程伟
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摘要：针对性价比很高的单片机在指纹识别技术中应用越来越广泛。提出一种基于单片机的指纹识别电子密码锁的设计方法，实现了传统锁到新型指纹锁的转化。该方法采用Atmeg16单片机原理，实现了单片机对指纹识别和加密的控制过程。采用Altium Designer软件对自动指纹识别系统电路进行了设计，并进行了模拟实验和实物制作，实验结果充分证明了这种设计的可行性，对指纹识别密码锁的设计和研发具有一定的指导意义。
关键词：指纹识别；模块化；指纹；Atmeg16单片机
0 引言
随着现在技术的快速发展，指纹采集技术在生活中应用越来越广泛。指纹信息成为我们验证身份的简单而又快捷的方法。指纹辨别与指纹验证在识别身份中成为一项关键技术。在实际应用中，首先在指纹库提取一个指纹信息，然后我们现在采集大量人的信息与之前提取的信息对比来辨别是不是我们需要的信息。指纹纹路分为三种：环形纹路，弓形纹路和螺旋形纹路，这三种纹路是最基本的纹路其余的纹路都是基于这三种纹路演化的，但是在庞大的指纹库中直接搜索某一个指纹计算量是非常大的，但是利用这一基本的分类能使检索的速度与准确性大大的提高。
1 基本原理
系统的工作原理：当用户在使用时，首先指纹模块会感应手指在指纹模块上，指纹模块就会自检、初始化，处理器隔一段时间自检，液晶屏上显示。指纹识别模块采集过程，在指纹模块中会对指纹进行拍照、处理、提取、保存、与库中匹配等一系列的过程，最后指纹模块会把对比的结果传给处理器，处理器收到信号匹配成功后，输出信号给光耦使光耦闭合大电流通过给指纹锁的执行机构，实现启锁功能。
2 硬件设计
电子密码锁包括五个方面：光学指纹识别模块，锁内部机械机构（杠杆机械减速系统），指纹锁主板，外部锁机械，中央处理器单元。
2.1 中央处理器
系统采用Atmeg16单片机作为主控制器。Atmeg16单片机是一种低功耗的8位单片机片，16k字节的应用程序存储空间，1K 字节SRAM，32 个引脚，32 个通用工作寄存器，同时此单片机内部还有更程序调试的JTAG 接口三个灵活的定时器/计数器，模式（T / C），内部/外部中断，可编程串行USART，初始条件，8路串行接口，10个数模或者模数转换模块，具有内部振荡器，可编程看门狗定时器，SPI串行口，同时单片机拥有自己的省电模式。
2.2 指纹输入
本系统采用R30X型号的指纹模块，R30X模块可以独立的完场指纹的采集，匹配，存储，删除等操作内部拥有强大高效的DSP处理器和经典算法和协议。而且它的一些算法比较高效。模块整体通讯利用串口通讯简单高效有利于我们进行二次开发。
通过指纹采集模块采集到指纹图像，将图像在数据库中进行比对，假如未找到想同的指纹图像，单片机中就会执行存储命令，将图像自行存储到可以实现覆盖的储物柜存储地址上（相同的指纹完成两次对比后可实现覆盖存储新的指纹图像）；假如找到相同的指纹图像，确定比对成功后，单片机中就会执行开锁命令，将启动驱动电路控制电控锁（电控锁是由电磁继电器控制开关的，通电就会吸引衔铁打开电锁）将锁门打开。
由锁体、指纹采集模板、数据管理控制系统、自动指纹识别系统四部分组成，主要利用现行的指纹采集技术结合单片机控制技术形成。让使用者通过自己的指纹实现锁的开关。作品改变了原有机械开锁的原理方式，大胆采用指纹技术，颠覆了传统的开锁观念，实现了科技对人们平时生活的影响，而且采用指纹识别省去了先金属钥匙更加利于环保。另外指纹识别具有安全性高、不可复制性、可记忆性强、方便、快捷、防盗性强的优势。
在执行模块中使用电磁铁的吸合，放现场用户输入正确的指纹，经过一系列的算法计算，会输出一个电信号给光耦，光耦执行后外部大电流就会通过电磁铁，电磁铁吸合衔铁产生动作，这就产生了开锁动作，在开锁动作的同时，蜂鸣器也会动作有滴滴的响声，提醒正确操作。但是如果输入错误指纹信息，匹配不正确蜂鸣器连续的报警来提醒错误，同时屏幕显示“指纹输入错误”字样。
2.3 机械执行
由于大部分锁的锁洞都是差不多的尺寸，所以指纹锁的外形机械尺寸必须与普通机械锁一致，这样能保证所有门能直接换指纹锁，不用二次对门和指纹锁改造。
指纹锁的机械外形采用后壳推拉式，在后壳前方设计两个螺丝来固定和镶嵌住后壳，这种设计有两个优点，这样既避免了内部机械生锈方便操作者卸开上油，还能保证锁安全可靠，不像焊接而成的锁一旦开焊锁就不能再次使用。
为了获得较大的电磁吸力又不对人体造成伤害所以使用36v电压并且在电磁铁内部加入铁芯，以至于获得较大的吸力，防止由于门的挤压造成的打不开门的现象。除之以外我还利用杠杆原理使其有较大的力矩输出。在这里杠杆比例采用1：3的距离比，这样会有三倍的力矩输出。杠杆减速系统作为一种减速机械结构简单安全性高，最重要的是稳定性比较高。
整个系统中报警是必不可少的，输入密码就会有一声报警声，系统错误也会有连续的报警声。现在快节奏的生活中我们很多人对液晶屏的关注度有时不够彻底所以现在我们外加蜂鸣器装置是非常必要的。蜂鸣器电路在设计过程中采用单独的单片机引脚控制，并且还不能与别的功能模块公用一个引脚，所以把蜂鸣器电路设计在单片机最下的一个脚P3.7脚，蜂鸣器电路一旦设计好之后不需要改变，并且不复杂与别的模块联系不密切。
采用模块化的设计思想［5］，将指纹锁分为几个相关的模块，首先对每个模块设计，然后在将各个模块组装，根据相应的功能选择相应的模块，为了使指纹锁更方便操作，需要在指纹锁上外加一显示屏一确定更人性化的操作，还能显示当前指纹锁的状态，根据需要对锁的机械结构也需要改装，在锁内部增加减速器从而使指纹锁有较大的输出扭矩。
3 总结
通过这次的产品开发设计的经历，使我对指纹锁有了新的认识，指纹锁作为未来的一个新型的锁它的用途和它的功能都让我为之震撼，在这次的产品研发设计中要求使用Atmeg16单片机，由于之前没有接触过这种单片机，由于我有其他单片机学习的基础以至于在之后的设计中有了优势，模块化的设计思想是一种不错的思维方式，整个设计过程我采用了模块化的设计，这也让我体验到了它的优越性和科学性。
参考文献
［1］ 张圆圆.指纹识别技术相关算法的研究［D］.北京邮电大学，2012.
［2］ 张洁.残缺指纹识别中若干关键技术的研究［D］.北京邮电大学，2013.
［3］ 任志国.基于ARM的嵌入式指纹采集与识别系统的研究［D］.南京航空航天大学，2010.