胡偉霞，楊記鑫，陳會麗

（成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山 614000）

在科技快速發(fā)展的今天，每個(gè)人擁有的密碼信息越來越多，例如：開機(jī)密碼、各種各樣的登錄驗(yàn)證密碼等。這些數(shù)字化的密碼很容易被遺忘，也有被竊取的可能性。簡單的數(shù)字密碼鎖、機(jī)械鎖已無法滿足智能的需求。指紋識別技術(shù)是生物識別技術(shù)中發(fā)展最好、最成熟、也是應(yīng)用范圍最廣的[1-4]的技術(shù)。

當(dāng)前密碼鎖大多數(shù)是組合安裝，功能單一，該文設(shè)計(jì)的智能密碼鎖，可以通過數(shù)字密碼和指紋密碼兩種方式開鎖。選用指紋模塊進(jìn)行指紋采集，操作簡便，液晶屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能，此外還實(shí)現(xiàn)語音輸出功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于STM32F103C8T6單片機(jī)的智能密碼鎖系統(tǒng)由矩陣鍵盤、AS608 指紋模塊、LCD12864液晶顯示屏、繼電器、存儲器、揚(yáng)聲器系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)以STM32F103C8T6 為核心模塊，具有5 個(gè)時(shí)鐘，可根據(jù)不同情況搭配使用，成本相對較低、性能強(qiáng)，有很多的IO 端口可供使用，能夠精確地進(jìn)行控制[5]；指紋模塊選用Synochip公司的光學(xué)指紋識別芯片AS608，芯片集成了指紋識別算法，并配備了串口、USB 通信接口；AT24C02存儲器是一款只讀存儲器，具有串行電可擦除的功能，斷電后仍然會保護(hù)數(shù)據(jù)；LCD12864 液晶屏實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能；使用WEGASUN-M6 實(shí)現(xiàn)語音輸出。

圖1 智能密碼鎖系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

該文采用的電子鎖的工作電壓為12 V，LCD 顯示屏的工作電壓為5 V，單片機(jī)、指紋模塊、揚(yáng)聲器的工作電壓為3.3 V，因此該系統(tǒng)采用12 V 的適配器供電，可以使用XL7005 芯片轉(zhuǎn)換得到5 V 電壓，在輸入端并聯(lián)兩個(gè)濾波電容，以減小噪聲對輸入信號的干擾，輸出端通過穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，輸出穩(wěn)定的電壓，12 V 轉(zhuǎn)5 V 電路圖如圖2 所示。3.3 V 的電壓通過AMS1117-3.3 芯片[6]從5 V 電壓轉(zhuǎn)化而來，在輸出端加入了輸出濾波電容，用于保持輸出電壓的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步保證了電壓的精度，5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路圖如圖3所示。

圖2 12 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

圖3 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路圖

2.2 晶振與復(fù)位電路

該系統(tǒng)采用的LY-03 型STM32F103C8T6 的時(shí)鐘信號由晶振產(chǎn)生，為了保持各部分同步工作，整個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)有源晶振，其時(shí)鐘信號輸入頻率為8 MHz，電路原理圖如圖4 所示。

圖4 晶振與復(fù)位電路圖

該系統(tǒng)采用硬件復(fù)位，其通過按鍵來實(shí)現(xiàn)，復(fù)位芯片加到了芯片內(nèi)觸發(fā)器的NRST 端。

2.3 指紋模塊電路

該文采用AS608 芯片[7]作為指紋模塊，該模塊中，1 號、6 號引腳和電源連接，2 號引腳和單片機(jī)的TXD 連接，3 號引腳和單片機(jī)的RXD 連接，4 號引腳接地，5 號引腳連接單片機(jī)，如圖5 所示。

圖5 指紋模塊連接電路

2.4 存儲電路

AT24C02 是一款只讀存儲器，具有串行電可擦除的功能。芯片的內(nèi)部有256×8 bit 的字節(jié)，只讀存儲器還帶有一個(gè)緩沖器，器件支持I2C[8]。存儲模塊連接電路圖如圖6 所示。

圖6 存儲模塊連接電路圖

2.5 顯示電路

LCD12864 液晶顯示屏是一款帶中文字庫的顯示屏。其支持4×8 的顯示方式，還自帶兩線或三線的串行接口方式[9]，顯示電路圖如圖7所示。

圖7 LCD12864液晶顯示屏電路圖

2.6 電子鎖電路

該系統(tǒng)采用LY-03 型號電子鎖，其額定電壓為12 V。為了方便控制整個(gè)電路，給電路加上了穩(wěn)壓器和繼電器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出指令，指定引腳的電平會拉高，通過打開繼電器開關(guān)，繼電器內(nèi)部的另外一條與電子鎖相連的電路被連通，使其通電開鎖，電路如圖8 所示。

圖8 電子鎖電路

2.7 語音電路

該文設(shè)計(jì)的語音模塊可以播放單片機(jī)預(yù)存的常用的語句，例如：“你好，請輸入開鎖密碼”，“暫未識別指紋，請?jiān)僭囈淮巍钡?，單片機(jī)接收到特定的指令，可以控制揚(yáng)聲器播放相應(yīng)的聲音，當(dāng)連續(xù)輸入錯誤的密碼時(shí)，也發(fā)出報(bào)警提示，揚(yáng)聲器通過PA8013 放大[10-11]音量，如圖9 所示。

圖9 揚(yáng)聲器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

該文研究的電子密碼鎖系統(tǒng)的主程序主要是實(shí)現(xiàn)綜合控制，在不同的操作觸發(fā)下調(diào)用不同的子程序來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。包括光學(xué)指紋模塊程序、矩陣鍵盤程序、液晶顯示程序等，通過整合上述各子程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最終流暢運(yùn)行，程序流程如圖10 所示。

圖10 程序流程圖

指紋模塊采用UART 與單片機(jī)通信，對命令、數(shù)據(jù)、結(jié)果的接收和發(fā)送，都采用數(shù)據(jù)包的形式。當(dāng)指紋匹配時(shí)，通過指紋傳感器錄入要驗(yàn)證的指紋圖像并進(jìn)行處理，然后與模塊中的指紋模板進(jìn)行匹配比較，模塊給出匹配結(jié)果（通過或失?。詈髥纹瑱C(jī)控制電子鎖動作[12-13]。

按鍵模塊的主要作用是通過用戶按下不同的按鍵來實(shí)現(xiàn)對程序的控制并且實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。按下按鍵的時(shí)候需要掃描鍵盤，目的是為了確認(rèn)是否有按鍵按下以及按下的按鍵是哪一個(gè)，從而確定將要執(zhí)行的具體功能。按鍵模塊中，用戶選擇按鍵密碼開門后，將進(jìn)入按鍵密碼驗(yàn)證程序。若密碼匹配成功則驅(qū)動電子鎖，若輸入密碼錯誤超過3 次就會進(jìn)行鍵盤自鎖和報(bào)警，同時(shí)加入了按鍵消抖的程序[14-16]。

液晶屏顯示模塊的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)的界面交互，也就是用戶根據(jù)頁面顯示的操作指令來完成自己想要的操作，同時(shí)也會把操作的執(zhí)行情況和結(jié)果顯示在屏幕上，讓用戶進(jìn)行下一步操作。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 指紋功能測試

指紋驗(yàn)證是用戶進(jìn)行指紋開鎖的關(guān)鍵所在。在指紋匹配之前錄好指紋，當(dāng)開鎖時(shí)，通過指紋傳感器采集用戶的指紋并且進(jìn)行相應(yīng)的處理得到指紋圖像，然后與以前錄好的指紋也就是模塊中的指紋進(jìn)行對比，如果兩個(gè)指紋是相同的，系統(tǒng)將會開鎖。

該文設(shè)計(jì)的指紋模塊與單片機(jī)是通過UART 協(xié)議通信，通過測試，指紋識別功能正常。

4.2 顯示功能測試

顯示屏的調(diào)試主要是通過程序來完成的，將顯示屏的程序燒寫到單片機(jī)上再運(yùn)行，看顯示屏上能不能正確地顯示出輸入的信息。經(jīng)驗(yàn)證，顯示功能正常，滿足實(shí)際需求。

4.3 語音功能測試

通過常用語句測試語音識別功能，具體語音信息可根據(jù)需求自行設(shè)定，測試語音輸出是否正確。經(jīng)驗(yàn)證，語音輸出功能正常，滿足實(shí)際需求。

5 結(jié)論

該文主要研究了基于STM32F103C8T6 單片機(jī)的智能密碼鎖的設(shè)計(jì)，可通過密碼和指紋開門，具有設(shè)置管理員密碼、錄入指紋、指紋登錄、設(shè)置4 位數(shù)字密碼、更改數(shù)字密碼、記錄刪除的功能，并通過顯示屏來顯示信息，同時(shí)還可以進(jìn)行語言播報(bào)，該系統(tǒng)具有性價(jià)比高、體積小、方便、易操作、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。