一種新型電子機械鎖的設計

摘要：設計了一種具有使用正確鑰匙管理指紋和密碼功能的電子機械鎖。該鎖分為兩個部分，基于ATmega162的帶有指紋識別模塊的電子鎖和基于PIC16F72的機械鎖。電子鎖和機械鎖相對獨立，兩部分的通信由超外差發送和接收模塊完成。經驗證，整個系統穩定可靠，安全性高。且功耗較低。

關鍵詞：ATmega162；機械鎖；指紋識別模塊；超外差發送和接收

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對物質生活的要求越來越高，尤為注重住宅安全問題。隨著生物特征識別技術的發展，指紋識別技術逐漸進入人們的生活領域，指紋鎖進入了人們的家庭。常見的指紋鎖，需要管理員指紋或者管理員密碼，才能進行指紋和密碼的添加和刪除操作。本文設計的電子機械鎖，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械鎖，可使用普通的正確鑰匙打開，安全級別較低，很容易被專業人員破解。本文設計的基于PIC16F72的機械鎖，配套的鑰匙內置編碼芯片，能夠設置正確鑰匙以及發送鑰匙編碼信息，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，機械鎖發送報警信息。

1 系統設計方案

電子機械鎖，分為電子鎖和機械鎖這兩個部分。電子鎖以單片機ATmega162為核心，通過指紋識別模塊，完成了對指紋管理的操作；通過鍵盤，完成密碼管理的操作；通過超外差接收模塊，能夠接收來自機械鎖的鑰匙編碼信息，完成與機械鎖的通信。

機械鎖以PIC單片機PIC16F72為核心，獲取鑰匙編碼信息，經超外差發送模塊發送。超外差發送和接收模塊的工作頻率在433 MHz，PCB布線時注意超外差模塊，遠離其他器件，不然會影響系統的工作狀態。另外，該系統要求體積小，供電方便，整個系統的功耗要盡量低。

1．1 電子鎖框圖

電子鎖主體為AVR單片機ATmega162、指紋識別模塊、超外差接收模塊、12 V電子鎖驅動、門鎖、鍵盤、按鍵和指示燈等，如圖1所示。指紋識別模塊型號為：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指紋算法采用TFS-9。穩定快速的芯片以及優良的指紋算法，不僅提高了整個系統的識別率以及縮短了識別時間，而且大大縮短了整個系統的研發時間。

電子鎖在不使用的時候，處于睡眠狀態。用戶打開指紋識別模塊上的金屬防塵罩時，產生喚醒信號，電子鎖進入正常工作狀態。

正常工作狀態下，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，指紋識別模塊將當前指紋與已存指紋進行比較，單片機ATmega162接收到比較結果，若正確產生開門信號，經12 V電子鎖驅動，打開門鎖。鍵盤輸入密碼，單片機ATmega162將當前輸入密碼和用戶設置的正確密碼進行比較，若正確產生開門信號，經12 V電子鎖驅動，打開門鎖。輸入指紋和密碼的機會共3次，若3次都錯誤，系統進入睡眠狀態。

1．2 機械鎖框圖

機械鎖主體為PIC單片機PIC16F72、超外差發送模塊、設置鍵、指示燈等，如圖2所示。設置正確鑰匙步驟：按下設置鍵，指示燈常亮，插入需要設置的鑰匙，等待指示燈有規律的閃爍3下，設置成功；設置完成后用正確鑰匙開門1次，恢復正常使用狀態。當插入錯誤鑰匙或者是鐵絲等非法鑰匙時，指示燈會快速閃爍，并通過超外差發送模塊發送報警信息。

為了降低整個系統的功耗，機械鎖在不使用時，處于不工作狀態。在安裝機械鎖的時候，會在機械鎖的鎖芯安裝一個金屬轉接口，該金屬轉接口連接了電子鎖的防塵罩，轉動金屬轉接口，不僅給機械鎖供電使之進入正常工作狀態，還喚醒電子鎖，讓電子鎖進入正常工作狀態。轉動金屬轉接口，還使得電子鎖中的單片機ATmega162第4口的第5位(即P4．5)變成高電平，電子鎖只處理來自機械鎖發出的信息。

機械鎖正常工作狀態時，插入鑰匙，單片機PIC16F72會識別鑰匙的編碼，若正確，則打開鎖芯上的閥，可以轉動鑰匙開門，若錯誤則發送錯誤鑰匙信息，鎖芯的閥依舊關閉，不能開門，從而保證了，用戶的安全。

1．3 電子鎖和機械鎖的通信

電子鎖和機械鎖之間的通信是通過超外差發送和接收模塊完成。機械鎖發送如圖3所示的信息，每位數據寬度為1 ms。由于噪聲的影響，單片機ATmega162只能通過查詢方式接收。

前導碼是由23位數據組成。數據碼由FAH碼、地址碼以及KEY碼組成，每個數據碼有10位，分別由8位數據、起始位(1)和結束位(0)組成。

地址碼就是機械鎖的識別碼，識別碼是惟一的，每次讀取KEY碼，都會將當前地址碼和存儲的地址碼進行比較，若相同才能讀取KEY碼，因此不會接收來自其他用戶的鎖發出的信息。

KEY碼就是鑰匙的編碼，每個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。電子機械鎖應用在辦公場合時，若發生偷竊情況，可以查詢最近的開門信息，來確定懷疑對象；也可以查詢特殊鑰匙開門情況，比如保姆工作的具體時間。若發生非法開門時，KEY碼為0x00，接收到該KEY碼時，產生報警信號。

2 指紋識別算法原理

2．1 指紋識別算法

指紋識別分為以下4個步驟如圖4所示。