陳新芬,邱小華,金琦淳

(1.無錫城市職業(yè)技術(shù)學院,江蘇 無錫 214153;2.無錫市宏源彈性器材有限公司,江蘇 無錫 214161)

0 引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,安全、高效、便捷的指紋密碼鎖已經(jīng)在市場上逐漸普及。設(shè)計中,以STC89C52單片機為控制核心的密碼鎖能實現(xiàn)友好的人機交互,實現(xiàn)密碼開鎖和指紋開鎖2種功能。指紋密碼鎖合理利用人類指紋個體差異,采用新型安全可靠的指紋識別技術(shù),實現(xiàn)指紋開鎖的同時,外加豐富的輔助功能,實現(xiàn)更加安全智能化開鎖[1]。

1 設(shè)計功能描述

開機待機狀態(tài):按下電源鍵,電源指示燈點亮,液晶屏待機初始界面顯示“指紋密碼鎖”“編號”“狀態(tài)”3行字樣,密碼鎖處于待機等待開鎖狀態(tài)。待機狀態(tài)時,單片機主機循環(huán)掃描按鍵,達到實時檢測按鍵動作的目的。

密碼開鎖功能:在密碼鎖處于待機狀態(tài)時,用戶輸入6位開鎖密碼數(shù)字,液晶屏同步加密顯示“*”,按下鍵盤上的“確認”鍵,密碼輸入結(jié)束。密碼正確,則電磁鎖得電,鎖頭打開。開鎖的同時,系統(tǒng)啟動內(nèi)部定時器進入倒計時定時,達到定時時長,電磁鎖自動斷電上鎖。輸入密碼錯誤,液晶屏提示“密碼錯誤”字樣,蜂鳴器報警器發(fā)出“滴滴滴”報警3次,鎖頭保持關(guān)鎖狀態(tài)。

指紋開鎖功能:在密碼鎖處于待機狀態(tài)時,按壓AS608指紋模塊,如果當前采集的指紋是系統(tǒng)存儲的開鎖指紋,則液晶屏顯示當前指紋對應(yīng)指紋庫中的3位數(shù)字ID編號,同時液晶屏顯示開鎖字樣“指紋解鎖”,電磁鎖得電,鎖頭打開。AS608指紋集成模塊,內(nèi)部的指紋模板存儲容量可以達到1000枚指紋,設(shè)計中用3位數(shù)字ID編號即可滿足最大容量指紋模板存儲要求。如果當前采集到的指紋不是系統(tǒng)存儲的開鎖指紋,則液晶屏提示“無效指紋”,蜂鳴器發(fā)出“滴滴滴”報警3次,鎖頭保持關(guān)鎖狀態(tài)。

管理員模式:在開機待機狀態(tài)下,按下鍵盤上的“管理”鍵,液晶提示“請輸入管理員密碼”。當用戶繼續(xù)輸入6位數(shù)字管理員密碼時,系統(tǒng)進入管理員界面模式,此時液晶屏顯示提示字符“管理系統(tǒng)界面”“錄入指紋”“刪除指紋”“修改密碼”。在管理員界面,通過鍵盤上的“上一項”或“下一項”功能按鍵選擇,實現(xiàn)系統(tǒng)錄入指紋、刪除指紋或者更改開鎖密碼功能。在錄入、刪除指紋子系統(tǒng)中,液晶屏提示用戶輸入3位數(shù)字指紋ID編號,同時啟動AS608指紋模塊,實現(xiàn)開鎖指紋的新增、刪除功能。在更改開鎖密碼子系統(tǒng)中,液晶屏提示用戶連續(xù)輸入2次新密碼,如果2次新密碼一致,則系統(tǒng)順利實現(xiàn)開鎖密碼更新,液晶屏提示用戶“密碼修改成功”。系統(tǒng)自動退出返回到開機待機狀態(tài),等待用戶開鎖。

在管理員界面或密碼輸入過程中,直接選擇鍵盤上的“返回”鍵,則系統(tǒng)退回到開機待機狀態(tài)。密碼輸入過程或者指紋編號ID輸入過程中,如果發(fā)現(xiàn)輸入數(shù)字錯誤,則利用矩陣鍵盤上的“退格”按鍵,實現(xiàn)清除最近一次的數(shù)值輸入。

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路設(shè)計原理如圖1所示。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)包含以下幾個部分:+5 V直流穩(wěn)壓電源;STC89C52單片機芯片;C1、R1復(fù)位按鍵,電源構(gòu)成的復(fù)位電路;石英晶體振蕩器,C2、C3構(gòu)成的晶振電路[2]。單片機與AS608指紋模塊通過串行口實現(xiàn)通信控制,11.0592 MHz的晶振可以產(chǎn)生零誤差9600 bit/s的波特率。在設(shè)計中,晶振頻率選用11.0592 MHz,2個并聯(lián)的頻率微調(diào)電容選用30 pF陶瓷電容。

2.2 液晶顯示電路設(shè)計

LCD12864[3]是一種有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式,含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊;它的顯示分辨率為128×64,內(nèi)置8192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集。設(shè)計采用單片機P2口與液晶顯示器的8位數(shù)據(jù)線連接,進行8位并行通信實現(xiàn)字符信息顯示。

2.3 指紋識別模塊設(shè)計

AS608[4]是功能完整的獨立指紋處理模塊,無需掛接任何外圍器件。在指紋密碼鎖設(shè)計中,該模塊一直處于從機地位,單片機主機需要通過指定格式的指令驅(qū)動該模塊實現(xiàn)各種指紋處理功能。主機的指令、模塊的應(yīng)答以及數(shù)據(jù)交換都是按照規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包來進行的。

指紋模塊內(nèi)部包含:光學鏡頭、通信連接線、DSP芯片、型號為AS6084的穩(wěn)壓芯片、Flash芯片、外面的CMOS傳感器芯片。模塊處理指紋的主要工作過程分為以下幾個步驟:掃描指紋、生成特征、合成模板、成功錄入指紋。CMOS芯片負責對指紋進行“照相”,然后進行模糊處理生成0和1模式的2種記錄信息,進而生成指紋特征。成功錄入2次相同的指紋特征能生成一個指紋模板,通過單片機主機命令,將指紋模板信息存入模塊的Flash芯片。

當指紋模塊切換到識別模式時,CMOS傳感芯片先完成一次指紋圖像采集,然后將采集的指紋信息與Flash芯片里已經(jīng)存儲的指紋模板數(shù)據(jù)進行對比。當前采集的指紋圖像如果與之前的指紋模板匹配,則返回指紋編號,如果匹配不成功,則識別為非法指紋。如此,可以通過單片機來進行指紋的識別與登記。

2.4 按鍵電路設(shè)計

設(shè)計需要有密碼輸入以及指紋輸入管理,為減少單片機的I/O口占用,將按鍵電路設(shè)計成4×4矩陣鍵盤。矩陣鍵盤的檢測方法有多種,常見的有:逐點掃描法、逐行掃描法、全局掃描法[5]。設(shè)計采用逐行掃描法實現(xiàn)按鍵檢測。其中,P1.0-P1.3作為行線,P1.4-P1.7作為列線。4×4矩陣鍵盤的16個按鍵對應(yīng)的功能如表1所示。

表1 矩陣鍵盤對應(yīng)功能

2.5 繼電器電路設(shè)計

繼電器是一個通過輸入小電流來控制大電流輸出的一個“自動開關(guān)”[6]。當使用51單片機進行控制繼電器時,由于單片機I/O口輸出電流在4～20 mA,而繼電器工作電流大約在40 mA,所以采用直接控制是無法驅(qū)動的,需要添加一個電流放大電路。本設(shè)計采用S8550三極管進行電流放大。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

軟件設(shè)計采用C語言程序[7]。在C程序中,主函數(shù)void main()是程序的入口函數(shù),一個完整的程序必須包含該函數(shù)。設(shè)計中,主程序利用無限循環(huán)實時檢測矩陣鍵盤動作,利用按鍵處理子程序,控制變量mode的數(shù)值,確定指紋密碼鎖的當前執(zhí)行功能。mode=0時,實現(xiàn)指紋或者密碼2種方式解鎖功能;mode=1時,實現(xiàn)管理員界面功能;mode=2時,實現(xiàn)指紋錄入功能;mode=3時,實現(xiàn)指紋刪除功能;mode=4時,在鍵值處理子程序內(nèi)部,實現(xiàn)密碼修改功能。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程

3.2 錄入指紋程序設(shè)計

錄入指紋子程序如圖3所示。在管理員界面,通過按鍵選擇錄入指紋功能,進入錄入指紋子程序。錄入指紋子程序開始,液晶提示目前為“錄入指紋”狀態(tài),主程序中的鍵盤掃描以及鍵值處理子程序,輸入即將存儲指紋模板的ID值。用戶將指紋圖像按壓在AS608指紋采集模塊上,接著對即將準備儲存的指紋模板編號ID值進行預(yù)判斷,如果指紋編號ID的值在程序預(yù)設(shè)范圍內(nèi),則啟動指紋采集子程序,實現(xiàn)指紋圖像2次錄入生成指紋特征[8],將指紋特征合并生成指紋模板,指紋模板存入子程序開頭指定的指紋模板編號ID中。指紋模板采集錄入成功,則ID變量清零,方便下一個指紋模板錄入,同時利用二進制開關(guān)變量,關(guān)閉密碼鎖當前指紋檢測功能,子程序返回到主程序中。在主程序中,只有流程檢測到mode=2或者mode=3時,才能再次開啟指紋檢測功能,以便于密碼鎖區(qū)分何時進行普通密碼開鎖以及何時進行指紋圖像開鎖。

圖3 錄入指紋流程

3.3 指紋解鎖程序設(shè)計

AS608用串口通信協(xié)議與單片機進行通信,單片機主機通過串口發(fā)送對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)包來控制指紋模塊實現(xiàn)對應(yīng)的功能。主機必須按照規(guī)定格式封裝發(fā)送指令或數(shù)據(jù),也必須按規(guī)定格式解析收到的數(shù)據(jù)包。指令/數(shù)據(jù)包共分為3類:(1)包標識=01 命令包;(2)包標識=02 數(shù)據(jù)包,且有后續(xù)包;(3)包標識=08 最后一個數(shù)據(jù)包,即結(jié)束包。所有的數(shù)據(jù)包都要加包頭:0xEF0。

在控制AS608指紋模塊采取指紋時,先發(fā)送采集指紋圖像命令,等待指紋圖像生成指紋特征,然后指紋特征與指紋模塊庫中的指紋特征進行逐一比對,當前采集的指紋圖像如果與指紋庫中已經(jīng)錄入的模板一致,則返回當前采集指紋所在庫的指紋編號,如果比對不成功,則新采集的指紋圖像不是指紋庫中的已有指紋,則判斷為非法指紋,取消該指紋開鎖功能。指紋解鎖子程序流程如圖4所示。

圖4 指紋解鎖流程

4 實物運行

設(shè)備通過USB提供+5 V的電源,打開系統(tǒng)的設(shè)備開關(guān),設(shè)備進入開鎖待機狀態(tài),液晶顯示屏提示開機初始界面。此時密碼鎖接收2種方式解鎖:直接輸入6位數(shù)字密碼或者直接在AS608指紋模塊按下解鎖指紋,系統(tǒng)實現(xiàn)正確解鎖。對于解鎖指紋的管理,系統(tǒng)的實現(xiàn)方法非常簡單,通過進入管理系統(tǒng)界面,選擇“錄入指紋”子菜單,進入管理系統(tǒng)界面,此時預(yù)先輸入3位數(shù)字指紋ID編號,接著按壓指紋模塊,當解鎖指紋采集成功,系統(tǒng)提示“錄入成功”。指紋錄入及解鎖實物運行如圖5所示。

圖5 指紋錄入及解鎖實物運行

5 結(jié)語

本文實現(xiàn)了一款單片機指紋密碼鎖的設(shè)計及制作。系統(tǒng)由硬件電路以及軟件程序2部分結(jié)構(gòu)組成。硬件電路主要包括單片機最小系統(tǒng)、矩陣鍵盤輸入電路、電磁繼電器控制模塊、AS608指紋識別模塊、LCD12864液晶顯示模塊、AT24C02密碼存儲模塊等。密碼鎖液晶顯示界面實現(xiàn)友好人機交互,功能齊全,簡單易操作。