【基于51单片机的指纹密码锁系统设计（论文）9400字】

基于51单片机的指纹密码锁系统设计TOC\o"1-3"\h\u193411.引言 摘要：随着社会的进步，技术的迭代速度飞快，对于单片机来说，同样如此，它的使用领域已经十分的普遍了，它一直在科技领域有着基石逸一样的存在，对于我们社会的进步有有着非常重要的作用。在平常的工作和生活中，一些住宅以及公司的门户，以及一些文档文件，个人资料很多都是加锁的方式来进行保护。但是如果使用平常锁的话，那么就需要用户随身随地的在身上携带对应的钥匙，这样就像的有些麻烦，而且钥匙丢了，开锁更是一个大问题。所以使用具有报警功能和电子锁，必然是社会所需的趋势，而在普通电子密码锁的基础上，再增加指纹解锁，更是方便了用户的开锁方式，更是增加其安全性和方便程度。因为人的指纹是无法复制的，所以通过记录人的指纹，通过解锁时识别人的指纹，从而可以达到一对一匹配解锁的目的，大大提高了安全性。此设计是已STC89C52单片机芯片、LCD12864液晶做显示模块、外加指纹模块、矩阵键盘按键模块、蜂鸣器声光报警模块、记忆模块和电源模块构成。关键字：单片机指纹密码锁引言1.1研究背景随着社会的进步，技术的迭代速度飞快，对于单片机来说，同样如此，它的使用领域已经十分的普遍了，它一直在科技领域有着基石逸一样的存在，对于我们社会的进步有有着非常重要的作用。同时，人们的生活水平不断提高，对生活的质量要求也有了较大提升；所以我们在平时的生活中以及在工作中,放在家里或者在公司的，更甚的在银行的财产以及一些比较贵重的资料或者档案的安全性，我们下意识的都会去选择用加锁的办法来保证其安全。但是问题就此事产生，如果使用我们传统的机械锁芯的锁，那么就需要携带很多把的钥匙，并且我们一旦丢失钥匙、或者被偷走、遗忘到那个角落，那么这样不仅再次配钥匙，开锁会相当的麻烦，并且可能被有歹心的人复制冒用，这样会造成极大的安全隐患，更有可能会造成大的财产上的损失。从现代社会的角度出发，我们对安全方面给的标准就是更加的简单、更加的快捷和更加的高效。所以从这和角度出发，我们发现生物特征识别技术，它具备着不易遗忘、防伪技术优秀、任何地方都可以用的优点来先比较之前的传统的方法，这样我们可以看出后者更加的安全、方便以及保密。.在我们生活的世界来说，任何的一种物体或者说是物质，他们之中都会有他们自己独特的特征来表示自己的信息，表示他的存在是独一无二，例如说雪花，虽说很多雪花都是六个纹路，但是世界上到现在为止，都还没有发现两个一模一样的雪花。那么对于我们人类来说，DNA就是相当于雪花的纹路，但是我们不可能说开锁的验证来检测每个人的DNA,但是我们还有一个自己独一无二的特征，也是一种很常用的鉴别方式，就是我们人类自己的指纹。指纹就是我们自己的手指上的纹路，指纹的成型主要是由我们人类在最开始还是胎儿发育时的环境所决定的。并且指纹的识别的历史，已经有很长一段时间了，资料上，有的学家证实到：早在公元前6000年以前的时候，人类的指纹就可以作为自己的鉴别工具，当时可能就在早时叙利亚和早时的中国开始使用了。那么到了我们20世纪80年代的时候，社会发展迅速，并且电脑以及光学扫描这两项技术的创新，从而充当指纹取像的工具成为现实，使的指纹识别技术得到大范围的扩展。一直到现在，随着取像的科技更加飞速的发展，生物的指纹识别技术可以说是逐渐的走向了完美，更加可靠的算法为指纹识别的技术提供了更加宏伟的发展。从当前来看，世界内都建立了专门的鉴定指的纹机构，还有记录罪犯指纹的数据库，或者一些其他人的指纹数据库，其实指纹的鉴定早就被官方所采用，指纹鉴定成为了司法部门或者其他方面的一种识别人的手段。根据资料显示，有人曾经统计过，在我们生活的50多亿的人中，发现由19名生来就没长指纹，但是，这这是很小的特殊情况，除开这些，我们之中没有一个人会与其他人有着相同的指纹，所以指纹的识别，成为了警方破案抓捕犯人的一个重要的证据。还有的人把指纹称做为我们的“人体的立体印章”，对于这个称号，可是想到的贴切。对于我们人类来说，一直都是具有独一味二的自我特征特点，所以很多人就把方向迈向了生物的识别技术，期望以此来应对现在的安全问题的挑战。最开始的，我们如果说要想把人体特征做用于身份上的辨别，那么这个识别点肯定是要具有唯一特征以及稳定特征。从经验以及数据实验表明，人类的面孔、眼睛的视网膜、眼睛的虹膜，手的掌纹、手指的指纹、我们自己的发音、以及我们自己的骨架等都是具有着唯一性特征和稳定性特征，每个人的这些特征都会与其他人的特征不同、并且终生都是不会改变的，所以我们就以此来识别出每个人的信息。发展到现在我们建立了发音识别的技术、指纹识别的技术、面部识别的技术等生物识别的技术，并且现在我们的很多科技都是已经成熟并且应用到生活中了，这其中的指纹的识别技术在生物识别中的一大热点。指纹识别技术的发展依靠了现代电子产业以及丰富有效的算法。虽然说指纹算是我们人类皮肤的一个不算出众的部分，但是以此来用于识别的数据量确实非常的大，对于所采取的数据来进行比较，这肯定不是相对简单的相等以及不想等的问题了，现代电子的集成制造技术这使得我们现在可以吃创造出相当较小的指纹图像的读取设备，那么在计算机上的运算速度提供了在微机以及单片机上可以做到两个指纹的比较运算。并且，对于算法来说，它的可靠性以及算法的速度，性能也不断提高，对此可以说是，指纹的识别技术在现在来说已经非常的实用了。1.2研究意义我此次的设计是采用的便是上面说到的指纹识别技术。指纹识别技术必定将成为未来人类生理上的特征身份信息识别技术的重要方向之一，根据资料来说，到现在为止了世界上找不到指纹相同的两个人，哪怕对于双胞胎来说的他们的指纹也是不相同的。指纹识别技术打开了个人身份信息识别的新大门，在我们将来的生活很多场合都会用到指纹以及相对应的指纹识别技术，它使得我们的生活更加的方便、更加的安全。现在的生活中，已单片机为控制中心的技术发展的已经非常成熟了，因为单片机的可靠性和控制性非常优秀，一些我们常用的电子产品其实都是单片机所控制的，像电热水壶，一些遥控器，电子钟表等等它们这些都是由单片机所操控的。我们在大学中学到的单片机的知识是概念性的，所以我们肯定是要每一次的实践来把我们的知识结合起来，整理思路，总结吸收，最终的是我们需要我们所学到的知识体现在生活当中去，所以我设计的指纹识别技术为难点，外加单片机为核心，其他模块为强化知识体系。设计的效果，以及成品期望可以达到我最开始的需求面。1.3研究内容此设计是以STC89C52单片机芯片、LCD12864液晶做显示模块、外加指纹模块、矩阵键盘按键模块、蜂鸣器声光报警模块、记忆模块和电源模块构成。LCD12864液晶显示屏来进行成功与失败提示，显示密码的输出进度，以及每个模式的菜单显示，STC型号单片机也是具有掉电设置参数保存功能的。指纹模块包括了指纹的删除，录入，以及识别。并且可通过矩阵键盘来手动按键输入密码来进行开锁。由蜂鸣器和发光二极管组成声光提醒，手动输入密码错误或者指纹识别失败，蜂鸣器发生声光报警。记忆模块来行数据的储存，可以实现密码的断电保护，可以读取到上次设置的密码。开发环境2.1keil4概述KeilC51的软件是用来编写程序的逻辑代码，它的来源是美国的一家公司发布的51系列并且可以执行c51的软件开发的工具，对于汇编语言来说，因为我们也是学习过汇编语言，那么C语言它在结构性上、功能上、可读以及维护性上相对与汇编来说有相当大的改进。那么Keil中提供了包括C编译、链接、管理、以及仿真的调试一切完备工具，这些是一个集成的开发环境将这些结合起来的。2.2ad概述Ad软件是仿真元器件原理图，并且仿真pcb的一个软件，它可以模拟设计出来你的实物原理图，来总体的规划你的设计思路来达到你的目的，在这其中你可以自己来规定自己的设计方案，最终我们可以再次通过我们的原理图来进行pcb图的设计，这其中是由自己来规划元器件放置的合理性，达到接近完美的放置效果，从而在实物制造焊接时，更加的简单，更加的轻松。2.3keil与ad配合Keil编写的程序代码，ad进行器件的设计，设计成功以及检查无误之后，我们就可以使用转移机来进行转印设计图纸，这样我们就可以进行实物的制作，在实物制造完成之后就可以把keil中我们编译成功之后生成的“.hex”文件，烧录到芯片中，这样就可以进行测试代码逻辑和硬件设计的方案是否合理了。2.4烧写单片机程序软件烧些也叫烧录，就是把你写好代码或者专程的机器语言通过一定的方式下载到单片机中。这个就称作为烧写。现在来说烧写软件很多,方式也很多，主要看你的单片机型号。不过现在的烧写软件都是可以支持多种单片机烧写的。想要程序的前提是有程序，这的程序就是keil软件所编译形成的“.hex”，然后就可以使用烧写软件进行烧写了，烧写过程中一定要注意波特率，每个单品机都有自己的波特率，如果不一样，是无法进行烧写的。如果想要进行usb接口来进行烧写的话，还需要usb的驱动软件，否则是无法进行usb连接烧写程序的。在烧录的时候，我们需要先点击烧录，再开启单片机最小程序烧录，或者单片机学习机来进行烧录。硬件设计硬件设计主要是以单片机为核心，其他模块连接单片机，以单片机为驱动核心进行整合的工作，其他的模块在单片机的io引脚的驱动中，进行逻辑判断从而能够达到我们设计的效果，硬件设计的整体框架图下图所示：图3图3程序框架图3.1单片机单片机我所用的是STC89C52，虽然说STC系列的单片机已经很多年了，现在多数是STM系列的，但是STC经久不衰，我们所学习的就是STC系列的51单片机，并且我设计的所需STC89C52全都可以满足。C52单片机充当系统核心，拥有给予电源，还可以逻辑控制程序中的各自模块发挥自己的作用。STC89C52的上手是非常容易的，但是使用的时候也会有一些小的细节，比如说是STC89C52使用过的时候，我们需要注意它的P0口，这8个引脚是需要连接上拉电阻才可以使用的，不然的话就会造成该单片机的电压上拉不够，这样的话系统就运行不了，那么P0口所接的模块，是没办法实现工作的。图3.1STC89C52引脚图3.2指纹模块指纹模块选择的是FM系列的指纹，虽然说是AS608指纹模块是比较经典的，但是我选择的这个FM-40指纹模块这个系列之中自带EEPROM，指纹的存储可以说是都会放在里面，存储量比较大，而且指纹模块的作用以及二次开发都是差不多的，所以我选择了FM-40这个指纹模块。FM-40光学指纹模块是带有自己的数据库的，所以说我们在使用的途中，我们所存储的指纹是存储在指纹模块的存储空间中，这样的话我们就可以不用去做指纹的存储，因为一个指纹的所占字节也不是特别的小，如果说我们去用所选的记忆模块来存储指纹的话，那么是存储不了指纹的，但是FM-40中携带了存储库，我们放心的使用记忆模块去存储其他的东西。FM-40指纹模块的核心是性能比较高的高速DSP处理器所构成，并且它可以在没有上位机的管理参与下，就会有指纹对比以及指纹的录入和搜索储存功能的非常智能的一个模块。并且和其他指纹模块相比来所的话FM-40的功耗在工作时会更加的小，我们实际操纵起来会更加的便捷。FM-40指纹模块之中给我们提供了很多指令，这就让我们不需要去操作指针，操作高低电平，可以直接使用它的指令来操作行为在现在的生活之中FM-40指纹模块它已经应用到了比较多的领域。比如说银行，公司等方面。FM-40指纹模块在完成上电初始化之后，它自己就会主动的发送一个握手的标识，来告诉上位机的模块它已经准备完毕了，已经可以随时的接受指令了。指纹模块的工作原理就是，在我们的手指上会有凹凸不平的纹路，我们就叫做指纹，每一个指纹就相当于一个不同的图案。这些不用的图案专业的名称把它们叫做“特征”。并且我们的手指的特征都是各不相同的，也可以说时我们的指纹是世界上唯一的。而依赖这种唯一特性，每个人就可以通过他本身的指纹对应他自己的身份信息。这样的话，就建立一对一的关系，就可以去比较他现场的指纹于事先保留的指纹来就行比较，从而达到识别他的真实身份。图3.2指纹模块原理图图3.2指纹模块原理图3.3记忆模快我们在开发中，是否这样想过，程序在断电之后，再次启动之后，所有的数据都变成在最开始的状态，我们是否可以存储之前的数据呢？记忆模块就是来实现这种功能的，我在此次设计中，使用记忆模块来存储每次我们修改的手动密码。这样的话，我们每次在修改密码之后，不管单片机是否重启断电，我们修改的密码都会记录下来。记忆模块使用的是AT24C02，这是一个2k位的，有着256个字节的存储器，它的里面有一个8个字节的页写缓冲器。AT24C02串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。图3.3AT24c02原理图图3.3AT24c02原理图3.4显示模块显示器是人类和设计的物体东西之间的重要沟通界面，这些年来跟着单片机以及电子科技的迅猛发展下，液晶屏的显示方面的技术也是在我们的现实生活中得到了比较广泛的应用。并且其液晶显示的模块是以其体积较小，微功耗，并且有相当多的内容显示，也以模块化以及接口电路简单等优点而得以追捧，并且在科研上面，产品设计上面以及生产上面等多种领域发挥着越来越大的作用。自从我们学习以来，显示模块就有很多种的选择，最经典的显示模块是LCD系列的LCD1602，我们最开始接触的LCD显示就是它，虽说LCD1602比较经典，但是也有它达不到的地方。LCD1602的显示是16x02也就是说一共可以显示32个字符。并且LCD1602液晶的显示原理是利用了液晶的物理特性，是通过了对其显示区域进行电压的控制，也就是说有电就可以显示出图形。LCD1602于LCD12864之间的区别其中最大的就是分辨率的差别，LCD1602它是以每个字的5*8的点阵来进行显示，字符区域16*2个字点阵组成，所以说这是一个相当大的限制；而LCD12864是128*64分辨率的点阵。从显示这个角度来说，LCD1602它是有大小限制的，而对于LCD12864来说，大小是可以自己在有效的分辨率中自由的编写的。成本来说，LCD1602是要比LCD12864造价要低的。但是由于LCD1602显示区域有限，因为设计所需要显示的菜单的显示单元字是比较多的，而这就导致LCD1602是没办法实现的，所以本次设计的显示模块采用LCD12864。市场上的LCD12864是分为两种的，一种是自己自带字库的，如果是这样的话，我们不需要去自己封装显示子所需的十六进制字符，还有一种是不带字库的，如果我们要用到那个字是要自己去封装的，如果要自己去写入字的话，这时候我们就需要借助一个工具了，字模工具来自动的生成我们自己字的十六进制数组，我们要把这个十六进制写在所需的液晶显示模块里面，然后使用的时候读出来显示，这样我们就可以使用自己封装的字。但是，这只是一个字，并不说把所有的汉字都封装进去了，我们需要一个一个去封装。LCD12864有的携带字库的原理是因为这些显示模块自己本身是有存储空间的，里面放的是提前写好的每个字的数组。这样我们使用的时候直接用就行了。3.5继电器与电磁锁电磁锁它的设计方式其实是和电磁铁的一样，它们都是利用了电生磁的原理，当有电流经过硅钢片的时候，电磁锁就会有很大的吸力会紧紧的吸住铁板或者吸住铁柱从而达到锁门或者开门的效果。设计中采取了微型电磁锁来判断此程序执行的逻辑正常与否。因为继电器的种类也有很多，我所选取的是继电器中的电磁式继电器，对于电磁式继电器来说，他价格便宜，维护起来比较方便，并且它结构比较简短，动作敏捷,变换准确，相当可靠，依靠这些有点，电磁式继电器被广泛地应用到了低压控制地系统中。继电器地实现就是用其中地一个回路去控制另外的一个回路的断开还是连接，在这个控制地过程中，这两个回路它们都会是互相隔离状态地，继电器地原理就是利用了电磁地效应从而控制了触点以达到电路地通断目标，这样的话如果有铁芯地线圈通电之后，这个线圈地电流就会产生一个磁场，那么这个磁场就会产生吸附衔铁的动作来控制触点通断，整个流程就是这样的一个过程。关于锁的方面，系统信号最终会控制继电器，从而传输控制字电磁锁的信号，来达到电磁锁的开启和关闭。图3.5继电器原理图图3.5继电器原理图3.6矩阵键盘模块矩阵键盘是由4*4一共十六个独立键盘组成，但是它们是互相响应的，每个按键是位于每个行与列的交叉上的。这样的矩阵按键只需要8个io就可以了。这样来看，在按键多了的情况下，矩阵键盘是要比独立的按钮非常的节省io引脚的，在程序判断每个按键的时候，8个io是4个相连的引脚为低电平或者高电平，另外的4个为相反的电平。判断的时候，检测行中时候有电平变化，如果没有，则无按键按下，如果变化了，则说明有按键按下，然后接着判断底下的四个电平那个发生了变化，则可证明每个按键的独立性。图3.6矩阵键盘原理图图3.6矩阵键盘原理图软件设计4.1程序设计流程如果在最开始的构思中，能够有一个优秀的设计方案，那么就可以大大地减少软件方面设计的工作量，从而提高软件方面的扩展性能，可读性能以及执行性能。我们需求根据每个系统的功能要求，来进行维度地划分以及模块地划分。我们要知道每个模块之间它们的数据流是怎么传递地，尽量要做到数据传递地少，从而达到增强每个模块自己的独立性能，这就方便于我们之后地软件编写和调试。这是很重要地，其次我们尽量确定一个从开始到结束的软件开发的环境，选择合适的设计语言，这方面要保证能够完成模块功能设计逻辑代码，并且可以编译调试通过。按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。所以根据这种设计方式步骤，我想如果程序都写着在一个c文件中就显得太臃肿了，所以我把显示模块的基本函数都独立出来，主程序如果需要直接调用函数就可以了，这样主程序逻辑就看起来不太乱，指纹模块以及记忆模块的逻辑也独立写出来，和显示模块一样，这样的话，主程序里面就是逻辑代码了。软件开发中的细节都是有规范的，比如说常数的宏定义，常用参数类型的宏定义，在同一个文件中，如果一个方法要调用另一个方法，那么被调用的方法，要在这方法的上面实现，这些是一些软件编写方面的规定，代码的规定都是规范，我们写代码的时候应当尽量的去遵守，这样我们的代码才能更加的具有可读性，以及更加方便的去修改或者去迭代。4.2程序设计逻辑显示模块逻辑：头文件也就是以“.h”结尾的文件，这其中有四个函数可进行调用，c文件写具体实现逻辑，其中四个方法为：写一个字节的指令以及读一个字节的数据指令，LCD初始化以及清除文本。记忆模块包含的三个方法为：记忆模块的初始化，记忆模块的读取数据以及记忆模块的写入数据。指纹模块包含方法：通讯握手，录入指纹图像，生成指纹的标记并存储，查找指纹并且返回指纹的ID号，自动注册模板返回存储ID，删除指纹，主动校验指纹。主程序逻辑方法包括密码检测，单片机串口初始化，按键扫描，指纹开锁，指纹存储，删除指纹，修改密码，开锁，密码开锁，开机界面，main程序入口。主程序是整个程序的入口，程序的运行是要要i运行main函数，所以要注意的话，所有的逻辑都是要在main函数之中交汇的，我们要分清楚main函数与其他函数的区别，但是我们也不要所有的逻辑都要写在main函数里面，这样的话main函数中的代码就太多了，我们要做到，函数尽量制作自己的事情，如果遇到别的事情，而这个事件是可以写成独立的函数的，那么在这个函数中，我们就只需要调用这个函数就行，不需要把逻辑写在一起，这样增加了代码的可读性，并且这样我们的代码是可复用的，因为并不是说只有这一个函数在调用它，如果不封装的话，在遇到另外一个方法需要调用它的话，我们又要把逻辑重新写一遍，虽然逻辑可能变化不大，但是我们代码的整体性就会显得特别多，这样的代码肯定是不行的，所以我们一定是要封装起来的，这样代码看起来才会更加的美观。而且代码所占的字符也会比较大的减少。系统制作与调试5.1系统制作各个模块需要分布好位置，因为万能板方便连接中进行替换以及在错误的连接之中会有黑大的容错率，所以我选择万能板来进行电路的底板，首先我们单片机的位置，接着在单片机的基础上，进行各个模块的配置，以及设计上的美观程度，矩阵键盘尽量在显示模块的下方，这样来一个个确定好位置，最后进行电路的连接。因为我选择的是万能板子，所以需要手动来进行电路的连接，覆铜板的电路是软件设计好的，然后通过转印纸覆盖，最后腐蚀得到的。覆铜板的结构上会看上去更加的清爽，但是容错率会低一点，电路我们连接好之后，就可以往单片机中烧入程序，来检查我们的程序在实物中的正确性了。烧入程序的软件可以自己选择。5.2系统调试调试过程可总结成三部分，一是检查硬件的焊接是否正常，是否存在虚焊，漏焊的点，这点是很重要的，因为我们不检查仔细的话，实物出现问题，一般都是两种可能，我们所写的代码逻辑不对，还有就是实物焊接不对，在我们下意识以为自己检查可以没问题的情况下，我们就回去检查代码，但是检查代码是一个很负责的事情，因为代码我们在逻辑检查的情况下，很难把所有的突发情况都考虑到一起，这会消耗很长的时间，所以我们在检查的时候要用万用表来检查是否每个元器件是否是导通状态，是否每个都是正常的，二是在保证焊接无误的情况下，烧录程序代码，进行检测调试，三是如果出现bug，则要在软件开发工具上进行代码的修改，出现bug不要先去急着修改代码逻辑，我们要先分析是否是因为别的原因，我们要多试几次，是否每次都是出现这种情况，在确定是代码问题的情况下，再去修改代码，代码修改完成之后，我们需要再次进行第二步，直到一切都正常执行，则调试完毕。图5.2.2图5.2.2管理员界面图5.2.1程序界面图5.2.4图5.2.4指纹开锁图5.2.3选择密码开锁结语程序测试调试完毕，实现了指纹开锁以及密码开锁的主要功能，然后进入管理员模式的操作，修改开锁密码，录入指纹，删除指纹，一键开锁都已实现，蜂鸣器以及二极管的警报操作也已经实现。最后的记忆模块来存储重新设置的密码，验证可以实现。经过这些一系列的测试，最终的效果是可以在现实生活中使用的。如果后期在