甘令，唐嵐

基于51單片機(jī)的某汽車(chē)防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

甘令，唐嵐*

（西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，四川 成都 610039）

通過(guò)對(duì)目前車(chē)輛安全防盜方面的分析，介紹了車(chē)輛在安全防盜與車(chē)門(mén)解鎖之間的關(guān)系。利用51單片機(jī)構(gòu)建了某汽車(chē)防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)由指紋模塊、AT89C51、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路構(gòu)成，可以對(duì)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生盜竊的情況時(shí)，指紋識(shí)別模塊會(huì)進(jìn)行識(shí)別并會(huì)發(fā)出警報(bào)。

汽車(chē)；防盜系統(tǒng)；單片機(jī)；指紋識(shí)別

前言

汽車(chē)的防盜系統(tǒng)在信息技術(shù)的發(fā)展的同時(shí)也在不斷地更新，其經(jīng)歷了機(jī)械式、芯片式、電子式防盜系統(tǒng)等階段。從上世紀(jì)90年代出現(xiàn)指紋識(shí)別技術(shù)以來(lái)，指紋識(shí)別技術(shù)具有不丟失，終生保持不變，非常穩(wěn)定和獨(dú)特的功能等優(yōu)點(diǎn)[1]，生活中最常見(jiàn)的指紋識(shí)別技術(shù)解鎖產(chǎn)品主要是手機(jī)、考勤機(jī)，門(mén)禁，保險(xiǎn)箱，筆記本電腦等。因此，可利用指紋識(shí)別技術(shù)來(lái)提高產(chǎn)品的安全性和便捷性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體框架

使用指紋識(shí)別模塊R308收集，識(shí)別和快速處理指紋圖像，然后將指紋識(shí)別信息通過(guò)串口發(fā)送到AT89C51單片機(jī)上；而LED燈進(jìn)行狀態(tài)顯示；使用三個(gè)主要按鍵進(jìn)行安裝在汽車(chē)上，使用按鍵使其具有三個(gè)主要功能：指紋的輸入，指紋的儲(chǔ)存以及指紋數(shù)據(jù)的對(duì)比與識(shí)別；使用繼電器的工作狀態(tài)來(lái)判斷當(dāng)前指紋識(shí)別的狀態(tài)，通過(guò)蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲音，而LCD液晶顯示模塊則是用來(lái)顯示狀態(tài)信息，使使用者更加直觀地了解到指紋錄入、存儲(chǔ)與識(shí)別的過(guò)程[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是使用單片機(jī)的最小系統(tǒng),而其他的一些功能都主要是在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要包括：AT89C51芯片、晶振（時(shí)鐘）控制電路、復(fù)位控制電路、電源控制電路[3]。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

在指紋模塊電路中，R308獨(dú)立式指紋識(shí)別模塊是以高速專(zhuān)用DSP處理器為核心，配合不同類(lèi)型的指紋傳感器，在無(wú)需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。在使用模塊與單片機(jī)進(jìn)行連接時(shí)，只需要2-5引腳就足以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的功能需求，還需特別注意的是在連接TXD與RXD串行口輸出、輸入時(shí)，指紋模塊與單片機(jī)應(yīng)采用反接[4]。

在繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路中，用一個(gè)LED燈與繼電器并聯(lián)，然后串聯(lián)一個(gè)三極管，三極管通過(guò)單片機(jī)在軟件里面執(zhí)行控制。當(dāng)單片機(jī)給三極管基極一個(gè)低電平時(shí)，三極管被導(dǎo)通，繼電器線圈通電吸合繼電器觸點(diǎn)，同時(shí)與單片機(jī)并聯(lián)的二極管亮起。蜂鳴器電路采用與繼電器電路同一種接法，控制方法一致。

在按鍵電路中，結(jié)合設(shè)計(jì)的具體按鍵功能要求,采用了軟件消除按鍵的抖動(dòng)，按鍵實(shí)現(xiàn)功能采用獨(dú)立的按鍵[5]。

在LED電路中，本系統(tǒng)LED指示燈（3mm）電路設(shè)計(jì)，默認(rèn)上電為識(shí)別模式同時(shí)綠燈常亮；當(dāng)車(chē)主按下K2時(shí)，led-D2紅燈燈亮起，表示系統(tǒng)進(jìn)行模式切換；用戶(hù)按下K1時(shí)，led-D3紅燈亮起，清除指紋成功[6]。

在液晶顯示模塊電路中，本設(shè)計(jì)主要選用lcd1602的帶黃綠背光的黑字液晶顯示屏，根據(jù)其的使用手冊(cè)，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的顯示控制電路。

2.1 車(chē)門(mén)把手指紋模塊的安裝

根據(jù)目前已有的汽車(chē)車(chē)門(mén)把手結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)車(chē)門(mén)把手的按鈕位置（圖3 傳統(tǒng)車(chē)門(mén)把手）用本系統(tǒng)的指紋模塊取代[7]。在查詢(xún)資料后，得出一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案，如圖（圖4 指紋車(chē)門(mén)把手）所示，1為把身、2為指紋模塊面板、3為指紋模塊蓋板用于防塵以及防止日曬和雨水沖刷。

圖3 傳統(tǒng)車(chē)門(mén)把手

圖4 指紋車(chē)門(mén)把手

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要的內(nèi)容包括:液晶顯示指紋識(shí)別程序的編寫(xiě)與展開(kāi)設(shè)計(jì)、指紋識(shí)別程序的調(diào)試設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)工作過(guò)程分析

系統(tǒng)工作過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電后，主程序自動(dòng)運(yùn)行。根據(jù)電路要求，首先執(zhí)行液晶初始化操作。默認(rèn)顯示為識(shí)別狀態(tài)。因?yàn)橹讣y模塊和單片機(jī)之間的通信是串行通信，所以執(zhí)行串行端口初始化。下一步是檢查您所處的模式（默認(rèn)為識(shí)別模式），然后進(jìn)入循環(huán)以檢查是否按下了按鈕，然后按下相應(yīng)的按鈕以進(jìn)入相應(yīng)的操作模式。

3.2 主程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)所編寫(xiě)的程序，將各部分的程序框圖繪制如下：

圖5 主程序流程圖

圖6 模式識(shí)別流程圖

圖7 按鍵循環(huán)識(shí)別

3.3 指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)

3.3.1錄入指紋程序設(shè)計(jì)

根據(jù)R308指紋模塊的通訊協(xié)議格式，在系統(tǒng)里面錄入指紋信息，需要：錄入圖像->生成特征->快速查找圖像->自動(dòng)注冊(cè)模板[8]，根據(jù)這個(gè)流程制定了指紋錄入與儲(chǔ)存的程序流程圖，如圖8所示：

圖8 錄入指紋程序流程圖

主要運(yùn)行流程是通過(guò)檢測(cè)k3按鍵狀態(tài)來(lái)執(zhí)行，根據(jù)系統(tǒng)功能在按下k2按鍵后，將系統(tǒng)模式切換到指紋錄入模式然后按下k3按鍵，消除抖動(dòng)后確認(rèn)k3按鍵被按下；然后，與指紋模塊進(jìn)行握手操作，握手成功進(jìn)入enroll()采集兩次指紋，生成一個(gè)指紋模板，并且保存成功，指紋ID號(hào)加一，即完成一次指紋的錄入。

3.3.2指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)

用戶(hù)在使用系統(tǒng)刷指紋時(shí)的控制程序，其中主要是用的指紋模塊的自動(dòng)驗(yàn)證指紋指令PS_Identify，返回確認(rèn)碼后判定指紋是否比對(duì)成功。對(duì)其制定的程序流程圖，如圖9所示：

圖9 指紋識(shí)別程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，在系統(tǒng)上電后默認(rèn)是直接進(jìn)入指紋識(shí)別模式，即車(chē)主在開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)直接將手指放在指紋模塊識(shí)別區(qū)，能進(jìn)行刷指紋開(kāi)門(mén)。而在第一次使用時(shí)，需要按下k2按鍵，將模式切換到指紋錄入模式，錄入指紋后再次切換回指紋識(shí)別模式；當(dāng)用戶(hù)刷指紋時(shí)，模塊將指紋信息傳遞到單片機(jī)中，根據(jù)search()搜索指紋庫(kù)中的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比成功蜂鳴器響一聲繼電器閉合，若對(duì)比失敗即代表指紋錯(cuò)誤，蜂鳴器連響3聲。

3.4 LCD液晶顯示程序設(shè)計(jì)

根據(jù)LCD1602的操作時(shí)序，進(jìn)行初始化操作后，然后以系統(tǒng)想要達(dá)到的效果寫(xiě)指令控制光標(biāo)與顯示方式等，最后結(jié)合指紋模塊程序進(jìn)行相應(yīng)顯示數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，基于此制定液晶顯示模塊的程序流程圖，如圖10所示：

圖10 LCD液晶顯示模塊程序流程圖

根據(jù)液晶顯示模塊LCD1602A的手冊(cè)時(shí)序操作圖，編寫(xiě)以上寫(xiě)入指令和數(shù)據(jù)的程序，通過(guò)控制其RS端口高低電平，控制系統(tǒng)寫(xiě)入的是數(shù)據(jù)還是指令。由于本系統(tǒng)使用顯示模塊只是用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，所以對(duì)該模塊的讀寫(xiě)選擇端RW直接在硬件電路中接地，即使其一直處于低電平狀態(tài)也就是一直處于寫(xiě)入狀態(tài)。液晶的顯示函數(shù)是void Print()將字符串?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)lcd_write()寫(xiě)入模塊顯示出來(lái)[9]。

4 實(shí)物驗(yàn)證

如圖11所示。其中各元器件分別為：

1、LCD1602A液晶顯示模塊。2、AT89C51單片機(jī)。3、蜂鳴器電路元件。4、繼電器電路元件。5、LED燈電路元件。6、R308指紋模塊。7、按鍵電路元件。8、晶振電路元件。9、上電復(fù)位電路元件。10、電源電路元件。

在整個(gè)系統(tǒng)硬件電路中，8、9、10三個(gè)電路為單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路，完成所有硬件電路的焊接后，就需要進(jìn)行每一個(gè)硬件電路的調(diào)試。調(diào)試最基本的條件是需要將調(diào)試程序下載到單片機(jī)內(nèi)，利用程序控制檢查每個(gè)元器件。

圖11 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的元器件進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要在于設(shè)計(jì)其核心控制系統(tǒng)。在顯示模塊中采用LCD1602A液晶顯示模塊，對(duì)于這種常見(jiàn)的顯示模塊，使用起來(lái)相對(duì)容易而且不會(huì)出現(xiàn)太大的差錯(cuò)，根據(jù)其使用手冊(cè)進(jìn)行編寫(xiě)相應(yīng)程序較為方便。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)后，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)的硬件與軟件功能達(dá)到了預(yù)期的需求。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低、性能可靠、使用方便，能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)防盜與報(bào)警。

[1] 顧永好.單片機(jī)指紋識(shí)別系統(tǒng)及其算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通訊世界, 2016.

[2] 伍志東,張歡.基于單片機(jī)的汽車(chē)防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用, 2020,37(04):60-61.

[3] 宋芳,簡(jiǎn)力.AT89系列單片機(jī)的測(cè)試技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2015.

[4] 陳贊,陳燕,李楊.基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].電子世界,2016.

[5] 蔡興,蔡久評(píng).基于單片機(jī)芯片STC89C52的指紋密碼鎖系統(tǒng)[J].江西科技師范大學(xué)學(xué)報(bào),2016.

[6] Chunjiang Liu, & Fang Lv. Design of highly reliable Fingerprint Access Control System based on C8051F020 single chip. Internati -onal Conference on Computer and Automation Engineering (ICC -AE). 2010.

[7] 張朝林.汽車(chē)門(mén)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)研究[J].時(shí)代汽車(chē),2019(04).

[8] Bjorn V C, Belongie S J. Fingerprint recognition system: U.S. Patent 6,125,192[P]. 2000-9-26.

[9] 荊軻,李芳.單片機(jī)原理及應(yīng)用:基于KeilC與Proteus[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.

Design of an Automobile Anti-theft System Based on 51 Single Chip Microcomputer*

Gan Ling, Tang Lan*

( School of Automobile and Transportation, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039 )

Through the analysis of the current vehicle anti-theft, the relationship between the security of the vehicle and the unlocking of the door is introduced. An automobile anti-theft system was constructed using 51 single chip microcomputer. The system is composed of fingerprint module, AT89C51, buzzer drive module, relay drive module, liquid crystal display module and the minimum system circuit of single-chip microcomputer, which can monitor the car in real time. When a theft occurs, the fingerprint recognition module will recognize and issue an alarm.

Automobile; Anti-theft system; Single chip microcomputer; Fingerprint identification

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.03.009

U463

A

1671-7988(2021)03-31-04

U463

A

1671-7988(2021)03-31-04

甘令，碩士，就讀于西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院。

唐嵐，碩士，教授，就職于西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院；研究方向：汽車(chē)整車(chē)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能測(cè)試等。

西華大學(xué)教師師資支持計(jì)劃（21050018）；西華大學(xué)研究生示范課程項(xiàng)目“汽車(chē)測(cè)試與信號(hào)分析示范課程”（QJ1408020004）。