指纹识别智能锁系统设计方案

指纹识别智能锁系统设计方案

2.1 总体设计

本系统使用嵌入式技术，基于STM32单片机并结合各类传感器设计一款指纹识别智能锁系统。本系统使用模块化的设计思想，整体系统可以分为如下5个模块：分别是电源模块，STM32核心控制器模块，指纹识别传感器模块，GSM数据通信模块，舵机。各个模块在核心控制芯片STM32的管理下，协调统一完成指纹识别智能锁系统的全部功能。系统的总体设计框图如下图1所示，核心控制芯片STM32通过串口连接指纹识别模块与GSM通信模块，蜂鸣器的输出连接到STM32的内部IO口上，可以通过改变IO口的输出来实现蜂鸣器的功能，电源模块为整个系统供电，下载电路通过SWD的方式将编写好的程序烧写到芯片中。

图2.1 系统总体结构框图

系统各部分功能如下：

（1）电源模块：电源模块为整个系统进行供电，在整个系统中，分别有5V（指纹传感器模块，GSMM通信模块），3.3V（STM32核心控制器模块）的电源需求，为了满足指纹识别智能锁系统，本系统采用外部电源对整个系统供电，通过LM2596S-ADI降压芯片将12V外部电源降压成为5V电源，以满足系统对5V电源的需求，再通过AMS1117-3.3降压芯片将12V外部电源转化成为3.3V电源，为需求3.3V电源的模块供电。

（2）STM32核心控制芯片模块：该模块连接各个传感器块，对各模块进行控制以实现预计功能。本设计使用STM32F103ZET6作为核心控制芯片，该单片机的工作晶振频率为8MHz，此部分电路包括一个启动方式选择电路和一个由电容和电阻构成的复位电路。

（3）指纹识别传感器模块：该模块由电容式指纹传感器与DSP运算芯片组成，可以实现对指纹图像的对比，存储等系统功能。

（4）GSM数据通信模块：该模块用于构建通信网络，实现下位机与上位机之间的通信。

（5）舵机：该模块实现了系统对滑块的控制，使得隐藏的锁芯得以实现。

2.2 方案论证

本方案论证主要讨论在本设计中，关键性器件的型号的选用，并将选择芯片与其他同类芯片进行比较。

在本设计中，关键器件有核心控制器芯片、电源芯片以及指纹识别传感器。

2.2.1 主控芯片选择

核心控制芯片我们有两种选择，一是AT89C51核心控制芯片，二是STM32芯片，虽然AT89C51芯片我们曾经学习过，但是考虑到该芯片速度太低，该芯片的晶振速度只有12MHz，IO口资源过于少，4组共计32个IO口，串口资源过于单一，还需要设计外部ADC转换电路，中断源只有5个，而STM32芯片是ST公司为了满足，高性能，低成本，低功耗的嵌入式系统要求而专门设计的基于ARMCortex-M3内核的32位单片机芯片，有F101/F102/F103等系列。其中F103系列的最高工作频率为72MHz，是同系列中速度最高的。SM32F103ZET6片上集成512KB的FLASH存储器，可以满足视频传感器的缓存要求。48KB的SRAM存储器，支持JTAG调试模式和SWD调试模式：片上有4组串口，81个IO口，完全满足本设计的需求。故在本设计中，我们使用STM32F103ZET6芯片作为核心控制芯片。

2.2.2电源芯片的选择

电源，是整个系统的能量来源，在电路板设计过程中，电源的稳定性一定是所有设计者优先考虑的一件事情，在电子线路板设计中，电源的设计一定是重中之重，如果要设计一个稳定的电源系统，必须要一个或者多个性能稳定优良的电源芯片作为保证。

本系统有5V供电和3.3V供电的电源需求，所以需要DCDC电源芯片将9V 外接电源分别转换成为5V与3.3V电源，整个系统的电源设计将在本模块中为大家详细介绍。

在工程应用中，常见的DCDC电源芯片有以下几种LM7805，LM2596S-ADI，AMS1117-3.3，BL8092,我们将分别介绍各个芯片的优缺点，并指明在本设计中使用的电源芯片及选取理由。

LM7805和LM2596S-ADI芯片都是将外部电源电压转换成为5V电源电压的DCDC电源芯片，三端集成稳压电路LM7805可输出+5V、0.5A的稳定电源电压，LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。由于本系统中5V电源电压需要驱动步进电机，故LM7805输出的0.5A驱动电流不能产生足够的驱动力，故在本系统设计中我们采用LM2596S-ADI，这款芯片为固定输出电压为5V的DCDC芯片，并且驱动电流可高达3A，完全可以满足本系统的设计需求。

AMS1117-3.3和BL8092芯片都是将外部电源电压转换成为3.3V电源电压的DCDC芯片，BL8092是高效率电流同步模式，18V / 2.5A降压转换器。其输入电压范围为3.5V至18V，并提供可调稳压输出电压0.923V至15V，同时输出高达2A的输出电流。AMS1117系列可调和固定稳压器设计用于提供800mA输出电流和1V输入到输出差分。器件的压差电压在最大输出电流下保证最大为1.3V，在较低的负载电流下降低。片上微调将参考电压调整为1％。电流限制也被修剪，最小化稳压器和电源电路的过载条件下的应力。 AMS1117器件与其他三端SCSI调节器引脚兼容，并采用薄型表面安装SOT-223封装和TO-252（DPAK）塑料封装。由于本系统设计中，3.3V电源主要为核心处理器供电，故无需特别大的驱动电流，AMS1117芯片由于外部电路简单，输出电压电流稳定性高，且成本较低，故在本系统设计中，我们采用AMS117-3.3作为12V外部电源转3.3V电源的驱动芯片。

2.2.3指纹传感器的选择

指纹传感器作为本设计的核心传感器部分，对于系统的性能有着至关重要的决定作用,市面上常见的传感器有两种,光学指纹传感器和半导体式指纹传感器,在本设计中,采用半导体式指纹传感器,并在下文中详细介绍两种传感器的优缺点.

光学指纹传感器是历史最久远,使用最广泛的一种传感器技术，其原理也很简单：利用内置光源对放在识别区的手指进行照射，当光线照射在手指表面凹凸不平的线纹上时,由于纹路具有任意性,决定了反射光线的明暗度产生差异，这样觉可以采集到指纹的图片，从而进行指纹识别。

半导体试指纹传感器是最近新开发出来的指纹识别技术，现在市面上有的只能手机中使用的指纹识别均使用这种指纹传感器，无论是电感式还是电容式，当手指放到由万千半导体集成的“平面”上时，由于手指表面凹凸不平，手指哥哥