識別模塊采集過程，在指紋模塊中會對指紋進行拍照、處理、提取、保存、與庫中匹配等一系列的過程，最后指紋模塊會把對比的結(jié)果傳給處理器，處理器收到信號匹配成功后，輸出信號給光耦使光耦閉合大電流通過給指紋鎖的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)啟鎖功能。

2 硬件設計

電子密碼鎖包括五個方面：光學指紋識別模塊，鎖內(nèi)部機械機構(gòu)（杠桿機械減速系統(tǒng)），指紋鎖主板，外部鎖機械，中央處理器單元。

2.1 中央處理器

系統(tǒng)采用Atmeg16單片機作為主控制器。Atmeg16單片機是一種低功耗的8位單片機片，16k字節(jié)的應用程序存儲空間，1K 字節(jié)SRAM，32 個引腳，32 個通用工作寄存器，同時此單片機內(nèi)部還有更程序調(diào)試的JTAG 接口三個靈活的定時器/計數(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個數(shù)?；蛘吣?shù)轉(zhuǎn)換模塊，具有內(nèi)部振蕩器，可編程看門狗定時器，SPI串行口，同時單片機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型號的指紋模塊，R30X模塊可以獨立的完場指紋的采集，匹配，存儲，刪除等操作內(nèi)部擁有強大高效的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單高效有利于我們進行二次開發(fā)。

通過指紋采集模塊采集到指紋圖像，將圖像在數(shù)據(jù)庫中進行比對，假如未找到想同的指紋圖像，單片機中就會執(zhí)行存儲命令，將圖像自行存儲到可以實現(xiàn)覆蓋的儲物柜存儲地址上（相同的指紋完成兩次對比后可實現(xiàn)覆蓋存儲新的指紋圖像）；假如找到相同的指紋圖像，確定比對成功后，單片機中就會執(zhí)行開鎖命令，將啟動驅(qū)動電路控制電控鎖（電控鎖是由電磁繼電器控制開關(guān)的，通電就會吸引銜鐵打開電鎖）將鎖門打開。

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

2.3 機械執(zhí)行

在執(zhí)行模塊中使用電磁鐵的吸合，放現(xiàn)場用戶輸入正確的指紋，經(jīng)過一系列的算法計算，會輸出一個電信號給光耦，光耦執(zhí)行后外部大電流就會通過電磁鐵，電磁鐵吸合銜鐵產(chǎn)生動作，這就產(chǎn)生了開鎖動作，在開鎖動作的同時，蜂鳴器也會動作有滴滴的響聲，提醒正確操作。但是如果輸入錯誤指紋信息，匹配不正確蜂鳴器連續(xù)的報警來提醒錯誤，同時屏幕顯示“指紋輸入錯誤”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械尺寸必須與普通機械鎖一致，這樣能保證所有門能直接換指紋鎖，不用二次對門和指紋鎖改造。

指紋鎖的機械外形采用后殼推拉式，在后殼前方設計兩個螺絲來固定和鑲嵌住后殼，這種設計有兩個優(yōu)點，這樣既避免了內(nèi)部機械生銹方便操作者卸開上油，還能保證鎖安全可靠，不像焊接而成的鎖一旦開焊鎖就不能再次使用。

為了獲得較大的電磁吸力又不對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，防止由于門的擠壓造成的打不開門的現(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，這樣會有三倍的力矩輸出。杠桿減速系統(tǒng)作為一種減速機械結(jié)構(gòu)簡單安全性高，最重要的是穩(wěn)定性比較高。

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

采用模塊化的設計思想［5］，將指紋鎖分為幾個相關(guān)的模塊，首先對每個模塊設計，然后在將各個模塊組裝，根據(jù)相應的功能選擇相應的模塊，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，還能顯示當前指紋鎖的狀態(tài)，根據(jù)需要對鎖的機械結(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)

通過這次的畢業(yè)設計，使我對指紋鎖有了新的認識，指紋鎖作為未來的一個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)設計中要求使用Atmeg16單片機，由于之前沒有接觸過這種單片機，由于我有其他單片機學習的基礎以至于在之后的設計中有了優(yōu)勢，模塊化的設計思想是一種不錯的思維方式，整個設計過程我采用了模塊化的設計，這也讓我體驗到了它的優(yōu)越性和科學性。

參考文獻

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

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

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

作者簡介

有德義（1987.4-）山東煙臺人，主要研究方向：導航制導控制