一種新型電子機(jī)械鎖的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種具有使用正確鑰匙管理指紋和密碼功能的電子機(jī)械鎖。該鎖分為兩個(gè)部分，基于ATmega162的帶有指紋識(shí)別模塊的電子鎖和基于PIC16F72的機(jī)械鎖。電子鎖和機(jī)械鎖相對(duì)獨(dú)立，兩部分的通信由超外差發(fā)送和接收模塊完成。經(jīng)驗(yàn)證，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，安全性高。且功耗較低。

關(guān)鍵詞：ATmega162；機(jī)械鎖；指紋識(shí)別模塊；超外差發(fā)送和接收

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)物質(zhì)生活的要求越來(lái)越高，尤為注重住宅安全問(wèn)題。隨著生物特征識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的生活領(lǐng)域，指紋鎖進(jìn)入了人們的家庭。常見的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進(jìn)行指紋和密碼的添加和刪除操作。本文設(shè)計(jì)的電子機(jī)械鎖，具有上述功能，還可以用正確鑰匙管理指紋和密碼。

常見的指紋鎖配備的機(jī)械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開，安全級(jí)別較低，很容易被專業(yè)人員破解。本文設(shè)計(jì)的基于PIC16F72的機(jī)械鎖，配套的鑰匙內(nèi)置編碼芯片，能夠設(shè)置正確鑰匙以及發(fā)送鑰匙編碼信息，只有用正確鑰匙才能打開，不能被鐵絲或其他非法鑰匙打開，安全性大大提高。在非法開門的情況下，機(jī)械鎖發(fā)送報(bào)警信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電子機(jī)械鎖，分為電子鎖和機(jī)械鎖這兩個(gè)部分。電子鎖以單片機(jī)ATmega162為核心，通過(guò)指紋識(shí)別模塊，完成了對(duì)指紋管理的操作；通過(guò)鍵盤，完成密碼管理的操作；通過(guò)超外差接收模塊，能夠接收來(lái)自機(jī)械鎖的鑰匙編碼信息，完成與機(jī)械鎖的通信。

機(jī)械鎖以PIC單片機(jī)PIC16F72為核心，獲取鑰匙編碼信息，經(jīng)超外差發(fā)送模塊發(fā)送。超外差發(fā)送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線時(shí)注意超外差模塊，遠(yuǎn)離其他器件，不然會(huì)影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)。另外，該系統(tǒng)要求體積小，供電方便，整個(gè)系統(tǒng)的功耗要盡量低。

1．1 電子鎖框圖

電子鎖主體為AVR單片機(jī)ATmega162、指紋識(shí)別模塊、超外差接收模塊、12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)、門鎖、鍵盤、按鍵和指示燈等，如圖1所示。指紋識(shí)別模塊型號(hào)為：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指紋算法采用TFS-9。穩(wěn)定快速的芯片以及優(yōu)良的指紋算法，不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別率以及縮短了識(shí)別時(shí)間，而且大大縮短了整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間。

電子鎖在不使用的時(shí)候，處于睡眠狀態(tài)。用戶打開指紋識(shí)別模塊上的金屬防塵罩時(shí)，產(chǎn)生喚醒信號(hào)，電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

正常工作狀態(tài)下，電子鎖支持兩種開門方式：指紋開門和輸入密碼開門。指紋采集頭上輸入指紋，指紋識(shí)別模塊將當(dāng)前指紋與已存指紋進(jìn)行比較，單片機(jī)ATmega162接收到比較結(jié)果，若正確產(chǎn)生開門信號(hào)，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)，打開門鎖。鍵盤輸入密碼，單片機(jī)ATmega162將當(dāng)前輸入密碼和用戶設(shè)置的正確密碼進(jìn)行比較，若正確產(chǎn)生開門信號(hào)，經(jīng)12 V電子鎖驅(qū)動(dòng)，打開門鎖。輸入指紋和密碼的機(jī)會(huì)共3次，若3次都錯(cuò)誤，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

1．2 機(jī)械鎖框圖

機(jī)械鎖主體為PIC單片機(jī)PIC16F72、超外差發(fā)送模塊、設(shè)置鍵、指示燈等，如圖2所示。設(shè)置正確鑰匙步驟：按下設(shè)置鍵，指示燈常亮，插入需要設(shè)置的鑰匙，等待指示燈有規(guī)律的閃爍3下，設(shè)置成功；設(shè)置完成后用正確鑰匙開門1次，恢復(fù)正常使用狀態(tài)。當(dāng)插入錯(cuò)誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時(shí)，指示燈會(huì)快速閃爍，并通過(guò)超外差發(fā)送模塊發(fā)送報(bào)警信息。

為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，機(jī)械鎖在不使用時(shí)，處于不工作狀態(tài)。在安裝機(jī)械鎖的時(shí)候，會(huì)在機(jī)械鎖的鎖芯安裝一個(gè)金屬轉(zhuǎn)接口，該金屬轉(zhuǎn)接口連接了電子鎖的防塵罩，轉(zhuǎn)動(dòng)金屬轉(zhuǎn)接口，不僅給機(jī)械鎖供電使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進(jìn)入正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)動(dòng)金屬轉(zhuǎn)接口，還使得電子鎖中的單片機(jī)ATmega162第4口的第5位(即P4．5)變成高電平，電子鎖只處理來(lái)自機(jī)械鎖發(fā)出的信息。

機(jī)械鎖正常工作狀態(tài)時(shí)，插入鑰匙，單片機(jī)PIC16F72會(huì)識(shí)別鑰匙的編碼，若正確，則打開鎖芯上的閥，可以轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙開門，若錯(cuò)誤則發(fā)送錯(cuò)誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關(guān)閉，不能開門，從而保證了，用戶的安全。

1．3 電子鎖和機(jī)械鎖的通信

電子鎖和機(jī)械鎖之間的通信是通過(guò)超外差發(fā)送和接收模塊完成。機(jī)械鎖發(fā)送如圖3所示的信息，每位數(shù)據(jù)寬度為1 ms。由于噪聲的影響，單片機(jī)ATmega162只能通過(guò)查詢方式接收。

前導(dǎo)碼是由23位數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)碼由FAH碼、地址碼以及KEY碼組成，每個(gè)數(shù)據(jù)碼有10位，分別由8位數(shù)據(jù)、起始位(1)和結(jié)束位(0)組成。

地址碼就是機(jī)械鎖的識(shí)別碼，識(shí)別碼是惟一的，每次讀取KEY碼，都會(huì)將當(dāng)前地址碼和存儲(chǔ)的地址碼進(jìn)行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會(huì)接收來(lái)自其他用戶的鎖發(fā)出的信息。

KEY碼就是鑰匙的編碼，每個(gè)鑰匙的編碼是惟一的，因此可以記錄用戶家庭成員的開門信息，方便用戶查詢。電子機(jī)械鎖應(yīng)用在辦公場(chǎng)合時(shí)，若發(fā)生偷竊情況，可以查詢最近的開門信息，來(lái)確定懷疑對(duì)象；也可以查詢特殊鑰匙開門情況，比如保姆工作的具體時(shí)間。若發(fā)生非法開門時(shí)，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

2 指紋識(shí)別算法原理

2．1 指紋識(shí)別算法

指紋識(shí)別分為以下4個(gè)步驟如圖4所示。