《基于52單片機指紋密碼鎖的設(shè)計》6200字（論文）

基于52單片機指紋密碼鎖的設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u12917引言 1281951.研究背景及意義 2153832.指紋密碼鎖設(shè)計特點 3229013.系統(tǒng)硬件簡要 333583.1STC89C52簡單介紹 3108883.2指紋模塊選擇 4220233.3LCD12806液晶顯示器 53883.4數(shù)據(jù)存儲芯片選用 624463.5系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 6216614.系統(tǒng)硬件設(shè)計 74724.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 7263984.2指紋模塊設(shè)計 9265844.3AT24C02模塊設(shè)計 10117054.4矩陣鍵盤設(shè)計 11140394.5系統(tǒng)流程圖 12129095.總結(jié) 13摘要：該系統(tǒng)的設(shè)計主要是基于52單片機的指紋密碼鎖設(shè)計，通過指紋模塊采取指紋，用12864液晶顯示屏來顯示信息，再利用4*4矩陣按鍵進行復(fù)位操作也可以利用數(shù)字密碼進行開鎖。本設(shè)計相對于傳統(tǒng)機械鎖而言，不但安全性高，開鎖也更加便利，并且不易損壞，非常適用于現(xiàn)代人類的生活需求。關(guān)鍵詞：矩陣鍵盤；指紋密碼；單片機；12864液晶顯示引言指紋密碼鎖主要是利用單片機來控制相應(yīng)的傳統(tǒng)機械部分，由于指紋的唯一性，使用指紋解鎖其安全系數(shù)更高。指紋是每個人都具備的一種手指皮膚上的紋理結(jié)構(gòu)，但是這個紋理結(jié)構(gòu)都很獨特，每個人都具有自己獨一無二的指紋。利用指紋設(shè)備的光學(xué)原理采集指紋圖像，能夠獲取其特別紋理結(jié)構(gòu)的指紋信息。利用數(shù)據(jù)庫對這些數(shù)據(jù)準確存儲，最后在單片機上進行指紋的對比和運算[1]。每個指紋的螺旋紋路不同，即便是雙胞胎他們的指紋也是有區(qū)別的，這樣通過對比相同手指上的指紋就可以辨別出是否是一個人。正是由于指紋的特別性使設(shè)計的基于單片機的指紋識別更加可靠、安全。信息技術(shù)是當代發(fā)展的主流，這也同時推動電子科技的快速發(fā)展，指紋識別技術(shù)得到了很大的提高。電子集成技術(shù)的成熟在對指紋s識別設(shè)備的制造中起到了決定性的作用，使用更加先進的電子集成技術(shù)指紋模塊具備了更加精確的光學(xué)識別度。正是每個人的指紋都有自己的獨特性，因此指紋密碼鎖有更高的安全性，使開鎖也更加方便。相對于傳統(tǒng)機械鎖來說，指紋密碼鎖的研究提高了人們的安全性，在機械鎖需要帶鑰匙來進行開門時，指紋密碼鎖只需要動動手指就可以開鎖。1.研究背景及意義為了適應(yīng)快速發(fā)展的社會，傳統(tǒng)的機械鎖已經(jīng)逐漸消失，指紋密碼鎖逐漸的走進人類的生活中。傳統(tǒng)的個人身份鑒別手段逐漸的消失在人們的面前，人類已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)的識別方法。為了使人類的信息財產(chǎn)更加安全，避免有不法人員假冒、偽造、盜用、破譯人們的身份信息，為了滿足這個時代人類的需求，指紋識別技術(shù)應(yīng)運而生。然而指紋密碼鎖作為一項最傳統(tǒng)、最成熟的生物鑒定方式，它的相對穩(wěn)定性比較強。然而生物鑒定的方式也有很多，這是在傳統(tǒng)鑰匙的基礎(chǔ)上，增添一些數(shù)字密碼，也可以利用磁場、聲音、圖像、聲波光束來進行控制開鎖。正是由于這種防盜裝置的發(fā)明讓不法分子無從下手，使的人們的財產(chǎn)安全受到保障。除了指紋類的電子鎖還有許多類別的電子鎖，比如聲控電子鎖、虹膜識別電子鎖、面部識別電子鎖等，都是根據(jù)人類特有且唯一的特點進行識別確認，都有極強的防盜性。但由于當今社會科技技術(shù)以及成本的限制，高端產(chǎn)品無法普及。然而指紋密碼鎖的技術(shù)逐漸的成熟其成本一步步的降低，成為我們的第一首選。當前的國際市場已經(jīng)建立了指紋數(shù)據(jù)庫和鑒定機制，國內(nèi)外的技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，達到了市場普及的要求。國外，例如美國、德國、日本等國家都已經(jīng)發(fā)明出很多指紋識別的儀器并在投入使用，例如美國SECOM公司、德國DESSMANN和日本嘉士通等；在國內(nèi)，清華大學(xué)是首個進軍指紋領(lǐng)域的，在90年代開發(fā)了IC門禁卡，其浙江中正在2000年開發(fā)的指紋識別標志我國在這領(lǐng)域進入了世界領(lǐng)先水平[2]。本次指紋密碼鎖的設(shè)計具有深遠的意義，隨著指紋技術(shù)的不斷提高，指紋的識別也更加精確?，F(xiàn)在的電子產(chǎn)品都逐漸的在使用以指紋的方式進行防盜，比如身邊的智能手機、筆記本電腦、保險箱等。指紋技術(shù)的誕生大大提高了人們的生活質(zhì)量，對其私人的信息的保障更加可靠。2.指紋密碼鎖設(shè)計特點指紋密碼鎖的開鎖方式有兩種，采用一般情況采用指紋開鎖，其安全性比較高，開鎖方便。另一種就是密碼開鎖，輸入0~9的數(shù)字密碼，實現(xiàn)開鎖的功能。使用數(shù)字密碼可以讓我們隨時修改指紋，刪除那些采集不精確的指紋重新錄入。利用STC89C52單片機實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，編程簡單，可實現(xiàn)在下編程。本設(shè)如果需要開鎖則要通過AS608指紋模塊先進行識別確認，指紋正確可以自動開鎖，指紋錯誤蜂鳴器報警，指紋模塊初始化然后重新輸入指紋。因為每個人的指紋是不一樣的，用指紋解鎖使安全性有了很大的提高，運用兩種開鎖方式，非常適用于我們現(xiàn)在的生活工作方式。3.系統(tǒng)硬件簡要3.1STC89C52簡單介紹信息化的時代使人們的生活有了很大的提高，單片機的誕生加快了智能系統(tǒng)的發(fā)展。單片機的運用非常廣泛，是一種典型的嵌入式微控制器，在工業(yè)的自動化控制中占據(jù)核心地位。單片機的體型小，功耗低，相當于一個微型計算機，是整個電路的控制核心。運算器、控制器、存儲器、出入輸入設(shè)備等是構(gòu)成單片機的主要裝置。單片機的發(fā)展代替了以前復(fù)雜的模擬電路。單片機的高速發(fā)展是世界進入信息化時代重要標志之一，它應(yīng)用與各個領(lǐng)域，從小型的電子產(chǎn)品到飛機坦克都離不開單片機。如今的科技發(fā)展已經(jīng)離不開單片片機的運用，因此本設(shè)計也是主要采用單片機來實現(xiàn)的。STC型單片機有很強的兼容性，其指令代碼能夠兼容傳統(tǒng)的8051單片機，速度比傳統(tǒng)快幾倍甚至十幾倍。STC型單片機編程簡單，可以實現(xiàn)在線編程，支持串口程序燒寫。此次設(shè)計采用的是宏晶科技生產(chǎn)的STC89C52單片機，使用功耗低、性能高，內(nèi)核采用的是MCS-51；是一種增強型\t"/item/STC89C52/_blank"8051單片機，6時鐘/\t"/item/STC89C52/_blank"機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051[3]。工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）。\t"/item/STC89C52/_blank"工作頻率范圍：0～40MHz。片上集成512字節(jié)RAM。通用I/O口有32個。ISP（在系統(tǒng)可編程）。具有EEPROM功能。共3個16位\t"/item/STC89C52/_blank"定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2。PDIP封裝。圖1STC89C52引腳圖STC89C52單片機造價便宜，使用功耗低，具有高速的運算能力，用簡單的C語言就可以進行程序編寫，完全符合此次的設(shè)計要求。此單片機有8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)[4]。3.2指紋模塊選擇指紋模塊是本次設(shè)計的核心器件之一，其作用是完成指紋的采集和指紋的識別。AS608與FM-70指紋模塊都是采用的DSP高速運算，都十分符合此次設(shè)計要求。FM-70指紋模塊是一款成像清晰的指紋傳感器，反應(yīng)靈敏，使用壽命長，具有豐富的控制指令。AS806指紋模塊是一款高性能的指紋傳感器，可以高效的采集并識別指紋，相對FM-70指紋模塊價格較低?？紤]本次設(shè)計的要求和成本，AS806指紋模塊更加符合要求。AS608指紋識別模塊與單片機進行串口通訊直接連接，就能夠?qū)崿F(xiàn)指紋的采集與識別，設(shè)計比較簡單。AS608亮背景光學(xué)頭指紋識別設(shè)備采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構(gòu)成[5]。采集到的指紋直接存儲到傳感器內(nèi)部存儲區(qū)中，AS608傳感器最大可以存儲120枚指紋，每個指紋模板占用512字節(jié)。如圖2是本設(shè)計采用指紋模塊的實物圖。圖2指紋識別模塊3.3LCD12806液晶顯示器為了使系統(tǒng)顯示更加清晰，顯示模塊采用的使LCD液晶顯示器，相對于數(shù)碼管的顯示其功能更加全面。LCD液晶顯示模塊可以顯示大小不同的文字，并且具有一些基本的繪圖功能，能夠清晰的顯示系統(tǒng)的當前狀態(tài)，使用起來更加方便。LCD液晶顯示是上線材料為極化材料，中間使加入液體水晶溶液，當液體有電流流過時水晶進行重新排列，光線無法穿透，可以達到成像的目的[5]。耗電量地、體積小、零輻射等優(yōu)點，使得液晶顯示屏受到人們的喜愛。這是一款功能強大的液晶顯示模塊，采用LCD12864液晶顯示能夠清晰快速的顯示此次設(shè)計的每項操作，呈現(xiàn)的畫面更加具體。該模塊與其他顯示模塊相比，其結(jié)果更加簡單，程序編寫更加簡潔，使用功耗低，價格較低。LCD12864液晶顯示模塊的基本參數(shù)：低壓電源VDD：3.0~5.5V。分辨率：128*64。2MHz時鐘頻率。顯示方式：STN、半透、正顯。通訊方式：串行、并口可選。無需片選信號，簡化軟件設(shè)計。圖3LCD12864液晶顯示圖3.4數(shù)據(jù)存儲芯片選用方案一：STC89C52單片機內(nèi)部的EEPROM可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，通過IAP技術(shù)來實現(xiàn)EEPROM內(nèi)部Flash的擦寫。利用ISP技術(shù)也可以進行在線程序的編寫與修改，但是擦除需要通過紫外線并且需要花費許多時間[6]。方案二：AT24C02存儲模塊使用兩線串行總線模式進行擦除，使用功耗低、擦除速度快，支持I2C總線的數(shù)據(jù)傳輸，在掉電模式下可以進行數(shù)據(jù)的自我保護，防止數(shù)據(jù)丟失。為了避免進行程序和數(shù)據(jù)存儲時芯片自身的存儲空間不足，掉電之后數(shù)據(jù)信息的丟失，在設(shè)計系統(tǒng)時經(jīng)常使用存儲芯片來為我們解決這些問題。因此考慮到實際的應(yīng)用，決定采用AT24C02存儲芯片。圖4AT24C02引腳圖3.5系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖圖6系統(tǒng)框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計指紋密碼鎖設(shè)計主要是由控制核心STC89C52單片機、AS608指紋模塊、LCD12806液晶顯示模塊、矩陣鍵盤、AT24C02存儲模塊等組成。4.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計是系統(tǒng)的核心部分，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可以正常運行。電源、晶振電路、復(fù)位電路是組成單片機最小系統(tǒng)的基本電路。電源是整個單片機系統(tǒng)中一個必不可少的部分，它是系統(tǒng)運作的主要能源。單片機的一般電壓在5V左右，次此次設(shè)計采用的也是5V的供電電壓，并且使用的是USB模式的供電方式。晶振電路是單片機最小系統(tǒng)必不可少的一個電路，為系統(tǒng)產(chǎn)生所需的單片機時鐘頻率。晶振電路的設(shè)計的主要元器件有：一個晶振、兩個電容，在構(gòu)成的晶振電路使內(nèi)部振蕩產(chǎn)生自激振蕩。選取晶振時不但考慮單片機最小系統(tǒng)的內(nèi)在功耗，還要考慮整個系統(tǒng)設(shè)計的需求。此次的設(shè)計采用AS608指紋模塊與單片機使用串口通訊，選用晶振最好的是11.0592MHz的石英晶振。由于晶振電路需要與單片機的XTAL1與XTAL2引腳連接，但電路會產(chǎn)生諧波，影響時鐘振蕩的穩(wěn)定性。在使用11.0592MHz晶振的前提下，使用兩個20~40pF之間的電容來消除電路中產(chǎn)生諧波帶來的影響，根據(jù)電容的陶瓷諧振特性，所以本設(shè)計主要使用的是30pF的陶瓷電容。圖7晶振電路復(fù)位電路其主要目的是使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，系統(tǒng)在上電時就會自動復(fù)位一次，按下按鍵系統(tǒng)再次復(fù)位。在圖7中電路圖中，利用復(fù)位按鍵來進行開關(guān)復(fù)位，上電復(fù)位中使電容負極和單片機RESET的外接引腳相連。電路中采用的是10uf電解電容、10k電阻然后與按鍵相連，構(gòu)成一個復(fù)位電路。然后+5V電源對電容器充電，電阻上的電壓逐漸降低，最后約為0，芯片工作正常；當不按下復(fù)位按鈕時，電路實現(xiàn)上電復(fù)位；芯片正常工作后，通過按鍵使RST引腳出現(xiàn)高電平，達到手動復(fù)位的效果[7]。圖8復(fù)位電路STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖9所示。圖9STC89C52單片機最小系統(tǒng)4.2指紋模塊設(shè)計AS608指紋模塊設(shè)計比較簡單，可與單片機直接相連，在進行簡單的編程就能實現(xiàn)對其控制。由于指紋傳感器的工作電壓是3.3V而單片機系統(tǒng)電源電壓是5V，所以在電源引腳上加入D4和D5兩個二極管進行降壓到3.3V左右給指紋傳感器供電。圖10單片機與AS608連接電路AS608指紋模塊的控制接口為8pin，通信總線有兩個接口：串行通信（TX，Rx）和USB通信；電源電壓為3.3V；采用串口通信，編程比較簡單，也是比較常用的；使用USB通信，編程相對困難，但USB作為最常用的總線接口，具有良好的兼容性[8]。AS608指紋模塊作為一個外部器件，不需要添加其他裝置就可以直接進行指紋的采集以與識別，錄入指紋以后就能直接與所匹配指紋實現(xiàn)開鎖。在控制該模塊時，只需要輸入其需要的指令/數(shù)據(jù)包的有效編碼，就可以AS608指紋模塊根據(jù)需求完成操作。指令/數(shù)據(jù)包有01指令包、02數(shù)據(jù)包、08結(jié)束包，其包頭需要添加0ffx01數(shù)據(jù)。表1AS608引腳定義序號1234名稱ViTxRxGND說明模塊電源正輸入串行數(shù)據(jù)輸出，TTL邏輯電平串行數(shù)據(jù)輸入，TTL邏輯電平內(nèi)部與電源地連接5678WAKVtU+U-感應(yīng)信號輸出，默認高電平有效觸摸感應(yīng)電源輸入端，3v供電USBD+USBD-4.3AT24C02模塊設(shè)計AT24C02是Ateml公司的可擦除EEPROM存儲芯片，主要采用兩線串行的總線和單片機通訊，體積小電壓最低為2.5V，額定電流為1mA，而且采用的是8引腳的DIP封裝，連線簡單、工作可靠使用更加方便[9]。AT24C02存儲模塊有8字節(jié)寫緩沖區(qū)，片內(nèi)具有防誤擦寫保護，數(shù)據(jù)保持時間長可達100年。AT24C02支持I2C總線的傳輸協(xié)議，通過串行數(shù)據(jù)用于器件的發(fā)送/接收。圖5AT24C02起始/停止失序根據(jù)計時表，SDA引腳通常需要拉高。在SCL的高電平時，數(shù)據(jù)被用作啟動或停止數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?，因此如果更改SDA引腳的數(shù)據(jù)，只能在SCL的低電平時更改。啟動信號：啟動信號相當于允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_關(guān)。當開關(guān)打開時，可以交換數(shù)據(jù)。對于AT24C02芯片，當SCL高時，SDA上會產(chǎn)生一個下降沿，這是起始信號結(jié)束信號：停止信號相當于關(guān)閉信號傳輸通道的開關(guān)。當SCL為高時，SDA產(chǎn)生一個上升沿，表示停止信號。停止信號發(fā)送后，所有數(shù)據(jù)傳輸將停止開始狀態(tài):數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)臓顟B(tài)。停止狀態(tài)：數(shù)據(jù)停止傳輸?shù)臓顟B(tài)。響應(yīng)信號：響應(yīng)信號用作完成操作或接收數(shù)據(jù)的信號。當接收芯片接收到其他芯片發(fā)送給它的數(shù)據(jù)時，它會像發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片一樣發(fā)出一個響應(yīng)信號，表示它已經(jīng)成功地接收到了數(shù)據(jù)。同樣地，發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片也發(fā)出響應(yīng)信號，表示它已經(jīng)成功地發(fā)送了所有數(shù)據(jù)。當沒有收到任何一方的響應(yīng)信號時，表示通信失敗。AT24C02讀/寫操作時序圖如圖12所示。圖12AT24C02讀/寫時序圖串行時鐘信號（SCL）：數(shù)據(jù)在SCL輸入時鐘信號的上升沿發(fā)送到EEPROM設(shè)備，并在時鐘下降沿讀出；串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳SDA：該引腳可實現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)傳輸；地址引腳（A2，A1，A0）：地址輸入引腳[10~12]。輸入時鐘信號的上升沿引腳SDA和SCL分別連接到單片機的兩個引腳，具體的電路圖如圖13所示。圖13AT24C02電路圖4.4矩陣鍵盤設(shè)計采用矩陣鍵盤的設(shè)計主要是減少對I/O口的占用，使鍵盤的排列順序更加美觀易操作。此矩陣鍵盤有明顯的特點，其中每條水平線與垂直線其交叉的地方?jīng)]有接通關(guān)系，只有通過按鍵才能連通。4*4矩陣鍵盤是通過16個按鍵進行排列組成的，這樣的設(shè)計通過一個端口就可以使整個按鍵接通。矩陣按鍵設(shè)計中，每一行與每一列都有各自的行列值。在編程時，對矩陣鍵盤的每行每列進行賦值，并且使其通過并行接口與CPU通信實現(xiàn)按鍵對電路的有效控制。在接通電源后，按鍵輸出端都是高電平狀態(tài)，按鍵按下時，由于行線的輸出是低電平，使得按鍵進行正常工作[13,14]。矩陣鍵盤行數(shù)越多，差異越明顯。如果你再加一行，你可以用20個鍵組成一個鍵盤。該鍵設(shè)計在行列線的交叉處，使行列線連接到交換機的兩端。編程線的輸入線接+5V電源，列線為輸出線。掃描按鍵位置時，逐行掃描。每隔1ms，一步一步地向下拉每一列。下拉一列時，其他三列均為高單片