汽車(chē)智能轉(zhuǎn)向柱防盜鎖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)水平的提高，城市里的私家轎車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)迅速，然而汽車(chē)被盜事件也是時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年大約會(huì)發(fā)生超過(guò)二十萬(wàn)起的汽車(chē)被盜案件，平均每天將近600輛汽車(chē)被盜

。汽車(chē)被盜給個(gè)人與集體造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此汽車(chē)安全防護(hù)問(wèn)題已成為當(dāng)前汽車(chē)工業(yè)發(fā)展中較為重視的問(wèn)題。目前，汽車(chē)防盜裝置有很多種，大體分為機(jī)械式防盜裝置、電子式防盜裝置、芯片式防盜裝置、網(wǎng)絡(luò)式防盜裝置等四種類(lèi)型。本項(xiàng)目是利用51型單片機(jī)、LCD12864顯示屏、指紋識(shí)別模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱智能鎖的手按密碼開(kāi)鎖、WiFi遠(yuǎn)程控制和指紋解鎖三大功能。尤其是指紋識(shí)別技術(shù)具有穩(wěn)定性高、獨(dú)特、不易變化、不易丟失等特點(diǎn)，已得到普遍采用。

1 系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)

本汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱智能鎖止控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)STC89C52作為控制核心以及手機(jī)客戶(hù)端移動(dòng)通信WiFi連接物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，通過(guò)ID指紋識(shí)別或矩陣鍵盤(pán)密碼識(shí)別、手機(jī)WiFi遠(yuǎn)程信號(hào)控制三選一模式，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)方向盤(pán)鎖的解鎖控制以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電子防盜的目的。

本系統(tǒng)操作具體流程是：首先根據(jù)液晶顯示屏的提示設(shè)置6位數(shù)密碼和指紋密碼錄入。當(dāng)在AS608指紋識(shí)別模塊錄入的指紋正確或在矩陣鍵盤(pán)上的密碼正確，則可通過(guò)單片機(jī)控制12V直流電動(dòng)機(jī)的順時(shí)針、逆時(shí)針通電時(shí)間控制，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱鎖定裝置進(jìn)行解鎖和鎖止控制。如果所輸ID密碼錯(cuò)誤或指紋識(shí)別錯(cuò)誤，則無(wú)法打開(kāi)機(jī)械鎖止裝置。為防止意外發(fā)生，本鎖盤(pán)上設(shè)有應(yīng)急機(jī)械鎖孔，可用鑰匙鎖定和解鎖方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱鎖定裝置?？刂葡到y(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱鎖定裝置機(jī)械部分結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)STC89C52系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C52是由STC公司生產(chǎn)的一款微控制器，內(nèi)部包含8K 系統(tǒng)可編程Flash，具有功耗低、性能高的特點(diǎn)。STC89C52采用的是MCS-51內(nèi)核，它的具體功能如下：擁有8K字節(jié)的Flash應(yīng)用程序存儲(chǔ)，集成512字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，32個(gè)通用輸入輸出端口，內(nèi)部設(shè)置4KB EEPROM存儲(chǔ)空間，可直接使用串口下載，MAX810復(fù)位電路，看門(mén)狗定時(shí)器，共有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。STC89C52有掉電保護(hù)功能，當(dāng)在掉電的情況下，單片機(jī)工作停止，RAM中的數(shù)據(jù)被自動(dòng)保存，振蕩器被鎖止，直到硬件復(fù)位后恢復(fù)。在節(jié)電模式下，單片機(jī)可處于0HZ的靜態(tài)邏輯下操作?？臻e模式，在CPU不工作的情況下，RAM、串口、中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等仍然可以繼續(xù)保持工作。STC89C52的最高運(yùn)行頻率可達(dá)35MHZ。STC89C52因?yàn)殪`活、高效的特點(diǎn)在嵌入式控制應(yīng)用中非常廣泛。最小應(yīng)用系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、電源電路組成。

2.2 LCD12864顯示電路設(shè)計(jì)

綜合各類(lèi)顯示器，本系統(tǒng)采用了性?xún)r(jià)比較高的LCD12864型號(hào)，該顯示屏具有指令操作簡(jiǎn)便，接口形式簡(jiǎn)單，界面采用中文顯示等特點(diǎn)。顯示塊是由帶國(guó)標(biāo)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的128*64液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128列*64行的陣列，每個(gè)點(diǎn)只顯示2種狀態(tài)，亮或不亮，亮度可調(diào)，可以通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)亮點(diǎn)或滅點(diǎn)拼接出各種文字和圖案。由于自帶中文字庫(kù)，因此無(wú)需自行編碼，使操作更加便捷。顯示塊采用靈活的多接口連接方式，8位并行、3線串行可選。顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集?？娠@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，電壓采用3-5V低壓電，具有低電壓低功耗的特點(diǎn)。該顯示模塊綜合比較同類(lèi)型產(chǎn)品具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、顯示程序簡(jiǎn)潔，價(jià)格稍低的優(yōu)勢(shì)。

2.3 AS608指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

會(huì)館建筑是沿商路發(fā)展的鄉(xiāng)土建筑中極具代表性的案例，作為同地域商幫的代表，為彰顯其獨(dú)特性，會(huì)館大多坐落于街道兩頭、交叉口等重要地段。從平面形制上看，會(huì)館建筑既承擔(dān)一部分商業(yè)屬性，也大都具有劇院等娛樂(lè)屬性，因此平面涉及中為了增加館宿面積，往往也會(huì)舍棄南北朝向[4]。

2.4 矩陣鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)

裝置的電機(jī)采用的是微型直流減速電機(jī)50ZY-25W,額定轉(zhuǎn)速3000r/min，電壓12V。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(見(jiàn)圖4)采用“H”型全橋驅(qū)動(dòng)電路。Q5與Q6構(gòu)成“H”型一橋臂，Q9與Q10構(gòu)成“H”型另一橋臂。當(dāng)Q5與Q10三極管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)Q9與Q6三極管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)則實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

2.5 蜂鳴器電路的設(shè)計(jì)

本軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用 Keil μVision4進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)包含主程序設(shè)計(jì)、指紋程序設(shè)計(jì)、液晶顯示程序設(shè)計(jì)、矩陣鍵盤(pán)檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)。

(1)主程序設(shè)計(jì)：主程序void main()是程序的入口函數(shù)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)通電后，根據(jù)電路設(shè)定，該函數(shù)先執(zhí)行包括單片機(jī)和液晶顯示在內(nèi)的初始化操作。接著是串行端口初始化，待初始化結(jié)束后，讀取存儲(chǔ)于AT24C02中的密碼等信息，進(jìn)入死循環(huán)以檢測(cè)矩陣鍵盤(pán)輸入、指紋模塊輸入等信息。在死循環(huán)程序狀態(tài)下，會(huì)對(duì)輸入信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，否則便會(huì)自動(dòng)退出。

2.6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤(pán)，是通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的連接，因水平線與豎直線在交叉處是斷開(kāi)的，不直接相通。矩陣鍵盤(pán)通常適用于按鍵需求較多的情況，雖然比直接法要更復(fù)雜一些。本設(shè)計(jì)需要用到4*4即16個(gè)按鍵。對(duì)應(yīng)按鍵功能如表1所示，由0到9，10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字構(gòu)成，另外包含退格、確定、進(jìn)入管理、選擇上一項(xiàng)、選擇下一項(xiàng)、返回等功能鍵。

2.7 跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊

因循慎終追遠(yuǎn)式的反思，人類(lèi)與外部世界及其自身關(guān)系的體認(rèn)，已經(jīng)掀開(kāi)了人和自然矛盾沖突的面紗，觸及如何審察人類(lèi)生存危機(jī)的基本命題。伴隨著“中心—邊緣”物質(zhì)關(guān)系交換謎題的交錯(cuò)起落，理論界面臨著如何詮釋人和自然、人和人、人和社會(huì)整體關(guān)系的全新論題。縱觀思想風(fēng)暴的中心區(qū)域，剝離人類(lèi)中心主義“思想王權(quán)”的呼聲跌宕起伏，添置自然中心主義“精神桂冠”的吁求不絕于耳。

跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊功率較小，內(nèi)部裝有繼電器，只需連入WiFi，即可通過(guò)移動(dòng)電話進(jìn)行遠(yuǎn)程控制?？珀嘙4物聯(lián)網(wǎng)模塊可以選擇遠(yuǎn)程和本地控制兩種模式，由于跨陣M4模塊的內(nèi)部設(shè)置已經(jīng)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，只需通過(guò)手機(jī)與M4模塊匹配網(wǎng)聯(lián)即可。該模塊輸入電壓通常為5 V 或12 V，功率一般不超過(guò)0.5 W，控制電流也應(yīng)不高于10 A。此外該擴(kuò)展接口支持接入4組模擬量傳感器以及1組智能可選傳感器。通過(guò)接入不同的傳感器，可實(shí)現(xiàn)不同功能的控制。

2.8 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266WiFi模塊是一款低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，32位微型MCU，帶16位精簡(jiǎn)模式，要進(jìn)行網(wǎng)聯(lián)通信，只需將用戶(hù)物理設(shè)備連接WIFI即可。該模塊通常有3種模式，分別是COM-AP、 COM-STA和COM-AP+STA。其中，COM-AP、 COM-STA模式又包含3個(gè)子模式。而COM-AP+STA具備的模式最多，達(dá)9個(gè)子模式。不管是哪一種類(lèi)型都能實(shí)現(xiàn)串口和連接設(shè)備之間的信息傳遞。當(dāng)該無(wú)線模塊向軟件發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要進(jìn)行TCP 連接并根據(jù)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。本文介紹的智能轉(zhuǎn)向柱控制部分所選用的跨陣M4物聯(lián)網(wǎng)模塊裝載的ESP8266WiFi模塊就是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)手機(jī) APP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置連接后，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向柱鎖的無(wú)線控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

壓電式和電磁振蕩式是兩種較為常見(jiàn)的有源蜂鳴器。本設(shè)計(jì)中采用的是5V電磁式。根據(jù)圖3的電路可知，蜂鳴器通過(guò)NPN型8550三極管作為開(kāi)關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?；鶚O串聯(lián)一個(gè)1K的電阻連接到單片機(jī)的I/O口，當(dāng)電子鎖輸入密碼或指紋信息不匹配時(shí)，則I/O口輸出低電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)輸入密碼或指紋信息匹配時(shí)，則I/O口輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器停止報(bào)警。

(三)品牌意識(shí)和行動(dòng)缺少持久力導(dǎo)致輕重失衡。品牌是持久實(shí)踐的產(chǎn)物，持久的探索和完善方可鑄成品牌。品牌的標(biāo)準(zhǔn)有哪些？我們可否作這樣的基本概括——業(yè)內(nèi)認(rèn)同、認(rèn)可并支持；引起社會(huì)關(guān)注，吸引公眾參與；黨政滿意。這三條指向三個(gè)側(cè)重面，目標(biāo)是育品牌、打品牌，凸現(xiàn)文藝界人士的主體地位和創(chuàng)新智慧。而現(xiàn)實(shí)是，紹興的文藝品牌不多。其原因在于較大程度存在“品牌意識(shí)不強(qiáng)，今年辦了，明年再說(shuō)，活動(dòng)缺乏示范性”、“重活動(dòng)組織，輕謀劃和總結(jié)提煉”、“重活動(dòng)，輕原創(chuàng)”、“活動(dòng)組織各自為政，統(tǒng)籌力度不夠，活動(dòng)資源在地域、時(shí)間上分布不平衡”、“重本級(jí)輕基層，重運(yùn)行輕管理，重眼前輕長(zhǎng)遠(yuǎn)”等失衡問(wèn)題，必須加以思考，逐步改良和完善。

(2)指紋程序設(shè)計(jì)：由于AS608指紋識(shí)別模塊與單片機(jī)采用的是串行通訊。根據(jù)通訊協(xié)議格式，先發(fā)送采集指紋信息，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)按鍵“進(jìn)入管理”界面，編輯輸入指紋ID號(hào)，指紋采集兩次生成一個(gè)指紋模板，并成功保存，則完成一次指紋錄入。在識(shí)別程序中，在判斷指紋采集完成后。當(dāng)用戶(hù)刷指紋時(shí)，指紋模塊向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，程序發(fā)送指紋匹配指令，根據(jù)search()搜索指紋庫(kù)的指紋進(jìn)行比對(duì)，如果指紋匹配成功則返回成功，否則返回失敗。

指紋模塊在我們的實(shí)際生活中應(yīng)用非常普遍，例如常見(jiàn)的各種考勤機(jī)器、指紋門(mén)禁系統(tǒng)、指紋鎖、指紋保險(xiǎn)箱等。指紋識(shí)別技術(shù)目前有光學(xué)識(shí)別、生物射頻識(shí)別、電容傳感器識(shí)別等三種。AS608指紋模塊采用的就是光學(xué)識(shí)別方式，內(nèi)置光學(xué)指紋傳感器、DSP處理器、FLASH等構(gòu)成。包括指紋采集、指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索比對(duì)、指紋存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能。工作原理是利用光的折射和反射原理，當(dāng)手指放在光學(xué)鏡片上，通過(guò)內(nèi)容光源照射，再將折射、反射后的光線投射到電荷耦合器上，最后通過(guò)算法處理變成多灰度指紋圖像。被采集的指紋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)庫(kù)中，存儲(chǔ)庫(kù)最多可存120枚指紋。AS608 指紋模塊通過(guò)串口或USB通訊接口與單片機(jī)連接，用戶(hù)不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的圖像處理和指紋識(shí)別算法就能進(jìn)行可控制。指紋模塊電壓為3.3V與單片機(jī)5V不同，為實(shí)現(xiàn)匹配，電源引腳需通過(guò)2個(gè)二極管將電壓降至3.3V后再給模塊進(jìn)行供電。

齊波夫定律的含義是：“如果有一組隨機(jī)數(shù)，將其從大到小排序后，如果最大數(shù)是次大數(shù)的2倍，是第3大數(shù)的3倍，……是第N 大數(shù)的N倍”［3］，則數(shù)組服從于齊波夫分布律?！睋Q句話說(shuō)，齊波夫定律就是指這樣的一個(gè)數(shù)列，其倒數(shù)比等于自然數(shù)列，這是帕雷托分布的極限情況［4］。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)液晶顯示程序設(shè)計(jì)：根據(jù)LCD12864操作時(shí)序要求，先進(jìn)行初始化操作后，結(jié)合指紋模塊程序，將需要顯示地方的地址通過(guò)命令寫(xiě)入，然后將數(shù)據(jù)按順序的進(jìn)行寫(xiě)入即可。函數(shù)名LCD12864_display_string(uchar x，uchar y，uchar *s)，參數(shù)為x，y，*s，其中的x，y表示在液晶顯示屏上的位置坐標(biāo)，*s是需要顯示的字符數(shù)組。軟件根據(jù)輸入需要顯示的位置坐標(biāo)計(jì)算出地址。

(4)矩陣鍵盤(pán)檢測(cè)程序設(shè)計(jì)：矩陣鍵盤(pán)的程序判斷檢測(cè)方法如下：①判別是否有按鍵被按下。先將鍵盤(pán)中4排行線，即P1.0～P1.3在程序中全部設(shè)置為低電平，然后檢測(cè)4列線P1.4～P1.7中是否出現(xiàn)低電平，如果有一列出現(xiàn)低電平，那么就證明那一列中的四個(gè)按鍵中有一個(gè)是被按下的。否則沒(méi)有按鍵被按下。②確定具體被按下的按鍵。在明確有按鍵被按鍵的情況下，依次再將四個(gè)行線P1.0～P1.3設(shè)置低電平，當(dāng)某一根行線為低電平時(shí)，其它行線仍然保持高電平狀態(tài)。 在確認(rèn)某一根行線為低電平的情況下，若在第一步中得出的列為低電平則就能夠判斷該行線與第一步得出的列線相交的按鍵就是所按下的那個(gè)按鍵。

數(shù)據(jù)采集處理采用混合處理系統(tǒng)架構(gòu)，采用Spark框架和Spark Streaming框架滿足系統(tǒng)的批處理和流處理要求，保證對(duì)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的靈活性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的汽車(chē)智能轉(zhuǎn)向柱防盜控制系統(tǒng)由單片機(jī)、LCD顯示模塊、指紋識(shí)別模塊、鍵盤(pán)模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、ESP8266 WiFi模塊等主要部分構(gòu)成。當(dāng)汽車(chē)鑰匙打到ON擋，汽車(chē)轉(zhuǎn)向智能控制系統(tǒng)連接電源之后，可通過(guò)鍵盤(pán)輸入密碼、指紋識(shí)別或采用手機(jī)APP移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制汽車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱解鎖功能，同時(shí)該系統(tǒng)含掉電保護(hù)功能，可有效防止偷盜者拔除電源破壞控制系統(tǒng)功能，當(dāng)密碼錯(cuò)誤、指紋輸入錯(cuò)誤，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能。為了防止智能控制部分出現(xiàn)故障，在鎖盤(pán)上設(shè)計(jì)有機(jī)械鎖孔，可進(jìn)行鎖止及解鎖。車(chē)速傳感器會(huì)向單片機(jī)控制系統(tǒng)輸送信號(hào)，可以對(duì)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到汽車(chē)正在運(yùn)行時(shí)，即便輸入正確密碼或指紋輸入，方向盤(pán)轉(zhuǎn)向柱鎖將無(wú)法鎖止，從而保障汽車(chē)的正常運(yùn)行。此設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、性能穩(wěn)定有一定的市場(chǎng)運(yùn)用價(jià)值。

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