基于8051單片機(jī)的指紋鎖的設(shè)計(jì)

Abstract摘要III指紋鎖摘要隨著經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的身份識(shí)別方式已經(jīng)不能夠滿足日益增加的安全需求。而近幾年來(lái)指紋識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，使指紋鎖的廣泛應(yīng)用成為可能。本論文是設(shè)計(jì)一種指紋鎖，它能很好的完成指紋開(kāi)鎖，并具有指紋錄入、指紋刪除和應(yīng)急機(jī)械開(kāi)鎖等功能。根據(jù)初始條件，選擇好電磁鐵、指紋開(kāi)鎖方式和機(jī)械開(kāi)鎖方式，以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的鎖體殼、鎖舌和機(jī)械開(kāi)鎖傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而確定電磁鐵的安裝位置，以完成機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)MBF200固態(tài)指紋傳感器的特點(diǎn)和8051單片機(jī)的特性設(shè)計(jì)出指紋采集模塊、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器模塊、開(kāi)鎖電路、鍵盤(pán)模塊、LED顯示模塊和電源電路，從而完成電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求和所設(shè)計(jì)的硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)軟件流程圖，進(jìn)而根據(jù)流程圖來(lái)編輯程序。通過(guò)軟件程序就可以使機(jī)械部分和電路部分聯(lián)系在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋鎖的智能控制。本指紋鎖利用AutoCAD2010設(shè)計(jì)出的機(jī)械部分的工程圖，利用Protel99se設(shè)計(jì)出電路部分的電路圖。諸多軟件工具的使用為指紋鎖的完整設(shè)計(jì)提供了幫助。本指紋鎖設(shè)計(jì)所涉及的技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)單方便，實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：指紋鎖；8051；MBF200；機(jī)械開(kāi)鎖AbstractabstractFingerprintlockAbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandtechnology,thetraditionalidentificationmethodshasbeenunabletomeettheincreasingsecurityneeds.therapiddevelopmentoffingerprintrecognitiontechnologyInrecentyears,makeitpossibleforfingerprintlockwiderangeofapplications.Thispaperistodesignafingerprintlock.Ithasthefunctionoffingerprintlock,fingerprintInput,fingerprintdeletionandemergencymechanicallock.Accordingtotheinitialconditions,chooseaproperelectromagnet,fingerprintlockmode，modeandmechanicallockmode，tothedesignofthelockshelllatchandmechanicallockmodedrivemechanism,todeterminetheinstallationlocationoftheelectromagnet,inordertocompletethedesignofmechanicalsystems.BasedonthecharacteristicsofMBF200solid-statefingerprintsensorandthecharacteristicsof8051todesignthefingerprintacquisitionmodule、externalexpansionmemorymodules,lockmodecircuit,keyboardmodule,LEDdisplaymodulesandpowersupplycircuits,inordertocompletethecircuitdesign.Accordingtotherequirementsofthemissionstatementandthedesignofhardwarecircuittodesignsoftwareflowchart,andthenaccordingtotheflowcharttoeditprograms.Thesoftwareprogramcanmakethemechanicalpartsandcircuitpartstogether,soastorealizetheintelligentcontrolofthefingerprintlock.ThisfingerprintlockuseAutoCAD2010todesignthemechanicalpartofthedrawings,anduseProtel99setodesignpartofthecircuitschematic.Theuseofmanysoftwaretoolsprovidehelpforthecompletedesignoffingerprintlock.Thetechnologyinvolvedinthedesignofthefingerprintlockismature.Ithasthecharacteristicsofsimpleoperation,practical,theextensiveuseofvalueandapplicationprospect.Keyword:fingerprintlock;8051;MBF200;Mechanicallock目錄目錄TOC\o"1-2"摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題研究目的及意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 11.3指紋鎖的指紋識(shí)別的基本原理 21.4指紋鎖設(shè)計(jì)的意義和特點(diǎn) 2第二章鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42.1鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42.2電磁鐵的選擇 52.3螺管式電磁鐵的設(shè)計(jì)與校核 5第三章鎖的硬件電路部分設(shè)計(jì) 103.1系統(tǒng)功能組成 103.2指紋采集模塊電路設(shè)計(jì) 103.3單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì) 153.4外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器設(shè)計(jì) 183.5開(kāi)鎖電路設(shè)計(jì) 213.6鍵盤(pán)及顯示模塊設(shè)計(jì) 21第四章軟件程序的設(shè)計(jì) 254.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇 254.2程序及程序流程圖設(shè)計(jì) 25目錄結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 31致謝 32附錄一：程序附錄二：中英文翻譯附錄三：鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖附錄四：鎖的硬件電路圖李紅偉：指紋鎖華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章緒論1.1課題研究目的及意義門(mén)鎖，作為人類(lèi)安全衛(wèi)士，從以前的簡(jiǎn)單機(jī)械門(mén)鎖發(fā)展到今天的種類(lèi)和功能都趨于多樣化的智能門(mén)鎖。機(jī)械門(mén)鎖是使用機(jī)械鑰匙開(kāi)門(mén)，而機(jī)械鑰匙容易丟失和復(fù)制；電子密碼鎖的密碼也會(huì)因?yàn)閯e人的偷盜而被非法打開(kāi)。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)安全性和私密性的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖、密碼鎖等因其自身的局限已不能滿足人們的要求。近年來(lái)，指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，它利用人類(lèi)指紋的惟一性和不變性這一生理特征對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行認(rèn)證，具有極高的安全性和易用性。而指紋鎖，就是利用這一生物特征－－指紋識(shí)別來(lái)進(jìn)行開(kāi)鎖的。由于信息化技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展再加上指紋鎖的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，毫無(wú)疑問(wèn)它將成為鎖具的新主角。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)指紋鎖的關(guān)鍵在于指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械部分以相對(duì)成熟。下面介紹指紋識(shí)別的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì):自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(AFIS—AutomaticFingerprintIdentificationSystem)技術(shù)的進(jìn)步和指紋傳感器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。過(guò)去指紋傳感器都是基于光學(xué)技術(shù)的傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，體積龐大。因此造成實(shí)際系統(tǒng)價(jià)格非常昂貴，這導(dǎo)致了過(guò)去指紋識(shí)別系統(tǒng)僅僅限于公安、銀行等少數(shù)特殊部門(mén)內(nèi)應(yīng)用。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，高性能、高速率的數(shù)字處理器的價(jià)格和體積也開(kāi)始大幅度下降，相關(guān)技術(shù)日趨成熟，這為嵌入式應(yīng)用研究帶來(lái)了極大的方便。90年代中期開(kāi)始出現(xiàn)半導(dǎo)體的指紋傳感器。最初的這類(lèi)傳感器采集的圖像質(zhì)量和光學(xué)傳感器有較大的差距，但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，它采集的圖像質(zhì)量也越來(lái)越高，現(xiàn)在這兩種傳感器采集的圖像質(zhì)量差距已經(jīng)很小了。半導(dǎo)體傳感器具有價(jià)格低、體積小的優(yōu)點(diǎn)，特別適合集成在普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，大有后來(lái)居上、取代光學(xué)傳感器的趨勢(shì)?，F(xiàn)在這兩類(lèi)指紋傳感器在市場(chǎng)上基本是平分天下。傳統(tǒng)的光學(xué)傳感器，國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)春光機(jī)所等也有自己的產(chǎn)品，但是無(wú)論是價(jià)格還是性能都和國(guó)外差距很大，現(xiàn)在已經(jīng)被逐步淘汰了。半導(dǎo)體傳感器芯片技術(shù)被國(guó)外所壟斷，現(xiàn)在完全依賴(lài)進(jìn)口，國(guó)內(nèi)主要是做代理、二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成等，因此指紋采集技術(shù)也相對(duì)落后。早期的研究都是在高性能計(jì)算機(jī)上完成的，針對(duì)脫機(jī)的指紋圖像采集技術(shù)進(jìn)行的研究相對(duì)較少。90年代末到現(xiàn)在，由于半導(dǎo)體指紋傳感器的出現(xiàn)，使得指紋識(shí)別的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，在個(gè)人電腦上、個(gè)人數(shù)字助理、掌上電腦、手機(jī)、門(mén)禁等很多領(lǐng)域都開(kāi)始使用AFIS技術(shù)，所以指紋采集的研究重點(diǎn)從光學(xué)傳感器轉(zhuǎn)移到了半導(dǎo)體傳感器。作為生物特征的指紋雖然穩(wěn)定性很好，但是仍然存在脫皮、外傷等問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候往往對(duì)高質(zhì)量的指紋采集技術(shù)產(chǎn)生極大的挑戰(zhàn)，也是AFIS研究者需要努力克服的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)于AFIS主要側(cè)重于研究角度，很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)踐，所以這些技術(shù)和實(shí)際的市場(chǎng)需求間還有不少差距。而實(shí)際從事指紋應(yīng)用的公司沒(méi)有自己的技術(shù)，絕大多數(shù)都是使用國(guó)外的指紋識(shí)別算法。綜上所述，對(duì)于應(yīng)用前景更為廣泛的嵌入式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）來(lái)說(shuō)，指紋的原始圖像數(shù)據(jù)采集顯得尤為重要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是圖象處理技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)以及大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)展及其性能的提高，使得用高速并高效的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)來(lái)替代人工識(shí)別成為可能。自二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始，為了解決人工鑒別指紋工作量大而且效率低的難題，美國(guó)FBI、英國(guó)家庭辦公室以及法國(guó)巴黎警察局開(kāi)始研發(fā)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(AFIS)，并取得了非常好的效果。目前，指紋識(shí)別已被全球大部分國(guó)家接受與認(rèn)可，并廣泛地應(yīng)用到政府、軍隊(duì)、銀行、社會(huì)福利保障、電子商務(wù)和安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。在國(guó)外由于其開(kāi)發(fā)指紋識(shí)別系統(tǒng)比較早，而且主要是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行指紋識(shí)別，所以技術(shù)也比較成熟。許多大公司均成立了專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)從事該項(xiàng)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。其中最具有代表性的是AFIS(AutomaticFingerprintIdentificationSystem)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，但是該系統(tǒng)價(jià)格昂貴，而且由于需要連接計(jì)算機(jī)，限制了系統(tǒng)在很多其他方面的應(yīng)用。當(dāng)然，目前國(guó)外也有一些相對(duì)較小的指紋識(shí)別系統(tǒng)，比如數(shù)碼人(Digitalor)公司的U-are-U系統(tǒng)。但他們的產(chǎn)品都存在價(jià)格昂貴、應(yīng)用靈活性差、多使用光學(xué)傳感器體積較大等問(wèn)題。自1998年以來(lái)，國(guó)內(nèi)指紋識(shí)別技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)的生物識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)正處于諸侯割據(jù)的萌芽階段。國(guó)內(nèi)上百家從事指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的企業(yè)除了北大高科、中科院自動(dòng)化所和西安青松等幾家科研機(jī)構(gòu)擁有自主產(chǎn)權(quán)外，其他的多以代理國(guó)外產(chǎn)品為主，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)不多。在性能上無(wú)論從精度還是從效率上來(lái)看，均不如國(guó)際領(lǐng)先水平的同類(lèi)產(chǎn)品。所使用的方法復(fù)雜，使用環(huán)境要求高，而且硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)性差，接口能力也比較弱?？v觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的指紋采集識(shí)別技術(shù)和設(shè)備，或多或少地存在以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)成熟的采集識(shí)別算法均依賴(lài)于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，成本高，靈活性差。(2)嵌入式應(yīng)用不成熟，多受環(huán)境限制。(3)指紋采集器件落后，體積較大等?，F(xiàn)在，隨著高集成的指紋傳感器的引入及其飛速發(fā)展，指紋數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)采集將達(dá)到一個(gè)更高的水平，研究指紋采集的通用方法及相應(yīng)軟件是一件十分有意義的工作。利用新型傳感器采集高質(zhì)量的指紋圖像，指紋識(shí)別技術(shù)的逐漸成熟，可靠的比對(duì)算法的發(fā)現(xiàn)都將為指紋識(shí)別技術(shù)提供更廣闊的舞臺(tái)。國(guó)內(nèi)嵌入式指紋識(shí)別技術(shù)之所以得不到快速的發(fā)展，原因就在指紋采集技術(shù)的落后。獲取高質(zhì)量的指紋數(shù)據(jù)是降低指紋識(shí)別算法復(fù)雜性一個(gè)最主要途徑。因此，在我國(guó)研究和開(kāi)發(fā)擁有自主產(chǎn)權(quán)的指紋采集終端是緊迫的也是必須的。1.3指紋鎖的指紋識(shí)別的基本原理首先，通過(guò)指紋采集儀器采集到人體指紋的圖像，并對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，這樣使指紋圖像中蘊(yùn)涵的特征信息更明顯。然后，運(yùn)用指紋特征提取算法建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)。這種轉(zhuǎn)換是單向進(jìn)行的，只能從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像，而且兩枚不同的指紋絕對(duì)不會(huì)產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)。指紋紋路的分叉、終止或轉(zhuǎn)彎處的坐標(biāo)位置，也就是通常被專(zhuān)家稱(chēng)為“細(xì)節(jié)點(diǎn)”(minutiae)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時(shí)擁有7種以上的唯一特征。有的算法把節(jié)點(diǎn)和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息能夠表明各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，有的算法還可以處理整幅指紋圖像。最后，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們之間的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。1.4指紋鎖設(shè)計(jì)的意義和特點(diǎn)單片機(jī)，亦稱(chēng)單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。在單片機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)之前我們只能使用復(fù)雜的模擬電路來(lái)進(jìn)行線路的連接，這樣不僅體積巨大，成本較高給我的生產(chǎn)生活帶來(lái)的極大的不便。而單片機(jī)給我們的各領(lǐng)域都帶來(lái)的巨大的變化，現(xiàn)在從飛機(jī)大炮到電子產(chǎn)品都離不開(kāi)單片機(jī)，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是一些特殊的功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。同樣本次設(shè)計(jì)同樣要采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用8051單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合外圍器件，組成電子控制系統(tǒng)，用戶想要打開(kāi)鎖，必先通過(guò)指紋識(shí)別模塊中的MBF200固態(tài)指紋傳感器對(duì)指紋進(jìn)行采集，然后8051將采集到的指紋跟已存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行比對(duì)，若指紋比對(duì)正確則開(kāi)鎖，否則不予開(kāi)啟。由于門(mén)鎖的開(kāi)啟是由指紋信息來(lái)確定，而個(gè)人的指紋信息是獨(dú)一無(wú)二的，一般難以被盜與仿制，因此我相信我們所設(shè)計(jì)的指紋防盜鎖的安全性是有保證的。為防止因指紋鎖內(nèi)的電池沒(méi)電或其他故障而無(wú)法進(jìn)行指紋開(kāi)鎖，還設(shè)計(jì)了應(yīng)急開(kāi)鎖孔--即傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)鎖功能。我所設(shè)計(jì)的指紋鎖擁有兩種開(kāi)鎖方式，因而對(duì)于我們生活工作中的正常使用有更大的適用性。第二章鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1鎖機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1鎖的基本工作原理鎖的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，在本設(shè)計(jì)中該鎖由鎖體殼、鎖舌體、滑塊、電磁鐵、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、彈簧、圓柱銷(xiāo)等構(gòu)成。首先，將滑塊套在鎖舌體上再用將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)沿鎖舌體導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)的那一端套在鎖舌體上。然后，將圓柱銷(xiāo)安裝在鎖舌體上的銷(xiāo)孔內(nèi)，以使滑塊或者曲柄滑塊機(jī)構(gòu)能夠驅(qū)動(dòng)鎖舌體移動(dòng)。接著將彈簧套在鎖舌體的推桿上。做完上述工作之后即可將鎖舌體安裝在鎖體殼內(nèi)，鎖體殼的兩個(gè)側(cè)面留有與之相匹配的孔。之后再將電磁鐵裝入對(duì)應(yīng)位置即可完成鎖的裝配。螺旋壓縮彈簧的作用是通過(guò)與鎖體殼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的彈力來(lái)使鎖舌來(lái)回伸縮，以實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。指紋開(kāi)鎖功能的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)輸入者輸入的指紋與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的指紋相匹配時(shí)，控制電磁鐵的電路閉合使電磁鐵得電，電磁鐵產(chǎn)生吸力將限制滑塊運(yùn)動(dòng)的行程擋鐵吸上去，然后用手推動(dòng)滑塊，滑塊運(yùn)動(dòng)到圓柱銷(xiāo)處時(shí)，再接著向前移動(dòng)即可帶動(dòng)導(dǎo)桿鎖舌體一起運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧使鎖舌縮進(jìn)鎖體，鎖也就打開(kāi)了。當(dāng)松開(kāi)滑塊后，鎖舌體在彈簧彈力的作用下返回。機(jī)械開(kāi)鎖功能的實(shí)現(xiàn)：就像傳統(tǒng)的機(jī)械鎖一樣，當(dāng)插入的鑰匙正確時(shí)，鎖芯內(nèi)的彈子就不會(huì)再阻止鎖芯的轉(zhuǎn)動(dòng)。將正確的鑰匙插入鎖芯，然后旋轉(zhuǎn)鑰匙使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)，則另一端即可向壓縮彈簧的方向移動(dòng)，帶動(dòng)鎖舌體向壓縮彈簧的方向移動(dòng)，鎖就可以被打開(kāi)了。因?yàn)殂~比較耐磨且容易加工，故在設(shè)計(jì)中鎖芯材質(zhì)采用銅。2.1.2指紋鎖各個(gè)零件的設(shè)計(jì)根據(jù)指紋鎖要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)。首先設(shè)計(jì)鎖舌體，鎖舌體由鎖舌和導(dǎo)桿構(gòu)成，為一個(gè)整體零件。鎖舌上下兩側(cè)均為半圓形凹槽，以便具有更好的導(dǎo)向功能，其次還能節(jié)省材料。導(dǎo)桿采用圓柱體但上端削平的形狀，這樣做的原因是可防止安裝在其上的滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以更方便加工限制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊運(yùn)動(dòng)的圓柱銷(xiāo)孔。在設(shè)計(jì)好鎖舌體后，接著設(shè)計(jì)滑塊?；瑝K的一側(cè)做成一細(xì)長(zhǎng)推桿用以在指紋匹配成功后帶動(dòng)滑塊移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖動(dòng)作?；瑝K開(kāi)有一內(nèi)孔，其形狀和鎖舌體導(dǎo)桿一樣以實(shí)現(xiàn)和導(dǎo)桿的匹配?；瑝K的左端采取比右端高5mm的設(shè)計(jì)方式，以實(shí)現(xiàn)用電磁鐵來(lái)限制滑塊向右端移動(dòng)。機(jī)械開(kāi)鎖部分設(shè)計(jì)，在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊設(shè)計(jì)成U形中空形式以便裝入導(dǎo)桿上。再者也是為了讓圓柱銷(xiāo)卡在中間，一起到固定作用。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的一端固定在鎖舌體的導(dǎo)桿上，另一端與鎖體殼相連接，但可以旋轉(zhuǎn)。接著設(shè)計(jì)鎖體殼，根據(jù)所用彈簧的長(zhǎng)度和鎖舌的行程來(lái)確定鎖體殼的長(zhǎng)度尺寸，根據(jù)電磁鐵的外形尺寸和行程擋鐵的長(zhǎng)度以來(lái)確定鎖體殼的高度。在鎖體殼的適當(dāng)位置設(shè)計(jì)電磁鐵的安裝螺釘孔和電磁鐵的支撐板。拉手設(shè)計(jì)，當(dāng)鎖舌體、滑塊、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊、圓柱銷(xiāo)和彈簧裝入鎖體殼內(nèi)后在伸出的導(dǎo)桿部分用一拉手通過(guò)一螺釘將二者連接起來(lái)。電磁鐵與鎖體殼之間也用螺釘連接。所有裝在鎖體殼內(nèi)的零件安裝完后用螺釘將鎖體殼和鎖體蓋連接在一起。鎖的結(jié)構(gòu)裝配圖如下圖2-1所示:圖2-1鎖的結(jié)構(gòu)裝配圖2.2電磁鐵的選擇電磁鐵分為吸盤(pán)式、拍合式、螺管式、轉(zhuǎn)動(dòng)式、E型等。不同型式的電磁鐵有不同的吸力特性，盤(pán)式吸力大，適用于起重電磁鐵、電磁吸盤(pán)和電磁離合器；拍合式特性比較陡，廣泛用于接觸器和繼電器；螺管式，吸力特性比較平坦，用于長(zhǎng)行程牽引和和制動(dòng)電磁鐵；機(jī)床電器如接觸器、中間繼電器電器基本上都是E型。因制動(dòng)滑塊質(zhì)量不大故在此選用螺管式電磁鐵。2.3螺管式電磁鐵的設(shè)計(jì)與校核1．原始數(shù)據(jù)電磁鐵為直流電磁鐵，工作制式為短期，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件已知電磁鐵的工作參數(shù)如下：額定工作電壓UH=額定工作電壓時(shí)的工作電流IH≤2．測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試參數(shù)工作行程δ吸力取F=螺線管式電磁鐵草圖如下圖2-2所示：圖2-2電磁鐵草圖3．確定銜鐵（即鎖的行程擋鐵）直徑d電磁鐵銜鐵的工作行程比較小因此電磁吸力計(jì)算時(shí)只需考慮表面力的作用已知工作行程δ=5mm時(shí)的吸合力電磁鐵的結(jié)構(gòu)因數(shù)K=Fδ=0.13δ單位為cm電磁鐵的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)為平面柱擋板中心管式根據(jù)結(jié)構(gòu)因數(shù)查參考資料，可得磁感應(yīng)強(qiáng)度BP當(dāng)線圈長(zhǎng)度比銜鐵行程大的多時(shí),可以不考慮螺管力的作用,認(rèn)為全部吸力都由表面力產(chǎn)生由吸力公式F=（Bp/5000）2式中Bp磁感應(yīng)強(qiáng)度(高斯)，dc活動(dòng)鐵心直徑(可以求得銜鐵直徑為：dc=5800×FBp=4．確定外殼內(nèi)徑D在螺管式電磁鐵產(chǎn)品中它的內(nèi)徑D2與鐵心直徑dc之比值n約為2~3D2=n×dc式中D2為外殼內(nèi)徑，單位為5.確定線圈厚度bk=D2-dc式中bk線圈厚度毫米Δ線圈骨架及絕緣厚度毫米今取Δ=1.bk=2.5毫米6，確定線圈長(zhǎng)度線圈的高度lk與厚度bk比值為β,lk=β×bklk線圈長(zhǎng)度毫米β值根據(jù)參考資料選取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為β=3.4則線圈高度lk=β×7.確定導(dǎo)線直徑導(dǎo)線直徑d=4×ρ×Dcp×IWU式中平均直徑DcpIW線圈磁勢(shì)(安匝)IW=式中(IW)z消耗在氣隙中的磁勢(shì)(IW)(IW)cm和(IW)k消耗在鐵心中和非工作氣隙中磁勢(shì)的安匝數(shù)約為總磁勢(shì)的即：

(IW)式中α=0.15由此可得線圈的磁勢(shì)為(IW)=Bp×δμ0式中Bp單位為高斯，δ單位為厘米空氣導(dǎo)磁系數(shù)μ0=1.25×電磁鐵在實(shí)際應(yīng)用時(shí)電壓可能降低至85%UH為了保證在電壓降低后電磁鐵仍然能夠可靠地工作上式計(jì)算所得安匝數(shù)應(yīng)該是指電壓降低至0.85UH時(shí)的磁勢(shì)用(IW)(IW)1=顯然，電源電壓為額定值時(shí)的磁勢(shì)為IW=(IW)1電磁鐵容許最高工作溫度240℃，由參考資料選取電阻系數(shù)d=查線規(guī)表，線規(guī)表如下表2-1所示：表2-1漆包線線規(guī)表其最鄰近的直徑為d=0.173毫米帶絕緣后的直徑d=0.188毫米8.確定線圈匝數(shù)WW=1.28(IW)jd2式中j容許電流密度(安毫米2j=Iq=4UπRdW=9.確定電阻線圈平均匝長(zhǎng)lcp=π(DH+D1)2DH=D1+2D1=dc+2Δ式中DH線圈外直徑D1D1DHlcp=π(線圈電阻R=ρ40*lcp經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)與校核知所設(shè)計(jì)的電磁鐵所產(chǎn)生的吸力能滿足工作要求，設(shè)計(jì)合理。第三章鎖的硬件電路部分設(shè)計(jì)電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)部分。將每一部分按照總體框圖的要求設(shè)計(jì)好，才能保證整體電路的質(zhì)量。為我們下面的程序設(shè)計(jì)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。單元電路的設(shè)計(jì)步驟分為以下三步：第一步，根據(jù)總體方案對(duì)單元電路的要求，明確單元電路的功能、性能指標(biāo)。注意各單元電路之間的輸入輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系和時(shí)序關(guān)系，盡量避免使用電平轉(zhuǎn)換電路。第二步，選擇設(shè)計(jì)單元電路的結(jié)構(gòu)形式。通常選擇學(xué)過(guò)的熟悉的電路，或者通過(guò)查閱資料選擇更合適的、更先進(jìn)的電路，在此基礎(chǔ)上高度改進(jìn)，使電路的結(jié)構(gòu)形式最佳。在選擇電路時(shí)充分考慮經(jīng)下幾個(gè)問(wèn)題：（1）電路的功能滿足要求；（2）電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；（3）電路的性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)；第三步，畫(huà)出單元電路電路圖。3.1系統(tǒng)功能組成系統(tǒng)組成原理框圖如下圖3-1所示：8051單片機(jī)8051單片機(jī)控制模塊MBF200指紋采集識(shí)別模塊鍵盤(pán)及顯示電路模塊鍵盤(pán)及顯示電路模塊開(kāi)鎖電路模塊FlashMemory開(kāi)鎖電路模塊FlashMemory存儲(chǔ)模塊圖3-1系統(tǒng)總設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)的控制核心是8051單片機(jī)，主要選取原則是8051單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗的、價(jià)格便宜并且能滿足使用要求。他的工作原理是通過(guò)串口向指紋模塊發(fā)送命令或接收相應(yīng)的操作信息。當(dāng)用戶輸入的指紋比對(duì)成功后，8051將接收到指紋模塊發(fā)來(lái)的身份確認(rèn)消息，然后執(zhí)行開(kāi)鎖動(dòng)作，即可將鎖打開(kāi)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為單片機(jī)控制模塊、指紋采集模塊、單片機(jī)控制模塊、FlashMemory存儲(chǔ)模塊、鍵盤(pán)和執(zhí)行開(kāi)鎖模塊等五部分。其中單片機(jī)控制部分是其核心組成部分。3.2指紋采集模塊電路設(shè)計(jì)指紋采集采用富士通公司推出的一款先進(jìn)的固態(tài)指紋傳感器芯片MBF200。3.2.1MBF200芯片介紹(1)主要特點(diǎn)MBF200具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn)，屬于電容性傳感器。其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成，所有金屬電極充當(dāng)一個(gè)電容板，接觸的手指充當(dāng)?shù)诙€(gè)電容板，器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時(shí)，指紋的高低不平就會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。●是采用標(biāo)準(zhǔn)COMS技術(shù)的電容性固態(tài)器件；

●具有500dpi的分辨率；

●傳感器面積為1.28cm×1.50cm；

●傳感器陣列為256×300點(diǎn)；

●具有自動(dòng)指紋檢測(cè)能力；

●內(nèi)含8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

●可提供三種總線接口形式；

●帶有8位微處理器總線接口；

●帶有全速USB接口和SPI接口；

●可提供3.3V～5V的工作電壓；

●5V工作電壓下的功耗小于70MW。MBF200的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖3-2所示：圖3-2MBF200內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖其中256×300點(diǎn)傳感陣列用于產(chǎn)生感應(yīng)電壓；功能寄存器用于對(duì)芯片進(jìn)行操作控制；控制電路用于傳感器與外部接口電路的控制，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀出與寫(xiě)入；地址索引寄存器與數(shù)據(jù)寄存器分別用于對(duì)功能寄存器的地址選擇及數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)；采樣保持及AD轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)傳感陣列所產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。(2).器件功能①功能寄存器MBF200是可編程的傳感器芯片，它所具有的強(qiáng)大功能是通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置完成的。下表所列是這些功能寄存器的地址和功能。在對(duì)這些寄存器進(jìn)行操作時(shí)，先向地址寄存器內(nèi)寫(xiě)入所要訪問(wèn)寄存器的地址，然后讀寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器即可。MBF200功能寄存器表如下表3-1所示：表3-1MBF200功能寄存器表地址標(biāo)識(shí)功能0X00RAH行地址高位0X01RAL行地址低位0X02CAL列地址低位0X03REH行末地址高位0X04REL行末地址低位0X05CEL列末地址低位0X06DTR放電時(shí)間寄存器0X07DCR放電電流寄存器0X08CTRLA控制寄存器A0X09LTRLB控制寄存器B0X0ACTRLC控制寄存器C0X0BSRA狀態(tài)寄存器0X0CPGC可編程增益寄存器0X0DICR中斷控制寄存器0X0EISR中斷狀態(tài)寄存器0X0FTHR門(mén)限寄存器0X10CIDH芯片標(biāo)識(shí)高0X11CIDL芯片標(biāo)識(shí)低0X12TET測(cè)試模擬寄存器由于列地址最大為256，所以，MBF200只有一個(gè)列開(kāi)始寄存器CAL和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。另外，THR用于在自動(dòng)檢測(cè)指紋時(shí)設(shè)置門(mén)限電壓。PGC用于在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)設(shè)置放大器的增益。②MBF200的工作過(guò)程MBF200的傳感器陣列由256列300行的傳感器單元組成。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。行捕獲分為兩個(gè)階段，第一階段，將電容板的被選行充電到3.3V或5V，在充電的同時(shí)，一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能一個(gè)采樣保持電路以采樣被選行的電容單元電壓；第二階段是傳感器板放電階段，放電快慢由放電電流寄存器決定。放電階段結(jié)束后，可由一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能另一個(gè)采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測(cè)量的有用傳感信號(hào)電壓。行捕獲結(jié)束之后，接著對(duì)該信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，從而完成一次采樣。實(shí)際上，該芯片的靈敏度是由放電電流和放電時(shí)間寄存器來(lái)調(diào)節(jié)的。③MBF200的接口模式MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。其功能如下表3-2所示：表3-2MBF200的操作模式MODE[1,0]描述00微處理器接口模式01SPI接口模式10USB模式，用內(nèi)部ROM11USB模式，用外部ROM在微處理器接口模式中，可將MFB200與51系列8位單片機(jī)相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。需要說(shuō)明的是，在該芯片中，地址選擇與數(shù)據(jù)寫(xiě)入是分兩步完成的，先通過(guò)A0置0來(lái)寫(xiě)地址索引寄存器，然后再對(duì)A0置1來(lái)讀寫(xiě)對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寄存器。其操作真值表如下表所列。SPI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同步串行接口，它允許8位數(shù)據(jù)同時(shí)、同步地被發(fā)送和接收，而且只用到如下信號(hào)：SCLK、SCS、MOSI、MISO、EXINT?？蓪⑾到y(tǒng)配置為SPI主操作（Master）與從操作（Slave），其接口形式與一般的串行外圍接口方式一致，故此不再贅述。MBF200的微處理接口讀寫(xiě)真值表如下表3-3所示：表3-3微處理器接口讀寫(xiě)真值表CSOCSIA0RDWR方式數(shù)據(jù)線HXXXX無(wú)效高阻XLXXX無(wú)效高阻LHXHH任意高阻LHLLH讀地址寄存器輸出LHLHL寫(xiě)地址寄存器輸入LHHLH讀數(shù)據(jù)寄存器輸出LHHHL寫(xiě)數(shù)據(jù)寄存器輸入3.2.2MBF200的應(yīng)用已知MBF200支持三種接口形式和四種操作模式，且這四種操作模式相互獨(dú)立，不能同時(shí)工作。由于采用8051單片機(jī)作為主控芯片，故選用8位微處理總線模式比較簡(jiǎn)單。MBF200固態(tài)指紋傳感器的D0-D7位直接與8051單片機(jī)的P00-P07相連。MBF200的硬件電路連接說(shuō)明如下：VDDA1，VDDA2（引腳1和7）為傳感器模擬部分提供電源，接一個(gè)上拉電阻后再與電源相連。VSSA1，VSSA2(引腳2和6)為傳感器模擬部分的接地端，將這兩個(gè)引腳接數(shù)字地。VDD1、VDD2、VDD3（引腳25，16和39）是數(shù)字邏輯器和I/O驅(qū)動(dòng)器的電源輸入端，將這三個(gè)引腳直接與電源相連。VSS1、VSS2、VSS3（引腳24，15和40）是數(shù)字邏輯器和I/O驅(qū)動(dòng)器的接地端，將這三個(gè)引腳接地。ISET（引腳3）在ISET和模擬接地端VSSA1之間連接一個(gè)200KΩ的電阻以設(shè)置內(nèi)部參考電流。放電電流是內(nèi)部參考電流的一個(gè)標(biāo)量函數(shù)。AIN（引腳4）用一個(gè)電阻將此引腳引出接地。FSET（引腳5）在FSET和接地端之間連接一個(gè)電阻以設(shè)置內(nèi)部的多諧振蕩器和自動(dòng)手指檢測(cè)頻率。為了標(biāo)準(zhǔn)的12MHz（±20％）的多諧振蕩器的操作和120KHz（±20％）的自動(dòng)手指檢測(cè)采樣率，應(yīng)使用56kΩ的電阻。在此采用標(biāo)準(zhǔn)的12MHz（±20％）的多諧振蕩器，故使用56KΩ的電阻。振蕩器的選擇：XTAL1（27腳）內(nèi)部振蕩器的輸入端，為了使用內(nèi)部振蕩器，應(yīng)將晶體電路連接到該引腳。如果使用外部振蕩器，應(yīng)將其輸出端連接到這個(gè)引腳。XTAL2（引腳26）內(nèi)部振蕩器的輸出端。為了使用內(nèi)部振蕩器，應(yīng)將晶體電路連接到該引腳。如果使用外部振蕩器，應(yīng)將此引腳懸空。在此設(shè)計(jì)中，選用內(nèi)部振蕩器，故將晶體電路連接到這兩個(gè)引腳上。D[7:0]（引腳11-14，17-20）為雙向數(shù)據(jù)總線，因采用微處理接口模式，故將這七個(gè)引腳與8051的P0口相連。A0（引腳21）地址輸入端。當(dāng)A0處于低電平時(shí)，選擇地址索引寄存器；當(dāng)A0處于高電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。將此引腳與8051的P17相連。RD（腳22）讀使能端，低電平有效，WR（引腳23）寫(xiě)使能端，低電平有效。將這兩引腳分別與8051的/RD和/WR相連。CS0/SCS（引腳32）片選信號(hào)，低電平有效。將此引腳與8051的P16相連。MODE[1:0]為模式選擇引腳，因采用微處理器總線接口模式，故將這兩個(gè)引腳接地。其他引腳連接如下面的電路圖3-3所示：圖3-3MBF與8051的連接圖3.3單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)3.3.1主控芯片的選擇主控芯片采用8051單片機(jī)，因?yàn)?051單片機(jī)價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定且能滿足功能要求。3.3.28051單片機(jī)芯片介紹8051是美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS8位單片機(jī)，它采用了CHMOS工藝，其特點(diǎn)是功耗低。片內(nèi)含4KB的只讀程序存儲(chǔ)器（ROM）和128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）。8051主要特點(diǎn)：?一個(gè)8位中央處理機(jī)CPU。?128個(gè)字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，可擴(kuò)展為64KB。?4KB的片內(nèi)程序只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM，可擴(kuò)展為64KB。?18個(gè)特殊功能寄存器SFR。?4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口。?一個(gè)串行I/O接口。?兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。?5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷機(jī)構(gòu)。?一個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和時(shí)鐘電路。引腳功能如下：VCC（40腳）：接+5V電源正端。Vss（20腳）：接+5V電源地端。XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2（18腳）：接外部石英晶體的另一端。在單片機(jī)的內(nèi)部，它是片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端：對(duì)于CHMOS單片機(jī)，該引腳懸空不接。P0口（39~32腳）：P0.0~P0.7統(tǒng)稱(chēng)為P0口。在不接片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為底8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。P1口（1~8腳）：P1.0~P1.7統(tǒng)稱(chēng)為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對(duì)于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功能，P1.0可作為定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。P2口（21~28腳）：P2.0~P2.7統(tǒng)稱(chēng)為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。在外接有外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過(guò)256KB時(shí)，P2口用作高8位地址總線。P3口（10~17腳）：P3.0~P3.7統(tǒng)稱(chēng)為P3口。除作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用外，P3口還可以將每一位用于第二功能，且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入/輸出或第二功能的輸入/輸出。P3口第二功能如下：P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0（低電平有效）P3.3INT1外部中斷1（低電平有效）P3.4T0定時(shí)計(jì)數(shù)器0P3.5T1定時(shí)計(jì)數(shù)器1P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通（低電平有效）P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通（低電平有效）RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)8051由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，高有兩次有效的PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址0000H－FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。8051單片機(jī)引腳圖如圖3-4所示：圖3-48051單片機(jī)引腳圖3.3.38051的晶振電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì)（1）振蕩器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部振蕩器方式，片內(nèi)的高增益反相放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.2-12MHZ之間任選，電容C1、C2可在5-30pF之間選擇。（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì)通過(guò)某種方式，是單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱(chēng)為復(fù)位。MCS-51單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RST端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。復(fù)位分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。本設(shè)計(jì)采用外部復(fù)位方式。下圖為即可進(jìn)行上電自動(dòng)復(fù)位，也可外部手動(dòng)復(fù)位的電路連接圖，R1可取200Ω左右。當(dāng)需要外部復(fù)位時(shí)，按下復(fù)位按鈕即可達(dá)到復(fù)位目的。內(nèi)部振蕩器和復(fù)位電路連接圖如下：圖3-5內(nèi)部振蕩器和復(fù)位電路連接圖3.4外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)3.4.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇因?yàn)橹讣y鎖要采集各個(gè)家庭成員的指紋，考慮到家庭成員不一定是固定不變的，故要能進(jìn)行刪除和重新輸入，并能夠做到讓存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在掉電后不丟失。故應(yīng)選擇非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。故在本設(shè)計(jì)中選擇Flashmemory芯片。又因?yàn)镸BF200固態(tài)指紋傳感器采集的指紋大小為75KB,為了保證能存儲(chǔ)各個(gè)家庭成員的指紋選擇應(yīng)內(nèi)存較大的Flash芯片。在本設(shè)計(jì)中選取AT49BV008A(T)芯片作為外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其內(nèi)存大小為1M。（1）AT49BV008A(T)芯片介紹特點(diǎn)：?2.7V至3.6V讀/寫(xiě)操作?快速讀取訪問(wèn)時(shí)間120納秒?內(nèi)部擦除/編程控制?芯片構(gòu)成：——一個(gè)16K的編程鎖定引導(dǎo)塊——兩個(gè)8K的參數(shù)塊——一個(gè)992K的主內(nèi)存陣列塊?快速扇區(qū)擦除時(shí)間10秒

?一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)或字的編程30毫秒（一般）

?硬件數(shù)據(jù)保護(hù)

?低功耗——25mA的工作電流

——CMOS待機(jī)電流50毫安說(shuō)明：AT49BV008A（T）是美國(guó)Atmel（愛(ài)特梅爾）公司生產(chǎn)的閃存芯片。其容量為1M*8位或512KB*16位。采用Atmel先進(jìn)的非易失性CMOS工藝制造，器件在2.7V讀操作時(shí)功耗只有67mW，訪問(wèn)時(shí)間為120ns。當(dāng)取消時(shí)，CMOS的待機(jī)電流小于50mA。該器件包含一個(gè)用戶啟用的“引導(dǎo)塊”保護(hù)功能。兩種類(lèi)型是可供選擇的：AT49BV008A/8192A限定引導(dǎo)塊在最低地址的情況下;AT49BV008AT/8192AT限定在最高地址的情況下。允許在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單的可編程，AT49BV008A（T）/8192A（T）不需要高輸入電壓來(lái)進(jìn)行編程。讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)類(lèi)似于從EPROM中讀??；它有標(biāo)準(zhǔn)的的CE，OE和WE輸入的以避免爭(zhēng)用總線。重新編輯AT49BV008A（T）/8192A（T）從第一個(gè)被擦除的數(shù)據(jù)塊開(kāi)始，然后在一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字一個(gè)字的基礎(chǔ)上編程。表3-4AT49BV008A（T）引腳功能表引腳名稱(chēng)功能/CE片選信號(hào)/OE輸出允許信號(hào)/WE寫(xiě)允許信號(hào)/RESET復(fù)位端RDY//BUSY就緒/忙輸出VPP為快速編程/擦除操作提供可選電源I/O0—I/O14數(shù)據(jù)輸入/輸出線I/O15(A-1)I/O15（數(shù)據(jù)輸入/輸出線，子模式）A-1（LSB地址輸入，字節(jié)模式）/BYTE選擇字節(jié)或字模式NC未連接A0—A18地址線如果/Byte引腳被設(shè)置為邏輯“0”，該器件是在字節(jié)模式，只有數(shù)據(jù)I/O口的引腳I/O0-I/O7是有效的并通過(guò)片選信號(hào)CE和輸出允許端OE控制。數(shù)據(jù)I/O的引腳I/O8-I/O14為高阻態(tài)I/O15引腳作為輸入LSB（1）地址功能使用。AT49BV008A（T）的管腳圖如下圖所示：圖3-6AT49BV008A（T）的管腳圖3.4.2AT49BV008A（T）芯片與8051的連接因?yàn)?051單片機(jī)可擴(kuò)展的最大的外設(shè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)存為64KB，為了與內(nèi)存為1M的AT49BV008A（T）閃存芯片相連，必須占用8051單片機(jī)其他I/O的引腳作為高四位地址線才可實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中將8051的P1口的引腳P10-P13作為高四位地址線。AT49BV008A（T）的8根數(shù)據(jù)線與8051的P0口的8根I/O口線相連。8051的P0口經(jīng)過(guò)74LS373鎖存器鎖存后的8個(gè)輸出引腳與AT49BV008A（T）的低8位地址線相連，P20-P27和P10-P13與其高12位地址線相連。其引腳/OE、/WE分別與8051的引腳/RD、/WR相連。電路連接圖見(jiàn)附錄中的電路圖。3.5開(kāi)鎖電路設(shè)計(jì)當(dāng)用戶輸入的指紋與預(yù)先存儲(chǔ)的指紋比對(duì)成功后就給一個(gè)高電平的開(kāi)鎖信號(hào)，再通過(guò)電流使繼電器內(nèi)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，將控制開(kāi)鎖電路的開(kāi)關(guān)閉合，便能使電磁鐵通電以實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能。本設(shè)計(jì)通過(guò)P3.0接一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器控制電磁鐵電路的開(kāi)閉，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖功能。開(kāi)鎖模塊電路如下圖所示：圖3-7開(kāi)鎖模塊電路3.6鍵盤(pán)及顯示模塊設(shè)計(jì)3.6.1鍵盤(pán)部分設(shè)計(jì)因?yàn)橐獙?duì)指紋進(jìn)行刪除和存儲(chǔ)操作，在本設(shè)計(jì)中采用鍵盤(pán)輸入來(lái)進(jìn)行這些操作。鍵盤(pán)是計(jì)算機(jī)不可或缺的輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶。按鍵盤(pán)功能分類(lèi)分為編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)兩類(lèi)。編碼鍵盤(pán)：鍵盤(pán)本身帶有硬件電路，能夠由硬件邏輯自動(dòng)檢測(cè)被按下的鍵，然后自動(dòng)產(chǎn)生與被按鍵對(duì)應(yīng)的鍵編碼（ASCII碼、BCD碼等），并以并行或串行通信方式送往主機(jī)。它使用方便、接口電路簡(jiǎn)單，但自身電路復(fù)雜、成本較高。非編碼鍵盤(pán)：這種鍵盤(pán)由簡(jiǎn)單的鍵開(kāi)關(guān)行列矩陣組成，只能提供鍵開(kāi)關(guān)的行列位置（位置碼或掃描碼），按鍵的識(shí)別、鍵值的確定和輸入到主機(jī)等工作全靠軟件完成。這類(lèi)鍵盤(pán)的硬件電路簡(jiǎn)單、成本低，被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中。故在本設(shè)計(jì)中采用非編碼鍵盤(pán)。按鍵盤(pán)空間維數(shù)分類(lèi)分為兩類(lèi)：獨(dú)立鍵盤(pán)：就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線，每根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個(gè)按鍵按下。每一個(gè)鍵連接到I/O端口的一位，無(wú)鍵閉合時(shí)各位均處于高電平。當(dāng)有一個(gè)鍵按下時(shí)，就使對(duì)應(yīng)位接地而成為低電平，其他位則仍為高電位。這樣，CPU只要通過(guò)讀I/O端口，檢測(cè)端口中哪一位為低電平，便可識(shí)別出所按下的鍵。這種鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但當(dāng)鍵盤(pán)上的鍵較多時(shí)，需使用的I/O端口太多，因此只能用于僅有幾個(gè)鍵的小鍵盤(pán)中。圖3-8獨(dú)立鍵盤(pán)示意圖矩陣鍵盤(pán)：是指將所有按鍵按行和列排列成矩陣形式，對(duì)于m×n個(gè)鍵的鍵盤(pán)，如果采用獨(dú)立鍵盤(pán)形式，則需要m×n位I/O端口，而采用矩陣鍵盤(pán)形式只需要m+n位。在下圖中，如果K7號(hào)鍵按下，則第0行線和第7列線接通而形成通路，如果第0行線為低電平，則由于鍵K7的閉合，會(huì)使第7列線也輸出低電平。矩陣式鍵盤(pán)工作時(shí)，就是按照行線和列線交叉點(diǎn)上的電平值來(lái)識(shí)別按鍵的。圖3-9矩陣鍵盤(pán)示意圖因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所用到的按鍵數(shù)不多，考慮到成本因素在本設(shè)計(jì)中選用非編碼式獨(dú)立鍵盤(pán)。更加重要的是獨(dú)立式非編碼鍵盤(pán)接線較為簡(jiǎn)單，對(duì)于程序的設(shè)計(jì)又有簡(jiǎn)化的作用。因8051的各個(gè)I/O接口都被占用，故需擴(kuò)展接口芯片，在本設(shè)計(jì)中擴(kuò)展一個(gè)8155。其與8051的連接電路如下圖所示：圖3-10鍵盤(pán)及顯示部分電路圖鍵盤(pán)共有五個(gè)按鍵，分別為存儲(chǔ)、刪除、選擇鍵上、選擇鍵下和確定。3.6.2顯示部分設(shè)計(jì)在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用LED數(shù)碼管顯示器來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)。由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。七段碼顯示器由8個(gè)發(fā)光二極管組成。其中7個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光管在數(shù)碼管顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用，它能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED數(shù)碼管顯示器有兩種不一樣的形式：一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連在一起的，稱(chēng)之為共陽(yáng)極LED數(shù)碼管顯示器；另一種是8個(gè)發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱(chēng)之為共陰極LED數(shù)碼管顯示器。如下圖所示。`圖3-11七段碼顯示器原理及外形引腳圖七段字型碼如表3-5所示，由于只有8個(gè)段，多以字型碼為一個(gè)字節(jié)表3-5七段字型碼表字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H考慮到本此設(shè)計(jì)的成品是指紋防盜鎖，而LED顯示屏僅僅起到提示的作用，并不直接參與解鎖的行動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)中對(duì)LED顯示屏并不做過(guò)多的設(shè)計(jì)和要求。只是采用單片的8段LED顯示屏，只用單位的數(shù)字提示操作已能滿足操作的要求。這樣一來(lái)減少顯示屏的數(shù)量，降低了成本，同樣也減少了線路的連接，降低了線路的復(fù)雜程度，為加工制造和程序的編寫(xiě)提供了極大的便利。第四章軟件程序的設(shè)計(jì)4.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的選擇程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有三種：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器唯一能“懂”的語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序（稱(chēng)為源程序）最終都必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的程序（成為目標(biāo)程序），計(jì)算機(jī)才能“看懂”，然后逐一執(zhí)行。高級(jí)語(yǔ)言是面向問(wèn)題和計(jì)算過(guò)程的語(yǔ)言，它可通過(guò)于各種不同的計(jì)算機(jī)，用戶編程時(shí)不必仔細(xì)了解所用的計(jì)算機(jī)的具體性能與指令系統(tǒng)，而且語(yǔ)句的功能強(qiáng)，常常一個(gè)語(yǔ)句已相當(dāng)于很多條計(jì)算機(jī)指令，于是用高級(jí)語(yǔ)言編制程序的速度比較快，也便于學(xué)習(xí)和交流，但是本系統(tǒng)卻選用了匯編語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言有如下特點(diǎn)：助記符指令和機(jī)器指令一一對(duì)應(yīng)，所以用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序效率高，占用存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快，因此匯編語(yǔ)言能編寫(xiě)出最優(yōu)化的程序；使用匯編語(yǔ)言編程比使用高級(jí)語(yǔ)言困難。因?yàn)閰R編語(yǔ)言是面向計(jì)算機(jī)的，匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)人員必須對(duì)計(jì)算機(jī)硬件有相當(dāng)深入的了解；匯編語(yǔ)言能直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器及接口電路，也能處理中斷。因此匯編語(yǔ)言程序能直接管理和控制硬件設(shè)備；匯編語(yǔ)言缺乏通用性，程序不易移植，各種計(jì)算機(jī)都有自己的匯編語(yǔ)言，不同計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言之間不能通用。我們選擇匯編語(yǔ)言的原因在于，本系統(tǒng)是編制程序工作量不大、規(guī)模較小的單片機(jī)微控制系統(tǒng)，使用匯編語(yǔ)言可以不用像高級(jí)語(yǔ)言那樣占用較多的存儲(chǔ)空間，適合于存儲(chǔ)容量較小的系統(tǒng)。要想使計(jì)算機(jī)完成某一具體的工作任務(wù)，必須按順序執(zhí)行一條條的指令。這種按工作的要求編排指令序列的過(guò)程稱(chēng)為程序設(shè)計(jì)。使用匯編語(yǔ)言作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其程序設(shè)計(jì)步驟大致可分為以下幾步：分析問(wèn)題，熟悉和明確問(wèn)題的要求，明確已知條件及對(duì)運(yùn)算與控制的要求，準(zhǔn)確地規(guī)定程序?qū)⒁瓿傻娜蝿?wù)，建立數(shù)學(xué)模型。確定算法，根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的要求及指令系統(tǒng)的特點(diǎn)，選擇解決問(wèn)題的方法。算法是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的依據(jù)，它決定了程序的正確性和程序質(zhì)量。設(shè)計(jì)程序流程圖，所謂程序流程圖就是用各種規(guī)定的圖形，流向線及必要的文字符號(hào)來(lái)表達(dá)解題步驟，算法及程序結(jié)構(gòu)。它直觀，清晰地體現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)思路，是程序設(shè)計(jì)的一種常用工具。畫(huà)流程圖的過(guò)程就是進(jìn)行程序邏輯設(shè)計(jì)的過(guò)程。正確的畫(huà)法是先粗后細(xì)，一步一個(gè)腳印，只考慮邏輯結(jié)構(gòu)和算法，不考慮或較少的考慮具體指令。這樣，畫(huà)流程圖時(shí)就可以集中精力考慮程序的結(jié)構(gòu)和算法，從根本上保證程序的合理性和可靠性。然后，剩下的任務(wù)就是進(jìn)行指令代換，這時(shí)只要消除語(yǔ)法錯(cuò)誤，一般就能順利編出源程序，并很少進(jìn)行返工。分配內(nèi)存單元，分配內(nèi)存工作單元，確定程序和數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。因?yàn)樵诒疚牡那皫渍轮形覀円呀?jīng)完成的設(shè)備的選擇與電路的連接，因此在下面的工作我們將直接進(jìn)行設(shè)計(jì)程序流程圖的步驟。4.2程序及程序流程圖設(shè)計(jì)在本電路設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是作為控制器嵌入到系統(tǒng)中。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)主要分為兩大部分，即對(duì)MBF200指紋識(shí)別模塊的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和對(duì)七段碼顯示、按鍵程序的開(kāi)發(fā)。程序開(kāi)發(fā)就是要建立主程序和一系列的匯編語(yǔ)言子程序，子程序供主程序隨時(shí)調(diào)用。對(duì)MBF200指紋識(shí)別模塊、七段碼顯示、按鍵分別編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言程序均為子程序。4.2.1主程序流程圖設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4-1所示：系統(tǒng)上電系統(tǒng)上電系統(tǒng)和各模塊初始化系統(tǒng)和各模塊初始化檢測(cè)是否有鍵按下檢測(cè)是否有指紋輸入檢測(cè)是否有鍵按下檢測(cè)是否有指紋輸入NNY判斷鍵值輸入的指紋是否正確Y判斷鍵值輸入的指紋是否正確N“存儲(chǔ)”鍵？“存儲(chǔ)”鍵？“刪除”鍵？Y“刪除”鍵？開(kāi)鎖開(kāi)鎖選擇要?jiǎng)h除的指紋選擇要?jiǎng)h除的指紋采集輸入的指紋采集輸入的指紋刪除選定的指紋？刪除選定的指紋？存儲(chǔ)采集到的指紋？存儲(chǔ)采集到的指紋？確定確定YNYN確定確定圖4-1主程序流程圖首先使系統(tǒng)上電，然后初始化系統(tǒng)的各個(gè)模塊，接著檢測(cè)是否有鍵按下，若有鍵按下選判斷鍵值以確定是“存儲(chǔ)”鍵還是“刪除”鍵。若為“存儲(chǔ)”鍵，則下一步就是采集輸入的指紋，然后再確定是否存儲(chǔ)采集到的指紋，若存儲(chǔ)則按“確定”鍵，若不按則視為返回到主程序。若為“刪除”鍵，則下一步就是選擇要?jiǎng)h除的指紋，然后再確定是否刪除選定的指紋，若刪除則按“確定”鍵，若不按則視為返回到主程序。若未檢測(cè)到有鍵按下，則檢測(cè)是否有指紋輸入，若有則比較輸入的指紋是否正確，若正確執(zhí)行開(kāi)鎖命令，之后返回主程序。若輸入的指紋不正確，則直接返回主程序。若既沒(méi)有鍵按下，又沒(méi)有指紋輸入，則直接返回主程序。4.2.2各子程序流程圖設(shè)計(jì)鍵盤(pán)模塊程序流程圖如圖4-2所示：有鍵被按下有鍵被按下延時(shí)消除抖動(dòng)延時(shí)消除抖動(dòng)是否有按鍵是否有按鍵認(rèn)為是干擾信號(hào)N認(rèn)為是干擾信號(hào)進(jìn)行按鍵分析Y進(jìn)行按鍵分析轉(zhuǎn)入該鍵值定義的執(zhí)行指令轉(zhuǎn)入該鍵