汽车智能转向柱防盗锁控制系统的设计

0 引言

随着国内经济水平的提高，城市里的私家轿车数量增长迅速，然而汽车被盗事件也是时有发生。据统计，我国每年大约会发生超过二十万起的汽车被盗案件，平均每天将近600辆汽车被盗

。汽车被盗给个人与集体造成了极大的经济损失，因此汽车安全防护问题已成为当前汽车工业发展中较为重视的问题。目前，汽车防盗装置有很多种，大体分为机械式防盗装置、电子式防盗装置、芯片式防盗装置、网络式防盗装置等四种类型。本项目是利用51型单片机、LCD12864显示屏、指纹识别模块、物联网模块、 WiFi模块实现汽车方向盘转向柱智能锁的手按密码开锁、WiFi远程控制和指纹解锁三大功能。尤其是指纹识别技术具有稳定性高、独特、不易变化、不易丢失等特点，已得到普遍采用。

1 系统方案整体设计

本汽车方向盘转向柱智能锁止控制系统是基于单片机STC89C52作为控制核心以及手机客户端移动通信WiFi连接物联网控制模块，通过ID指纹识别或矩阵键盘密码识别、手机WiFi远程信号控制三选一模式，实现汽车方向盘锁的解锁控制以实现汽车电子防盗的目的。

本系统操作具体流程是：首先根据液晶显示屏的提示设置6位数密码和指纹密码录入。当在AS608指纹识别模块录入的指纹正确或在矩阵键盘上的密码正确，则可通过单片机控制12V直流电动机的顺时针、逆时针通电时间控制，从而实现汽车方向盘转向柱锁定装置进行解锁和锁止控制。如果所输ID密码错误或指纹识别错误，则无法打开机械锁止装置。为防止意外发生，本锁盘上设有应急机械锁孔，可用钥匙锁定和解锁方向盘转向柱锁定装置。控制系统整体架构如图1所示。汽车方向盘转向柱锁定装置机械部分结构示意图如图2所示。

2 控制系统硬件部分设计

2.1 单片机STC89C52系统设计

STC89C52是由STC公司生产的一款微控制器，内部包含8K 系统可编程Flash，具有功耗低、性能高的特点。STC89C52采用的是MCS-51内核，它的具体功能如下：拥有8K字节的Flash应用程序存储，集成512字节的数据存储，32个通用输入输出端口，内部设置4KB EEPROM存储空间，可直接使用串口下载，MAX810复位电路，看门狗定时器，共有3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。STC89C52有掉电保护功能，当在掉电的情况下，单片机工作停止，RAM中的数据被自动保存，振荡器被锁止，直到硬件复位后恢复。在节电模式下，单片机可处于0HZ的静态逻辑下操作。空闲模式，在CPU不工作的情况下，RAM、串口、中断、定时器/计数器等仍然可以继续保持工作。STC89C52的最高运行频率可达35MHZ。STC89C52因为灵活、高效的特点在嵌入式控制应用中非常广泛。最小应用系统由STC89C52单片机、晶振电路、复位电路、电源电路组成。

2.2 LCD12864显示电路设计

综合各类显示器，本系统采用了性价比较高的LCD12864型号，该显示屏具有指令操作简便，接口形式简单，界面采用中文显示等特点。显示块是由带国标简体中文字库的128*64液晶显示点组成的一个128列*64行的阵列，每个点只显示2种状态，亮或不亮，亮度可调，可以通过设置实现亮点或灭点拼接出各种文字和图案。由于自带中文字库，因此无需自行编码，使操作更加便捷。显示块采用灵活的多接口连接方式，8位并行、3线串行可选。显示分辨率为128×64，内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。可显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，电压采用3-5V低压电，具有低电压低功耗的特点。该显示模块综合比较同类型产品具有电路结构简单、显示程序简洁，价格稍低的优势。

2.3 AS608指纹识别模块设计

会馆建筑是沿商路发展的乡土建筑中极具代表性的案例，作为同地域商帮的代表，为彰显其独特性，会馆大多坐落于街道两头、交叉口等重要地段。从平面形制上看，会馆建筑既承担一部分商业属性，也大都具有剧院等娱乐属性，因此平面涉及中为了增加馆宿面积，往往也会舍弃南北朝向[4]。

2.4 矩阵键盘的设计

装置的电机采用的是微型直流减速电机50ZY-25W,额定转速3000r/min，电压12V。电机驱动电路(见图4)采用“H”型全桥驱动电路。Q5与Q6构成“H”型一桥臂，Q9与Q10构成“H”型另一桥臂。当Q5与Q10三极管导通时，电机顺时针旋转；当Q9与Q6三极管导通时，电机则实现逆时针旋转。

2.5 蜂鸣器电路的设计

本软件系统的设计采用 Keil μVision4进行编程实现。软件设计包含主程序设计、指纹程序设计、液晶显示程序设计、矩阵键盘检测程序的设计。

(1)主程序设计：主程序void main()是程序的入口函数。当单片机系统通电后，根据电路设定，该函数先执行包括单片机和液晶显示在内的初始化操作。接着是串行端口初始化，待初始化结束后，读取存储于AT24C02中的密码等信息，进入死循环以检测矩阵键盘输入、指纹模块输入等信息。在死循环程序状态下，会对输入信息进行实时检测，否则便会自动退出。

2.6 直流电机驱动电路设计

矩阵键盘，是通过按键实现内部的连接，因水平线与竖直线在交叉处是断开的，不直接相通。矩阵键盘通常适用于按键需求较多的情况，虽然比直接法要更复杂一些。本设计需要用到4*4即16个按键。对应按键功能如表1所示，由0到9，10个阿拉伯数字构成，另外包含退格、确定、进入管理、选择上一项、选择下一项、返回等功能键。

2.7 跨阵M4物联网模块

因循慎终追远式的反思，人类与外部世界及其自身关系的体认，已经掀开了人和自然矛盾冲突的面纱，触及如何审察人类生存危机的基本命题。伴随着“中心—边缘”物质关系交换谜题的交错起落，理论界面临着如何诠释人和自然、人和人、人和社会整体关系的全新论题。纵观思想风暴的中心区域，剥离人类中心主义“思想王权”的呼声跌宕起伏，添置自然中心主义“精神桂冠”的吁求不绝于耳。

跨阵M4物联网模块功率较小，内部装有继电器，只需连入WiFi，即可通过移动电话进行远程控制。跨阵M4物联网模块可以选择远程和本地控制两种模式，由于跨阵M4模块的内部设置已经和物联网平台连接，要实现远程控制，只需通过手机与M4模块匹配网联即可。该模块输入电压通常为5 V 或12 V，功率一般不超过0.5 W，控制电流也应不高于10 A。此外该扩展接口支持接入4组模拟量传感器以及1组智能可选传感器。通过接入不同的传感器，可实现不同功能的控制。

2.8 ESP8266 WiFi模块

ESP8266WiFi模块是一款低功耗的UART-WiFi透传模块，32位微型MCU，带16位精简模式，要进行网联通信，只需将用户物理设备连接WIFI即可。该模块通常有3种模式，分别是COM-AP、 COM-STA和COM-AP+STA。其中，COM-AP、 COM-STA模式又包含3个子模式。而COM-AP+STA具备的模式最多，达9个子模式。不管是哪一种类型都能实现串口和连接设备之间的信息传递。当该无线模块向软件发送数据时，需要进行TCP 连接并根据数据的长度进行数据传送。本文介绍的智能转向柱控制部分所选用的跨阵M4物联网模块装载的ESP8266WiFi模块就是通过无线网络与移动手机 APP进行网络配置连接后，从而实现对转向柱锁的无线控制。

3 软件设计

压电式和电磁振荡式是两种较为常见的有源蜂鸣器。本设计中采用的是5V电磁式。根据图3的电路可知，蜂鸣器通过NPN型8550三极管作为开关进行驱动。基极串联一个1K的电阻连接到单片机的I/O口，当电子锁输入密码或指纹信息不匹配时，则I/O口输出低电平，三极管导通，蜂鸣器报警；当输入密码或指纹信息匹配时，则I/O口输出高电平，三极管截止，蜂鸣器停止报警。

(三)品牌意识和行动缺少持久力导致轻重失衡。品牌是持久实践的产物，持久的探索和完善方可铸成品牌。品牌的标准有哪些？我们可否作这样的基本概括——业内认同、认可并支持；引起社会关注，吸引公众参与；党政满意。这三条指向三个侧重面，目标是育品牌、打品牌，凸现文艺界人士的主体地位和创新智慧。而现实是，绍兴的文艺品牌不多。其原因在于较大程度存在“品牌意识不强，今年办了，明年再说，活动缺乏示范性”、“重活动组织，轻谋划和总结提炼”、“重活动，轻原创”、“活动组织各自为政，统筹力度不够，活动资源在地域、时间上分布不平衡”、“重本级轻基层，重运行轻管理，重眼前轻长远”等失衡问题，必须加以思考，逐步改良和完善。

(2)指纹程序设计：由于AS608指纹识别模块与单片机采用的是串行通讯。根据通讯协议格式，先发送采集指纹信息，通过矩阵键盘按键“进入管理”界面，编辑输入指纹ID号，指纹采集两次生成一个指纹模板，并成功保存，则完成一次指纹录入。在识别程序中，在判断指纹采集完成后。当用户刷指纹时，指纹模块向单片机传输数据，程序发送指纹匹配指令，根据search()搜索指纹库的指纹进行比对，如果指纹匹配成功则返回成功，否则返回失败。

指纹模块在我们的实际生活中应用非常普遍，例如常见的各种考勤机器、指纹门禁系统、指纹锁、指纹保险箱等。指纹识别技术目前有光学识别、生物射频识别、电容传感器识别等三种。AS608指纹模块采用的就是光学识别方式，内置光学指纹传感器、DSP处理器、FLASH等构成。包括指纹采集、指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索比对、指纹存储等多项功能。工作原理是利用光的折射和反射原理，当手指放在光学镜片上，通过内容光源照射，再将折射、反射后的光线投射到电荷耦合器上，最后通过算法处理变成多灰度指纹图像。被采集的指纹存储在存储库中，存储库最多可存120枚指纹。AS608 指纹模块通过串口或USB通讯接口与单片机连接，用户不需要经过复杂的图像处理和指纹识别算法就能进行可控制。指纹模块电压为3.3V与单片机5V不同，为实现匹配，电源引脚需通过2个二极管将电压降至3.3V后再给模块进行供电。

齐波夫定律的含义是：“如果有一组随机数，将其从大到小排序后，如果最大数是次大数的2倍，是第3大数的3倍，……是第N 大数的N倍”［3］，则数组服从于齐波夫分布律。”换句话说，齐波夫定律就是指这样的一个数列，其倒数比等于自然数列，这是帕雷托分布的极限情况［4］。数学表达式为：

(3)液晶显示程序设计：根据LCD12864操作时序要求，先进行初始化操作后，结合指纹模块程序，将需要显示地方的地址通过命令写入，然后将数据按顺序的进行写入即可。函数名LCD12864_display_string(uchar x，uchar y，uchar *s)，参数为x，y，*s，其中的x，y表示在液晶显示屏上的位置坐标，*s是需要显示的字符数组。软件根据输入需要显示的位置坐标计算出地址。

(4)矩阵键盘检测程序设计：矩阵键盘的程序判断检测方法如下：①判别是否有按键被按下。先将键盘中4排行线，即P1.0～P1.3在程序中全部设置为低电平，然后检测4列线P1.4～P1.7中是否出现低电平，如果有一列出现低电平，那么就证明那一列中的四个按键中有一个是被按下的。否则没有按键被按下。②确定具体被按下的按键。在明确有按键被按键的情况下，依次再将四个行线P1.0～P1.3设置低电平，当某一根行线为低电平时，其它行线仍然保持高电平状态。 在确认某一根行线为低电平的情况下，若在第一步中得出的列为低电平则就能够判断该行线与第一步得出的列线相交的按键就是所按下的那个按键。

数据采集处理采用混合处理系统架构，采用Spark框架和Spark Streaming框架满足系统的批处理和流处理要求，保证对不同类型数据进行处理的灵活性。

4 结语

本文介绍的汽车智能转向柱防盗控制系统由单片机、LCD显示模块、指纹识别模块、键盘模块、物联网模块、ESP8266 WiFi模块等主要部分构成。当汽车钥匙打到ON挡，汽车转向智能控制系统连接电源之后，可通过键盘输入密码、指纹识别或采用手机APP移动物联网远程控制汽车方向盘转向柱解锁功能，同时该系统含掉电保护功能，可有效防止偷盗者拔除电源破坏控制系统功能，当密码错误、指纹输入错误，则会触发报警功能。为了防止智能控制部分出现故障，在锁盘上设计有机械锁孔，可进行锁止及解锁。车速传感器会向单片机控制系统输送信号，可以对汽车的运行状态进行监测，当检测到汽车正在运行时，即便输入正确密码或指纹输入，方向盘转向柱锁将无法锁止，从而保障汽车的正常运行。此设备设计简单、造价便宜、性能稳定有一定的市场运用价值。

[1]伍志东,张欢.基于单片机的汽车防盗系统设计[J].集成电路应用,2020,37(04):60-61.

[2]甘令,唐岚.基于51单片机的某汽车防盗系统设计[J].汽车实用技术,2021,46(03):31-33+57.

[3]郑乾,李馥安,武超,池严曹,李宏义,周远林,张诗荟.基于STC89C51单片机和GSM的汽车防盗系统设计[J].河北北方学院学报(自然科学版),2019,35(05):36-41+45.

[4]王庐山.基于单片机的智能汽车防盗系统设计[J].内燃机与配件,2020,(13):198-199.

[5]池保忠.基于单片机的汽车防盗报警系统设计[J].科教文汇(上半月),2006,(04):170-171.

[6]杨淑裕,鄢艳红.基于单片机的指纹识别电子密码锁系统的设计[J].电脑知识与技术,2021,17(15):228-230.

[7]郭阳光.基于单片机的指纹识别电子密码锁设计[J].电子测试,2020,(23):29-30+53.