基于ATMEGA32的指紋識別防盜門鎖的設計

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，用人體生物特征來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以物識人的方法來鑒定個人的身份是一種認人不認物的直接驗證方法，顯然是最為安全可靠的，這也是現(xiàn)代社會發(fā)展的需要。
　　隨著光電等科學技術的發(fā)展，人體生物特征識別這一實用性很強的高新技術也獲得很大的發(fā)展與應用。其中以指紋識別技術發(fā)展最成熟，應用最早、也最廣泛。由于每一個人的指紋的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，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，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來。出現(xiàn)很多指紋識別傳感器模塊，本文設計了一款基于ATMEGA32作為核心處理器，采用上海一維公司的MRB200指紋識別模塊，此指紋識別模塊可以獨立運行（脫離PC機運行），整個系統(tǒng)具有成本低，應用簡單、易于開發(fā)等優(yōu)點。

1、 控制方案設計

系統(tǒng)功能框圖如圖1

圖1系統(tǒng)功能框圖

本指紋識別門鎖設計以單片機作為核心，通過MRB200指紋模塊的采集系統(tǒng)采集指紋數據，具體方案為：接觸指紋傳感器時啟動系統(tǒng)進入指紋對比狀態(tài)，由CPU通過串口發(fā)對比命令給指紋識別模塊，指紋識別模塊收到CPU發(fā)來命令便開始采集用戶指紋，并將采集到的指紋數據與指紋庫里的所有指紋進行一一對比，如有相同則返回對比成功報文給CPU，指紋識別模塊采集過程需進行三次，指紋識別模塊將返回每次采樣結果，CPU記錄下三次的采集成功次數，如三次都采集成功，CPU便驅動蜂鳴器響一聲，告訴來賓的指紋通過對比，同時CPU通過驅動電路控制電控鎖打開門鎖。按鍵和顯示用來進行指紋管理。

2、系統(tǒng)硬件設計

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

系統(tǒng)硬件設計如圖2

圖2 系統(tǒng)硬件設計圖

本設計采用了Atmel公司的AVR單片機Atmega32作為控制核心。AVR單片機的單周期指令能夠保證高的執(zhí)行效率和低成本，是精簡指令集 CPU中的高性能器件。AVR單片機可以提供高達16MIPS的執(zhí)行時間，具有32K字節(jié)的可編程Flash存儲器，同時具備2K字節(jié)的靜態(tài)RAM。 AVR單片機自帶看門狗定時器，在強烈的電磁干擾條件下可以防止程序跑飛。本設計中采用的Atmega32還具有以下特點：
(1)內部包含有硬件乘法器，加快乘法運算速度；I/O端口引腳數多達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的UART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低電壓檢測功能；
(5)內部有8路10位的A/D變換器；具有4個PMW，可以協(xié)同或單獨工作；
(6) 內部帶有實時時鐘電路；工作頻率最高可達16MHz。

CPU與 MRB200指紋識別模塊的通訊接口說明

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：關閉模塊電源，High使模塊處于正常上電狀態(tài)，上電600ms后進入正常工作狀態(tài)）與CPU的O腳相連；FINGERON腳采集狀態(tài)標志（Low：不進行指紋采集，High指紋采集進行中）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 通過串口與指紋識別模塊進行通訊，完成對指紋的錄入、刪除、身份確認，通過驗證后去驅動電路控制門鎖執(zhí)行開關門的動作。

為適應不同CPU的通訊速率，本指紋識別模塊的通訊速率默認為19200bt/s，也可設置為(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位數據位，1位停止位，無奇偶效驗位。

指紋識別模塊分為光電感應式和壓電感應式兩鐘，光電感應式基本工作原理：光源發(fā)出一組光線，經過全反射棱鏡一直角邊照到壓有手指指紋的玻璃表面，其反射光線經棱鏡另一直角邊投射到了CCD或CMOS半導體光電成像器件上。由于手指指紋的脊和谷對光線的反射不同，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，經視頻放大、A/D轉換，輸出數字指紋圖像信息。壓電感應式工作機理是基于對手指指紋的凹凸的不同壓力感，利用半導體壓敏傳感器陣列的頂層的表面是具有彈性的壓敏介質材料，當手指按壓其上時，根據手指指紋的外表脊紋線的凹凸壓力的大小轉化為相應的電子信號，繼而形成指紋圖像。由于前者受光路的限制，無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，容易集成到各類識別應用產品中?，F(xiàn)在產品開發(fā)者越來越傾向后者。

本系統(tǒng)使用上海一維科技有限公司生產的MRB200壓電感應式指紋識別傳感器，它是一款體積小，感應能力強的指紋識別傳感器，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500枚指紋的獨立采集比對模塊，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)主要負責采集指紋圖象并傳給指紋處理單元。指紋處理單元根據來自異步串行通訊口的命令來完成一系列的操作。如指紋比對、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，可自行開發(fā)出功能強大的指紋識別應用系統(tǒng)，無需具備指紋識別專業(yè)知識。.指紋識別模塊通過串口與外部進行數據通訊

因為本系統(tǒng)為脫機運行系統(tǒng)，為方便用戶使用，系統(tǒng)設置了4個按鍵和小型液晶顯示：

通過按鍵和顯現(xiàn)實現(xiàn)指紋管理操作步驟：

（1）： 指紋錄入：通過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，需輸入管理員密碼或先用管理員指紋登入管理操作界面，方可進行指紋的錄入，同時顯示該指紋的ID號，每錄入成功一次蜂鳴器會響一聲。

（2）：指紋篩除：通過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，進入篩除用戶指紋目錄,輸入指紋的ID號(如不知ID號可通過ID號查詢功能查詢自身的ID號)，便可篩除該ID號的指紋。

（3）：查詢指紋ID號：通過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，進入指紋ID號查詢目錄，將手指放與識別頭上，指紋識別模塊采集指紋信息與指紋庫對比并通過液晶顯示對應的指紋ID號。

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

電子鎖：中控驅動電壓12V（由于單片機的驅動能力極其有限，所以這里采用放大電路對單片機的輸出進行驅動放大實現(xiàn)驅動）。

3、 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展，本系統(tǒng)的軟件設計采用C語言編寫。程序模塊包括：主程序、指紋采集、指紋比對等。

主程序的功能：系統(tǒng)在啟動或復位之后, 需要對系統(tǒng)硬件和軟件運行環(huán)境進行初始化, 這些工作由啟動程序完成，其中包括MRB200、ATMEGA32 等的初始化。系統(tǒng)上電時，Atmega32 通過串口通訊對MRB200 進行設置，初始化CPU的I/O口，開啟片內看門狗。進入主程序，掃描按鍵是否觸發(fā)，如有按鍵觸發(fā)則進入指紋管理界面（錄入，篩除，查詢指紋操作功能）。如未掃描到按鍵觸發(fā)碼則判斷指紋識別頭上是否有指紋（通過串口向指紋識別模塊發(fā)送命令獲得），如無指紋則整機進入休眠，如有指紋則通過串口發(fā)送指紋采集命令，（指紋識別模塊自動將采集到的指紋數據與指紋庫指紋進行一一對比并自動向CPU發(fā)送對比結果信息），如對比成功則進行第二次同樣過程對比，直到三次對比都成功則CPU通過驅動電路控制電控鎖打開門鎖。如其中有一次對比失敗則退出本次對比過程。

系統(tǒng)的低功耗設計：初始化配置完畢后，便等待用戶的要求，此時為節(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、結語

本文采用性價比優(yōu)異的指紋識別模塊MRB200，設計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門外，還可提供門鈴和多種報警功能：如使用非法手段開門時系統(tǒng)進行“非法開門報警”，掉電時系統(tǒng)進行“掉電報警”，指紋門鎖遇非法拆卸時系統(tǒng)進行“非法拆卸”報警等。

文章創(chuàng)新點：本文設計了一個單片機ATMEGA32及MRB200指紋識別模塊的防盜門鎖（傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)大多是基于以PC機為上位機的進行開發(fā)的系統(tǒng)），在產品設計中直接采用專業(yè)廠家的功能模塊，不但能增加產品功能，還能節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(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、證券行業(yè), 信息產業(yè), 安防業(yè)等各個需要身份確認的場合。

本產品的電子設計單價20000元，由于它適用面廣，特別可應用在安防業(yè)上，而當前的一方面房產（房價以近二位數漲與經濟增長近乎持平）熱，另一方面普通民眾，對安全的迫切期望，由于指紋識別的唯一性，防偽性好，不易偽造或被盜。決定了它在廣闊的房地產安防方面占有一席之地，因此可以說市場需求可觀，按年銷售2000套，則項目年經濟效益四百萬元。

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