基于双单片机的新型电子锁的制作方法

本实用新型涉及一种基于双单片机的新型电子锁，属于安全技术防范领域，尤其涉及多功能防盗电子锁技术领域。

背景技术：

近年来，交通拥堵问题和环境污染问题日益突出，作为绿色交通工具的自行车再度成为世界人民的“宠儿”，全世界自行车的使用量进一步加大。随着车辆的价值越来越高，山地车、电瓶车等车辆偷盗现象时有发生。现在市场上常见的锁有U型锁、折叠锁、电缆锁、螺旋锁，传统的机械锁由于构造简单、功能单一，安全性很低，使用不够方便；而现有的电子锁虽然克服了机械锁安全性能差的缺点，使用灵活性好，但是车主一旦离开将很难继续监控车辆安全。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种的基于GPS定位和GSM通信功能的指纹电子车锁控制系统，具有红外遥控、指纹识别开锁、防盗报警和GPS定位功能。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于双单片机的新型电子锁，包括电子锁，其特征是，所述电子锁包括单片机模块以及分别与所述单片机模块数据通信的传感器模块、开关模块、定位模块、通信模块和供电模块；

所述单片机模块采用双单片机结构，该结构用于提供足够的串口资源和便于进行系统功能扩充和升级；

所述开关模块包括液晶显示屏、红外遥控模块、指纹模块和继电器，并分别和单片机相连，红外遥控模块接收到红外光开锁信号后转换成电信号传递给单片机，单片机将电信号转换成液晶显示器的显示信号和指纹模块的启动信号，指纹模块接收指纹信号并将指纹信号转换成电信号回传给单片机，单片机接收回传信号转换成液晶显示器的显示信号和继电器的启动信号；

所述传感器模块采用三轴加速度传感器模块，在开关模块处于锁定状态时，三轴加速度传感器模块通过阈值感测和运动加速度测量进行监测车辆异常移动，并将异常移动转换成电信号传递给单片机，单片机触发报警模块发出报警信号，并启动GPS定位模块进行定位；

所述定位模块和通信模块分别采用GPS定位和GSM通信，GPS定位模块将定位信息通过单片机发送到GSM通信模块，并由GSM通信模块发送给设定电子设备；

所述供电模块用于给该电子锁提供电源。

进一步的，所述双单片机结构使用两个MSP430F169单片机级联进行设计，使用5V2A电源，通过系统板上的LM1117转换成3.3V，该设计使用第一单片机的2个UART0、1口，波特率分别为9600和115200；使用第二单片机的UART0口，波特率为19200，其中第一单片机的P1.1和P1.2口分别与第二单片机的P1.1和P1.2口连接，第一单片机的P1.2是系统的移动状态位输出端，第二单片机的P1.1是系统的开关锁状态位输出端。

进一步的，所述红外遥控模块接收到红外光开锁信号后转换成电信号并传给单片机，单片机给液晶显示屏发送“请录入指纹”信息显示，并启动指纹模块识别是否有匹配指纹录入；若指纹匹配成功，单片机给液晶显示屏发送“指纹匹配成功”信息显示，并启动继电器执行开锁；指纹匹配失败时，单片机给液晶显示屏发送“重新录入指纹”信息显示。

进一步的，所述传感器模块模块采用MEMS三轴加速度传感器模块ADXL345，该模块将三轴重力分量转化成电信号，并在传感器内部将电信号经过模数转换和数字滤波，最后以IIC总线的方式串行输出数字信号。

进一步的，还包括报警模块采用市面上常见的电磁式5V有源蜂鸣器，蜂鸣器通过向对应的控制口写入“0”或者“1”，实现PNP三极管8050的导通与断开，从而完成对蜂鸣器的控制。

进一步的，所述GPS模块和GSM模块分别采用M-9339GPS芯片和SIM900A芯片。

进一步的，所述LCD显示模块采用12864液晶屏。

本实用新型所达到的有益效果：

本实用新型是基于GPS模块、SIM900A模块、电容指纹传感器、MEMS加速度传感器和双MSP430F169单片机设计的新型电子锁系统。系统可以通过指纹识别开锁；通过加速度传感器检测空间三轴上的重力加速度分量是否变化判断车辆等是否被异常移动，发生异常移动时进行报警，同时通过SIM900A通信模块将GPS定位信息发送至绑定手机上；开锁信息及定位信息由LCD显示。该新型电子锁功能全面，适用范围广，具有较强的实用意义。

附图说明

图1是系统结构框图；

图2是双单片机电路；

图3是红外遥控电路；

图4是指纹识别电路；

图5是ADXL345电路；

图6是报警电路；

图7是GPS电路；

图8是GSM电路；

图9是稳压电路；

图10是LCD显示电路；

图11是主程序流程图；

图12是中断流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种基于双MSP430单片机的新型电子锁，包括电子锁，其特征是，所述电子锁包括双单片机电路，红外遥控模块，指纹识别模块，MEMS传感器模块，GPS模块，GSM模块，LCD显示电路，报警模块，供电模块。

所述开关模块包括液晶显示屏、红外遥控模块、指纹模块和继电器，并分别和单片机相连，红外遥控模块接收到红外光开锁信号后转换成电信号传递给单片机，单片机给液晶显示屏发送“录入指纹指令”显示信息，并发出启动信息启动指纹模块识别是否有匹配指纹录入；若指纹匹配成功，单片机给液晶显示屏发送“指纹匹配成功”显示信息，并启动继电器执行开锁；指纹匹配失败时，单片机给液晶显示屏发送“重新录入指纹”信息显示。

所述传感器模块采用三轴加速度传感器模块，在开关模块处于锁定状态时，三轴加速度传感器模块通过阈值感测和运动加速度测量进行监测车辆异常移动，并将信号传递给单片机，由单片机触发报警模块发出报警信号，并启动GPS定位模块进行定位；

所述定位模块和通信模块分别采用GPS定位和GSM通信，GPS定位模块将定位信息通过单片机发送到GSM通信模块，并由GSM通信模块发送给设定手机上；

本实施例中，所述双MSP430单片机结构使用两个MSP430F169单片机级联进行设计，使用5V2A电源，通过系统板上的LM1117转换成3.3V，该设计使用单片机1的2个UART0、1口，波特率分别为9600和115200；使用单片机2的UART0口，波特率为19200。

本实施例中，所述传感器模块模块采用MEMS三轴加速度传感器模块ADXL345，该模块将三轴重力分量转化成电信号，并在传感器内部将电信号经过模数转换和数字滤波，最后以IIC总线的方式串行输出数字信号。

本实施例中，还包括报警模块采用市面上常见的电磁式5V有源蜂鸣器，蜂鸣器通过向对应的控制口写入“0”或者“1”，实现PNP三极管8050的导通与断开，从而完成对蜂鸣器的控制。

本实施例中，所述GPS模块和GSM模块分别采用M-9339GPS芯片和SIM900A芯片。

本实施例中，所述LCD显示模块采用12864液晶屏。

1.1双单片机电路设计

双单片机电路如图2所示。系统采用TI公司生产的16位超低功耗微控制器MSP430F169为主控芯片。该芯片采用“冯诺依曼”结构,RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内,最大寻址地址为62KB(60KBFlash,2KBRAM)，最大时钟频率为8MHz。该系统使用两个MSP430F169单片机级联进行设计，使用5V2A的USB供电，通过系统板上的LM1117转换成3.3V，该设计使用第一单片机的2个UART0、1口，波特率分别为9600和115200；使用第二单片机单片机的UART0口，波特率为19200。采用双主控芯片的优点在于模块化，便于更换维修和部分升级。

表1单片机并行通信

双单片机结构通过第一单片机的P1.1和P1.2口分别与第二单片机的P1.1和P1.2口连接，双单片机结构并行通信方式见表1。第一单片机的P1.2是系统的移动状态位输出端，第二单片机的P1.1是系统的开关锁状态位输出端。当指纹识别成功时系统进入开锁状态，则第二单片机的P1.1置1并传输给第一单片机的P1.1，第一单片机不执行异常移动检测；系统在未开锁状态下，当第一单片机检测到三轴加速度传感器的x、y、z三个方向上的移动量超过阈值时，则第一单片机的P1.2置1并传输给第二单片机的P1.2，第一单片机启动报警并进入GPS定位和GSM等时间间隔通信状态，第二单片机保持锁定状态直到接收红外遥控信号后才能重新进入指纹识别状态。

1.2红外遥控模块

红外遥控电路如图3所示，模块INT1脚与第二单片机的P1.0连接。红外接收头HS0038的载波频率为38kHz，集红外接收和放大于一体，其优点在于无需任何外接元件就可以进行放大、检波、整形并输出与TTL电平兼容的信号。这种接收头内外两层自动屏蔽环境的干扰，可以完成较远距离传输，抗干扰的能力较强。

采用的遥控器电路是通用红外遥控发射CMOS集成电路。该电路通过二极管与上拉电阻控制，与内部ROM组合产生可以产生65536种用户码。电路的振荡频率由外接晶振控制在455kHz。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数取12，这样455/12≈38kHz就可以匹配HS0038的载波频率。

遥控器可以组成64个不同的键值，引起数据码D0-D7数据码变化，即每一个按键会有一个固定的数据码。在识别按键时也是根据接收到的数据码的不同而进行识别的。输出编码是由引导码、数据码、用户码、用户反码组成。输出编码采用PPM调制方式，不同的按键按下时，数据码会发生变化。

1.3指纹识别模块

指纹模块通过串行通讯接口，占用第二单片机的一个UART口，即指纹模块的TXD连接P3.5,RXD连接P3.4,可直接与3.3V或者5V电源的单片机进行通讯。型号采用市场上成熟的指纹模块FPM22，该模块由高性能DSP处理器和FLASH等存储芯片构成，对指纹具有图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等多种功能。指纹模块使用频率为120MHZ的DSP全速工作，经过严格的测试，其认假率(FAR)<0.001％，拒真率(CFRR)<0.1％。在FPC上接插座引出了5个引脚，其中有一个脚悬空，TXD作为串口的发送端接上位机的数据接收端(RXD)，RXD作为串口的接收端接上位机的数据发送端(TXD)，供电使用3.6V-5.5V的电压。指纹识别电路如图4所示。

当在遥控器上按下用户码'46'按键时，开始执行添加指纹命令，显示器上显示“添加指纹”；然后按下'16'按键，显示标识'1'；接着按下'18'，显示“开始识别”，手指放在指纹模块上，开始采集指纹，然后在显示器上显示“获取图像成功”、“转特征码成功”和“指纹添加成功”。继续添加指纹时，按下'16'按键，显示标识可自动加1为“2”，重复操作可添加多个指纹。指纹开锁时，按下'47'按键，开始执行指纹搜索命令，显示“搜索指纹”，然后将手指放在指纹屏上，成功获取指纹后，显示“搜索成功”，电子锁自动开锁。

1.4MEMS传感器模块

ADXL345是ADI公司生产的一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g，数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。它的低功耗模式支持基于运动的智能电源管理，可以以极低的功耗进行阈值感测和运动加速度测量，所以ADXL345非常适合移动设备应用。集成式存储器管理系统内部具有一个32级先进先出(FIFO)缓冲器，在该模式下，X,Y,Z三轴的测量数据均存储在FIFO中，可将主处理器的负荷降至最低，并降低整体系统功耗(在工作模式下电流为23μA，在待机模式下功耗仅为0.1μA)。

选择±16g量程，13位分辨率，故传感器的三轴灵敏度理论值为256LSB/g。系统主控芯片通过IIC总线协议与ADXL345串行通信，在未开锁状态下，移动状态位变为高电平，则通过三极管进行驱动蜂鸣器报警。ADXL345电路如图5所示，模块1、3脚分别与单片机1的P4.2、P4.3连接。

1.5报警模块

报警模块采用电磁式5V有源蜂鸣器，通过第一单片机向对应的控制口P44写入“0”或者“1”，实现PNP三极管8050的导通与断开，从而完成对蜂鸣器的控制。报警模块电路如图6所示，P44接入第一单片机的P4.4口。

1.6GPS模块

GPS芯片为M-9339，是一种根据低耗电GPS解决方案设计的超小型GPS引擎模块。它支持SBAS/QZSS，有66个搜寻频道和22个独立追踪频道，对于导航应用提供-165dBm的绝佳灵敏度和快速的第一次定位时间，并通过与单片机相连发送定位信息至单片机。通过实际测试，该模块对于陌生区域能在半分钟之内完成定位，同一地点第二次定位只需要5秒钟的时间。GPS电路如图7所示,R_GPS和T_GPS分别连接第一单片机的P3.4和P3.5。

1.7GSM模块

考虑到当车子被盗后，能准确获知车子的位置信息，采用GSM通信模块以等时间间隔发送方式，将GPS的定位信息发送到车主手机中。GSM模块采用SIM900A芯片，可以低功耗实现收发短信，与计算机之间通过AT指令进行数据通信，需要设置发送短消息模式为Text格式。

SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，为全球市场而设计，工作的频段为：EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS，编码格式CS-1,CS-2,CS-3and CS-4。由于尺寸只有24mm x 24mm x 3mm，所以SIM900A几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。GSM电路如图8所示。

SIM900A的工作电压为3.1-4.6V，在发送短信的那一瞬间，电流会达到2A，为了稳压采用LD29300P2M稳压芯片，其输出电压为3.84V。稳压电路如图9所示,RXD和TXD分别连接第一单片机的P3.7和P3.6。

1.8LCD显示模块

LCD电路如图10所示，采用并口与第二单片机相连，其中RS、RW、EC分别为寄存器选择、读写信号、使能信号，为与其他模块共用的管脚，分别与单片机P55、P56、P57相连接。AD0～AD7为并行数据信号线，分别与P40-P47相连接，PSB和/RST分别为并/串选择和液晶复位管脚，分别与P50和P51相连。12864液晶屏是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有着显示零辐射、低功耗、不发热、画面稳定、屏幕调节方便等优点，内含KS0108B/HD61202控制器，通过内部的128×64位映射DDRAM，完成128点、64点的显示，内置有国标一级、二级简体中文字库。LCD显示模块用来显示指纹设置、指纹识别和位置等信息。

软件设计

主程序流程如图11所示，系统首先初始化时钟，选择8MHz晶振作为主时钟源。然后对MEMS三轴加速度传感器ADXL345等作寄存器配置。然后依次判断是否开锁，是否震动，指纹是否正确并做出相应的反应。

中断流程如图12所示。

当按键1被按下时，系统进入1号中断。按键1中断的作用是添加指纹。

首先读取指纹，识别指纹特征,采集指纹图像存放于ImageBuffer，然后将ImageBuffer中的原始指纹图像生成特征文件存放于CharBuffer1或者CharBuffer2。返回确认码，录入成功显示在LCD上。

按键2被按下时，会触发2号中断服务程序，按键2中断的作用是搜索指纹。

以CharBufferl或CharBuffer2中的特征文件搜索整个或部分指纹库当确认码等于00H时，表示搜索到指纹模板；等于09H时，表示没有搜索到对应的指纹模板，若搜索到，则返回主程序。

按键3的中断服务程序作用是方便用户录入手机号，按键按下后，可以通过红外遥控器输入手机号，确认后清中断标志并返回主程序。

3实验结果

为检测定位的精度效果，选取南京信息工程大学校园里5处室外进行测试，分别是体育馆1号口(A)、涂长望雕像(B)、大活中心1号门(C)、范仲淹雕像(D)图书馆1号门(E)，并与谷歌地图的显示信息进行对比，测量值为该系统接收到的定位短信信息，其格式为“N:0XX.XXXXXX E:XXX.XXXXXX”。为了处理数据方便，转化成度分秒格式的实用数据记录如表2所示。

表2实验数据

经查找资料可知，在经线上维度差1^o，实际距离相差约111km，则相差1″的距离大概为111km/3600≈30.8m，；在纬线上经度差1o，实际距离相差111·cosb km(b为当前纬度值)，则相差1″的距离大概为111km·cos b/3600≈30.8cos b m。b在南京地区可以近似取32°12′，由此算出相差1″的距离26m。

由表可知，实际经度a与测量经度a′测量距离为30.8·|a-a′|m，纬线上的测量距离为30.8·|b-b′|cos bm，则总体测量距离为：

经计算，所有测试结果精度可以保持在10m之内，满足实用要求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。