一個(gè)指紋密碼鎖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

李友勝

（寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 寶雞 721016）

1 引言

指紋是人類皮膚上一種特殊的紋路結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)的形成完全依賴于胚胎細(xì)胞的發(fā)育［1～2］。每一個(gè)胚胎因?yàn)槠浠虻闹亟M是不盡相同的，所以，每個(gè)指紋也有著其特殊的紋理結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)對(duì)于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)起了很大的作用［3～4］，可在一個(gè)微小的單片機(jī)上存儲(chǔ)很多個(gè)指紋信息，體現(xiàn)其便捷性。利用指紋圖像讀取設(shè)備，可以獲取任何一個(gè)指紋信息，而數(shù)據(jù)庫可以準(zhǔn)確地存儲(chǔ)這些信息，在單片機(jī)上進(jìn)行兩個(gè)指紋的比對(duì)和運(yùn)算，所以基于單片機(jī)的指紋識(shí)別技術(shù)有著很強(qiáng)的可行性［5～6］。

1.1 指紋識(shí)別原理

手指表面皮膚凹凸不平而產(chǎn)生的紋路就是指紋［7～8］，而紋路可以用結(jié)構(gòu)特征來描述。

通常采用的結(jié)構(gòu)特征有2種，如圖1所示。

圖1 指紋基本紋路圖案

1）全局特征:分為:環(huán)形、弓形、螺旋形。

2）局部特征:利用指紋中最常見的斷點(diǎn)和分叉來建立坐標(biāo)，結(jié)合其他一些特征表示指紋。如圖2中的小橋、三角點(diǎn)、分叉點(diǎn)、端點(diǎn)和環(huán)。

指紋識(shí)別原理［9～10］:是對(duì)指紋進(jìn)行“照相”，生成指紋特征，如圖3 所示就是一個(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［11～12］。

其工作過程是:掃描指紋（錄入圖像）、生成特征、合成模板［13～14］（建立一個(gè)指紋庫文件，成功錄入一個(gè)指紋）。

圖2 指紋圖像

圖3 指紋模板

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由四個(gè)功能模塊構(gòu)成，即LCD12864、單片機(jī)［15］、指紋模塊、繼電器和指示燈模塊。其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

管理員進(jìn)入系統(tǒng)后，在管理員模式下可以完成錄入指紋、刪除指紋、應(yīng)急開鎖和修改密碼的功能。

管理員進(jìn)入錄入指紋模式后，指紋模塊綠燈亮起，錄入同一手指兩次，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“輸入刪去的指紋號(hào)”，輸入后按確認(rèn)鍵即可完成指定指紋的刪除功能，同時(shí)液晶顯示“刪除指紋號(hào)成功”。在非正常的情況下，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；密碼修改的功能是指可以修改并保存進(jìn)入管理員的6位密碼。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分由四個(gè)模塊組成:按鍵模塊、顯示模塊、單片機(jī)控制模塊、指紋模塊。

2.1 指紋模塊電路設(shè)計(jì)

指紋模塊電路如圖5 所示:將指紋模塊里面的CMOS芯片采集一次指紋信息，然后處理生成0和1兩種記錄信息，存入指紋模塊的FLASH芯片里面。

當(dāng)切換到識(shí)別模式時(shí)，指紋模塊首先采集一次指紋，然后和FLASH 芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果存在，則返回是幾號(hào)指紋。

圖5 指紋模塊接口圖

2.2 液晶顯示的電路

本系統(tǒng)采用LCD12864 液晶顯示器，是一種功耗極低的顯示器件，廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中，具有低功耗、顯示信息量大、易于彩色化等特點(diǎn)。其電路如圖6所示。

圖6 LCD12864電路

2.3 按鍵控制電路

如果按鍵上為高電平，則表示斷開，否則表示閉合。為了防止信號(hào)的干擾，加入消除電平，確保CPU 對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，圖7 為按鍵電路，按鍵按下是呈低電平，采用軟件消抖減少對(duì)的單片機(jī)影響。

圖7 按鍵電路

2.4 復(fù)位電路

復(fù)位電路［16］由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。本系統(tǒng)采用的復(fù)位電路如圖8 所示。單片機(jī)在上電瞬間，RC 電路充電，RST 引腳端出現(xiàn)正脈沖，如果RST 端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)就會(huì)復(fù)位。

圖8 復(fù)位電路

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Keil 開發(fā)軟件對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行編寫、仿真調(diào)試，隨后將代碼文件通過開發(fā)板下載到單片機(jī)中，系統(tǒng)在通電之后，單片機(jī)中的主程序完成各個(gè)模塊的初始化工作，同時(shí)檢測(cè)對(duì)各個(gè)按鍵是否有按鍵動(dòng)作，有則執(zhí)行相關(guān)的程序。

3.1 主程序流程圖

主程序首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，掃描有無按鍵動(dòng)作，若有，先判斷是哪個(gè)按鍵，并判斷是否執(zhí)行相應(yīng)子程序。其主程序執(zhí)行流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 按鍵流程圖

按鍵模塊實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)，其流程如圖10所示。

3.3 LCD顯示流程圖

LCD顯示模塊主要顯示對(duì)比結(jié)果，方便用戶更直觀的獲取信息。圖11為顯示模塊的流程圖。

圖10 按鍵流程圖

圖11 顯示模塊流程圖

3.4 指紋模塊的通信流程圖

指紋模塊的串口通信中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程圖如圖12所示。

圖12 串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程圖

4 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

4.1 程序的燒寫

STC-ISP 是一款單片機(jī)下載編程燒錄軟件，主要用于對(duì)單片機(jī)程序的燒錄，圖13 為軟件工作界面。

圖13 STC-ISP工作界面

調(diào)試通過的代碼文件通過STC_ISP_V480下載到單片機(jī)。STC_ISP_V480使用步驟為:

1）打開 STC-ISP 軟件，然后在 MCU Type 欄目下選中STC89C52RC。

2）選中COM端口，波特率選擇9600。

3）點(diǎn)擊“打開文件”并在對(duì)話框內(nèi)找到要下載的HEX文件。

4）點(diǎn)擊download/下載，根據(jù)提示給單片機(jī)上電，完成程序燒寫。

4.2 液晶顯示屏的實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)入12864 液晶的測(cè)試程序，設(shè)備通電后，通過調(diào)節(jié)液晶屏背面的電位器，在調(diào)試液晶時(shí)要注意:程序是否對(duì)液晶屏初始化，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)初始化步驟，或調(diào)整指令之間的延時(shí)。在經(jīng)調(diào)試后液晶的顯示結(jié)果如圖14所示。

圖14 液晶顯示屏

4.3 指紋模塊、按鍵的實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)入程序后，測(cè)試指紋模塊及按鍵是否工作，操作步驟為

1）按下電源，電源指示燈點(diǎn)亮；

2）按“*”鍵后屏幕顯示“請(qǐng)按指紋”，指紋模塊亮，將手指放到指紋頭處即可識(shí)別指紋；

3）若錄入指紋，指紋識(shí)別成功則繼電器工作，LED燈亮，門開鎖，按任意鍵返回初始界面，等待下一個(gè)人掃描指紋。若錄入指紋后，指紋識(shí)別不成功，繼電器沒有動(dòng)作，LED 燈不亮，將不能開鎖，按任意鍵返回初始界面，繼續(xù)掃描指紋。

4）按下 A 按鍵，輸入 6 位密碼，按下 B 按鍵，可刪除輸入的數(shù)字，按下D 按鍵確認(rèn)，密碼輸入正確后，可進(jìn)入管理員模式。

5）在管理員模式下，按數(shù)字鍵“1”進(jìn)入錄入指紋模式，指紋頭燈亮起，此時(shí)可把手指放到指紋頭進(jìn)行指紋的錄入，錄入指紋時(shí)需要錄入2 次指紋完成這個(gè)指紋的錄入存儲(chǔ)，指紋錄入成功后，按任意鍵返回到管理員界面，如需再錄入指紋重復(fù)上面操作即可。

6）按數(shù)字鍵“2”進(jìn)入刪除指紋模式，輸入要?jiǎng)h除指定的指紋號(hào)按“D”鍵確認(rèn)，若指紋號(hào)輸入錯(cuò)誤可按“B”鍵撤銷，再重新輸入要?jiǎng)h除的指紋號(hào)即可。

7）在非正常情況下（指紋模塊不能識(shí)別或緊急情況）可按數(shù)字鍵“3”進(jìn)行開鎖。

8）按數(shù)字鍵“4”可進(jìn)行管理員密碼的修改。

5 結(jié)語

該指紋密碼鎖利用高性能單片機(jī)、LCD顯示屏以及指紋識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)了各模塊的電路設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)的功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了錄入指紋、存儲(chǔ)指紋及指紋對(duì)比及繼電器的開鎖功能，為身份識(shí)別奠定了良好的基礎(chǔ)，具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。