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指纹密码锁论文

目录

摘要I

AbstractII

第一章绪论-1-

1.1引言-1-

1.2指纹锁的背景-1-

1.3指纹锁的指纹识别的基本原理-2-

1.4指纹锁设计的意义的本设计特点-2-

第二章系统设计-3-

2.1设计原则-3-

2.2设计方案的选择-3-

2.2系统总设计结构图-4-

2.3开锁机构设计-4-

第三章主要元器件介绍-5-

3.180C51单片介绍-5-

3.2SB2000M指纹识别模块介绍-7-

3.2.1结构-7-

3.2.2产品规格-8-

3.3RS-232C连接器介绍-9-

3.4显示设备的介绍-10-

3.5输入设备的介绍-11-

3.6报警设备的介绍-13-

第四章硬件电路的设计-15-

4.1系统电源的设计-15-

4.2系统的备用电源的设计-16-

4.2.1备用电源的供给设计-16-

4.2.2备用电源的使用选择设计-18-

4.3系统报警电路的设计-19-

4.4开锁电路的设计-20-

4.5密码输入电路的设计-21-

4.6显示电路的设计-22-

4.7指纹识别模块电路的设计-23-

4.8总电路的设计-23-

第五章软件程序的设计-25-

5.1程序设计语言的选择及步骤-25-

5.2开锁程序的设计及流程图-26-

5.3修改开锁密码的设计及操作-28-

结论-29-

致谢-30-

参考文献-31-

附录一：

总接线图-32-

附录二：

程序-33-

第一章绪论

1.1引言

随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出，传统的机械锁由于其构造的简单，安全性能低，被撬的事件屡见不鲜，而且钥匙易于被复制，难以形成有效的保护。

电子类锁由于其保密性高，使用灵活性好，安全系数高，受到了广大用户的喜爱，拥有广大的市场需求。

锁是置于可启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范围或某种器具的,必须以钥匙或暗码打开的扣件。

锁具发展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也研究得很透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。

现代人类文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值观念，文化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已的行为，“非礼不为”，虽无钥匙亦不会乱闯。

然而，那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。

为什么会出现这种情况呢？

因为传统锁具都存在致命的弱点：

第一、锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏；

第二、锁具制作工艺，技术落后，无法阻止技术手段的开启。

[1]

目前，市场上很多国内外的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能。

在惯偷面前，两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开，有的惯偷甚至公开扬言：

“没有我打不开的锁。

”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理太过简单。

面对这一残酷的现状，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求，这样电子锁具就进入了大家的视野。

1.2指纹锁的背景

随着社会科技的进步，锁已发展到了密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、声控锁等等。

在传统钥匙的基础上，加了一组或多组密码，不同图像，不同声音，不同磁场，不同声波不同光束光波（如指纹、眼底视网膜等）来控制锁的开启。

从而大大提高了锁的安全性，使不法之徒无从下手，人们也就能对自身财产安全有了更多的保障。

当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，而基于电子锁的安全系统是其中的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。

虽然以上多种电子锁具，都有其各自的特点以及良好的防盗性，但是受限与当今的科学技术以及成本的限制和市场的要求，一些过于复杂及高端的锁具由于自身的局限性无法进入大众市场普及化。

可是指纹锁具其的技术已经十分完善，价格已经随着时间逐步降低，是我们的设计电子锁的首选。

[2]

而指纹识别可谓历史悠久，本是一种古老的身份识别技术。

几千年以前，中国人、盎格鲁—撒克逊人和古叙利亚人就曾经采用其作为身份鉴别的方法。

而随着现代计算机技术和信息处理与识别技术的不断进步，现代指纹识别技术已发展成为一种成熟、应用广泛的生物特征识别技术，而且指纹具有唯一性、稳定性、随身性、便于采集等优点，这使得指纹识别技术优于其他人体生物特征识别技术。

目前，全球范围已建立了指纹数据库和鉴定机构，而且在国内外几十年的研究与应用中，其有关芯片模块的开发已达到了技术成熟、识别率高和价格低廉的要求。

国外方面，美国、日本早已研制和生产出多种指纹自动识别设备并投入使用，比如美国SECOM、日本嘉士通、松树株式会社等公司开发的指纹锁和指纹认证装置。

国内率先进入这一领域的高校是清华大学，在90年代中期开发出了指纹IC卡，其后又有广东粤安集团、浙江中正、北大高科等高科技集团纷纷进入该领域，其中浙江中正于2000年开发出的超小指纹识别系统，标志着我国在这一领域已经达到了世界领先水平。

1.3指纹锁的指纹识别的基本原理

首先，通过指纹采集仪器采集到人体指纹的图像，并对原始图像进行初步的处理，这样使指纹图像中蕴涵的特征信息更明显。

然后，运用指纹特征提取算法建立指纹的数字表示特征数据。

这种转换是单向进行的，只能从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而且两枚不同的指纹绝对不会产生相同的特征数据。

指纹纹路的分叉、终止或转弯处的坐标位置，也就是通常被专家称为“细节点”（minutiae）的数据点，同时拥有7种以上的唯一特征。

有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息能够表明各个节点之间的关系，有的算法还可以处理整幅指纹图像。

这些数据通常称为模板，保存为1k或者0.5k大小的记录。

最后，我们通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们之间的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

[3,4]

1.4指纹锁设计的意义的本设计特点

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

在单片机没有出现之前我们只能使用复杂的模拟电路来进行线路的连接，这样不仅体积巨大，成本较高给我的生产生活带来的极大的不便。

而单片机给我们的各领域都带来的巨大的变化，现在从飞机大炮到电子产品都离不开单片机，这是因为单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

[5]通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

同样本次设计同样要采用单片机进行设计。

本设计采用80C51单片机为主控芯片，结合外围器件，组成电子控制系统，用户想要打开锁，必先通过指纹识别模块SB2000M对指纹进行采集比对，若指纹比对正确则开锁，否则不予开启。

同样也可以输入密码进行开锁，和对密码信息进行修改。

由于门锁的开启是由指纹信息来确定，而个人的指纹信息是独一无二的，一般难以被盗与仿制，因此我相信我们所设计的指纹防盗锁的安全性是有保证的。

而且我们拥有两种开锁方式，对于我们生活工作中的正常的使用有更大的适用性。

第二章系统设计

2.1设计原则

根据毕业设计课题的基本要求，同时结合以前课程设计的一些心得体会，我确定了此次毕业设计的基本原则：

第一，模块化设计。

根据电路的基本功能，将整个系统分成若干个电路模块，

然后进行对各个模块进行独立设计。

各模块之间通过合理的接口电路联系起来。

这样，不仅可以降低整体设计的难度，也便于电路的扩展，分析。

同时，又能够合理掌握时间进度，确保顺利完成系统的防盗报警监测任务。

第二，智能化设计。

系统选择使用80C51系列单片机作为控制核心，用RS232

总线作为网络的总体架构，实现整个系统的网络化、智能化设计。

同时选用各种优良算法来进行相关的中断程序的设计，并辅以延时、计数等子程序来弥补硬件电路的缺陷，力争最大限度的降低误报率。

第三，通用性设计。

在设计系统时，尽量保持各模块的独立性。

并且首先确保系统基本功能的实现，在此基础上，对系统进行功能扩展。

同时，考虑到功能扩展的问题，要尽量充分使用I/O接口,避免浪费。

第四，简单化设计。

我们再设计当中尽可能的减少接线的连接，简化程序的编写，使我们的设计更加简单易懂，为我们将来对设计成品的修改，改进及二次开发创造便利。

第五，高性价比原则。

在进行系统设计时，需要采用各种元器件和芯片。

考虑到学校的经济条件，我们选择的标准是“选择最合适的，不选择最好的”。

2.2设计方案的选择

我们所设计的是指纹锁，因此我们必须要对指纹的信息进行判断与控制，对开锁结构的运动进行正确的进给。

因此经过思考有了以下两种控制方法。

方案一：

采用数字电路控制

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。

由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。

现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。

逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。

存储器是用来存储二值数据的数字电路。

从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

用以个类型的触发器构成的数字逻辑电路作为指纹锁的核心控制，完成与指纹识别模块进行通讯，判断是否开锁。

同样密码开锁时，密码保存在JK触发器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合。

如果我们这样设计的方案好处就是设计简单，但控制的准确性和灵活性差，故不采用。

方案二：

采用以单片机为核心的控制方案

选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。

利用单片机内部的随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接液晶显示（LED），键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，因此综合考虑，本系统采用方案二。

单片机种类繁多，性能指标，计算速度，性价比更不相同，考虑到本次设计单片机并不承担过于复杂和困难的计算任务，将不选用性能和价钱过高的单片机。

因此我们选用常见的80C51单片已能满足设计要求。

2.2系统总设计结构图

图2－1系统总设计结构图

为了完成设计任务，我们寻找一定功能的若干单元电路构成一个整体，满足题目睥各项性能指标。

因为设计的途径不是唯一的，满足要求的方案也不止一个，所以为得到一个满意的设计方案，往往要针对要求，大量查阅资料、手册等工具，将多个方案进行分析与比较，从分析中找出认识最理想的入手进行设计，这是方案论证过程，再经过设计——验证——再设计多次反复过程，才能达到目的。

总体设计方案用框图表示。

主要部分和难点可详细一些，一般部分只能反映设计思想和基本原理就可能了。

每一个方框表示一个小的功能单元，用表示信号流向的箭头将各功能单元连接起来，构成一个系统。

本设计主要由单片机、输入设备、显示电路等部分组成。

其中指纹识别模块是用来对指纹信息进行采集分析比较，判断指纹的合法性，然后与单片机机进行通讯，完成开锁任务。

而输入设备用于输入数字密码和进行各种功能的实现。

由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可。

同样以上的所有设计要求又必须有电源的供给，因此电源也是在我们的设计要求之中。

[6]系统整体框图上图2-1所示。

2.3开锁机构设计

通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。

本设计通过P3.0接一个3极管驱动继电器打开电磁阀线圈实现开关门。

当用户输入的指纹或密码是正确而且是在规定的时间及次数输入之内，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。

信息正确

图2－2密码锁开锁机构示意图

第三章主要元器件介绍

数字电路设计时器件是很重要的，因为器件的选择是否合理直接影响着电路的稳定性，以及成本和成品体积大小等问题。

选择器件的原则是：

在实现题目要求的前提下所选的器件最小、成本最低。

最好采用同一种类型的集成电路，这样不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。

3.180C51单片介绍

80C51是美国Intel公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，它采用了CHMOS工艺，其特点是功耗低。

片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据序存器（RAM），器件采用标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元。

20世纪80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售形式让给世界上许多著名的IC制造厂商，如Philips，西门子，AMD，OKI，NEC，Atmel等，这样就保证8051用户到了21世纪仍具有技术的领先性。

因此8051的改进型80C51单片机为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活行高且价廉的方案。

[7]

主要性能：

・具有适于控制的8位CPU和指令系统。

・128B片内RAM。

・21个特殊功能寄存器。

・32线并行I/O接口。

・两个16位定时/计数器。

・一个全双工串行口。

・5个中断源，2个中断优先级的中断机构。

・4KB片内ROM。

・一个片内时钟振荡器和时钟电路。

・片外可扩展64KBROM和64KBRAM。

引脚功能：

VCC（40脚）：

接+5V电源正端。

Vss（20脚）：

接+5V电源地端。

XTAL1（19脚）：

接外部石英晶体的一端。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部时钟时对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。

XTAL2（18脚）：

接外部石英晶体的另一端。

在单片机的内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端：

对于CHMOS单片机，该引脚悬空不接。

P0口（39~32脚）：

P0.0~P0.7统称为P0口。

在不接片外存储器或扩展I/O接口时，可作为准双向输入输出口。

在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口分时复用为底8位地址总线和双向数据总线。

P1口（1~8脚）：

P1.0~P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能，P1.0可作为定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

P2口（21~28脚）：

P2.0~P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口使用。

在外接有外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256KB时，P2口用作高8位地址总线。

P3口（10~17脚）：

P3.0~P3.7统称为P3口。

除作为准双向I/O接口使用外，P3口还可以将每一位用于第二功能，且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能的输入/输出。

P3口第二功能如下：

　　P3.0RXD串行输入口

　　P3.1TXD串行输出口

　　P3.2INT0外部中断0（低电平有效）

　　P3.3INT1外部中断1（低电平有效）

　　P3.4T0定时计数器0

　　P3.5T1定时计数器1

P3.6WR外部数据存储器写选通（低电平有效）

P3.7RD外部数据存储器读选通（低电平有效）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当80c51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时,该引脚加上＋12V的编程电压VPP。

图3－180c51单片机引脚图

3.2SB2000M指纹识别模块介绍

指纹识别模块是集指纹采集、处理、存储及指纹比对为一体的嵌入式系统。

该模块以DSP系列处理器为处理核心，嵌入指纹识别算法,能够独立完成全部的指纹识别工作。

[8,9]该模块可以接入多款业界流行的光学、半导体传感器，并支持多种标准通讯接口，能够方便的集成到需要指纹识别的应用产品中，同时便于开发商或代理商进行二次开发。

经过选择我们将选用型号为SB2000M的指纹识别模块。

3.2.1结构

SB2000M由指纹处理器和指纹传感器组成。

SB2000M的OEM模块的速度高，由CPU,闪存，SDRAM的OEM模块的速度高.等等构成。

图3－2SB2000M模块图3－3光学传感器

3.2.2产品规格

特征：

・设计简洁

・高速且精确度高的识别技术

・简单的主机界面协议

技术规格：

项目

值

项目

值

CPU

ARM7CoreSamsungS3C44B0X66MHz

图像大小

256pixel（W）×256pixel（H）

匹配速度

<1秒

分辨率

403dpi

认假率（FAR）

<0.00001%

通信接口

RS232C（3line）

波特率=9600~115200bps,数据位=8,奇偶=NONE,停止位=1,流控方式=NONE

据真率（FRR）

<0.1%

工作电压

DC5V

存储登记的指纹数

2000枚

工作电流

190mA

登记次数

<3秒

工作温度

0℃~60℃

指纹数据登记号

1~32767

工作湿度

20%~80%

匹配方式

1:

1,1:

N方式匹配

存储温度

0℃~70℃

模板大小

1404Bytes

存储湿度

10%~80%

3.3RS-232C连接器介绍

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（若RecommendedStandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。

它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

目前在IBMPC机上的COM1、COM2接口,就是RS-232C接口。

RS-232C标准规定使用符合ISO2110标准的25芯D型连接器，该标准还规定了：

在具有一定的数据处理能力和数据收发能力的数据终端设DTE（DataTerminalEquipment）上使用插座，在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接器称为数据通讯设备DCE（DataCommunicationEquipment）上使用插头，如Modem。

DCE设备通常是与DTE对接的，因此针脚的分配相反。

RS-232C总线标准设有25条信号线，其中：

4条数据线11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9条。

因此串行口连接器分为9芯D型连接器针和25芯D型连接器两种，尽管RS-232C使用20条信号线，大多数情况下，微型计算机、计算机终端和一些外部设备都配有RS-232C串行接口。

在近距离通信时可以通过RS-232C直接将通信双方连接，这种方式称为“零调制解调”，只需三条连接线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”，发送方和接收方的“发送数据”、“接收数据”端交叉连接，传输线采用屏蔽双绞线即可实现，如图3-4所示；当使用RS-232C进行远距离传送数据时，就必须配合调制解调器（modem）和电话线进行通信。

项目

PinNo

内容

+5V

1

提供+5V

GND

2

GND

TXD0

3

RS232C串行端口的方式传输数据

RXD0

4

RS232C串行端口的方式接收数据

由于RS-232C是在TTL集成电路之前制定的，所以它的电平不是+5V和地，RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围它使用负逻辑约束，其低电平“0”在+3～+15V之间，高电平“1”在-3～-15V之间，而单片机的逻辑“1”是以+5V来表示的，因此RS-232C不能和TTL电平直接相连。

为了保证数据正确地传送，设备控制能准确地完成，必须使所用的信号电平保持一致，把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平因此，使用时必须加上适当的电平转换电路。

常用的电平转换器：

如MC1488、MC1489、MAX232等。

MAX232是单电源双RS-232发送/接收芯片，如图5-7所示，采用单一+5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS-232通

信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用。

因此在此将选用型号为MAX232的电平转换器。

[10,11]

3.4显示设备的介绍

八段LED数码管显示器由8个发光二极管组成。

基中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。

LED数码管显示器有两种不一样的形式：

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED数码管显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管显示器。

如下图所示。

`

在本次设计中我们采用发光二极管显示器作为显示设备。

其并借着其低廉的价格，优良的性能。

是现今的电子设备的重要组成部分。

发光二极管显示器，简称LED（LightEmittingDiode），LED有7段和8段之分，其中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。

同样也有共阴和共阳之分，如图4-5所示。

一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED数码管显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管显示器。

共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应段给被现实如图4-5所示。

同样共阳极LED显示块的发光二极管的阳极连在一起，通常此公共阳极接正电压。

某个发光二极管的阴极接低电平的，发光二极管被点亮，相应的段被现实，如图4-5所示。