1、I基于 51 单片机指纹电子密码锁设计摘 要随着人民生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变得尤其突出，传统的机械锁由于其构造简单，安全性低，无法满足人们的需求。随着电子产品向智能化和微型化的不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，所以具有防盗报警功能的电子密码锁控制系统逐渐代替传统的机械式密码控制系统，克服了机械式密码锁控制的密码量少，安全性能差的缺点。在传统的身份认证中，我们往往使用密码加密法，但是这种方法只是“防君子不防小人“。在高明的黑客眼里，由几个字符组成的密码脆弱得不堪一击。现在，科技的发展让我们有了新的选择生物识别技术。将生物识别技术应用于笔记本、门锁等方面，
2、可以对文件、财产起保护作用，并且可以进行身份识别。生物识别技术的发展主要起始于指纹研究，它亦是目前应用最为广泛的生物识别技术。本设计开发了一款基于单片机的指纹识别电子密码锁系统。该系统以 STC89C52 单片机作为模块核心，通过串口通信控制 ZFM-60 指纹模块实现录取指纹并存储指纹数据，并通过 HS12864-15C 液晶显示比对流程及比对结果，辅以直流继电器与发光二极管模拟开锁的动作。本系统具有体积小、性价比高、传输速度快、适合家庭及单位使用。关键词：单片机，密码锁，指纹识别 II51 single fingerprint-based electronic code lock desi
3、gnABSTRACTWith the improvement of peoples living standards, how to achieve family security issue has become particularly prominent, the traditional mechanical locks because of its simple structure, low security, can not meet peoples needs. As electronic products to intelligent miniaturized and the c
4、ontinuous development of SCM has become the electronic product research and development preferred controller, the electronic lock control system with anti-theft alarm function gradually replace the traditional mechanical control systems with code, overcome password less, poor safety performance shor
5、tcomings of mechanical lock control.In traditional identity, we tend to use password encryption method, but this method only “anti-anti-villain is not a gentleman.“ In the eyes of clever hackers, password consists of several characters fragile too vulnerable. Now, the development of science and tech
6、nology so that we have a new option - biometrics. The biometric technology used in notebook, door locks, etc., they can file for protection of property, and can be identifiable. biometric technology in fingerprint primary origin research, it is also the most widely used biometric technology. The sys
7、tem design of fingerprint recognition electron password lock based on Single-chip microprocessor is developed in the thesis. The system STC89C52 MCU as the core module, through the serial communication control ZFM-60 fingerprint module for taking fingerprints and store fingerprint data and liquid cr
8、ystal display by HS12864-15C ratio than on the processes and results, supported by simulation of DC relays and LEDs unlock action. The system is small, cost-effective, and fast and suitable for families and units.Key Words：Single-chip microprocessor, password, Fingerprint recognition目 录第一章 绪论 .11.1
9、课题研究意义 .11.2 国内外指纹密码锁发展历史及现状 .31.3 本文主要内容 .4第二章 整体设计方案 .52.1 方案比较与论证 .52.2 系统总体设计 .72.2.1 系统功能描述 .72.2.2 系统总体框架 .72.3 本章小节 .8第三章 系统硬件设计 .93.1 单片机及最小系统 .93.1.1 STC89C52 单片机介绍 .93.1.2 外部晶振设计 .123.1.3 复位电路设计 .133.2 指纹模块设计 .153.2.1 指纹识别技术简介 .153.2.2 指纹模块简介 .163.2.3 指纹模块指令 .183.2.4 指纹模块接口电路设计 .213.3 按键电路
10、设计 .213.4 液晶显示模块设计 .233.4.1 FYD12864 工作流程 .243.4.2 FYD12864 指令说明 .243.4.3 FYD12864 液晶显示接口电路设计 .293.5 本章小节 .31第四章 系统软件设计 .324.1 系统工作过程分析 .324.2 主程序流程图 .334.3 键盘程序流程设计 .354.4 LCD 显示模块程序流程设计 .354.5 指纹识别程序设计 .364.5.1 指纹模块通讯协议说明 .364.5.2 指纹模版的采集存储 .384.5.3 指纹比对程序设计 .394.6KEIL 编程 .404.7 本章小结 .41第五章 实物制作与调
11、试 .425.1 电路的焊接 .425.2 程序的烧写 .445.3 小灯、继电器的调试 .455.4 液晶的调试 .455.5 指纹模块、按键的调试 .465.6 本章小结 .47总结 .48参考文献 .49附录一 .50附录二 .51英文原文 .56中文翻译 .651第一章 绪论我们今天的工作生活中，很多场合需要身份验证。而基于传统的标志的身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些不足。如何保护自己的重要文件，如何保证自己的隐私不被泄露？在传统的身份验证下，我们倾向于使用密码加密方法，但这种方法“只是防得住君子，防不住小人” 。在高明黑客的眼中，密码由几个字符脆弱
12、得不堪一击。现在，科学技术的发展，使我们有了新的选择 - 生物识别技术。在笔记本，门锁等加上生物识别的技术，它们可以对文件财产进行保护，并且是高安全性，高效率的。生物识别技术是基于对人的外貌，声音和对其它生物特征身份验证的科学解决方案，现有的生物识别技术，包括指纹识别技术一般，掌纹识别，视网膜识别，虹膜识别，脸部识别技术，语音识别技术和手写识别技术 1。生物识别技术的主要优点是：1，减少，杜绝假冒身份，确认真实身份; 2，降低管理成本，免去了人工身份认证过程 ; 3，人性化，减少或消除使用卡，钥匙或密码等问题。指纹是研究生物特征识别技术的起源，它也是应用最广泛的生物识别技术。指纹识别技术的发展
13、依靠于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。虽然指纹是人体皮肤的一小部分，但其中所包含的数据信息却大到我们难以想象。对这些包含的数据信息对比不是一个简单的问题，而是使用模糊匹配算法，加以大量的操作。现代电子集成制造技术使我们能够制造相对小的指纹图像读取装置，而在计算速度迅速发展的今天，使在单片机上进行两个指纹的对比运算成为可能。此外，匹配算法的可靠性也在不断提高，使得指纹识别技术越来越成熟 2。1.1 课题研究意义随着社会的发展和技术的进步，传统的安全防盗系统面临极大的挑战。长久以来，安防系统验证身份的方法是验证一个人是否持有有效的信物，如照片、密码、钥匙、磁卡和 IC 卡等。因此从本质
14、上来看，这种方法验证的是该人持有的某种“物” ，而不是验证该人本身。只要“物” 的有效性得到确认，则持有该“物”的人的身份也就随之得到2确认。这种通过“ 物” 来确认人的身份的办法存在的漏洞是显而易见的：“物”的丢失或出错都会导致合法的人无法被认证，并且各种信物容易被伪造、破译。在网络化时代的今天，我们每个人都拥有大量的认证密码，比如开机密码、邮箱密码、银行密码、论坛登陆密码等等；密码作为身份识别的标志已被广泛采用。密码容易被遗忘，也有被人窃取的可能，无论是在智能化还是安全性能方面都已经不能满足需求，现在的各种钥匙，如门锁钥匙，汽车钥匙，保险柜钥匙等也如同密码一样存在显而易见的漏洞。这些传统的
15、安全系统所采用的方式，随着社会的发展，其安全性越来越脆弱不堪一击。但是我们不能回避这个尴尬的问题，我们的生活中随时都需要进行个人身份的确认和权限的认定，尤其是在信息社会，人们对于安全性的要求越来越高，同时也希望认证的方式简单快速。为了解决这一存在已久的问题，人们把目光转向了近年来兴起的生物识别技术，希望能借助人体的生理特征或行为动作来进行身份识别。这样就可以不必携带大串钥匙，也不用费心去记各种密码。生物特征和钥匙、密码相比具有唯一性，不可复制性，例如指纹，专家推论以全球 60 亿人口计算，300 年内都不会有两个相同的指纹出现。以电子商务、电子银行的安全认证为例，目前在电子商务中经常出现他人假
16、冒当事人的身份，如果通过生物特征进行认证，就可有效防止此类事件的发生。另外，网络、数据库和关键文件等的安全控制，机密计算机的登陆认证，银行 ATM、POS 终端等的安全认证，蜂窝电话， PDA 的使用认证等等，都可以依靠生物特征来认证。可见，生物特征识别不但有可观的经济效益，还有不可估量的国家信息安全效益。1997 年比尔 盖茨曾这样预言： “生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个人的身份，将成为未来几年 IT 产业的重要革新。 ,指纹识别技术在生物识别技术中相对来看是发展的最成熟的识别技术，指纹锁则是指纹识别技术的代表作品，指纹锁在当今安防系统中应运而生成为继机械锁、密码锁、
17、感应锁之后另一代门锁的代表，单体指纹代替钥匙或者密码成为开锁工具，大大降低了安防系统的潜在安全隐患，主要是因为指纹的独特生理附属性，在一段比较长的历史时期内避免了遗失、被盗、被复制的隐患，因此目前看来指纹锁几乎完美的解决了传统门锁存在的问题，但是一把合格的指纹锁，须采用国际领先水平的智能芯片和高标准的安装材料，这就决定了其刚性成本很高，同时由于拥有极高的科技附加值，指纹锁市场价格普遍比较昂贵，近年来指纹识别产品在各个行业的大规模开始应用，以及人们对于智能化和安3全性能的追求为指纹锁的市场拓展创造了有利条件，因此可以预见，指纹锁将迎来一个改变安防系统的历史机遇。现代社会越来越需要高效，可靠的身份
18、识别系统。可分离人身份的传统方式，如口令，密码，身份。可以进行假冒，伪造，盗窃，或者破译，不能完全满足现代社会经济活动和社会安全的需要。作为最传统和最先进的生物鉴定方法，指纹具有很强的相对稳定性。从六个月胎儿完全形成指纹到死后尸体腐烂，指纹结构，整体分布的统计特性并没有显著的改变，显然指纹具有其唯一性。至今仍然无法找到两个人有相同的指纹，甚至是同卵双胞胎都是不一样的指纹。从易用性，安全性，成熟度和成本以及其他方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人的生理特征识别的主流技术。自动指纹识别技术创建了一个个人身份识别的新时代，指纹识别的应用使我们生活更加安全，方便 【5】 。以单片机为控制器的技术已经
19、发展的非常成熟，因为它的控制性能和高可靠性的优点，电子产品与单片机控制是分不开的，如电饭煲，洗衣机，汽车等都需要微处理器控制。学习单片机的基础知识后，我们需要在实践中把所学知识组织起来，在现实生活中应用它，所以我联系指纹识别技术和单片机的原理与应用选择了基于单片机的指纹识别系统这个课题，我希望我的设计可以完成简单的身份认证，给身份认证提供方便。1.2 国内外指纹密码锁发展历史及现状生物识别技术在传统安防系统面临尴尬的时候，给人们带来了希望，并且在今后一个很长的历史时期都将是缓解了安防压力的有力保障，生物识别技术主要包括指纹识别、人脸识别、掌形识别、指静脉识别、红膜识别、视网膜识别、声音识别等，
20、由于各种生物识别技术的差异，只有基于指纹识别技术的产品有希望在近几年大规模的投入民用的市场，因此指纹识别产品将是世界各国在生物识别技术领域发展和投入的重点。一方面，指纹识别产品的快速发展得益于低价位取像设备的引入及其飞速发展，以及可靠的比对算法的研究发展，另一方面，指纹识别技术和其他的很多技术一样，也是从专用走向公用，逐渐成为人们关注的前沿高科技之一，而现在俨然已经成为了4各种高科技产品的标识。苹果公司计划推出带有指纹登陆模块的手机，微软公司推出了可单独操作的指纹辨认器；IBM 开始出售附有指纹辨认器的手提电脑；韩国 LG 电子公司也推出了一种通过指纹启动的手机。但是必须指出的是指纹科技产业作
21、为新兴的高科技智能产业，其技术上存在难以逾越的高度，迄今为止，全球指纹科技产品也刚刚处于起步阶段，国内市场上还没有产生真正意义上的指纹科技产品强势品牌，目前在中国市场上已经有一些指纹锁厂家进入市场开发阶段，如杭州锦江科技、新加坡玺玛克、深圳爱迪尔和长春鸿达等，但这些公司的全国性业务还没有完全做开，一般的指纹锁厂家都是通过直销方式为政府机关、金融系统提供产品。目前世界上指纹锁主要以德国与韩国为代表，无论是在技术还是工艺方面都占据着优势，而国内的岭南锁系主要是做组合安装，自主技术和工艺水平偏低。国外的指纹锁品牌借助北京奥运会登陆中国，强势的占据了指纹锁的高端市场，而国内技术和工艺偏低的指纹锁产品只
22、是艰难的占据着低端市场，因此和国外品牌的利润相比相距甚远，传统的门锁需要新一代的锁来更替，在这样巨大的市场需求下，国内许多企业纷纷研制开发指纹安防产品，然而经过最初几年的市场突围，指纹锁却一直没有大规模的普及应用。众多厂家倒在了市场引导阶段，成为指纹锁市场开拓大军的先烈。而现在指纹锁市场已经基本被打开，指纹锁将迎来一个快速发展的时期。1.3 本文主要内容基于指纹识别的电子锁系统设计主要由单片机、指纹模块、电子锁、液晶显示屏、ADC 键盘、时钟几个部分构成，围绕指纹锁为核心功能设计的一个系统，在第二章中对设计方案的选择作重点介绍。第三章介绍系统硬件电路设计，第四章介绍系统软件设计，第五章介绍实物
23、制作与调试。5第二章 整体设计方案基于指纹识别的电子锁系统是针对以指纹图像采集、识别为核心而开发出的系统。系统会控制指纹模块搜索是否有手指放上，一旦感应到有手指，就立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成特征并存储下来。通过比对该特征和模版特征来控制是否开锁。该系统利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需用户将手指放在指纹传感器的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。系统的液晶显示屏可以显示出指纹模块采集、转化、合并、存储、比对各个流程的结果，系统另外还有指纹模版的存入功能，用户可以随意存入或者删除指纹模块中的模版，只要指纹模块中有该用户的指纹模版，该用户就可以通过
24、指纹开锁。2.1 方案比较与论证方案一：采用数字电路控制使用数字锁电路的好处是设计简单。以 74L112 双 JK 触发器构造的数字逻辑电路作为控制核心的密码锁，一共有 16 个用户输入键，其中只有 12 有效的密码按键。 ，另一种是干扰按钮，如果按下干扰按钮键盘输入电路会自动清零，以前输入的密码无效，需要重新输入：电路报警触点接通三次，电路将锁定键盘 10 秒，以防止他人非法操作。电路有两大部分组成：备用电源（UPS）和密码锁电路，其中设置 UPS 电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。密码锁电路包含：键盘输入、密码检测、执行电路、开锁电路、报警电路、键盘输入次数锁定电
25、路。其原理方框图如图 2-1 所示6键盘输入密码校验电路开锁电路 执行电路限时报警开始计时报警次数检测锁定市电供电电路电子切换开关蓄电池断电检测充电电路电源V C C正确开门消除报警信号锁定脉冲图 2-1 数字密码锁方案 方案二：以单片机为核心的控制方案首先，设备可灵活编程：一是编程过程中可以根据自己的设计要求编写程序为自己的设计，可以通过下载的方式将根据设计编写的程序写入设备，如果你想更换程序，就可以把以前输入的程序擦拭后，自己将程序重写下载写入到设备，这样可以同时使用户节约成本和提高安全性。其次是在单片上丰富灵活的 I / O 端口，这些端口可以添加多个组件，以增加其功能用来实现的其他机械锁不可能完成的任务。因为可以加温度显示，时间显示，甚至通过 I / O 端口添加远程控制功能，这些都可以通过添加各种组件来完成。但是如果在其他机械锁中，完成这些功能，需要加入额外的专用组件。最终控制的准确性，对所有的锁来说准确性是最重要的，因为它是保证安全性的前提，如果精度不足够高的话，就很难得到适当的安全保障，单片机的准确性是比较不错的。单片机为核心的控制方案不仅可以实现基本锁定功能，可以添加一些额外的功能。通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级所以我们采用以单片机为核心的控制方案。
