【《基于单片机的指纹智能门锁的设计与实现》8800字（论文）】

I基于单片机的指纹智能门锁的设计与实现摘要科学技术的发展在让社会不断发展的同时，近些年来，指纹智能门锁在人类社会中发出了显著的作用，体现了其与众不同的地位。指纹智能门锁为人们日常生活带来了许多便利，同时也节约了许多时间。本文研究了国内指纹门锁技术发展现状，了解该技术的发展动态和未来趋势，本次设计采用了单片机进行设计，利用单片机控制指纹模块实现对指纹图像处理的技术。本次设计使用STC89C52单片机作为主要控制芯片和外部器件一起构成控制系统，把指纹传感器对指纹图案的录取当作根本，最根本的目的是完成对指纹的收集、记录和对其进行比较。使用独立式键盘来对芯片发送指令，实现增加新用户、去除已记录的用户还有对记录用户进行证明等作用。关键词：安全系统;指纹识别;单片机;控制系统目录摘要 I第1章绪论 11.1研究背景及意义 11.2智能门锁研究的现状及发展前景 2第2章智能门锁总体设计方案 32.1工作原理 32.2硬件要求 42.3软件要求 5第3章系统硬件的选择及电路设计 63.1单片机的选择 63.2指纹模块AS60X电路 83.3电子锁及相关电路 93.4液晶J12864电路 10第4章系统软件设计 114.1指纹识别程序 114.1.1指纹模板的采集储存 114.1.2指纹比对程序设计 114.1.3指纹集及详解 124.1.4指令应答 134.2ADC键盘程序设计 15第5章仿真设计 165.1PROTEL99SE的简介 165.2仿真结果 16第6章实物调试与运行 176.1

电路的焊接 17结

论 19参考文献 20附录1主函数程序 22附录2总原理图 25第1章绪论1.1研究背景及意义随着社会的发展和科学技术的进步，传统的安全保障体系面临着巨大的挑战。在长久以来，验证一个人是否拥有有效的存储设备是安全保障系统中验证身份的主要方法,比如钥匙或者密码等。因此，这种方法的实质不是人本身，而是某种“物”是否被验证人所持有。要想持有“物”的人身份得到认可，就需要确保“物”的真实性。这种通过“物”来确认人的身份的方法缺点异常明显：如果“物”丢失的话就会使得法人无法被认证，并且各种类型的储存设备也容易被人伪造和破解。由于互联网的普及，我们每个人都或多或少的拥有一些属于自己的密码，比如有账户密码、手机密码等。密码作为一种验证身份的“物”已经被大多数人使用，但是容易忘记和被盗取是其不可遗漏的缺点。它们不仅在智能方面不能满足需求，在安全方面更是得不到人们的认可。如今，各种钥匙，不论是门锁钥匙还是汽车钥匙甚至是保险钥匙，都存在着像密码一样明显的漏洞。这些老旧的安保方式已经因为社会的前进变得不再那么安全了，但是这个尴尬的问题是我们无法避免且必须面对的。在我们的日常中，随时需要验证身份是否为本人。特别是在如今这个社会，大家想要更安全的心理越来越密切。而且我们也需要有更加方便的验证身份的方式。 为了解决这一长期存在的问题，新兴的生物特征识别技术引起了人们的关注，想要通过人类独有的生理特点来对身份进行验证。这样你就不用随时带上能够验证你身份的“物”了，比如钥匙和密码。与它们相比，我们的生物特点是唯一的，如指纹，在世界人口如此多的前提下，仍然不会出现两个相同的指纹。目前，在电子商务中，经常有人伪造当事人身份。假如采用生物特征认证的方法，是可以有效阻止此类事件的发生。此外，一些涉及机密以及重要事项的文件、物品等都能够利用生物特征来进行身份识别。由此我们能够得出的是，利用生物特征来进行身份识别的技术不但可以给我们带来利益，还可以为国家在安全方面做出极大的贡献。比尔·盖茨在1997年曾这样预言：“生物识别技术是利用人体的生理特征，如指纹、虹膜等，各人识别系统将成为未来几年IT行业的一项重要创新”，利用指纹来验证个体身份的技术在生物识别技术中基本上是最高级的技术了，因此指纹锁诞生了，它是新时代门锁的象征，利用指纹验证成为了新型的开锁器具，极大的提高了安保系统的安全性，特别是由于指纹独特的生理特性，从长远来看解决了传统开锁方式的许多问题，几乎是弥补了它们的所有不足。但是想要做成一把符合规定的指纹锁是需要使用到先进的芯片和质量好的材料，再加上它需要高科技的支持，因此它的成本特别高，这就导致它的市场价格很贵。这些年来，随着指纹识别产品的不断普及和人们开始想要进一步的提高生活的智能水平和安全系数，这都有利于指纹识别产品的发展。由此，可以预见，指纹锁将将为安全体系的变革提供历史性的契机。1.2智能门锁研究的现状及发展前景智能门锁是基于传统的机械锁改进而成的，更安全，更容易识别和管理用户的安全性。一般来说，指纹解锁、解锁密码、解锁蓝牙、解锁网络等功能可以称为门锁智能锁。根据客户类型，智能门锁可以分为零售市场和工程市场。消费者需要购买现有房屋的项目装饰和门锁更换产品。目前，在智能门锁行业中，工程市场如品牌公寓和房地产等，主要是短期内大规模出货的中心采购和大规模交易。这就是许多新的互联网智能门锁企业想要的市场。在2016年之后，我国的指纹识别门锁市场不断突破新高，指纹门锁便以极快的速度发展。从数据看出，在2017年我国指纹识别门锁的销售量超过了800万套，在下一年甚至可以达到一千多万套，但是在2019年因为许多事情的干扰，智能门锁的所有产业的销售额略有下降，智能门锁的生产和销售量为1400万套。因为消费者的受教育程度以及人们消费水平的不断提高，我国指纹识别门锁市场预计在十年内超过700亿。因为指纹识别门锁属于高端产品，具有其固有特点，因此它密切关系到家庭消费水平和居民收入水平。在相对发展的华东、华南以及沿岸地区，产品的接受度高，市场的消费量大。关于区域分配，数据显示，我国的指纹识别门锁市场可能在2019年聚集于中国东部和中部。在最近几年，国家大力推动智能产业的建设。不断深化智能家具改革，实现技术自律性，改善智能门锁行业链。随着智能家居物品的款式不断增加以及销售平台的增多，对智能家居的要求的要求也慢慢变得一致，应用方案逐步扩大，智能门锁也与生活场景相连接。第2章智能门锁总体设计方案2.1工作原理指纹识别技术历史非常悠久，在很久以前便是一种鉴定技术。几千年前，以中国人为主的古人类便用它来确认身份。在当今，因为现代计算机识别技术的不断进步，利用指纹来识别身份越来越普遍，比起其他生物识别技术更优势的地方在于它是独一的，而且不会轻易改变。目前，在世界各地已经有专门搜集指纹的储存库和识别的研究所，经过近20年的研究和应用，其芯片模块已经十分的完善，其识别的成功率不断提高且价格再不断降低。国外，一些发达国家已经研发出了许多种可以用来识别指纹的设备并开始使用。清华大学是我国最先开始研究此类的大学，在上世纪末，它研发出了可以识别指纹的磁卡，随后又有许多高科技公司开始研究指纹识别技术，这其中的浙江中正在2000年研究出来的极小的能够识别指纹的系统表示着我国在关于指纹识别方面已经处于世界级的水平了。收集指纹的方式主要是借助指纹的样式或生物特点，利用传感器技术再表示出来，形成指纹的数字表示图案。开始，采集指纹的板块采集人类身体的指纹图案，对最开始的图案进行第一次处理，这样使得指纹里面的特点更加突出，紧接着，使用一种特殊的算法将图案变为指纹数字，但是这种转化是单方面的，只能够把图案变成表示特点的数据，反之则不行，而且只有两个相同的指纹才能变成一样的数据，这样就能进一步确保指纹锁的安全性。指纹分叉点、终止点或转折点的坐标位置，通常被专家称为“细节点”，它同时具有七个以上的独特功能。一些算法对交点和方位造出了新的信息，可以用来显现交点的朝向，甚至作用于全部的指纹图案。这些数据通常称为模板，存储在1k或者0.5k的记录中。最后，我们采用电脑模糊法把两个指纹模块进行匹配，计算他们相似程度，最后获取到他们的比对结果。对指纹特点进行匹配的原理是将指纹的所有特点和细小的特点分别比较。比较是在收集指纹模块里已经储存的和正在识别的指纹中运行的。这两个指纹的比较不是对图案进行的，而是对已经变成特点值比较。其工作流程如下图2.1初始化开始初始化开始指纹模块初始化LCD12864初始化指纹模块初始化LCD12864初始化初始化完成初始化完成指纹采集指纹采集采集数据 数据采集成功数据采集成功 搜索录入搜索录入指纹采集错误指纹数据对比指纹数据对比 指纹采集正确开锁开锁图2.1智能指纹门锁的工作原理图2.2硬件要求整个系统主要分为了六个部分，分别是矩阵键盘部分、LCD液晶显示部分、AT24C02存储芯片部分、指纹模块部分、以及单片机控制部分。整体框架图如图2.2所示：电子锁液晶单片机时钟芯片ADC键盘指纹模块电子锁液晶单片机时钟芯片ADC键盘指纹模块图2.2硬件框架图2.3软件要求软件设计要求包含主程序、LED显示程序及蜂鸣器声音提示程序。通过对许多的智能门锁的研究发现，再结合实际情况，进行软件设计并进行以下要求：1.设计智能指纹解锁时应遵循整个操作流程简单易懂；2.智能指纹解锁设计能够通过按键选择录入指纹，并且根据已录入指纹是否能够打开门锁；3.打开门锁指纹不符合时提示并伴随声音提示。第3章系统硬件的选择及电路设计系统的硬件电路设计主要是根据系统整体框图来具体的设计各个部分的电路，主要包括STC89C52单片机外围电路设计、AS60x指纹识别、ADC键盘电路、液晶J12864电路几部分。3.1单片机的选择微型计算机的一个主要构成部分就是单片机微型计算机。它具有极高的适应力，单片机微型计算机又被称为单片机，非常适合用在控制器上，所以又被叫做微控制器。基本上所有的单片机都是由一个集成电路芯片来组构的，虽然它的大多数能力放在在一块小芯片上，但是它包含了一个计算机组成的基本元素：中央处理器、内存储器、总线系统，当前也有很多具有外部存储器。另外还有许多的外围设备。而且目前最先进的单片机是能够把图片、声音等等放在一块芯片上。电子技术的发展离不开社会进步，社会发展也需要电子技术的支持。20世纪末，因为科技技术的不断进步，几乎社会的每个方面都包含了电子产品，社会也得到了不断的发展，由于社会发展带来的良性辐射，现代电子产品再次进步，升级的速度也越来越快。在快节奏的今天，时间显得异常宝贵，但是由于事情的复杂会很容易使人遗忘时间和还没有完成的事情，如果要做的事情并不是很紧急的话，忘记了危害也就没有那么大，甚至是不值一提的。然而，一旦有重要的事情发生，一时的耽搁可能就会导致灾难。目前，单片机的发展还在路上，使其性能优异，功能多正是他的发展方向，此外他还会朝着降低功耗、缩小体积、提升容量、降低成本、提高性能等方向发展。应用单片机的主要原因是因为他在根本上改变了传统的思想和方法，给我们带来了不少便利。在之前用模拟电子技术和数字电子技术才能完成的事情，如今大部分都可以用微控制器来完成了，这种微控制技术有着历史性的意义。随着1代、2代和3代的发展，单片机正在朝着增多功能、提高性能、降低电压、降低功耗、降低价格、增加存储容量、强I/O功能和较好的构造合并方向发展。他的发展方向就是，让存储器和I/O口尽量放在一个芯片上，这样就可以让单片机的作用变多。不同的单片机对不同的领域有着不一样的控制器件，这样有助于减少用于系统芯片的个数。为了有效的提高单片机工作的效率，技术人员让单片机使用了流水线和DSP设计技术，具体在于：1.时钟效率得到了提高2.同等频率的单片机工作时间也大大减少3.集成度的提高带动了单片机的工作效率的提高，在部分功能上都达到了以前不能达到的水平。随着技术的不断进步，系统资源以及难度也在不断增加，这就要求我们要采用更高级的语言来编写单片机的程序了，那就是C语言。使用C语言的好处一方面在于降低了开发成本以及难度，这就意味着我们可以编写出更多的程序，另一方面的优点就是缩短了开发需要用的时间，并且软件读取程序更加准确，方便了我们改进和扩展功能单片机是靠程序的，并且可以修改。利用不一样的计算机指令完成多种功能，特别是那些特定的功能，这是其他的器件费很多功夫才能实现的，大多数都是不能完成的。完成一个并不是太难的的功能如果用早些年研制的纯硬件来做的话，一定会需要一个很大的印制电路版。但是如果用的是十年后开发成熟了的单片机，PCB板的大小是会完全不同的，这是由于利用单片机来完成这些功能是可以提高效率，降低成本的。

在该部分设计中，是采用了STC89C52单片机。因为STC89C52是一种能CMOS8位的微控制器，它消耗功能少，性价比高。它能够帮助更多的控制应用解决问题提出多种有用的方法。STC89C52内部设置了运算放大器，它的输入端的极性和输出端极性相反，输入端为RXD，输出端为TXD。单片机部分原理图如图3.1所示。图3.1单片机部分原理图3.2指纹模块AS60X电路基于指纹识别模块选择的是AS60X，它的通讯手册有三十多条指令，根据每条指令的指令包格式通过串口发送指令到指纹模块，有二十条左右是基础指令，单条使用或者组合起来使用可以完成收集并保存指纹、查找指纹、清除指纹、查询指纹数目、上传下载指纹、修改参数等操作，一般用到的大概十条左右。在指纹图案识别的过程当中，无论手指是否干燥，他都有很好的成像，可以适用于大部分人群。而且可以不用具备专业知识就能应用。使用者凭借AS60X模块给出的多种控制指令，可以自己研究出多功能的指纹识别系统。而且对于不同的应用场景，使用者还可以根据情景来设定相对应的安全级别。指纹采集电路如图3.2所示。图3.2指纹（串口）采集电路3.3电子锁及相关电路电子锁KL-03在工作的时候额定电压为12V，额定电流为1A，为了进一步控制电子锁，便在单片机和电子锁之间增加了一个继电器，外部电源给电子锁提供电源，单片机凭借控制继电器来实现控制电子锁的动作，为了使得供电电压更加简单，使用了一个7805芯片将给供电给电子锁电源电压直接转化成5V，给系统供电。因为MCUI/O端口输送出来的电流相对较小，所以就有必要把一个晶体三极管连接到单片微控制器的输出端，三极管的集电极电流便是继电器能够产生吸合动作最小的电流，三极管的基极电流等于集电极电流和放大倍数比值，为了使继电器稳定，可以确定放大比，基极电流约为计算值的两倍。计算基本电阻约为2K，本次设计中基极电阻为1K，当电流从三极管流过由通顺变成停止时，继电器的线圈绕组两端就会因为自感应而产生感应电压。它和电源电压重合在一起后加到三极管的发射极和集电极两极上，这样可能会因为电压过大而导致发射结损坏。为了让这个自感电压的坏结果消失，我们就在产生自感电压的继电器的线圈绕组两端用相反的方向并联起来，这样就可以制约二极管，便于处理这个电动势。由其产生的电压和电源电压的叠加对于二极管来说是可以让其电流正向流动的电压，减少电阻，提高了导通性，最终形成环流，感应电动势就会通过该环流消失掉，使三极管的安全得到保障。

在继电器的经常关闭的端口位置连接了一个用于指示的灯，用来表示继电器是否处于吸合状态，当这个灯没有亮的时候就代表继电器处于吸合状态，反之则是没有吸合。继电器电磁锁控制电路如图3.3所示。 图3.3继电器电磁锁控制电路3.4液晶J12864电路J12864液晶自带中文标准字库，显示模块可以显示汉字及图案，具有绘图及文字画面混合显示功能。接口电路图如图3.4所示。图3.4液晶12864接口电路图第4章系统软件设计系统软件设计的基础是以硬件电路为主，以实现系统功能为导向，主要包括指纹识别程序设计、ADC键盘程序设计、液晶J12864程序设计几部分。4.1指纹识别程序4.1.1指纹模板的采集与储存指纹模板的采集与储存是单片机对同一个使用者的同一个指纹记录两次后，在图像缓冲区ImageBuffer进行储存，接着就把指纹图案转换成指纹唯一特点，在特点缓冲区进行储存，紧接着把两个指纹特征模板进行处理变成一个并放在专门的存储库中，每一个指纹模板都会有自己的编码，并且保存指纹的存储库中在没有电的情况下仍然可以继续运行。指纹模板在FLASH当中开发出了一个专门用来存储收集了的指纹模块的板块，这就是指纹库。它可以储存1000枚指纹，在指纹库中存储的指纹模块在没有电的情况下也是不会消失的。对收集的指纹的放置是根据一定的顺序的。使用者必须要凭借指纹对应的编号才可以读取指纹库的内容，想要进行储存和搜索都必须有对应的指纹编号才可以进行。4.1.2指纹比对程序设计在整个指纹门锁系统的设计里，把指纹进行匹配的程序编写是它最重要的部分，把两个指纹进行比对的时候，可以使用专门的传感器把需要的指纹图案收集并进行转换，接着将其和模块中已经存在的指纹模板进行比较，单片机会在图案比对结束后操控电子锁的动作。4.1.3指纹集及详解指令集指令代码功能PS_Getimage01H从传感器上读入图像存于图像缓冲区PS_Genchar02H根据图像生成指纹特征存在CharBufferPS_Match03H精准比对CharBuffer中的特征文件PS_Search04H以CharBuffer中的特征文件搜索整个或者部分指纹库PS_RegMode105H将CharBuffer中的特征文件合并并生成模块存于一个CharBuffer中PS_Storechar06H将特征缓冲区中的文件储存到flash指纹库中PS_LoadChar07H从flash指纹库中读取一个模板到特征缓冲区PS_Upchar08H将特征缓冲区中的文件传给上机位PS_Downchar09H从上机位下载一个特征文件到特征缓冲区PS_UpImage0AH上传原始图像PS_DownImage0BH下载原始图像PS_DeletChar0CH删除flash指纹库中的一个特征文件PS_Empty0DH清空flash指纹库PS_WriteReg0EH写SOC系统寄存器PS_ReadSysPara0FH读系统基本参数PS_Enro1110H注册模板PS_Identify11H验证指纹PS_SetPwd12H设置模块握手口令PS_VfyPwd13H验证模块握手口令PS_GetrandomCode14H采样随机数PS_SetChipAddr15H设置芯片地址PS_ReadINFpage16H读取FLASHinformationpage内容PS_Port_Contro117H通讯端口开关设置PS_WriteNotepad18H写记事本PS_ReadNotepad19H读记事本PS_BurnCode1AH烧写片内FLASHPS_HighSpeedSearch1BH高速搜索FLASHPS_GenBinImage1CH生成二值化指纹图像PS_ValidTempleteNum1DH读有效模板个数PS_UserGPIOCommand1EH用户GPIO控制命令PS_ReadIndexTable1FH读索引表4.1.4指令应答应答是把相关的状况和结果反馈到上位机，应答包含参数，并可跟后续数据包。上位机只有在收到SOC的应答包后才能确认SOC收包情况与指令执行情况。应答包格式确认码定义 指令只能由上位机下给模块，模块向上位机应答。4.2ADC键盘程序设计ADC键盘采用的是电阻分压的原理，输出了电压信号，再用单片机里面的键盘程序把输送出去的电压信号转化成数字信号，接着将十位的二进制数字信号变成十进制，在还未设计程序的时候，将每个按键都按下，测量它相对的数字并且记下来，接下来我们如果要判断按键的值的话就可以直接用它按下后转换的数值来进行判断。每一个按键在按下后，产生的相对的数值大多数都是取决于软件和硬件电路，在单片机的内部有一个十位逐渐靠近型矩阵键盘，可以对接口端A的八路单端输入电压信号进行采样，单端输入以电压0V（GND）为基准。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定，ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB，ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL。ADC键盘检测流程图如图4.2所示。AD初始化AD初始化启动A启动AD转换判断转换数值 Y判断转换数值判断键值 N判断键值显示并返回键值显示并返回键值 图4.2ADC键盘检测流程图第5章仿真设计5.1PROTEL99SE的简介PROTEL99SE为是一种EDA软件，它有着功能丰富、主页简洁、很容易上手等特点。成为目前能够同时做到设计电子线路原理图、PCB制作的工具。它可供选择的器件非常多，可以找到需要的器件；它还具有强大的全局编辑能力；它提供了强大的自动布线功能；它可以选择版层结构，看到其3D效果。PROTEL99SE使用方便并且功能强大，能够节省用户时间，并且它除了基本的设计功能，还具有信号仿真、自动布线3D预览等功能，对初学者十分友好，在国内的普及率非常高。5.2仿真结果这次仿真是关于LCD12864显示屏的，通过仿真进行软件调试、硬件排错，避免在后面的设计中出现不必要的损失。在PROTEL99SE里选择有用的元器件，做出来的原理图如图5.2所示：图5.2LCD12846仿真图第6章实物调试与运行6.1

电路的焊接首先要足够了解我们要做的电路原理图和PCB图，然后找到应有的元器件，焊接时，装焊的顺寻应先小后大，电阻、电容等元器件均为片式，对于一些极性电容，焊接时应注意“+”与“-”极不能接错，标记方向要容易被看见，在焊接二极管时要按图注意正反极的极性，不能装错。在对三极管进行烧焊的时候，需要了解它的每一个引脚，找到正确的位置再进行焊制，它焊接的高度不能过高，焊接所需要的时间要不能过久。同时，我们在焊接的的过程中可以用夹子夹住引脚，这样方便散发热量。在焊接集成电路之前要检查各个零件是否合格，要注意正确摆放芯片，不能弄错，然后就是在焊接时一定要先焊接边上的引脚，固定其位置。实物图如图6.1所示。图6.1实物图把已经写好的程序下载到单片机里面，然后给插上电源，显示器显示出欢迎界面，并开始初始化，实物开始界面如图6.2所示 图6.2实物开始界面录入指纹，实物成功界面如图6.3所示。 图6.4指纹录入成功界面结论经过本次设计，我有了实践操作的机会，再结合书本上学习的理论基本，使我受益匪浅，更加了解了单片机相关知识。现在基于单片机的智能指纹识别门锁系统基本可以完成指纹锁产品的所有功能，虽然存在着部分瑕疵，但都无伤大雅，因为该系统在设计层面上已经实现了其价值。现在指纹锁产品都比较昂贵，但是它的成本其实并不高，它的价格主要在于品牌和技术等方面，因此我们不难得出它的发展前景以及利润是十分可观的。参考文献[1]

中国指纹锁产业市场前景巨大,

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