汽車智能轉向柱防盜鎖控制系統的設計

0 引言

隨著國內經濟水平的提高，城市里的私家轎車數量增長迅速，然而汽車被盜事件也是時有發生。據統計，我國每年大約會發生超過二十萬起的汽車被盜案件，平均每天將近600輛汽車被盜

。汽車被盜給個人與集體造成了極大的經濟損失，因此汽車安全防護問題已成為當前汽車工業發展中較為重視的問題。目前，汽車防盜裝置有很多種，大體分為機械式防盜裝置、電子式防盜裝置、芯片式防盜裝置、網絡式防盜裝置等四種類型。本項目是利用51型單片機、LCD12864顯示屏、指紋識別模塊、物聯網模塊、 WiFi模塊實現汽車方向盤轉向柱智能鎖的手按密碼開鎖、WiFi遠程控制和指紋解鎖三大功能。尤其是指紋識別技術具有穩定性高、獨特、不易變化、不易丟失等特點，已得到普遍采用。

1 系統方案整體設計

本汽車方向盤轉向柱智能鎖止控制系統是基于單片機STC89C52作為控制核心以及手機客戶端移動通信WiFi連接物聯網控制模塊，通過ID指紋識別或矩陣鍵盤密碼識別、手機WiFi遠程信號控制三選一模式，實現汽車方向盤鎖的解鎖控制以實現汽車電子防盜的目的。

本系統操作具體流程是：首先根據液晶顯示屏的提示設置6位數密碼和指紋密碼錄入。當在AS608指紋識別模塊錄入的指紋正確或在矩陣鍵盤上的密碼正確，則可通過單片機控制12V直流電動機的順時針、逆時針通電時間控制，從而實現汽車方向盤轉向柱鎖定裝置進行解鎖和鎖止控制。如果所輸ID密碼錯誤或指紋識別錯誤，則無法打開機械鎖止裝置。為防止意外發生，本鎖盤上設有應急機械鎖孔，可用鑰匙鎖定和解鎖方向盤轉向柱鎖定裝置。控制系統整體架構如圖1所示。汽車方向盤轉向柱鎖定裝置機械部分結構示意圖如圖2所示。

2 控制系統硬件部分設計

2.1 單片機STC89C52系統設計

STC89C52是由STC公司生產的一款微控制器，內部包含8K 系統可編程Flash，具有功耗低、性能高的特點。STC89C52采用的是MCS-51內核，它的具體功能如下：擁有8K字節的Flash應用程序存儲，集成512字節的數據存儲，32個通用輸入輸出端口，內部設置4KB EEPROM存儲空間，可直接使用串口下載，MAX810復位電路，看門狗定時器，共有3個16位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構，全雙工串行口。STC89C52有掉電保護功能，當在掉電的情況下，單片機工作停止，RAM中的數據被自動保存，振蕩器被鎖止，直到硬件復位后恢復。在節電模式下，單片機可處于0HZ的靜態邏輯下操作。空閑模式，在CPU不工作的情況下，RAM、串口、中斷、定時器/計數器等仍然可以繼續保持工作。STC89C52的最高運行頻率可達35MHZ。STC89C52因為靈活、高效的特點在嵌入式控制應用中非常廣泛。最小應用系統由STC89C52單片機、晶振電路、復位電路、電源電路組成。

2.2 LCD12864顯示電路設計

綜合各類顯示器，本系統采用了性價比較高的LCD12864型號，該顯示屏具有指令操作簡便，接口形式簡單，界面采用中文顯示等特點。顯示塊是由帶國標簡體中文字庫的128*64液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，每個點只顯示2種狀態，亮或不亮，亮度可調，可以通過設置實現亮點或滅點拼接出各種文字和圖案。由于自帶中文字庫，因此無需自行編碼，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，內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。可顯示8×4行16×16點陣的漢字，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。該顯示模塊綜合比較同類型產品具有電路結構簡單、顯示程序簡潔，價格稍低的優勢。

2.3 AS608指紋識別模塊設計

會館建筑是沿商路發展的鄉土建筑中極具代表性的案例，作為同地域商幫的代表，為彰顯其獨特性，會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，會館建筑既承擔一部分商業屬性，也大都具有劇院等娛樂屬性，因此平面涉及中為了增加館宿面積，往往也會舍棄南北朝向[4]。

2.4 矩陣鍵盤的設計

裝置的電機采用的是微型直流減速電機50ZY-25W,額定轉速3000r/min，電壓12V。電機驅動電路(見圖4)采用“H”型全橋驅動電路。Q5與Q6構成“H”型一橋臂，Q9與Q10構成“H”型另一橋臂。當Q5與Q10三極管導通時，電機順時針旋轉；當Q9與Q6三極管導通時，電機則實現逆時針旋轉。

2.5 蜂鳴器電路的設計

本軟件系統的設計采用 Keil μVision4進行編程實現。軟件設計包含主程序設計、指紋程序設計、液晶顯示程序設計、矩陣鍵盤檢測程序的設計。

(1)主程序設計：主程序void main()是程序的入口函數。當單片機系統通電后，根據電路設定，該函數先執行包括單片機和液晶顯示在內的初始化操作。接著是串行端口初始化，待初始化結束后，讀取存儲于AT24C02中的密碼等信息，進入死循環以檢測矩陣鍵盤輸入、指紋模塊輸入等信息。在死循環程序狀態下，會對輸入信息進行實時檢測，否則便會自動退出。

2.6 直流電機驅動電路設計

矩陣鍵盤，是通過按鍵實現內部的連接，因水平線與豎直線在交叉處是斷開的，不直接相通。矩陣鍵盤通常適用于按鍵需求較多的情況，雖然比直接法要更復雜一些。本設計需要用到4*4即16個按鍵。對應按鍵功能如表1所示，由0到9，10個阿拉伯數字構成，另外包含退格、確定、進入管理、選擇上一項、選擇下一項、返回等功能鍵。

2.7 跨陣M4物聯網模塊

因循慎終追遠式的反思，人類與外部世界及其自身關系的體認，已經掀開了人和自然矛盾沖突的面紗，觸及如何審察人類生存危機的基本命題。伴隨著“中心—邊緣”物質關系交換謎題的交錯起落，理論界面臨著如何詮釋人和自然、人和人、人和社會整體關系的全新論題。縱觀思想風暴的中心區域，剝離人類中心主義“思想王權”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物聯網模塊功率較小，內部裝有繼電器，只需連入WiFi，即可通過移動電話進行遠程控制。跨陣M4物聯網模塊可以選擇遠程和本地控制兩種模式，由于跨陣M4模塊的內部設置已經和物聯網平臺連接，要實現遠程控制，只需通過手機與M4模塊匹配網聯即可。該模塊輸入電壓通常為5 V 或12 V，功率一般不超過0.5 W，控制電流也應不高于10 A。此外該擴展接口支持接入4組模擬量傳感器以及1組智能可選傳感器。通過接入不同的傳感器，可實現不同功能的控制。

2.8 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266WiFi模塊是一款低功耗的UART-WiFi透傳模塊，32位微型MCU，帶16位精簡模式，要進行網聯通信，只需將用戶物理設備連接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個子模式。而COM-AP+STA具備的模式最多，達9個子模式。不管是哪一種類型都能實現串口和連接設備之間的信息傳遞。當該無線模塊向軟件發送數據時，需要進行TCP 連接并根據數據的長度進行數據傳送。本文介紹的智能轉向柱控制部分所選用的跨陣M4物聯網模塊裝載的ESP8266WiFi模塊就是通過無線網絡與移動手機 APP進行網絡配置連接后，從而實現對轉向柱鎖的無線控制。

3 軟件設計

壓電式和電磁振蕩式是兩種較為常見的有源蜂鳴器。本設計中采用的是5V電磁式。根據圖3的電路可知，蜂鳴器通過NPN型8550三極管作為開關進行驅動。基極串聯一個1K的電阻連接到單片機的I/O口，當電子鎖輸入密碼或指紋信息不匹配時，則I/O口輸出低電平，三極管導通，蜂鳴器報警；當輸入密碼或指紋信息匹配時，則I/O口輸出高電平，三極管截止，蜂鳴器停止報警。

(三)品牌意識和行動缺少持久力導致輕重失衡。品牌是持久實踐的產物，持久的探索和完善方可鑄成品牌。品牌的標準有哪些？我們可否作這樣的基本概括——業內認同、認可并支持；引起社會關注，吸引公眾參與；黨政滿意。這三條指向三個側重面，目標是育品牌、打品牌，凸現文藝界人士的主體地位和創新智慧。而現實是，紹興的文藝品牌不多。其原因在于較大程度存在“品牌意識不強，今年辦了，明年再說，活動缺乏示范性”、“重活動組織，輕謀劃和總結提煉”、“重活動，輕原創”、“活動組織各自為政，統籌力度不夠，活動資源在地域、時間上分布不平衡”、“重本級輕基層，重運行輕管理，重眼前輕長遠”等失衡問題，必須加以思考，逐步改良和完善。

(2)指紋程序設計：由于AS608指紋識別模塊與單片機采用的是串行通訊。根據通訊協議格式，先發送采集指紋信息，通過矩陣鍵盤按鍵“進入管理”界面，編輯輸入指紋ID號，指紋采集兩次生成一個指紋模板，并成功保存，則完成一次指紋錄入。在識別程序中，在判斷指紋采集完成后。當用戶刷指紋時，指紋模塊向單片機傳輸數據，程序發送指紋匹配指令，根據search()搜索指紋庫的指紋進行比對，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際生活中應用非常普遍，例如常見的各種考勤機器、指紋門禁系統、指紋鎖、指紋保險箱等。指紋識別技術目前有光學識別、生物射頻識別、電容傳感器識別等三種。AS608指紋模塊采用的就是光學識別方式，內置光學指紋傳感器、DSP處理器、FLASH等構成。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、指紋存儲等多項功能。工作原理是利用光的折射和反射原理，當手指放在光學鏡片上，通過內容光源照射，再將折射、反射后的光線投射到電荷耦合器上，最后通過算法處理變成多灰度指紋圖像。被采集的指紋存儲在存儲庫中，存儲庫最多可存120枚指紋。AS608 指紋模塊通過串口或USB通訊接口與單片機連接，用戶不需要經過復雜的圖像處理和指紋識別算法就能進行可控制。指紋模塊電壓為3.3V與單片機5V不同，為實現匹配，電源引腳需通過2個二極管將電壓降至3.3V后再給模塊進行供電。

齊波夫定律的含義是：“如果有一組隨機數，將其從大到小排序后，如果最大數是次大數的2倍，是第3大數的3倍，……是第N 大數的N倍”［3］，則數組服從于齊波夫分布律。”換句話說，齊波夫定律就是指這樣的一個數列，其倒數比等于自然數列，這是帕雷托分布的極限情況［4］。數學表達式為：

(3)液晶顯示程序設計：根據LCD12864操作時序要求，先進行初始化操作后，結合指紋模塊程序，將需要顯示地方的地址通過命令寫入，然后將數據按順序的進行寫入即可。函數名LCD12864_display_string(uchar x，uchar y，uchar *s)，參數為x，y，*s，其中的x，y表示在液晶顯示屏上的位置坐標，*s是需要顯示的字符數組。軟件根據輸入需要顯示的位置坐標計算出地址。

(4)矩陣鍵盤檢測程序設計：矩陣鍵盤的程序判斷檢測方法如下：①判別是否有按鍵被按下。先將鍵盤中4排行線，即P1.0～P1.3在程序中全部設置為低電平，然后檢測4列線P1.4～P1.7中是否出現低電平，如果有一列出現低電平，那么就證明那一列中的四個按鍵中有一個是被按下的。否則沒有按鍵被按下。②確定具體被按下的按鍵。在明確有按鍵被按鍵的情況下，依次再將四個行線P1.0～P1.3設置低電平，當某一根行線為低電平時，其它行線仍然保持高電平狀態。 在確認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按鍵。

數據采集處理采用混合處理系統架構，采用Spark框架和Spark Streaming框架滿足系統的批處理和流處理要求，保證對不同類型數據進行處理的靈活性。

4 結語

本文介紹的汽車智能轉向柱防盜控制系統由單片機、LCD顯示模塊、指紋識別模塊、鍵盤模塊、物聯網模塊、ESP8266 WiFi模塊等主要部分構成。當汽車鑰匙打到ON擋，汽車轉向智能控制系統連接電源之后，可通過鍵盤輸入密碼、指紋識別或采用手機APP移動物聯網遠程控制汽車方向盤轉向柱解鎖功能，同時該系統含掉電保護功能，可有效防止偷盜者拔除電源破壞控制系統功能，當密碼錯誤、指紋輸入錯誤，則會觸發報警功能。為了防止智能控制部分出現故障，在鎖盤上設計有機械鎖孔，可進行鎖止及解鎖。車速傳感器會向單片機控制系統輸送信號，可以對汽車的運行狀態進行監測，當檢測到汽車正在運行時，即便輸入正確密碼或指紋輸入，方向盤轉向柱鎖將無法鎖止，從而保障汽車的正常運行。此設備設計簡單、造價便宜、性能穩定有一定的市場運用價值。

[1]伍志東,張歡.基于單片機的汽車防盜系統設計[J].集成電路應用,2020,37(04):60-61.

[2]甘令,唐嵐.基于51單片機的某汽車防盜系統設計[J].汽車實用技術,2021,46(03):31-33+57.

[3]鄭乾,李馥安,武超,池嚴曹,李宏義,周遠林,張詩薈.基于STC89C51單片機和GSM的汽車防盜系統設計[J].河北北方學院學報(自然科學版),2019,35(05):36-41+45.

[4]王廬山.基于單片機的智能汽車防盜系統設計[J].內燃機與配件,2020,(13):198-199.

[5]池保忠.基于單片機的汽車防盜報警系統設計[J].科教文匯(上半月),2006,(04):170-171.

[6]楊淑裕,鄢艷紅.基于單片機的指紋識別電子密碼鎖系統的設計[J].電腦知識與技術,2021,17(15):228-230.

[7]郭陽光.基于單片機的指紋識別電子密碼鎖設計[J].電子測試,2020,(23):29-30+53.