【《基于单片机的指纹电子锁设计》11000字（论文）】

系统硬件电路设计本章讲述了各个硬件模块的电路设计，分析各个模块的功能和原理，以及其在本设计的作用。3.1STC89C52单片机系统设计3.1.1STC89C52的概述TC89C52RC芯片处理器是由宏晶技术开发的高速、低功率、超反干扰微控制器的新一代芯片。将此芯片运用到计算机数据库中，命令代码完全与以往的8051微控制器兼容。使其能够准确运行，并且能够有12时钟/机器循环和6个时钟/机器循环【3】。该芯片的主要特征如下。工作电压5.5V-5.0V（5V单芯片微计算机）/3.8V-2.0V（3V单芯片微计算机）工作频率范围：工作频率在20-50MHz之间。芯片与计算机连接之后还会带EEPROM功能和监视功能。能进行普通的运算，运算的速度相当于16位计时器/计数器。也就是说，计时器的运转速度较快。一个外部中断、下降中断或低电平触发电路，这样的电路会导致整个系统发生瘫痪，引起瘫痪的其他因素还有外部连接的中断。STC89C52RC芯片还具有动作模式，这个芯片还能够及时对来自UART端口的数据进行处理。芯片在运行过程中如果发生突发性损坏就会导致整个系统的运行功率下降。3.1.2STC89C52单片机的最小系统单片机最小系统中的管理系统是运行一切功能的关键，运行这个系统的目的就是使单片机以最少的内存空间来完成计算机工作的系统。其次，介绍了51中最小芯片系统所需的器件及其功能，这些芯片都有其各自的功能；首先，电源对电子产品的要求是必不可少的，电子产品的额定电压应该在电源的合适电压范围内，在使用合适的电压给系统进行供电后，系统的内部结构会运行的更加稳定，使得系统能够在合适频率的电流的流通下完成相应的工作，这是提高工作效率的关键。因此，电源电路设计是很关键的设计，它决定了整个系统能否正常工作。晶体振荡器在微芯片系统中被称为晶振，其作用也非常重要【4】。该晶振不仅会被运用到多个方面中，也对系统的运行及改造也有一定的帮助，晶振有着很高的效果，如果要使它的效果更高，晶体的开发项目就会要被做的越来越大，系统的速度会更逐渐加快，有些晶体还可以在一定的频率范围内通过压力进行调节，它被称为电磁大气（VC），是一种能将能量和能量转换成磁共振强度的晶体，并且能为一些工程提供精确的频率和稳定的频率【5】。图3.1晶振电路SCM芯片具有设定和处理数据的功能，使用这款芯片不仅能够让电路在一定时间内变为稳定的0，也能让电路快速达到所需要的电压值。MCU将寄存器和存储设备加载到制造商的数据库中，来完成对大数据的采集和利用。MCU复位电路的原理是MCU复位销RST上的外部电阻和容量，并且扩大自己的内存空间，当复位电平大于两个机器循环时，复位有效；否则，则判定为复位失效。而且，只有能量集中才能勉强实现这个结果，一般设定10kΩ的电阻和10μF的电容器。复位电路被分成两个部分：1、上电复位：当打开电源时，电容处于充电状态，此时电路电流值最大化，RST端为高电平，这时可以自动复位；当电容的电压达到最大时，此时电流最小化，RST端为低电平，并且程序可以正常的运行。2、人工复位：经过上电复位后，当按下按键后，RST就与VCC相连成功，此时为高电平复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容进行充电，充电电流流过电阻上，RST依然保持高电平，仍然是复位状态，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。图3.2复位电路图3.3STC89C52单片机最小系统3.2LCD12864液晶显示电路设计3.2.1LCD12864的概述在使用LCD显示器时，需要认真查看LCD的内部结构，再根据里面的结构来对所完成的系统进行分析。图3.4LCD12864原理图3.2.2LCD12864的工作原理一、LCD12864功能应用LCD12864显示器可以显示中文，英文，字符等重要数据信息，LCD显示器应该是目前使用率最高的液晶显示器，整个显示器的分辨率为4K，能够清晰的显示出工作过程，并且能够准确的分析出整个过程中电压以及电流的变化。图3.5LCD12864读操作时序图3.6LCD12864写操作时序二、LCD12864主要技术参数（1）工作电压：3.3V-5.5V，模块最佳电压为5V。（2）可以在显示界面显示数字、字母和中文汉字。（3）在与外部单片机相连时，用并行通信。（4）显示内容：128列×64行（5）显示颜色：黄绿/蓝屏/灰屏（6）LCD类型：STN（7）与MCU接口：8位或4位并行/3位串行（8）配置LED背光（9）多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等三、LCD12864液晶显示的电路用法分析图3.6LCD12864电路连接图图3.7LCD12864电路连接图这个模块能够处理显示出来的用户信息，然后对这些信息进行收集处理，最终以汉字的形式显示出来，字符和数字，而LCD12864满足系统要求的显示功能。LCD12864引脚由拥有8个接口，并且8个接口的类型都不相同，内部不仅仅有USB接口，也有type-c接口等等。无论如何，第16和第17空针；其写入命令可以控制液晶显示器的模式和工作状态，然后写入数据以使液晶显示器可以显示所需的界面【8】。3.3AS608指纹识别模块设计3.3.1AS608的概述指纹识别感应器是目前比较先进的信息收集器，用户录入自己的指纹后，可以长期以此指纹进行解锁。AS608指纹传感器采用串口的方式与单片机进行数据传输，所以只需要将指纹模块接入到单片机串口引脚上，通过串口就可以进行控制这个系统了。并且指纹传感器的工作环境与电路运行的环境有着相似的地方，在指纹传感器的旁边引脚上加入D4和D5两个二极管，进行降压到3.3V左右，就可以给指纹传感器供电，这利用了每个二极管大概压降0.7到1V左右的压降的原理，原理图如图3.8所示。 图3.8单片机与AS608连接电路图3.9指纹传感器模块实物图3.3.2AS608指令介绍AS608指纹识别模块是一个独立的系统，它本身不用连接其他的外部设备。主机（Host）内部有着独立的整合包，内部的整合包所编辑的代码还可以与一些指令进行结合，与这些指令进行结合后，我们事先准备好的数据包就能发挥好作用了，使用这些数据包将所有的指纹信息进行存储，再将存储后的结果保存在大数据库中【9】。指纹命令包类型如图3.10所示图3.10指纹指令分类3.4射频识别的设计一、射频识别RFID系统是一个自动识别系统，由RFID标记、阅读器和计算机网络组成。阅读设备释放大量的能量在一个区域，光线聚集在一个点上之后，射频设备再进行反转，就能达到预期的效果，从而使得数据被存储进了计算机中。设备运行之后由RFID标记发送的信号，为了实现身份查验的目的，对数据进行解密和核查。二射频识别系统当电子标签进入天线的磁场，如果你从读出装置获得特殊的射频数据信息，以及光线感应到一些其他的数据库中，可以从中得到很多的标签信息以及类别处理信息，这些信息使得射频系统具有一定频率的信号，发送到中央信息系统处理数据。3.5AT24C02的介绍3.5.1AT24C02的概述AT芯片作为主芯片时，可以通过与其他的设备连接，设备连接之后通过电压的允许，可以多次重复写入，读写效率高，不被外界干扰，体积小等优点。并且它是采用了串行操作的读写方法，利用的串口也很少，还有一个独有的读写保护功能。图3.11AT24C02芯片实物图3.5.2AT24C02的引脚说明AT24C02时钟芯片引脚功能描述见图表3.1。表3.1AT24C02时钟芯片引脚图3.5.3AT24C02的工作原理当AT芯片进行工作的过程中，AT芯片可以与计算机完成链接，与计算机完成链接之后，计算机可以通过这类芯片进行高速运算，并且运算速度也达到了很高的层次，这时候计算机会把AT芯片中计算出来的数据储存在数据库中，用来完成以后的运算处理。读取最后一个操作地址加上上一个位置的数据，这时这个数据将会在这个芯片中呈现，最后再将它存储进大数据库中。在读取足够的数据后，如果发送无响应信号，那么就会发送停止信号。图3.12AT24C02读/写时序图图3.13AT24C02电路图3.6矩阵键盘的设计由于这个设计有很多键，为了系统能够更加方便的运行起来，还需要对矩阵键盘的键盘布局进行相应的设置，按键方案在图3.13中显示。在使用按键的过程中，如果矩阵键盘的布局没有处理好，就不能进行接下来的操作，相反，当处理好按键之后，当按下此按钮之后，如果交叉线和线已连接，相应的行或线的水平已经改变。有很多方法来检查矩阵的键盘，如点扫描，顺序扫描，全球扫描等等【10】。（1）判断键盘上的按键数量。MCU会将信号传达到所有线路，在矩阵键盘上按下开始的启动键，启动键按过之后，键盘就会与电路进行连接，链接后的电路会被键盘给控制。则连接到该线路的输出端口将获得非全1信号。（2）确定按键位置。确保你按下一个键，当你按下它时，它会出现一些反应，如果反应的效果不是很明显，这时采用方法：设置线作为输出端口，连接下一个输出端口，然后检查列的状态。如果列位于低水平，然后将按下键切换到低输出线和线之间。（3）键码计算。设计系统的过程中，通常使用计算方法或查找表方法，来给编程软件的代码进行相应的更改，这使它的功能发生一定的转变。

矩阵键盘的电路图如图3.13所示。图3.14矩阵键盘电路图4*4矩阵键盘的16个按键对应的功能表如3.2所示。表3.2矩阵键盘对应功能表3.7报警电路的设计蜂鸣器在工作过程中会使用很大的电流，因此应该避免将其与其他的设备进行串联，防止出现断路的情况，要想放大蜂鸣器实现需要的电流，这个时候就需要采用三极管来实现。图3.15蜂鸣器电路3.8继电器驱动电路设计继电器是受电控制的组件。一般情况下，它被用于进行自动管理和控制电流接通。总之，在使用继电器时，也要考虑好继电器所能供给电路的电压，如果继电器供给的电流量过大，将会导致电路出现烧毁的风险，如果电流量过小，则不能够支持电路的运行，将这两个程序兼并的方法，这个时候就需要增加电流放大器，来让电流的流量增大。图3.16继电器驱动电路3.9系统硬件测试系统硬件电路测试中有一些组件错误，如电路设计错误，以及电路出现偏离主轨道问题，焊接过程中出现电丝烧熔这些问题，以及电路短路、电路开路、电路假焊接等现象。用于漏电焊接和整改错误组件，整改一些错误后，会使后续的操作更加方便快速，在判定为正确或不正确的情况下，为了在时间范围内决定维修焊接，需要再次安排时间进行检查。我们使用数字万用表，用红黑表笔测量二极管，判断电路是否正常。我们在检测两个用电器之间的电线时，如果电路出现了异常，蜂鸣器它就会响。这样，我们通过利用蜂鸣器就很快的排除了电路的故障。4系统软件部分设计4.1软件开发环境的介绍本设计选择Keiluvision5作为源代码的开发工具，它是一个强大的C语言软件开发系统，具有独特的结构和功能优势，作为C语言用户，不得不对这个开发工具进行称赞，因此，这个软件是最好的选择。它可以提高程序运行效率，它拥有独特的机器语言优势，对开发软件会带来很大的优势。4.2系统重要函数的介绍4.2.1主函数的设计主要功能是一个程序的输入函数，如果定义了一个完整的程序，那么这个函数就需要与一些需要初始化的外围设备和MCU进行连接；如果没有无限循环的数据，就证明程序没有问题，再这样重复下去，连续循环实现实时检测的目标。在设计主要程序时，我们必须注意到，在主函数中不能跳过多个代码。具体代码通常是通过在软件包中使用特定的编码来命名的，然后根据核心功能而定。因此，我们需要对这些函数代码进行记忆，如图4.1所示。4.2.2AS608指纹搜索子函数的设计指纹搜索功能可以允许用户扫描自己的指纹，然后就可以与计算机进行通信，从而将自己的指纹信息储存在计算机中，管理员发送适当的指纹管理软件包，并且把软件包储存在计算机中，用户在完成自己的指纹认证之后，就可以使用相应的功能，这也就是指纹传感器的主要功能。搜索指纹子函数流程图如图4.2所示。4.2.3匹配IC卡程序设计在这个设计中，统一IC是特别重要的，如果不能合理地完成这一步骤，就无法达到所希望的效果，不适当的运作可能对系统的安全构成严重威胁。具体的程序如图4.3所示。图4.1主函数流程图图4.2搜索指纹子函数流程图图4.3匹配IC卡流程图4.2.4LCD12864显示函数的设计为了能够更好的发现实验运行过程中的错误，以及对实验结果进行分析，就需要有先进行规划的操作，这是一个主要的程序功能，LCD1602液晶模具有识别文字的功能，这可以通过命令程序来实现屏幕和光标的移动来完成。用户在进行相应的实验时，可以观察LCD屏幕的数值来对实验过程中出现的问题进行分析，如果没有出现错误，用户就会把实验结果给记录下来。如果不是，它将会执行。图4.4是1602芯片的内部显示地址。【11】图4.4LCD1602内部显示地址显示函数流程图如4.5所示。图4.5显示子函数流程图4.2.5AT24C02读/写函数的设计我们不仅仅要使用AT芯片，还得运用相关的专业知识使得AT与互联网联系起来，使二者能够共同的为系统服务。由于51台单片计算机没有IEC接口，所以AT24C02芯片的数据读出/记录需要严格的协议要求。图4.6AT24C02写数据流程图图4.7AT24C02读数据流程图4.2.6矩阵键盘检测函数的设计在开发面板上使用4*4矩阵键盘：默认情况下，4行上升到高水平，4行默认是高水平的。kayc1-keyC4线有四个高电压电阻，它们都是+3.3V，除此之外设置安全1~keyc。这样的安全措施能够将这些线路与之前所提到的8个接口进行相应的连接，使得安全系数达到最高的同时，还能使这些系统所处理的数据加密更加安全，并且处理数据的速度也有所提高，基于此研究方法，我们决定进行矩阵键盘内部代码的编写，来实现矩阵键盘内部的执行的功能。【12】（1）按下矩阵键盘的启动键，对钥匙R1～KeychenR4设置低级别，检测列线和钥匙运行过程中的系统状态，只要运行的级别低，键盘的按键就会起作用，试验结束后，就能将操作矩阵键盘进行关闭。（2）矩阵键盘被设计出来之后，我们首先要做的不是开始实验，而是先了解好矩阵键盘中每一个按键所代表的代码以及功能，最重要的就是启动键和关闭键，这两个键位需要我们牢牢记住，在实验遇到突发情况时，可以采用直接按下关闭键的方法来让系统停止运作。矩阵键盘检测函数流程图如4.8所示。 图4.8矩阵键盘检测函数流程图4.3系统软件调试第一，应分别调试每个功能子例程，在完成整个系统设计之后，还需要对整个系统进行系统的测试处理，来观察系统有没有需要改进的地方，以及系统有没有发生错误。测试过程中出现的问题：LCD屏幕中的显示数据出现了问题，虽然在整个过程中采用了LCD作为显示器，但还是由于一些其他的原因而导致LCD出现损坏等等，比如：系统突然断电或者电压过大而导致LCD损坏。导致画面显示异常的现象。看了使用说明书，等待LCD修好之后，再次进行测试，首先清除绘图视图。再次下载程序后，画面就被调整好了。（2）在使用矩阵键盘的过程中出现了按键失灵的问题。这可能有以下几个原因：矩阵键盘没有与计算机连接稳定、矩阵键盘的数据线出现了损坏、矩阵键盘内部的代码出现了错误而导致矩阵键盘失效。解决了这些所有的问题之后我们又进行了实验，发现一切顺利，我们留下了实验数据，按顺序记录后，对各键又设计了新功能。（3）AT芯片中的数据信息出现了遗漏，且不受计算机控制。出现这种情况的原因主要是：AT芯片可能出了问题，或者是AT芯片与计算机连接不稳定，使得机算机无法收取到AT芯片中所传来的数据。5系统调试与分析5.1系统仿真调试用Proteus软件，根据原理图画出系统的仿真图，然后用Keil软件，编写程序源代码，下载到单片机中，这样就可以仿真了。由于指纹模块和射频刷卡模块没有对应的元器件，所以在这里就不进行仿真了，只进行密码输入，继电器吸合状态，蜂鸣器报警，以及进入管理员模式进行增加删除指纹和卡片的仿真。如图5.1所示。（1）打开运行仿真图，界面初始化图图5.1显示初始化仿真图（2）当输入密码的时候，界面会显示输入的密码用*代替显示。图5.2输入密码仿真图（3）密码输入完成后，按‘确定’键，当密码正确时继电器吸合锁打开（蓝色指示灯模拟）。图5.3继电器仿真图（4）当输入的密码错误时，红色LED灯亮，蜂鸣器报警提示。图5.4蜂鸣器仿真图（5）进入管理界面后，可以进行修改密码，注册/删除指纹。图5.5管理界面仿真图5.2Keil软件调试用Keil软件调试程序，把编写好的代码写入Keil,然后再下载到单片机中，图5.6是Keil调试过程图图5.6Keil软件调试图5.3焊接调试根据原理图，将各个部分焊接在一起。焊接过程要小心注意，电阻，电容，芯片要先焊接，其次再焊接显示屏和主控单片，注意焊接次序，有条不紊的进行，三极管要注意基集，发射集的位置关系，以免出错。指纹识别模块，射频刷卡模块，和LCD12864显示器模块，这三个模块是独立存在的，只需要插入相应的凹槽就可以了。另外继电器模块，需要12V-1A电源设备，才可以运行工作。图5.7是已经焊接完成的实物图【13】。图5.7实物焊接图5.4报警模块调试当打开指纹刷卡密码时，输入错误的指纹，卡片，显示器显示无效指纹，无效卡片，密码错误时，蜂鸣器报警，且小灯变为红色，如图5.8所示。图5.8指纹-密码-刷卡蜂鸣器报警图5.5继电器模块测试当输入正确的密码，指纹，卡片时，显示器提示，解锁成功，指纹解锁及编号，卡片解锁及编号，并且继电器指示灯为黄色，继电器门锁关闭状态，如图5.9所示。图5.9指纹