1、-_毕 业 设 计 （ 论 文 ）论文题目：基于单片机指纹识别的电子密码锁设计系 部： 自动控制系 专 业： 楼宇智能化工程技术 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2016 年 4 月 20 日-_摘要随着社会的发展和科技的进步，传统的安全防盗系统面临极大的挑战。生物识别技术的蓬勃发展，让人们对于安防系统的设计有了另一种灵感，指纹锁应运而生。可供二次开发的指纹模块已经解决了指纹图像的处理问题，如何实现这种技术的实际应用已经成为急需解决的问题，本设计利用单片机对指纹模块的控制实现了这种技术的应用。设计以指纹传感器对指纹图像的采集为基础，通过单片机控制指纹模块实现对指纹图像的组合处理，系
2、统的各项具体功能皆建立在相应的指纹图像的组合处理基础之上，系统主要实现了指纹模板的录入以及指纹匹配功能。关键词：指纹识别技术；指纹锁；系统设计；单片机-_ABSTRACTWith the development of the society and the progress of science and technology, The traditional security system faced with great challenges. With the vigorous development of Biometric Identification Technology, peop
3、le have another kind of inspiration to design the lock，Fingerprint lock arises at the very historical moment. The fingerprint module for secondary development has solved the problem of image processing, The remaining problem is how to take advantage of the technology in practice. This design has rea
4、lized the application, which mainly based on the control from MCU to the module of fingerprint. The foundation of this design is fingerprint collection, Through the control from MCU to the module can realize the combination of image processing, based on the combination of image processing can realiz
5、e the various functions of the system . The mainly functions of the system include the landing and matching of fingerprint template .Keywords: Fingerprint identification technology；Fingerprint lock；System design；singlechip -_目 录第 1 章 引 言 .11.1 课题研究意义 .11.2 指纹识别简介 .21.2.1 指纹识别原理 .21.2.2 指纹识别应用 .31.3
6、国内外指纹锁发展的历史和现状 .31.4 本论文的研究内容及结构 .4第 2 章 整体设计方案 .52.1 系统功能设计 .52.2 系统总体框架 .5第 3 章 系统硬件的选择及电路设计 .73.1 单片机的选择 .73.2 ATmega16 单片机外围电路设计 .93.3 指纹模块 ZFM-206 电路 .103.4 ADC 键盘电路 .113.6 DS1302 电路 .133.7 电子锁及相关电路 .14第 4 章 系统软件设计 .164.1 整体程序流程图 .164.2 指纹识别程序设计 .184.3 ADC 键盘程序设计 .214.4 DS1302 程序设计 .224.5 液晶 RX
7、12864ZW 程序设计 .23第 5 章 实物制作与调试 .255.1 电路的焊接 .255.2 电路和程序的调试 .25结 论 .26-_致 谢 .27附 录 .30-_第 1 章 引 言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
8、导致合法的人无法被认证，并且各种信物容易被伪造、破译 2。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
9、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 2。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
10、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” 2,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、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
11、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。1.2 指纹识别简介1.2.1 指纹识别原理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、
12、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
13、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。指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图案。首先，通过指纹采集模块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，这就保证了人本身指纹的安全性。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
14、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。 指纹特征值匹配原理是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对匹配。匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的。匹配运算不是对两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配。1.2.2 指纹识别应用指纹识别技术是最早的通过计算机实现的身份识别手段
15、，它是应用最为广泛的生物特征识别技术。过去，它主要应用于刑侦系统。近几年来，它逐渐走向市场更为广泛的民用市场。指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，指纹考勤机、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹投票、指纹保护电脑、等等生活中和工作中的新现象已广为人知，其应用相当广泛，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。指纹识别技术是目前国际公认的应用广泛、价格低廉、易用性高的生物认证技术。指纹只是人体皮肤的小部分，但是它却蕴涵了大量的信息。这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作“ 特征“ 。医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和
16、永久性。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的真实身份。1.3 国内外指纹锁发展的历史和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，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
17、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
18、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 1。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
19、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。1.4 本论文的研究内容及结构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，第五章介绍实物制作与调试。-_第2章 整体设计方案2.1 系统功能设计目前，德国和韩国的主流指纹锁厂商对于指纹锁的功能设计主要是指纹加密码，然后加以严格的工艺设计形成高质量的指纹锁，国外的指纹锁品牌借助2008 年北京奥运会登陆中国
20、，借助奥运会的广泛影响力，极大地宣传了指纹锁产品，指纹锁的功能和设计也同样被宣传，指纹锁的功能的主流设计也被公众接受。在奥运会期间广泛的应用于奥运会的各个建筑的安防系统的指纹锁产品获得广泛好评，经过几年的发展，现在指纹锁市场上的产品在功能设计上几乎是如出一辙，对于大多数指纹锁产品用户能够看到的主要是三部分，指纹传感器的采集窗口、键盘以及液晶显示屏。不同指纹锁的差异也主要存在于制作工艺以及电路设计上。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。该系统包括 ADC 键盘，用户在 ADC 键盘上输入开锁密码，系统就会控制指纹模块开始搜索是否有手指放上，一旦感应到有手指，就
21、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，该用户就可以通过指纹开锁。同时该系统还有开锁记录查询功能，可以通过 ADC 键盘输入密码之后查询之前的记录。该系统的核心功能有以下两个方面：1指纹模板登陆：系统通过指纹模块连续采集用户一个手指的指纹两次，并将采集到的指纹图像合成指纹模板存储，存储之后的指纹模板断电保存，存储之后的每一个指纹模板都有一个 ID 号。2指纹的比对：当系统采集到待验证的指纹图像之后，系统将该图像转化为指纹特征文件，然后把该指纹特征文件与已存储的指纹模版特征文件相对比，比对之后给出结果，系统控制电子锁作出相应的动作并控制液晶显示比对结果。2.2 系统总体框架
