基于單片機(jī)的指紋密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐瑞　于娟

摘 要：指紋識(shí)別電子密碼鎖系統(tǒng)將STC89C54單片機(jī)作為主控模塊，通過串口通信的方式來控制ZFM-60指紋模塊錄取和存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)，然后通過LCD12864-BV2.0（帶字庫）液晶實(shí)時(shí)顯示。通常，該系統(tǒng)設(shè)有一般模式和管理員模式，采用矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)模式選擇和應(yīng)急處理，用繼電器和LED指示燈模擬開鎖動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；指紋密碼鎖；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；指紋模塊

中圖分類號(hào)：TP368.1；TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.012

隨著科技的飛速發(fā)展，密碼鎖被廣泛應(yīng)用于私人場所，而指紋密碼鎖成為人們的首選。世界上絕大部分物質(zhì)都有其特征，人類也不例外。據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì)，在全世界60億人口當(dāng)中，除了幾十名生來就沒有指紋的特殊人物之外，沒有相同的指紋。而將指紋這種具有唯一性和穩(wěn)定性特征的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，然后再與之前采集的信息對(duì)比，逐漸形成了現(xiàn)在的指紋密碼鎖。

指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速可靠算法的研究?，F(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得我們可以制造出相當(dāng)小的指紋圖像讀取設(shè)備，同時(shí)，飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)運(yùn)算提供了在單片機(jī)上進(jìn)行指紋比對(duì)運(yùn)算的可能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 一般模式

打開電源，電源指示燈點(diǎn)亮，液晶顯示“歡迎使用指紋門禁系統(tǒng)，請(qǐng)按手指開鎖”；按下按鍵后，液晶顯示“請(qǐng)按指紋”，同時(shí)，指紋模塊綠燈開始閃亮，執(zhí)行指紋開鎖。如果指紋識(shí)別成功，繼電器工作（伴隨一聲“滴答”響），LED指示燈亮起，開鎖成功，人員可以進(jìn)入，液晶顯示“門已打開”（還有指紋編號(hào)）；如果指紋識(shí)別不成功，繼電器不工作，LED指示燈不亮，將不能開鎖，人員不能進(jìn)入，液晶顯示“沒有搜索到指紋，請(qǐng)按任意鍵繼續(xù)”。

1.2 管理員模式

按下選項(xiàng)按鍵進(jìn)入管理員模式，然后輸入6位密碼。密碼正確，可以進(jìn)入管理員模式；密碼錯(cuò)誤，則不能進(jìn)入管理員模式。在管理員模式下，可以實(shí)現(xiàn)錄入指紋、刪除指紋、應(yīng)急開鎖和修改密碼的功能。進(jìn)入錄入指紋模式后，指紋模塊綠燈閃亮，將手指放到指紋頭上，錄入同一指紋兩次。此時(shí)，液晶顯示“指紋采集成功”。在刪除指紋模式下，液晶顯示“輸入刪除的指紋號(hào)”。輸入指紋后，按確認(rèn)鍵即可完成指定指紋的刪除，同時(shí)液晶顯示“刪除指紋號(hào)成功”。在異常情況下，比如指紋模塊不好用或者緊急情況下，可以使用緊急開鎖功能。密碼修改功能是指可以修改并保存6位管理員密碼。

2 硬件設(shè)計(jì)部分

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 指紋模塊電路

指紋密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的指紋模塊型號(hào)為ZFM-60。該模塊性能較為穩(wěn)定，指紋模塊接口電路如圖2所示。在ZFM-60指紋模塊內(nèi)部，主要為DSP芯片（型號(hào)為AS606），與外圍封裝的CMOS芯片組合配套使用。CMOS芯片主要用于采集指紋，生成指紋特征，即數(shù)據(jù)資料。圖3所示為一個(gè)指紋模板，錄入兩次這樣的指紋特征就能生成一個(gè)指紋模板。具體的操作流程為掃描指紋（錄入圖像）→生成特征→合成模板（建立一個(gè)指紋庫文件，成功錄入一個(gè)指紋）。

用指紋模塊內(nèi)的CMOS芯片采集一次指紋信息，然后進(jìn)行模糊處理，生成“0”和“1”兩種記錄信息，存入指紋模塊的FLASH芯片中。當(dāng)切換到識(shí)別模式時(shí)，指紋模塊就會(huì)先讓CMOS芯片采集一次指紋，然后與FLASH芯片的數(shù)據(jù)對(duì)比，看是否一致。如果一致，就可以返回指紋編號(hào)。這樣就能夠通過單片機(jī)識(shí)別指紋。

2.2 矩陣鍵盤

在本次設(shè)計(jì)中，我們采用逐行掃描法完成按鍵檢測(cè)。圖4所示為按鍵電路。依次將每根行線設(shè)置為輸出口，并輸出低電平（剩余行線輸出高電平），然后逐列檢查每根列線的電平狀態(tài)。如果某列為低電平，則該列線與設(shè)置為輸出低電平的行線交叉處的按鍵就是被按下的按鍵。確定按鍵位置后，要給矩陣鍵盤中的每個(gè)按鍵編號(hào)，也就是進(jìn)行按鍵編碼。

2.3 液晶顯示

在本次設(shè)計(jì)中，采用帶字庫的12864液晶顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在軟件方面，使用串口通信方式；在硬件設(shè)計(jì)上，簡化了設(shè)計(jì)電路。圖5為12864LCD與單片機(jī)接口的連接情況。

顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能。開始時(shí)，必須進(jìn)行初始化，否則模塊無法正常顯示。在模塊接受指令前，必須確保單片機(jī)模塊內(nèi)部處于非忙碌狀態(tài)，然后根據(jù)接收到的指令將相關(guān)內(nèi)容顯示在屏幕上。

2.4 記憶存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)

記憶存儲(chǔ)電路部分采用記憶存儲(chǔ)傳感器AT24C02進(jìn)行記憶存儲(chǔ)。AT24C02是ATMEL公司的2 KB電可擦除存儲(chǔ)芯片，采用兩線串行的總線與單片機(jī)通信，電壓最低可達(dá)2.5 V，額定電流為1 mA，靜態(tài)電流為10 μA（5.5 V）。芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。AT24C02與單片機(jī)接口的連接如圖6所示。

2.5 系統(tǒng)電路

本次設(shè)計(jì)運(yùn)用Altium Designer Summer 2009軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電路原理如圖7所示。設(shè)計(jì)中，大部分元件都使用高精度貼片元件，使整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因元件選用不當(dāng)而出現(xiàn)誤差。

3 軟件設(shè)計(jì)部分

在ZFM-60指紋模塊程序的設(shè)計(jì)方面，先通過串口給指紋模塊發(fā)送命令，然后等待指紋模塊傳回?cái)?shù)據(jù)；接著采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而判斷命令有無執(zhí)行（主要是指紋的采集和存儲(chǔ)，將采集到的指紋與之前存儲(chǔ)的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出結(jié)果）。在管理員模式下，需要進(jìn)行修改密碼，增加、刪除指紋和手動(dòng)開鎖等功能程序的設(shè)計(jì)。其中，密碼存儲(chǔ)在AT24C02存儲(chǔ)芯片中。在設(shè)計(jì)好所有子程序并且檢測(cè)無誤之后，再進(jìn)行系統(tǒng)整理和修改，完善主程序。主程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)程序需利用Keil 4軟件編寫調(diào)試。程序部分需要調(diào)試的主要有液晶顯示、矩陣鍵盤行列掃描、指紋模塊和I2C3部分。聯(lián)調(diào)結(jié)果如圖9所示。

5 結(jié)論

本文主要介紹了基于單片機(jī)的指紋密碼鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用單片機(jī)、指紋模塊、矩陣鍵盤和液晶顯示，繼電器及LED指示燈用來提示是否完成指令。經(jīng)過軟、硬件的調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了指紋采集、存儲(chǔ)、比對(duì)判斷的功能，可以準(zhǔn)確地識(shí)別指紋的ID。

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作者簡介：唐瑞（1992—），男，四川閬中人，就讀于攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。于娟（1983—），女，四川宣漢人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、電工電子技術(shù)。

〔編輯：劉曉芳〕