基于ATMEGA32的指紋識(shí)別防盜門(mén)鎖的設(shè)計(jì)

0 前言

　　　人體生物特征是人體所固有的生理特征與行為特征，如指紋、掌紋、面像、眼虹膜、視網(wǎng)膜、聲音、簽字、步態(tài)等。這些特征具有隨身性，因而使用方便，不易遺忘或丟失；人體的生物特征與人體又是唯一綁定的，且具有人人不同的唯一性，因而防偽性好，不易偽造或被盜。所以，用人體生物特征來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以物識(shí)人的方法來(lái)鑒定個(gè)人的身份是一種認(rèn)人不認(rèn)物的直接驗(yàn)證方法，顯然是最為安全可靠的，這也是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要。
　　隨著光電等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人體生物特征識(shí)別這一實(shí)用性很強(qiáng)的高新技術(shù)也獲得很大的發(fā)展與應(yīng)用。其中以指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展最成熟，應(yīng)用最早、也最廣泛。由于每一個(gè)人的指紋的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，因而其指紋特征是唯一的，并且終身不變。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)。出現(xiàn)很多指紋識(shí)別傳感器模塊，本文設(shè)計(jì)了一款基于ATMEGA32作為核心處理器，采用上海一維公司的MRB200指紋識(shí)別模塊，此指紋識(shí)別模塊可以獨(dú)立運(yùn)行（脫離PC機(jī)運(yùn)行），整個(gè)系統(tǒng)具有成本低，應(yīng)用簡(jiǎn)單、易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

1、 控制方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能框圖如圖1

圖1系統(tǒng)功能框圖

本指紋識(shí)別門(mén)鎖設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為核心，通過(guò)MRB200指紋模塊的采集系統(tǒng)采集指紋數(shù)據(jù)，具體方案為：接觸指紋傳感器時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入指紋對(duì)比狀態(tài)，由CPU通過(guò)串口發(fā)對(duì)比命令給指紋識(shí)別模塊，指紋識(shí)別模塊收到CPU發(fā)來(lái)命令便開(kāi)始采集用戶指紋，并將采集到的指紋數(shù)據(jù)與指紋庫(kù)里的所有指紋進(jìn)行一一對(duì)比，如有相同則返回對(duì)比成功報(bào)文給CPU，指紋識(shí)別模塊采集過(guò)程需進(jìn)行三次，指紋識(shí)別模塊將返回每次采樣結(jié)果，CPU記錄下三次的采集成功次數(shù)，如三次都采集成功，CPU便驅(qū)動(dòng)蜂鳴器響一聲，告訴來(lái)賓的指紋通過(guò)對(duì)比，同時(shí)CPU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電控鎖打開(kāi)門(mén)鎖。按鍵和顯示用來(lái)進(jìn)行指紋管理。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ATMEGA32單片機(jī)作為控制核心，控制系統(tǒng)主要包括MRB200指紋識(shí)別模塊、液晶顯示、設(shè)置按鍵、電子鎖、蜂鳴器等部件。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

本設(shè)計(jì)采用了Atmel公司的AVR單片機(jī)Atmega32作為控制核心。AVR單片機(jī)的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是精簡(jiǎn)指令集 CPU中的高性能器件。AVR單片機(jī)可以提供高達(dá)16MIPS的執(zhí)行時(shí)間，具有32K字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器，同時(shí)具備2K字節(jié)的靜態(tài)RAM。 AVR單片機(jī)自帶看門(mén)狗定時(shí)器，在強(qiáng)烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設(shè)計(jì)中采用的Atmega32還具有以下特點(diǎn)：
(1)內(nèi)部包含有硬件乘法器，加快乘法運(yùn)算速度；I/O端口引腳數(shù)多達(dá)23根；
(2)支持在線可編程功能，不需要頻繁從電路板插拔芯片；帶有可編程的支持同步傳輸?shù)腢ART端口；
(3)支持三線傳輸SPI端口；具有方便的I²C總線端口；
(4)支持JTAG邊界掃描電路；具有BOD低電壓檢測(cè)功能；
(5)內(nèi)部有8路10位的A/D變換器；具有4個(gè)PMW，可以協(xié)同或單獨(dú)工作；
(6) 內(nèi)部帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；工作頻率最高可達(dá)16MHz。

CPU與 MRB200指紋識(shí)別模塊的通訊接口說(shuō)明

MRB200的VIN腳電源正輸入端接4~6.5V，500mA；SLEEP腳睡眠狀態(tài)控制（Low：關(guān)閉模塊電源，High使模塊處于正常上電狀態(tài)，上電600ms后進(jìn)入正常工作狀態(tài)）與CPU的O腳相連；FINGERON腳采集狀態(tài)標(biāo)志（Low：不進(jìn)行指紋采集，High指紋采集進(jìn)行中）與 CPU的I腳相連；TX腳異步串行輸出（3.3V邏輯電平）與CPU的RX腳相連；RX（3.3V邏輯電平）腳異步串行輸入與CPU的TX腳相連；兩芯片的GND直接相連。

CPU與指紋模塊通訊為半雙工異步串口通訊，CPU 通過(guò)串口與指紋識(shí)別模塊進(jìn)行通訊，完成對(duì)指紋的錄入、刪除、身份確認(rèn)，通過(guò)驗(yàn)證后去驅(qū)動(dòng)電路控制門(mén)鎖執(zhí)行開(kāi)關(guān)門(mén)的動(dòng)作。

為適應(yīng)不同CPU的通訊速率，本指紋識(shí)別模塊的通訊速率默認(rèn)為19200bt/s，也可設(shè)置為(9600 bt/s 19200 bt/s 38400 bt/s 57600 bt/s 115200 bt/s )，傳輸幀格式為10位，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶效驗(yàn)位。

指紋識(shí)別模塊分為光電感應(yīng)式和壓電感應(yīng)式兩鐘，光電感應(yīng)式基本工作原理：光源發(fā)出一組光線，經(jīng)過(guò)全反射棱鏡一直角邊照到壓有手指指紋的玻璃表面，其反射光線經(jīng)棱鏡另一直角邊投射到了CCD或CMOS半導(dǎo)體光電成像器件上。由于手指指紋的脊和谷對(duì)光線的反射不同，因而CCD或CMOS光電成像器件輸出隨手指指紋圖像明暗變化而改變的電信號(hào)，經(jīng)視頻放大、A/D轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字指紋圖像信息。壓電感應(yīng)式工作機(jī)理是基于對(duì)手指指紋的凹凸的不同壓力感，利用半導(dǎo)體壓敏傳感器陣列的頂層的表面是具有彈性的壓敏介質(zhì)材料，當(dāng)手指按壓其上時(shí)，根據(jù)手指指紋的外表脊紋線的凹凸壓力的大小轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)，繼而形成指紋圖像。由于前者受光路的限制，無(wú)畸變型采集器的外形尺寸較大；而后者傳感器厚度薄，采集面積較大，功耗與成本較低，容易集成到各類識(shí)別應(yīng)用產(chǎn)品中?，F(xiàn)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)者越來(lái)越傾向后者。

本系統(tǒng)使用上海一維科技有限公司生產(chǎn)的MRB200壓電感應(yīng)式指紋識(shí)別傳感器，它是一款體積小，感應(yīng)能力強(qiáng)的指紋識(shí)別傳感器，MRB200指紋模塊采用了高速DSP作為核心處理器，它是一款能存儲(chǔ)500枚指紋的獨(dú)立采集比對(duì)模塊，主要由指紋采集單元和指紋處理單元兩部分組成。指紋采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集指紋圖象并傳給指紋處理單元。指紋處理單元根據(jù)來(lái)自異步串行通訊口的命令來(lái)完成一系列的操作。如指紋比對(duì)、指紋登記、指紋刪除等。指紋處理單元提供了與指紋采集單元相連的接口和與外部控制系統(tǒng)相連的異步串行通訊口。用戶按照MRB200模塊提供的控制指令，可自行開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)，無(wú)需具備指紋識(shí)別專業(yè)知識(shí)。.指紋識(shí)別模塊通過(guò)串口與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

因?yàn)楸鞠到y(tǒng)為脫機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，為方便用戶使用，系統(tǒng)設(shè)置了4個(gè)按鍵和小型液晶顯示：

通過(guò)按鍵和顯現(xiàn)實(shí)現(xiàn)指紋管理操作步驟：

（1）： 指紋錄入：通過(guò)按鍵和液晶顯示的提示可登記用戶指紋，考慮到指紋錄入的保密性，在登記指紋時(shí)，需輸入管理員密碼或先用管理員指紋登入管理操作界面，方可進(jìn)行指紋的錄入，同時(shí)顯示該指紋的ID號(hào)，每錄入成功一次蜂鳴器會(huì)響一聲。

（2）：指紋篩除：通過(guò)按鍵和液晶顯示的提示輸入管理員密碼或先用管理員指紋登入管理操作界面，進(jìn)入篩除用戶指紋目錄,輸入指紋的ID號(hào)(如不知ID號(hào)可通過(guò)ID號(hào)查詢功能查詢自身的ID號(hào))，便可篩除該ID號(hào)的指紋。

（3）：查詢指紋ID號(hào)：通過(guò)按鍵和液晶顯示的提示輸入管理員密碼或先用管理員指紋登入管理操作界面，進(jìn)入指紋ID號(hào)查詢目錄，將手指放與識(shí)別頭上，指紋識(shí)別模塊采集指紋信息與指紋庫(kù)對(duì)比并通過(guò)液晶顯示對(duì)應(yīng)的指紋ID號(hào)。

蜂鳴器：蜂鳴器用來(lái)提醒用戶操作是否成功或是發(fā)出信息提示以及作報(bào)警之用。

電子鎖：中控驅(qū)動(dòng)電壓12V（由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力極其有限，所以這里采用放大電路對(duì)單片機(jī)的輸出進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)）。

3、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。程序模塊包括：主程序、指紋采集、指紋比對(duì)等。

主程序的功能：系統(tǒng)在啟動(dòng)或復(fù)位之后, 需要對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化, 這些工作由啟動(dòng)程序完成，其中包括MRB200、ATMEGA32 等的初始化。系統(tǒng)上電時(shí)，Atmega32 通過(guò)串口通訊對(duì)MRB200 進(jìn)行設(shè)置，初始化CPU的I/O口，開(kāi)啟片內(nèi)看門(mén)狗。進(jìn)入主程序，掃描按鍵是否觸發(fā)，如有按鍵觸發(fā)則進(jìn)入指紋管理界面（錄入，篩除，查詢指紋操作功能）。如未掃描到按鍵觸發(fā)碼則判斷指紋識(shí)別頭上是否有指紋（通過(guò)串口向指紋識(shí)別模塊發(fā)送命令獲得），如無(wú)指紋則整機(jī)進(jìn)入休眠，如有指紋則通過(guò)串口發(fā)送指紋采集命令，（指紋識(shí)別模塊自動(dòng)將采集到的指紋數(shù)據(jù)與指紋庫(kù)指紋進(jìn)行一一對(duì)比并自動(dòng)向CPU發(fā)送對(duì)比結(jié)果信息），如對(duì)比成功則進(jìn)行第二次同樣過(guò)程對(duì)比，直到三次對(duì)比都成功則CPU通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制電控鎖打開(kāi)門(mén)鎖。如其中有一次對(duì)比失敗則退出本次對(duì)比過(guò)程。

系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)：初始化配置完畢后，便等待用戶的要求，此時(shí)為節(jié)省功耗，可將系統(tǒng)置于低功耗狀態(tài)，如將CPU置于省電休眠模式。一旦用戶有了輸入，系統(tǒng)便退出低功耗狀態(tài)，進(jìn)入正常執(zhí)行狀態(tài)，控制軟件判斷用戶的需求，執(zhí)行相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)主要程序軟件流程圖如圖3所示

圖3系統(tǒng)主程序軟件流程圖

4、結(jié)語(yǔ)

本文采用性價(jià)比優(yōu)異的指紋識(shí)別模塊MRB200，設(shè)計(jì)了一種可防盜的指紋鎖，體積小、性能穩(wěn)定可高，除了提供方便的指紋開(kāi)門(mén)外，還可提供門(mén)鈴和多種報(bào)警功能：如使用非法手段開(kāi)門(mén)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行“非法開(kāi)門(mén)報(bào)警”，掉電時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行“掉電報(bào)警”，指紋門(mén)鎖遇非法拆卸時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行“非法拆卸”報(bào)警等。

文章創(chuàng)新點(diǎn)：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)ATMEGA32及MRB200指紋識(shí)別模塊的防盜門(mén)鎖（傳統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)大多是基于以PC機(jī)為上位機(jī)的進(jìn)行開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)），在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中直接采用專業(yè)廠家的功能模塊，不但能增加產(chǎn)品功能，還能節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。該系統(tǒng)外觀小巧, 工作性能穩(wěn)定, 適合于金融、保險(xiǎn)、證券行業(yè), 信息產(chǎn)業(yè), 安防業(yè)等各個(gè)需要身份確認(rèn)的場(chǎng)合。

本產(chǎn)品的電子設(shè)計(jì)單價(jià)20000元，由于它適用面廣，特別可應(yīng)用在安防業(yè)上，而當(dāng)前的一方面房產(chǎn)（房?jī)r(jià)以近二位數(shù)漲與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)近乎持平）熱，另一方面普通民眾，對(duì)安全的迫切期望，由于指紋識(shí)別的唯一性，防偽性好，不易偽造或被盜。決定了它在廣闊的房地產(chǎn)安防方面占有一席之地，因此可以說(shuō)市場(chǎng)需求可觀，按年銷售2000套，則項(xiàng)目年經(jīng)濟(jì)效益四百萬(wàn)元。

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