指纹锁设计.docx

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指纹锁设计

指纹锁

摘要

随着经济与科技的快速发展，传统的身份识别方式已经不能够满足日益增加的安全需求。

而近几年来指纹识别技术的快速发展，使指纹锁的广泛应用成为可能。

本论文是设计一种指纹锁，它能很好的完成指纹开锁，并具有指纹录入、指纹删除和应急机械开锁等功能。

根据初始条件，选择好电磁铁、指纹开锁方式和机械开锁方式，以设计出相应的锁体壳、锁舌和机械开锁传动机构，进而确定电磁铁的安装位置，以完成机械系统的设计。

根据MBF200固态指纹传感器的特点和8051单片机的特性设计出指纹采集模块、外部扩展存储器模块、开锁电路、键盘模块、LED显示模块和电源电路，从而完成电路系统的设计。

根据任务书的要求和所设计的硬件电路来设计软件流程图，进而根据流程图来编辑程序。

通过软件程序就可以使机械部分和电路部分联系在一起，进而实现对指纹锁的智能控制。

本指纹锁利用AutoCAD2010设计出的机械部分的工程图，利用Protel99se设计出电路部分的电路图。

诸多软件工具的使用为指纹锁的完整设计提供了帮助。

本指纹锁设计所涉及的技术成熟，操作简单方便，实用性强，具有广泛的使用价值和应用前景。

关键词：

指纹锁；8051；MBF200；机械开锁

Fingerprintlock

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomyandtechnology,thetraditionalidentificationmethodshasbeenunabletomeettheincreasingsecurityneeds.therapiddevelopmentoffingerprintrecognitiontechnologyInrecentyears,makeitpossibleforfingerprintlockwiderangeofapplications.

Thispaperistodesignafingerprintlock.Ithasthefunctionoffingerprintlock,fingerprintInput,fingerprintdeletionandemergencymechanicallock.Accordingtotheinitialconditions,chooseaproperelectromagnet,fingerprintlockmode，modeandmechanicallockmode，tothedesignofthelockshelllatchandmechanicallockmodedrivemechanism,todeterminetheinstallationlocationoftheelectromagnet,inordertocompletethedesignofmechanicalsystems.BasedonthecharacteristicsofMBF200solid-statefingerprintsensorandthecharacteristicsof8051todesignthefingerprintacquisitionmodule、externalexpansionmemorymodules,lockmodecircuit,keyboardmodule,LEDdisplaymodulesandpowersupplycircuits,inordertocompletethecircuitdesign.Accordingtotherequirementsofthemissionstatementandthedesignofhardwarecircuittodesignsoftwareflowchart,andthenaccordingtotheflowcharttoeditprograms.Thesoftwareprogramcanmakethemechanicalpartsandcircuitpartstogether,soastorealizetheintelligentcontrolofthefingerprintlock.ThisfingerprintlockuseAutoCAD2010todesignthemechanicalpartofthedrawings,anduseProtel99setodesignpartofthecircuitschematic.Theuseofmanysoftwaretoolsprovidehelpforthecompletedesignoffingerprintlock.Thetechnologyinvolvedinthedesignofthefingerprintlockismature.Ithasthecharacteristicsofsimpleoperation,practical,theextensiveuseofvalueandapplicationprospect.

Keyword:

fingerprintlock;8051;MBF200;Mechanicallock

附录一：

程序

附录二：

中英文翻译

附录三：

锁的机械结构装配图

附录四：

锁的硬件电路图

第一章绪论

1.1课题研究目的及意义

门锁，作为人类安全卫士，从以前的简单机械门锁发展到今天的种类和功能都趋于多样化的智能门锁。

机械门锁是使用机械钥匙开门，而机械钥匙容易丢失和复制；电子密码锁的密码也会因为别人的偷盗而被非法打开。

随着人们生活水平的不断提高，对安全性和私密性的要求也越来越高，传统的机械锁、密码锁等因其自身的局限已不能满足人们的要求。

近年来，指纹识别技术发展迅速，它利用人类指纹的惟一性和不变性这一生理特征对个人身份进行认证，具有极高的安全性和易用性。

而指纹锁，就是利用这一生物特征－－指纹识别来进行开锁的。

由于信息化技术和微电子技术的发展再加上指纹锁的强大优势，毫无疑问它将成为锁具的新主角。

1.2国内外研究现状和发展趋势

指纹锁的关键在于指纹识别技术的发展，机械部分以相对成熟。

下面介绍指纹识别的技术现状和发展趋势:

自动指纹识别系统（AFIS—AutomaticFingerprintIdentificationSystem）技术的进步和指纹传感器技术的发展密切相关。

过去指纹传感器都是基于光学技术的传感器，这种传感器结构复杂，价格昂贵，体积庞大。

因此造成实际系统价格非常昂贵，这导致了过去指纹识别系统仅仅限于公安、银行等少数特殊部门内应用。

随着集成技术的发展，高性能、高速率的数字处理器的价格和体积也开始大幅度下降，相关技术日趋成熟，这为嵌入式应用研究带来了极大的方便。

90年代中期开始出现半导体的指纹传感器。

最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，但是随着半导体技术的进步，它采集的图像质量也越来越高，现在这两种传感器采集的图像质量差距已经很小了。

半导体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中，大有后来居上、取代光学传感器的趋势。

现在这两类指纹传感器在市场上基本是平分天下。

传统的光学传感器，国内的长春光机所等也有自己的产品，但是无论是价格还是性能都和国外差距很大，现在已经被逐步淘汰了。

半导体传感器芯片技术被国外所垄断，现在完全依赖进口，国内主要是做代理、二次开发和系统集成等，因此指纹采集技术也相对落后。

早期的研究都是在高性能计算机上完成的，针对脱机的指纹图像采集技术进行的研究相对较少。

90年代末到现在，由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识别的应用领域迅速扩大，在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机、门禁等很多领域都开始使用AFIS技术，所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感器。

作为生物特征的指纹虽然稳定性很好，但是仍然存在脱皮、外伤等问题，这个时候往往对高质量的指纹采集技术产生极大的挑战，也是AFIS研究者需要努力克服的问题。

国内对于AFIS主要侧重于研究角度，很长一段时间没有在实际应用中实践，所以这些技术和实际的市场需求间还有不少差距。

而实际从事指纹应用的公司没有自己的技术，绝大多数都是使用国外的指纹识别算法。

综上所述，对于应用前景更为广泛的嵌入式自动指纹识别系统（AFIS）来说，指纹的原始图像数据采集显得尤为重要。

随着计算机技术，特别是图象处理技术和模式识别技术的飞速发以及大规模集成电路的出现展及其性能的提高，使得用高速并高效的自动指纹识别系统来替代人工识别成为可能。

自二十世纪六十年代开始，为了解决人工鉴别指纹工作量大而且效率低的难题，美国FBI、英国家庭办公室以及法国巴黎警察局开始研发自动指纹识别系统（AFIS），并取得了非常好的效果。

目前，指纹识别已被全球大部分国家接受与认可，并广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。

在国外由于其开发指纹识别系统比较早，而且主要是利用计算机进行指纹识别，所以技术也比较成熟。

许多大公司均成立了专门机构从事该项技术的研究、开发及应用。

其中最具有代表性的是AFIS（AutomaticFingerprintIdentificationSystem）系统，该系统是利用计算机技术实现的，其具有灵活的系统结构，可以构建大型的数据库，但是该系统价格昂贵，而且由于需要连接计算机，限制了系统在很多其他方面的应用。

当然，目前国外也有一些相对较小的指纹识别系统，比如数码人（Digitalor）公司的U-are-U系统。

但他们的产品都存在价格昂贵、应用灵活性差、多使用光学传感器体积较大等问题。

自1998年以来，国内指纹识别技术也得到了长足发展。

目前，国内的生物识别技术市场正处于诸侯割据的萌芽阶段。

国内上百家从事指纹识别技术应用的企业除了北大高科、中科院自动化所和西安青松等几家科研机构拥有自主产权外，其他的多以代理国外产品为主，拥有自主知识产权核心技术不多。

在性能上无论从精度还是从效率上来看，均不如国际领先水平的同类产品。

所使用的方法复杂，使用环境要求高，而且硬件平台的实时性差，接口能力也比较弱。

纵观国内外现有的指纹采集识别技术和设备，或多或少地存在以下几个问题:

（1）成熟的采集识别算法均依赖于计算机平台，成本高，灵活性差。

（2）嵌入式应用不成熟，多受环境限制。

（3）指纹采集器件落后，体积较大等。

现在，随着高集成的指纹传感器的引入及其飞速发展，指纹数据的优质采集将达到一个更高的水平，研究指纹采集的通用方法及相应软件是一件十分有意义的工作。

利用新型传感器采集高质量的指纹图像，指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都将为指纹识别技术提供更广阔的舞台。

国内嵌入式指纹识别技术之所以得不到快速的发展，原因就在指纹采集技术的落后。

获取高质量的指纹数据是降低指纹识别算法复杂性一个最主要途径。

因此，在我国研究和开发拥有自主产权的指纹采集终端是紧迫的也是必须的。

1.3指纹锁的指纹识别的基本原理

首先，通过指纹采集仪器采集到人体指纹的图像，并对原始图像进行初步的处理，这样使指纹图像中蕴涵的特征信息更明显。

然后，运用指纹特征提取算法建立指纹的数字表示特征数据。

这种转换是单向进行的，只能从指纹图像转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹图像，而且两枚不同的指纹绝对不会产生相同的特征数据。

指纹纹路的分叉、终止或转弯处的坐标位置，也就是通常被专家称为“细节点”（minutiae）的数据点，同时拥有7种以上的唯一特征。

有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息能够表明各个节点之间的关系，有的算法还可以处理整幅指纹图像。

最后，我们通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们之间的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

1.4指纹锁设计的意义和特点

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

在单片机没有出现之前我们只能使用复杂的模拟电路来进行线路的连接，这样不仅体积巨大，成本较高给我的生产生活带来的极大的不便。

而单片机给我们的各领域都带来的巨大的变化，现在从飞机大炮到电子产品都离不开单片机，这是因为单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是一些特殊的功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

同样本次设计同样要采用单片机进行设计。

本设计采用8051单片机为主控芯片，结合外围器件，组成电子控制系统，用户想要打开锁，必先通过指纹识别模块中的MBF200固态指纹传感器对指纹进行采集，然后8051将采集到的指纹跟已存储的指纹进行比对，若指纹比对正确则开锁，否则不予开启。

由于门锁的开启是由指纹信息来确定，而个人的指纹信息是独一无二的，一般难以被盗与仿制，因此我相信我们所设计的指纹防盗锁的安全性是有保证的。

为防止因指纹锁内的电池没电或其他故障而无法进行指纹开锁，还设计了应急开锁孔--即传统的机械开锁功能。

我所设计的指纹锁拥有两种开锁方式，因而对于我们生活工作中的正常使用有更大的适用性。

第二章锁的机械结构设计

2.1锁机械结构设计

2.1.1锁的基本工作原理

锁的结构图如下图所示，在本设计中该锁由锁体壳、锁舌体、滑块、电磁铁、曲柄滑块机构、弹簧、圆柱销等构成。

首先，将滑块套在锁舌体上再用将曲柄滑块机构沿锁舌体导杆运动的那一端套在锁舌体上。

然后，将圆柱销安装在锁舌体上的销孔内，以使滑块或者曲柄滑块机构能够驱动锁舌体移动。

接着将弹簧套在锁舌体的推杆上。

做完上述工作之后即可将锁舌体安装在锁体壳内，锁体壳的两个侧面留有与之相匹配的孔。

之后再将电磁铁装入对应位置即可完成锁的装配。

螺旋压缩弹簧的作用是通过与锁体壳的相对运动产生的弹力来使锁舌来回伸缩，以实现对门的开启和关闭。

指纹开锁功能的实现：

当输入者输入的指纹与存储在数据存储器中的指纹相匹配时，控制电磁铁的电路闭合使电磁铁得电，电磁铁产生吸力将限制滑块运动的行程挡铁吸上去，然后用手推动滑块，滑块运动到圆柱销处时，再接着向前移动即可带动导杆锁舌体一起运动压缩弹簧使锁舌缩进锁体，锁也就打开了。

当松开滑块后，锁舌体在弹簧弹力的作用下返回。

机械开锁功能的实现：

就像传统的机械锁一样，当插入的钥匙正确时，锁芯内的弹子就不会再阻止锁芯的转动。

将正确的钥匙插入锁芯，然后旋转钥匙使曲柄滑块机构的一端转动，则另一端即可向压缩弹簧的方向移动，带动锁舌体向压缩弹簧的方向移动，锁就可以被打开了。

因为铜比较耐磨且容易加工，故在设计中锁芯材质采用铜。

2.1.2指纹锁各个零件的设计

根据指纹锁要实现的功能来设计锁的机械结构。

首先设计锁舌体，锁舌体由锁舌和导杆构成，为一个整体零件。

锁舌上下两侧均为半圆形凹槽，以便具有更好的导向功能，其次还能节省材料。

导杆采用圆柱体但上端削平的形状，这样做的原因是可防止安装在其上的滑块转动，并且可以更方便加工限制曲柄滑块机构中的滑块运动的圆柱销孔。

在设计好锁舌体后，接着设计滑块。

滑块的一侧做成一细长推杆用以在指纹匹配成功后带动滑块移动以实现开锁动作。

滑块开有一内孔，其形状和锁舌体导杆一样以实现和导杆的匹配。

滑块的左端采取比右端高5mm的设计方式，以实现用电磁铁来限制滑块向右端移动。

机械开锁部分设计，在曲柄滑块机构中的滑块设计成U形中空形式以便装入导杆上。

再者也是为了让圆柱销卡在中间，一起到固定作用。

曲柄滑块机构的一端固定在锁舌体的导杆上，另一端与锁体壳相连接，但可以旋转。

接着设计锁体壳，根据所用弹簧的长度和锁舌的行程来确定锁体壳的长度尺寸，根据电磁铁的外形尺寸和行程挡铁的长度以来确定锁体壳的高度。

在锁体壳的适当位置设计电磁铁的安装螺钉孔和电磁铁的支撑板。

拉手设计，当锁舌体、滑块、曲柄滑块机构的滑块、圆柱销和弹簧装入锁体壳内后在伸出的导杆部分用一拉手通过一螺钉将二者连接起来。

电磁铁与锁体壳之间也用螺钉连接。

所有装在锁体壳内的零件安装完后用螺钉将锁体壳和锁体盖连接在一起。

锁的结构装配图如下图2-1所示:

图2-1锁的结构装配图

2.2电磁铁的选择

电磁铁分为吸盘式、拍合式、螺管式、转动式、E型等。

不同型式的电磁铁有不同的吸力特性，盘式吸力大，适用于起重电磁铁、电磁吸盘和电磁离合器；拍合式特性比较陡，广泛用于接触器和继电器；螺管式，吸力特性比较平坦，用于长行程牵引和和制动电磁铁；机床电器如接触器、中间继电器电器基本上都是E型。

因制动滑块质量不大故在此选用螺管式电磁铁。

2.3螺管式电磁铁的设计与校核

1．原始数据

电磁铁为直流电磁铁，工作制式为短期，根据产品技术条件已知电磁铁的工作参数如下：

额定工作电压

额定工作电压时的工作电流

2．测试数据

测试参数

吸力，

螺线管式电磁铁草图如下图2-2所示：

图2-2电磁铁草图

3．确定衔铁（即锁的行程挡铁）直径

电磁铁衔铁的工作行程比较小因此电磁吸力计算时只需考虑表面力的作用

已知时的吸合力则

电磁铁的结构因数

（2-1）

单位为cm

电磁铁的结构形式应为平面柱挡板中心管式

根据结构因数查参考资料，可得磁感应强度高斯

当线圈长度比衔铁行程大的多时,可以不考虑螺管力的作用,认为全部吸力都由表面力产生由吸力公式

（2-2）

式中磁感应强度（高斯），活动铁心直径（毫米）

可以求得衔铁直径为：

0.37cm=3.7mm，取

4．确定外壳内径

在螺管式电磁铁产品中它的内径与铁心直径之比值n约为,选取n=3，

（2-3）

式中外壳内径，单位为毫米。

5.确定线圈厚度

（2-4）

式中-----线圈厚度毫米

------线圈骨架及绝缘厚度毫米今取

，今取

6，确定线圈长度

线圈的高度与厚度比值为,则线圈高度

（2-5）

------线圈长度毫米

值根据参考资料选取经验数据为

则线圈高度，取

7.确定导线直径

导线直径

（2-6）

式中平均直径

IW-----线圈磁势（安匝）

式中------消耗在气隙中的磁势

和消耗在铁心中和非工作气隙中磁势的安匝数约为总磁势的，

即：

式中

由此可得线圈的磁势为

（安匝）（2-7）

式中单位为高斯，单位为厘米空气导磁系数亨/厘米

电磁铁在实际应用时电压可能降低至为了保证在电压降低后电磁铁仍然能够可靠地工作上式计算所得安匝数应该是指电压降低至时的磁势用表示：

安匝

显然，电源电压为额定值时的磁势为

安匝

电磁铁容许最高工作温度，由参考资料选取

电阻系数

查线规表，线规表如下表2-1所示：

表2-1漆包线线规表

其最邻近的直径为d=0.173毫米带绝缘后的直径

d=0.188毫米

8.确定线圈匝数W

（2-8）

式中j---容许电流密度），

（2-9）

9.确定电阻

线圈平均匝长（2-10）

（2-11）

（2-12）

式中---线圈外直径

---线圈内直径

线圈电阻

（2-13）

经过以上设计与校核知所设计的电磁铁所产生的吸力能满足工作要求，设计合理。

第三章锁的硬件电路部分设计

电路的设计是整个设计的实质部分。

将每一部分按照总体框图的要求设计好，才能保证整体电路的质量。

为我们下面的程序设计，打下坚实的基础。

单元电路的设计步骤分为以下三步：

第一步，根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。

注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使用电平转换电路。

第二步，选择设计单元电路的结构形式。

通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最佳。

在选择电路时充分考虑经下几个问题：

（1）电路的功能满足要求；

（2）电路的结构简单、成本低；

（3）电路的性能稳定、通用性强；

第三步，画出单元电路电路图。

3.1系统功能组成

系统组成原理框图如下图3-1所示：

图3-1系统总设计结构图

该系统的控制核心是8051单片机，主要选取原则是8051单片机结构简单、功耗的、价格便宜并且能满足使用要求。

他的工作原理是通过串口向指纹模块发送命令或接收相应的操作信息。

当用户输入的指纹比对成功后，8051将接收到指纹模块发来的身份确认消息，然后执行开锁动作，即可将锁打开。

本系统设计分为单片机控制模块、指纹采集模块、单片机控制模块、FlashMemory存储模块、键盘和执行开锁模块等五部分。

其中单片机控制部分是其核心组成部分。

3.2指纹采集模块电路设计

指纹采集采用富士通公司推出的一款先进的固态指纹传感器芯片MBF200。

3.2.1MBF200芯片介绍

（1）主要特点

MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特点，属于电容性传感器。

其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第二个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。

当手指触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。

●是采用标准COMS技术的电容性固态器件；

●具有500dpi的分辨率；

●传感器面积为1.28cm×1.50cm；

●传感器阵列为256×300点；

●具有自动指纹检测能力；

●内含8位模数转换器；

●可提供三种总线接口形式；

●带有8位微处理器总线接口；

●带有全速USB接口和SPI接口；

●可提供3.3V～5V的工作电压；

●5V工作电压下的功耗小于70MW。

MBF200的内部结构如下图3-2所示：

图3-2MBF200内部结构图

其中256×300点传感阵列用于产生感应电压；功能寄存器用于对芯片进行操作控制；控制电路用于传感器与外部接口电路的控制，主要负责数据的读出与写入；地址索引寄存器与数据寄存器分别用于对功能寄存器的地址选择及数据的读写；采样保持及AD转换电路用于对传感阵列所产生的电压进行采样。

另外，多频振荡电路用于为芯片提供时钟信号。

（2）.器件功能

①功能寄存器

MBF200是可编程的传感器芯片，它所具有的强大功能是通过内部寄存器设置完成的。

下表所列是这些功能寄存器的地址和功能。

在对这些寄存器进行操作时，先向地址寄存器内写入所要访问寄存器的地址，然后读写数据寄存器即可。

MBF200功能寄存器表如下表3-1所示：

表3-1MBF200功能寄存器表

地址

标识

功能

0X00

RAH

行地址高位

0X01

RAL

行地址低位

0X02

CAL

列地址低位

0X03

REH

行末地址高位

0X04

REL

行末地址低位

0X05

CEL

列末地址低位

0X06

DTR

放电时间寄存器

0X07

DCR

放电电流寄存器

0X08

CTR