一种新型电子机械锁的设计

摘要：设计了一种具有使用正确钥匙管理指纹和密码功能的电子机械锁。该锁分为两个部分，基于ATmega162的带有指纹识别模块的电子锁和基于PIC16F72的机械锁。电子锁和机械锁相对独立，两部分的通信由超外差发送和接收模块完成。经验证，整个系统稳定可靠，安全性高。且功耗较低。

关键词：ATmega162；机械锁；指纹识别模块；超外差发送和接收

0 引言

随着生活水平的提高，人们对物质生活的要求越来越高，尤为注重住宅安全问题。随着生物特征识别技术的发展，指纹识别技术逐渐进入人们的生活领域，指纹锁进入了人们的家庭。常见的指纹锁，需要管理员指纹或者管理员密码，才能进行指纹和密码的添加和删除操作。本文设计的电子机械锁，具有上述功能，还可以用正确钥匙管理指纹和密码。

常见的指纹锁配备的机械锁，可使用普通的正确钥匙打开，安全级别较低，很容易被专业人员破解。本文设计的基于PIC16F72的机械锁，配套的钥匙内置编码芯片，能够设置正确钥匙以及发送钥匙编码信息，只有用正确钥匙才能打开，不能被铁丝或其他非法钥匙打开，安全性大大提高。在非法开门的情况下，机械锁发送报警信息。

1 系统设计方案

电子机械锁，分为电子锁和机械锁这两个部分。电子锁以单片机ATmega162为核心，通过指纹识别模块，完成了对指纹管理的操作；通过键盘，完成密码管理的操作；通过超外差接收模块，能够接收来自机械锁的钥匙编码信息，完成与机械锁的通信。

机械锁以PIC单片机PIC16F72为核心，获取钥匙编码信息，经超外差发送模块发送。超外差发送和接收模块的工作频率在433 MHz，PCB布线时注意超外差模块，远离其他器件，不然会影响系统的工作状态。另外，该系统要求体积小，供电方便，整个系统的功耗要尽量低。

1．1 电子锁框图

电子锁主体为AVR单片机ATmega162、指纹识别模块、超外差接收模块、12 V电子锁驱动、门锁、键盘、按键和指示灯等，如图1所示。指纹识别模块型号为：TFS-M12，采用TI的DSP芯片TMS320VC5501，指纹算法采用TFS-9。稳定快速的芯片以及优良的指纹算法，不仅提高了整个系统的识别率以及缩短了识别时间，而且大大缩短了整个系统的研发时间。

电子锁在不使用的时候，处于睡眠状态。用户打开指纹识别模块上的金属防尘罩时，产生唤醒信号，电子锁进入正常工作状态。

正常工作状态下，电子锁支持两种开门方式：指纹开门和输入密码开门。指纹采集头上输入指纹，指纹识别模块将当前指纹与已存指纹进行比较，单片机ATmega162接收到比较结果，若正确产生开门信号，经12 V电子锁驱动，打开门锁。键盘输入密码，单片机ATmega162将当前输入密码和用户设置的正确密码进行比较，若正确产生开门信号，经12 V电子锁驱动，打开门锁。输入指纹和密码的机会共3次，若3次都错误，系统进入睡眠状态。

1．2 机械锁框图

机械锁主体为PIC单片机PIC16F72、超外差发送模块、设置键、指示灯等，如图2所示。设置正确钥匙步骤：按下设置键，指示灯常亮，插入需要设置的钥匙，等待指示灯有规律的闪烁3下，设置成功；设置完成后用正确钥匙开门1次，恢复正常使用状态。当插入错误钥匙或者是铁丝等非法钥匙时，指示灯会快速闪烁，并通过超外差发送模块发送报警信息。

为了降低整个系统的功耗，机械锁在不使用时，处于不工作状态。在安装机械锁的时候，会在机械锁的锁芯安装一个金属转接口，该金属转接口连接了电子锁的防尘罩，转动金属转接口，不仅给机械锁供电使之进入正常工作状态，还唤醒电子锁，让电子锁进入正常工作状态。转动金属转接口，还使得电子锁中的单片机ATmega162第4口的第5位(即P4．5)变成高电平，电子锁只处理来自机械锁发出的信息。

机械锁正常工作状态时，插入钥匙，单片机PIC16F72会识别钥匙的编码，若正确，则打开锁芯上的阀，可以转动钥匙开门，若错误则发送错误钥匙信息，锁芯的阀依旧关闭，不能开门，从而保证了，用户的安全。

1．3 电子锁和机械锁的通信

电子锁和机械锁之间的通信是通过超外差发送和接收模块完成。机械锁发送如图3所示的信息，每位数据宽度为1 ms。由于噪声的影响，单片机ATmega162只能通过查询方式接收。

前导码是由23位数据组成。数据码由FAH码、地址码以及KEY码组成，每个数据码有10位，分别由8位数据、起始位(1)和结束位(0)组成。

地址码就是机械锁的识别码，识别码是惟一的，每次读取KEY码，都会将当前地址码和存储的地址码进行比较，若相同才能读取KEY码，因此不会接收来自其他用户的锁发出的信息。

KEY码就是钥匙的编码，每个钥匙的编码是惟一的，因此可以记录用户家庭成员的开门信息，方便用户查询。电子机械锁应用在办公场合时，若发生偷窃情况，可以查询最近的开门信息，来确定怀疑对象；也可以查询特殊钥匙开门情况，比如保姆工作的具体时间。若发生非法开门时，KEY码为0x00，接收到该KEY码时，产生报警信号。

2 指纹识别算法原理

2．1 指纹识别算法

指纹识别分为以下4个步骤如图4所示。