带指纹识别的汽车防盗控制单元.docx

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带指纹识别的汽车防盗控制单元

带指纹识别的汽车防盗控制单元

电子信息工程专业包栋伟

指　导　教　师王俊华

摘要：

带指纹识别系统的汽车防盗控制单元包括：

汽车钥匙、钥匙座、指纹采集识别系统、防盗电脑板、发动机控制单元。

汽车钥匙上带有脉冲转发器，汽车点火钥匙座上安装有识读线圈，防盗电脑板上设有与汽车点火钥匙座、发动机控制单元及识别控制模块相连接的接口。

由于防盗电脑板上连接有指纹识别模块，因此只有代码信息与指纹均验证正确时才能使发动机正常工作，实现汽车的双重防盗功能。

关键词：

指纹采集识别系统，防盗电脑板，发动机控制单元，汽车钥匙

1引言

汽车是目前人类主要的交通工具，也是现代文明的标志。

全世界每年汽车销售量达500多万辆，保有量己超过4亿辆。

在我国，随着国民经济的发展，越来越多的汽车投入了使用。

汽车的普及为人们的工作、生活增添了许多便利。

但是现有的城市停车环境还无法有效地保障汽车停放安全，车辆的频繁失窃己经成为车主们新的忧虑。

据统计，深圳市每年有上千辆汽车失窃，而美国汽车失窃速率为0.36辆/秒。

在用的汽车越来越多，而被盗的汽车也越来多，汽车防盗己经成为一个待解决的重要的社会问题[1]。

目前，防盗技术己经与安全、环保、节能一起被列为汽车技术发展的四大课题。

因此，汽车防盗装置作为汽车的重要配套装置应运而生，并得到快速发展。

现有的汽车配备的防盗系统虽然能起到一定的防盗作用，但是在汽车钥匙被盗的情况下，盗得钥匙的人依然能够启动汽车将汽车盗走。

在汽车逐渐进入千家万户的今天，迫切需要解决上述问题。

然而，目前却没有能有效解决该问题的汽车防盗系统出现。

针对上述问题，本文设计一种具有指纹检查程序的汽车防盗控制单元。

2带指纹识别的防盗控制单元的技术方案

防盗控制单元的技术解决方案为：

一种带指纹识别系统的汽车防盗控制单元，包括汽车钥匙，汽车钥匙上带有脉冲转发器；安装有识读线圈的汽车点火钥匙座；发动机控制单元，发动机控制单元可控制汽车发动机的运行；指纹采集识别系统；防盗电脑板，防盗电脑板上设有接口与汽车点火钥匙座、发动机控制单元及指纹识别系统相连接、防盗电脑板会把电磁感应能量经所述识读线圈发送给脉冲转发器，脉冲转发器得到感应的能量后将自身所携带的代码信息经识读线圈发送到防盗电脑板。

指纹采集识别系统包括采集头和指纹识别控制模块，采集头完成光学采集后经指纹识别控制模块转变为电信号。

模块接口有RS232接口或RS485接口或USB接口。

采用上述技术方案后，由于本系统的防盗电脑板上除连接有带识读线圈的钥匙座及发动机控制单元外还连接有指纹采集识别控制模块，因此只有当汽车钥匙的脉冲转发器上所携带的代码信息与预先存储在防盗电脑板上的已编程代码一致，而且指纹采集识别控制模块采集到的指纹正确时，发动机控制单元才会控制发动机正常工作。

在汽车钥匙被盗的情况下，由于指纹识别模块采集到的指纹不正确而使发动机单元无法正常工作，汽车无法发动而免于被盗。

3带指纹识别的防盗控制单元的结构

图1防盗控制单元的结构示意图

如图1所示，这是一种带指纹识别系统的汽车防盗控制单元，包括指纹采集识别系统采集头1和指纹识别控制模块2、汽车钥匙6、汽车点火钥匙座7、防盗电脑板3及发动机控制单元4，其中采集头1和控制模块2可分设置或设为一体，该指纹采集识别系统采用的是用杭州兴华电子公司生产的DFZ-2002S型，采集头1完成指纹采集后经指纹识别控制模块2转变为电信号，汽车钥匙6上带有脉冲转发器5，汽车点火钥匙座7上安装有识读线圈，防盗电脑板3上设有可与汽车点火钥匙座7相连接的接口、与指纹识别系统相连接的接口及与发动机控制单元4相连接的接口，发动机控制单元4上设有与防盗电脑板3相连接的接头，上述接口可分为RS232、RS285、UAR2T、CAN、SPI、USB等串行或并行接口，发动机控制单元4可控制汽车发动机的运行；防盗电脑板3分别通过上述接口连接到指纹识别控制模块2、汽车点火钥匙座7及发动机控制单元4.

4带指纹识别的防盗控制单元的设计

4.1指纹采集系统（DFZ-2002S）

指纹是指手指末端正面皮肤上凹凸不平产生的纹路。

尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但是，它蕴涵大量的信息。

这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将他们称作“特征”，依靠特征的唯一性，就可以把用户同他的指纹对应起来，通过比较输入的指纹特征和预先保存的合法指纹特征，就可以验证用户的真实身份[2]。

目前指纹图像的获取主要有光学、硅晶体传感器和超声波3种方式[3]。

光学取像设备依据的是光的全反射原理（FTIR）。

光线照到压有指纹的玻璃表面产生反射,反射光线CCD（电荷耦合器件）去获得,反射光的强弱依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂。

反射光线的强弱分布也就反映了指纹的形状。

指纹识别算法是在指纹图像上找到并比对指纹的特征。

科学家定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证:

总体特征和局部特征。

指纹识别过程主要包括指纹采样,指纹图预处理,二值化处理,细化,纹路提取,细节特征提取,指纹匹配（即指纹库的查对）。

DFZ-2002S是由杭州兴华电子公司生产的一款高分辨率光学集成指纹传感器。

图2DFZ-2002S模块图

图2中CMOS传感器实现将指纹图像转换成电信号的功能;模块内集成了频率为66MHz的32位高速DSP处理器,利用其强大的数字运算功能,完成指纹图像的预处理、特征提取匹配等指纹识别的全部功能;内置的SRAM和FLASH存储器,可以储存150枚指纹,满足人存储需求;提供TTL电平的RS232通讯端口,可以方便的和单片机系统连接;内置自动增益控制功能（AGD）,可以自动调节背景光线,保证输出最佳的指纹图像[4]。

这种指纹传感器价格低,质量高,PCB板直接固定在传感器背面,节省了空间,小巧的体积可以方便放在汽车、鼠标、键盘等各种指纹认证产品中使用。

4.2防盗电脑板

本课题采用AT89C51单片机作为防盗电脑板主要芯片来控制电路。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51具有以下功能特性：

4K字节Flash闪烁存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

4.3系统组成

控制器采用了价格低廉的AT89C51单片机。

AT89C51虽然价格低,但性能完全能满足系统的要求。

单片机主要完成与DFZ-2002S的通信,实现DFZ-2002S与使用者的人机交换功能和对汽车发动机的控制。

按键（一共有4个,分别指示系统完成对指纹的存储、识别、删除以及所有已存储指纹的查询）输入的信息到AT89C51[5],通过AT89C51对DFZ-2002S发送控制命令,指示DFZ-2002S完成对指纹的存储、识别、删除、查询等功能,再根据识别的结果对汽车发动机进行控制。

另外利用DFZ-2002S传感器中的RS232通讯端口,还可以实现与PC机的通讯,通过计算机软件对指纹模块进行控制,上传下载相关的指纹数据等等。

防盗电脑板的控制则是利用AT89C51单片机来实现，再通过驱动电路通过电路继电器控制汽车发动机。

系统结构[6]如图3所示。

图3硬件结构图

下面分别介绍系统各部分电路的基本构成及设计思路[7]。

系统的电路如图4。

图4系统的电路图

（1）电源部分:

电源部分由12V汽车蓄电池通过7805稳压到5V后给AT89C51单片机供电,在系统调试阶段还可以通过USB接口直接取5V电源。

指纹模块的工作电压是3.3V的,所以从5V电源处再加了一个1117稳压芯片,给DFZ-2002S提供稳定的工作电压。

（2）单片机部分:

单片机的晶振选用了22.1184MHz的晶振,主要是为了提供准确的波特率。

指纹模块DFZ-2002S的通讯协议中波特率为9600bps,利用AT89C51的定时器来实现串行通信时,只要合理选择定时时间,就可以得到没有误差的波特率。

晶振部分的电容一般选用30P左右的瓷片电容。

（3）按键部分:

为了提高单片机的运行效率,单片机对按键的处理采用中断方式[8]。

按键产生的信号同时送入74LS21四输入与门的输入端和单片机的输入口,当有按键按下时,与门输出的低电平送到AT89C51的外部中断口产生中断,然后单片机在中断扫描程序中判断出相应的按键,再进入相应的处理程序。

（4）DFZ-2002S指纹传感器部分:

DFZ-2002S与单片机以及上位的PC机的通讯通过其内置的RS232串口完成。

DFZ-2002S接到按键通过单片机或者从上位的PC机直接发来的操作指令后,完成对指纹的读取、保存、识别、匹配及删除,并将操作结果保存,便于单片机或者PC机读取。

（5）RS232接口部分:

由于指纹模块的232接口是TTL电平的,所以可以和单片机直接通讯[9]。

但计算机的232接口是CMOS逻辑电平,为了实现与计算机的通讯,加上了电平转换电路电平转换电路选用了MAX232芯片,MAX232是德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

MAX232芯片起电平转换的功能,使传感器的TTL电平与PC的RS232电平达到匹配。

再通过九针的串口接头,实现计算机的串口进行通讯。

（6）继电器组部分:

单片机通过继电器组控制发动机的开关。

4.4发动机控制

发动机控制电路是用ULN2003A达林顿管来连接AT89C51单片机和实现对汽车发动机的控制。

图5ULN2003A功能框图

如图5，ULN2003A是高耐压、大电流、内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。

ULN2003A的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003A工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003A的封装采用DIP—16或SOP—16，ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。

ULN2003A的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器（SSR）等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

ULN2003A可以驱动7个继电器,具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载[10]。

每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。

ULN2003A中每对达林顿管的基极都串联有一个2.7kΩ的电阻，可直接与TTL或5VCMOS器件连接

ULN2003A可以并联使用，在相应的OC输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡。

ULN2003A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。

在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌入ULN2003A的。

继电器的内阻很小，须用OC门驱动，驱动电路如图6所示，发动机控制电路如图7所示。

图6驱动电路

图7发动机控制电路图

4.5汽车钥匙

4.5.1转发器式防盗钥匙

脉冲转发器安装在车钥匙中,它是一种不需要电池来驱动的感应和发射元件。

当车钥匙插入锁孔并打开点火开关时,防盗电脑板把能量输送给识读线圈。

由识读线圈把能量用感应的方式传送给脉冲转发器[11]。

这时,脉冲转发器接收感应能量后立即发射出“程控代码”,识读线圈环绕在机械点火开关锁的外面,在点火开关置于ON时,把能量传送给车钥匙中的脉冲转发器,并把脉冲转发器中存贮的程控代码输送给防盗电脑板。

通过识读线圈把程控代码输送给防盗电脑板,供其核对,以识别合法性。

每一辆车的车钥匙,即脉冲转发器都有不同的“程控代码”。

4.5.2电阻式点火钥匙

这种钥匙内置了特殊的电阻片,而在点火锁芯上加有弹簧的接触片。

当钥匙插入并转动点火开关时,两者产生实体接触,点火锁芯上的触点能够读出钥匙芯片的电阻值,并与预先设定在防盗控制模块内的电阻值比较,只有两个电阻值相吻合,才能启动发动机。

但是这种固定的电阻值是有限的,所以它的安全性能较差。

4.6汽车防盗器的识别码与密码

4.6.1汽车防盗器的识别码

防盗器有一个14位字符的识别码和一个4位数的密码。

一辆新车,它的密码在该车的钥匙牌上,上面用黑胶纸封住。

4.6.2汽车防盗器的密码

新车的密码被隐含在车钥匙牌上,剥去牌上的黑胶纸后可显示4位数密码。

密码是用来解密和重新配置车钥匙的。

如果钥匙牌丢失或遗忘了密码。

必须先使用仪器获得14位字符的识别码,再通过相关服务热线查询密码。

匹配汽车钥匙,不管是重配还是增配钥匙都必须这样处理[12]。

如果车主丢失了一把合法的钥匙,为了安全防盗,必须把其余钥匙都用仪器重新进行一次匹配程。

这样可以使丢失的钥匙变为非法钥匙（尽管形状、材料不变）,不能启动发动机而起到防盗作用。

5防盗控制单元的程序控制流程

图8程序控制流程图

如图8程序控制流程图所示，当将汽车钥匙插入汽车点火钥匙座把点火开关闭合时，防盗电脑板把电磁感应能量经识读线圈发送脉冲转发器，脉冲转发器得到感应的能量开始工作，将自身所携带的代码信息经识读线圈发送到防盗电脑板，与预先存储在防盗电脑板上的已编程代码进行比较，如果代码不一致，则防盗电脑板发送指令使发动机控制单元关闭汽车启动系统；如果上述代码一致，则指纹识别控制模块检查采集头采集到的指纹；如果指纹正确，则执行发动机控制单元其余的程序使发动机单元正常工作，如果指纹不正确，发动机控制单元关闭汽车启动系统。

6结束语

该系统由于选用了集成一体化的DFZ-2002S指纹传感器,完成对指纹的读取和识别,从而实现一种带有指纹识别的具有双重防盗的汽车防盗控制单元。

控制器AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术,所以整个系统结构简单、性能稳定、造价也便宜。

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TheAutotheft-proofcontrolbasewithfingerprint-identification

Abstract:

Cartheft-proofcontrollingunitwithfingerprint-identificationsystemincludes:

Auto-key,KeyBlock,CollectionandIdentificationoffingerprintsystem,theft-proofboardandenginecontrollingunit.Thereisapulsetransmittinginthekey,readablecoilinstalledontheignitionkeyboard,enginecontrolunitandidentificationcontrolmodelonanti-theftcomputertransmitselectromagneticinductionenergytothetransponder.Theanti-theftcomputerboardisalsolinkedwithfingerprintidentificationmodel.Soonlywhencodeinformationandfingerprintarecheckedtobecorrectcantheenginestartworking,fulfillingthefunctionofdoubleguardagainstcartheft.

Keywords:

Fingerprintidentificationsystem,Theft-proofboard,Enginecontrolunit,Auto-key