基于單片機指紋識別的電子密碼鎖設計

1、摘要 畢業(yè)設計（論文）論文題目：基于單片機指紋識別的電子密碼鎖設計 系 部： 自動控制系 專 業(yè)： 樓宇智能化工程技術 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2016 年 4 月20 日摘要 摘要隨著社會的發(fā)展和科技的進步，傳統(tǒng)的安全防盜系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。生物識別技術的蓬勃發(fā)展，讓人們對于安防系統(tǒng)的設計有了另一種靈感，指紋鎖應運而生。可供二次開發(fā)的指紋模塊已經(jīng)解決了指紋圖像的處理問題，如何實現(xiàn)這種技術的實際應用已經(jīng)成為急需解決的問題，本設計利用單片機對指紋模塊的控制實現(xiàn)了這種技術的應用。設計以指紋傳感器對指紋圖像的采集為基礎，通過單片機控制指紋模塊實現(xiàn)對指紋圖像的組合處理，系統(tǒng)的各項具

2、體功能皆建立在相應的指紋圖像的組合處理基礎之上，系統(tǒng)主要實現(xiàn)了指紋模板的錄入以及指紋匹配功能。關鍵詞：指紋識別技術；指紋鎖；系統(tǒng)設計；單片機I摘要 ABSTRACT With 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, people

3、 have another kind of inspiration to design the lock，F(xiàn)ingerprint 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 reali

4、zed 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 realize

5、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 I 河南工學院畢業(yè)論文 目 錄第1章 引 言11.1 課題研究意義11.2 指紋識別簡介2 1.2.1指紋識別原理2 1.2.2 指紋識別應用31.3 國內(nèi)外

6、指紋鎖發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀31.4 本論文的研究內(nèi)容及結構4第2章 整體設計方案52.1 系統(tǒng)功能設計52.2 系統(tǒng)總體框架5第3章 系統(tǒng)硬件的選擇及電路設計73.1單片機的選擇73.2 ATmega16單片機外圍電路設計93.3 指紋模塊 ZFM-206電路103.4 ADC鍵盤電路113.6 DS1302電路133.7 電子鎖及相關電路14第4章 系統(tǒng)軟件設計164.1 整體程序流程圖164.2 指紋識別程序設計184.3 ADC鍵盤程序設計214.4 DS1302程序設計224.5 液晶RX12864ZW程序設計23第5章 實物制作與調(diào)試25 5.1 電路的焊接255.2電路和程序的調(diào)試25

7、結 論26 致 謝27附 錄30 第1章 引 言1.1 課題研究意義隨著社會的發(fā)展和技術的進步，傳統(tǒng)的安全防盜系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。長久以來，安防系統(tǒng)驗證身份的方法是驗證一個人是否持有有效的信物，如照片、密碼、鑰匙、磁卡和IC卡等。因此從本質(zhì)上來看，這種方法驗證的是該人持有的某種“物”，而不是驗證該人本身。只要“物”的有效性得到確認，則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認。這種通過“物”來確認人的身份的辦法存在的漏洞是顯而易見的：“物”的丟失或出錯都會導致合法的人無法被認證，并且各種信物容易被偽造、破譯2。在網(wǎng)絡化時代的今天，我們每個人都擁有大量的認證密碼，比如開機密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論

8、壇登陸密碼等等；密碼作為身份識別的標志已被廣泛采用。密碼容易被遺忘，也有被人竊取的可能，無論是在智能化還是安全性能方面都已經(jīng)不能滿足需求，現(xiàn)在的各種鑰匙，如門鎖鑰匙，汽車鑰匙，保險柜鑰匙等也如同密碼一樣存在顯而易見的漏洞。這些傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的方式，隨著社會的發(fā)展，其安全性越來越脆弱不堪一擊。但是我們不能回避這個尷尬的問題，我們的生活中隨時都需要進行個人身份的確認和權限的認定，尤其是在信息社會，人們對于安全性的要求越來越高，同時也希望認證的方式簡單快速。為了解決這一存在已久的問題，人們把目光轉(zhuǎn)向了近年來興起的生物識別技術，希望能借助人體的生理特征或行為動作來進行身份識別。這樣就可以不必攜帶

9、大串鑰匙，也不用費心去記各種密碼。生物特征和鑰匙、密碼相比具有唯一性，不可復制性，例如指紋，專家推論以全球 60 億人口計算，300 年內(nèi)都不會有兩個相同的指紋出現(xiàn)2。以電子商務、電子銀行的安全認證為例，目前在電子商務中經(jīng)常出現(xiàn)他人假冒當事人的身份，如果通過生物特征進行認證，就可有效防止此類事件的發(fā)生。另外，網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫和關鍵文件等的安全控制，機密計算機的登陸認證，銀行 ATM、POS 終端等的安全認證，蜂窩電話，PDA 的使用認證等等，都可以依靠生物特征來認證。可見，生物特征識別不但有可觀的經(jīng)濟效益，還有不可估量的國家信息安全效益。1997年比爾·蓋茨曾這樣預言：“生物識別技術即利

10、用人的生理特征，如指紋、虹膜等來識別個人的身份，將成為未來幾年IT產(chǎn)業(yè)的重要革新”2,指紋識別技術在生物識別技術中相對來看是發(fā)展的最成熟的識別技術，指紋鎖則是指紋識別技術的代表作品，指紋鎖在當今安防系統(tǒng)中應運而生成為繼機械鎖、密碼鎖、感應鎖之后另一代門鎖的代表，單體指紋代替鑰匙或者密碼成為開鎖工具，大大降低了安防系統(tǒng)的潛在安全隱患，主要是因為指紋的獨特生理附屬性，在一段比較長的歷史時期內(nèi)避免了遺失、被盜、被復制的隱患，因此目前看來指紋鎖幾乎完美的解決了傳統(tǒng)門鎖存在的問題，但是一把合格的指紋鎖，須采用國際領先水平的智能芯片和高標準的安裝材料，這就決定了其剛性成本很高，同時由于擁有極高的科技附加值

11、，指紋鎖市場價格普遍比較昂貴，近年來指紋識別產(chǎn)品在各個行業(yè)的大規(guī)模開始應用，以及人們對于智能化和安全性能的追求為指紋鎖的市場拓展創(chuàng)造了有利條件，因此可以預見，指紋鎖將迎來一個改變安防系統(tǒng)的歷史機遇。1.2 指紋識別簡介1.2.1指紋識別原理指紋識別可謂歷史悠久，本是一種古老的身份識別技術。幾千年前，中國人、盎格魯撒克遜人和古敘利亞人就曾經(jīng)采用其作為身份鑒別的方法。而隨著現(xiàn)代計算機技術和信息處理與識別技術的不斷進步，現(xiàn)代指紋識別技術已發(fā)展成為一種成熟、應用廣泛的生物特征識別技術，而且指紋具有唯一性、穩(wěn)定性、隨身性、便于采集等優(yōu)點，這使得指紋識別技術優(yōu)于其他人體生物特征識別技術目前，全球范圍已建立

12、了指紋數(shù)據(jù)庫和鑒定機構，而且在國內(nèi)外幾十年的研究與應用中，其有關芯片模塊的開發(fā)已達到了技術成熟、識別率高和價格低廉的要求。國外方面，美國、日本早已研制和生產(chǎn)出多種指紋自動識別設備并投入使用，比如美國SECOM、日本嘉士通、松樹株式會社等公司開發(fā)的指紋鎖和指紋認證裝置。國內(nèi)率先進入這一領域的高校是清華大學，在90年代中期開發(fā)出了指紋IC卡，其后又有廣東粵安集團、浙江中正、北大高科等高科技集團紛紛進入該領域，其中浙江中正于2000年開發(fā)出的超小指紋識別系統(tǒng)，標志著我國在這一領域已經(jīng)達到了世界領先水平。指紋采集原理主要是根據(jù)指紋的幾何特性或生理特性，通過各種傳感技術把指紋表現(xiàn)出來，形成數(shù)字化表示的指

13、紋圖案。首先，通過指紋采集模塊采集到人體指紋的圖像，并對原始圖像進行初步的處理，這樣使指紋圖像中蘊涵的特征信息更明顯。然后，運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)換是單向進行的，只能從指紋轉(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，而且兩枚不同的指紋絕對不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，這就保證了人本身指紋的安全性。指紋紋路的分叉、終止或轉(zhuǎn)彎處的坐標位置，也就是通常被專家稱為“細節(jié)點”(minutiae)的數(shù)據(jù)點，同時擁有7種以上的唯一特征。有的算法把節(jié)點和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息能夠表明各個節(jié)點之間的關系，有的算法還可以處理整幅指紋圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板，保存為1

14、k或者0.5k大小的記錄。最后，我們通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們之間的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結果。 指紋特征值匹配原理是對指紋圖案的整體特征和細節(jié)特征按模式識別的原理進行比對匹配。匹配是在已注冊的指紋和當前待驗證的指紋之間進行的。匹配運算不是對兩個指紋圖像進行比較，而是對已形成數(shù)字模板的指紋特征值進行匹配。1.2.2 指紋識別應用指紋識別技術是最早的通過計算機實現(xiàn)的身份識別手段，它是應用最為廣泛的生物特征識別技術。過去，它主要應用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來，它逐漸走向市場更為廣泛的民用市場。指紋技術在現(xiàn)代生活和工作中的應用已越來越普遍，指紋考勤機、指紋社保

15、、指紋銀行、指紋商場、指紋投票、指紋保護電腦、等等生活中和工作中的新現(xiàn)象已廣為人知，其應用相當廣泛，指紋技術正在日益刷新著我們的現(xiàn)代化生活方式。指紋識別技術是目前國際公認的應用廣泛、價格低廉、易用性高的生物認證技術。指紋只是人體皮膚的小部分，但是它卻蘊涵了大量的信息。這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作"特征"。醫(yī)學上已經(jīng)證明這些特征對于每個手指都是不同的，而且這些特征具有唯一性和永久性。因此我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過比較他的指紋特征和預先保存的指紋特征，就可以驗證他的真實身份。1.3 國內(nèi)外指紋鎖發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀生物識別

16、技術在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)面臨尷尬的時候，給人們帶來了希望，并且在今后一個很長的歷史時期都將是緩解了安防壓力的有力保障，生物識別技術主要包括指紋識別、人臉識別、掌形識別、指靜脈識別、紅膜識別、視網(wǎng)膜識別、聲音識別等，由于各種生物識別技術的差異，只有基于指紋識別技術的產(chǎn)品有希望在近幾年大規(guī)模的投入民用的市場，因此指紋識別產(chǎn)品將是世界各國在生物識別技術領域發(fā)展和投入的重點。一方面，指紋識別產(chǎn)品的快速發(fā)展得益于低價位取像設備的引入及其飛速發(fā)展，以及可靠的比對算法的研究發(fā)展，另一方面，指紋識別技術和其他的很多技術一樣，也是從專用走向公用，逐漸成為人們關注的前沿高科技之一，而現(xiàn)在儼然已經(jīng)成為了各種高科技產(chǎn)品的標

17、識。蘋果公司計劃推出帶有指紋登陸模塊的手機，微軟公司推出了可單獨操作的指紋辨認器；IBM 開始出售附有指紋辨認器的手提電腦；韓國 LG 電子公司也推出了一種通過指紋啟動的手機。但是必須指出的是指紋科技產(chǎn)業(yè)作為新興的高科技智能產(chǎn)業(yè)，其技術上存在難以逾越的高度，迄今為止，全球指紋科技產(chǎn)品也剛剛處于起步階段，國內(nèi)市場上還沒有產(chǎn)生真正意義上的指紋科技產(chǎn)品強勢品牌，目前在中國市場上已經(jīng)有一些指紋鎖廠家進入市場開發(fā)階段，如杭州錦江科技、新加坡璽瑪克、深圳愛迪爾和長春鴻達等，但這些公司的全國性業(yè)務還沒有完全做開，一般的指紋鎖廠家都是通過直銷方式為政府機關、金融系統(tǒng)提供產(chǎn)品1。目前世界上指紋鎖主要以德國與韓國

18、為代表，無論是在技術還是工藝方面都占據(jù)著優(yōu)勢，而國內(nèi)的嶺南鎖系主要是做組合安裝，自主技術和工藝水平偏低。國外的指紋鎖品牌借助北京奧運會登陸中國，強勢的占據(jù)了指紋鎖的高端市場，而國內(nèi)技術和工藝偏低的指紋鎖產(chǎn)品只是艱難的占據(jù)著低端市場，因此和國外品牌的利潤相比相距甚遠，傳統(tǒng)的門鎖需要新一代的鎖來更替，在這樣巨大的市場需求下，國內(nèi)許多企業(yè)紛紛研制開發(fā)指紋安防產(chǎn)品，然而經(jīng)過最初幾年的市場突圍，指紋鎖卻一直沒有大規(guī)模的普及應用。眾多廠家倒在了市場引導階段，成為指紋鎖市場開拓大軍的先烈。而現(xiàn)在指紋鎖市場已經(jīng)基本被打開，指紋鎖將迎來一個快速發(fā)展的時期。1.4 本論文的研究內(nèi)容及結構基于指紋識別的電子鎖系統(tǒng)設

19、計主要由單片機、指紋模塊、電子鎖、液晶顯示屏、ADC鍵盤、時鐘幾個部分構成，圍繞指紋鎖為核心功能設計的一個系統(tǒng)，在第二章中對設計方案的選擇作重點介紹。第三章介紹系統(tǒng)硬件電路設計，第四章介紹系統(tǒng)軟件設計，第五章介紹實物制作與調(diào)試。第2章 整體設計方案2.1 系統(tǒng)功能設計目前，德國和韓國的主流指紋鎖廠商對于指紋鎖的功能設計主要是指紋加密碼，然后加以嚴格的工藝設計形成高質(zhì)量的指紋鎖，國外的指紋鎖品牌借助2008年北京奧運會登陸中國，借助奧運會的廣泛影響力，極大地宣傳了指紋鎖產(chǎn)品，指紋鎖的功能和設計也同樣被宣傳，指紋鎖的功能的主流設計也被公眾接受。在奧運會期間廣泛的應用于奧運會的各個建筑的安防系統(tǒng)的指

20、紋鎖產(chǎn)品獲得廣泛好評，經(jīng)過幾年的發(fā)展，現(xiàn)在指紋鎖市場上的產(chǎn)品在功能設計上幾乎是如出一轍，對于大多數(shù)指紋鎖產(chǎn)品用戶能夠看到的主要是三部分，指紋傳感器的采集窗口、鍵盤以及液晶顯示屏。不同指紋鎖的差異也主要存在于制作工藝以及電路設計上?；谥讣y識別的電子鎖系統(tǒng)是針對以指紋圖像采集、識別為核心而開發(fā)出的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括ADC鍵盤，用戶在ADC鍵盤上輸入開鎖密碼，系統(tǒng)就會控制指紋模塊開始搜索是否有手指放上，一旦感應到有手指，就立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化成特征并存儲下來。通過比對該特征和模版特征來控制是否開鎖。該系統(tǒng)利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需用戶將手指放在指紋傳

21、感器的采集窗口上，即可完成采集任務，操作十分方便快捷。系統(tǒng)的液晶顯示屏可以顯示出指紋模塊采集、轉(zhuǎn)化、合并、存儲、比對各個流程的結果，系統(tǒng)另外還有指紋模版的存入功能，用戶可以隨意存入或者刪除指紋模塊中的模版，只要指紋模塊中有該用戶的指紋模版，該用戶就可以通過指紋開鎖。同時該系統(tǒng)還有開鎖記錄查詢功能，可以通過ADC鍵盤輸入密碼之后查詢之前的記錄。該系統(tǒng)的核心功能有以下兩個方面：1指紋模板登陸：系統(tǒng)通過指紋模塊連續(xù)采集用戶一個手指的指紋兩次，并將采集到的指紋圖像合成指紋模板存儲，存儲之后的指紋模板斷電保存，存儲之后的每一個指紋模板都有一個ID號。2指紋的比對：當系統(tǒng)采集到待驗證的指紋圖像之后，系統(tǒng)將

22、該圖像轉(zhuǎn)化為指紋特征文件，然后把該指紋特征文件與已存儲的指紋模版特征文件相對比，比對之后給出結果，系統(tǒng)控制電子鎖作出相應的動作并控制液晶顯示比對結果。2.2 系統(tǒng)總體框架基于指紋識別的電子鎖系統(tǒng)主要以指紋模塊 ZFM-206-SA、單片機ATmega16、ADC鍵盤、液晶RX12864ZW、時鐘芯片DS1302、電子鎖KL-03等組成，系統(tǒng)的總體框圖如下圖2-1所示：指紋模塊 ZFM-206-SA單片機ATmega16液晶RX12864ZWADC鍵盤電子鎖KL-03時鐘芯片DS1302圖2-1 系統(tǒng)總體框圖指紋模塊只有在指紋采集對比等操作的時候才需要處在工作狀態(tài)，而其他時候，指紋模塊就不需要處

23、于工作狀態(tài)，指紋模塊如果一直處于工作狀態(tài)，對于指紋傳感器的壽命會有影響，因此設計ADC鍵盤，用戶必須先在ADC鍵盤上輸入，之后才能啟動指紋模塊，進行相應的操作，同時時鐘模塊DS1302用以提供系統(tǒng)的時間的顯示和記錄，液晶顯示模塊會顯示指紋鎖運行各個環(huán)節(jié)的運行結果和提示信息。第3章 系統(tǒng)硬件的選擇及電路設計系統(tǒng)的硬件電路設計主要是根據(jù)系統(tǒng)整體框圖來具體的設計各個部分的電路，主要包括ATmega16單片機外圍電路設計、指紋模塊 ZFM-206電路、ADC鍵盤電路、液晶RX12864ZW電路、DS1302電路幾部分。3.1單片機的選擇單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。

24、單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。20世紀末，電子技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當前的時間。忘記了要做的事情，當事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要

25、事情，一時的耽誤可能釀成大禍。目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。單片機經(jīng)過1、2、3代的發(fā)展，正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強I/O功能及較好的結構兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面： 1 單片機中盡可能地把所需要的存儲器和

26、I/O口都集成在一塊芯片上，使得單片機可以實現(xiàn)更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可編程計數(shù)器陣列）、WDT（監(jiān)視定時器-看家狗）、高速I/O口及計數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。有的單片機針對某一個應用領域，集成了相關的控制設備，以減少應用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以MEG16為核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解碼器、CAN或者I*I*C總線控制器等，LED、LCD或VFD顯示驅(qū)動器也開始集成在8位單片機中。2高效率和高性能為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機開始使用RISC、流水線和DSP的設計技術，使單片機的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：單片機的時鐘頻率得到提高；同

27、樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內(nèi)ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復雜程度的增加，開始使用高級語言（如C語言）來開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā) 難度，縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。AVR 內(nèi)核單片機具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16L 有如下特點

28、：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)；512字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM；32 個通用I/O 口線；32 個通用工作寄存器； 用于邊界掃描的J AG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程；三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C)；片內(nèi)/外中斷，片內(nèi)經(jīng)過標定的RC 振蕩器；可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口；8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；一個SPI 串行端口；四通道PWM，兩路8位，兩路16位；六個可以通過軟件進行選擇的省電模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模

29、式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby 模式；速度等級：0 - 8 MHz；工作電壓：2.7 - 5.5V；工作于空閑模式時CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于

30、休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。本芯片是以Atmegal 高密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR 內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW 操作。通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash

31、 集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。3.2 ATmega16單片機外圍電路設計基于指紋識別的電子鎖系統(tǒng)設計采用的單片機是ATmega16，ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。在總體電路中，單片機部分電路只設計外圍經(jīng)典電路即可，包括復位電路、晶振電路、ISP下載電路幾部分，電路設計如圖3-1所示：圖3-1 單片機及其外圍電路外部復位

32、由外加于RESET 引腳的低電平產(chǎn)生。當復位低電平持續(xù)時間大于最小脈沖寬度時即觸發(fā)復位過程。ISP程序下載的接口電路，方便之后用ISP下載線下載程序進行編譯調(diào)試。 晶體振蕩電路中XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和串口傳輸質(zhì)量所以選用外部晶振，晶振選用6.0MHZ。3.3 指紋模塊 ZFM-206電路基于指紋識別模塊選擇的是ZFM-206-SA，ZFM-206系列光學指紋模塊以高性能高速DSP處理器AS601為核心，結合光學指紋傳感器，在無需上位機參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對、搜索和模板儲存等功能的智能型模塊。指紋圖像讀

33、取過程中，對干濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群廣泛。無需具備指紋識別專業(yè)知識即可應用。用戶根據(jù) ZFM-206模塊提供的豐富控制指令，可自行開發(fā)出功能強大的指紋識別應用系統(tǒng)。并且面對不同應用場合，用戶可自行設定不同安全等級。模塊與用戶設備采用串行通訊，有四個引腳，分別是電源正輸入端、串行數(shù)據(jù)輸出、串行數(shù)據(jù)輸入、信號地（與電源地相連）。模塊通過串行通訊接口，可直接與3.3V或者5V電源的單片機進行通訊：模塊數(shù)據(jù)發(fā)送腳（2腳TD）接上位機的數(shù)據(jù)接收端（RXD）, 模塊數(shù)據(jù)接收腳（3腳RD）接上位機的數(shù)據(jù)發(fā)送端（TXD）。由于指紋模塊的供電為3.3V，而電源為5V，因此需要一個電壓轉(zhuǎn)換電路，采用了

34、AMS1117轉(zhuǎn)換芯片，AMS1117將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V給指紋模塊供電。指紋模塊接口電路以及3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-2所示：圖3-2 指紋模塊及電壓轉(zhuǎn)換模塊電路3.4 ADC鍵盤電路系統(tǒng)的4x4鍵盤采用的是ADC鍵盤，如果采用普通4x4鍵盤需要八個I/O口控制，會對單片機的引腳占用過多，如果采用ADC鍵盤只需要一個AD轉(zhuǎn)換的I/O口即可檢測，并且ATmega16自帶AD轉(zhuǎn)換，容易實現(xiàn)鍵盤檢測功能。ADC鍵盤采用電阻分壓的方式，不同的鍵按下之后會輸出不同的電壓，通過對電壓進行AD轉(zhuǎn)換之后就可以判斷鍵值。ADC鍵盤電路如圖3-3所示：圖3-3 ADC鍵盤電路設計ADC鍵盤電路時主要有兩個

35、問題，第一個是電阻阻值問題，即如何讓不同的按鍵按下之后，輸出電壓的差值盡可能大，以便于區(qū)分。第二個是無按鍵按下時，電壓輸出端是接地還是懸空，即如圖3-2所示中，電阻R26是接在R10左端還是如上圖接在開關S2右端。第一個問題主要可以通過硬件電路或者軟件解決，按圖3-2所示，每個電阻的阻值都為10K，16個按鍵依次按下時輸出電壓分別為電源電壓VCC的1/17、2/17、3/17、16/17，不同按鍵按下時輸出電壓區(qū)分比較明顯。第二個問題，按圖3-2所示，如果電阻R26是接在R10左端，那么在沒有按鍵按下時電壓輸出端會懸空，單片機AD轉(zhuǎn)換輸出的值會隨機大幅度波動，給鍵值檢測帶來困難，并且在任何時候

36、電路都會耗電，如果采用電池對指紋鎖供電，該設計并不合理，如果采用圖3-2所示的設計，主要有兩個方面的優(yōu)點，第一，在沒有按鍵按下時電壓輸出為0V，電壓輸出不會波動，在這基礎上設計軟件也很簡便，第二，這種電路設計幾乎不會耗電，對于獨立的供電電源來說是很合理的。3.5 液晶RX12864ZW電路RX12864ZW是自帶中文標準字庫（控制芯片ST7920）圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及128X64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8X4個（16X16點陣漢字），在該系統(tǒng)與單片機采用并行控制。接口電路如圖3-4所示： 圖3-4 液晶12864接口電路 RX12864ZW上

37、電之后不會自動復位，因此把復位端口RST接單片機PC1口，通過單片機給RST一個持續(xù)的低電平觸發(fā)復位。系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，液晶只需要顯示時間以及提示信息，系統(tǒng)采用獨立的電源供電，對于電路的耗電必須做嚴格的控制，因此在無用戶進行操作的空閑狀態(tài)，液晶不需要開背光。因此控制背光的引腳LEDA、LEDK應該由系統(tǒng)的工作狀態(tài)決定。液晶的控制引腳RS(CS)、R/W(SID)、E(SCLK)分別接單片機的PC7、PC6、PC5引腳。DB0-DB7接單片機的端口B。PSB端口為液晶串口/并口控制的選擇端口，該系統(tǒng)中液晶采用并口控制，PSB接高電平。3.6 DS1302電路系帶有時間顯示和記錄功能，采用時鐘芯

38、片DS1302來實現(xiàn)，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此非常適用于系統(tǒng)中記錄指紋鎖系統(tǒng)一些動作的時間。DS

39、1302及其外圍接口電路如圖3-5所示：圖3-5 DS1302及其外圍接口電路 DS1302外圍電路的晶振為32.768KHZ； Vcc2：主電源；Vcc：備份電源。當Vcc2>Vcc+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當Vcc2< Vcc時，由Vcc向DS1302供電；SCLK：串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線；CE：輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?.7 電子鎖及相關電路電子鎖KL-03工作的額定電壓12V，額定電流1

40、A，為方便單片機控制電子鎖動作，在單片機和電子鎖之間采用了一個繼電器，電子鎖由外部電源供電，單片機通過控制繼電器來控制電子鎖動作，為簡化系統(tǒng)的供電電源，采用了一個7805芯片直接將給電子鎖供電的電源電壓轉(zhuǎn)化成5V，給系統(tǒng)供電。電子鎖以及系統(tǒng)5V供電電路如圖3-6所示圖3-6 電子鎖以及系統(tǒng)5V供電電路 單片機I/O口的輸出電流比較小，因此在單片機的控制引腳輸出端接一個三極管，繼電器的吸合電流就是三極管的集電極電流，三極管的基極電流=集電極電流/放大倍數(shù)，為保證繼電器工作穩(wěn)定，可以讓基極電流為計算值的2倍左右。通過計算，基極電阻可以選在2K左右，該設計中基極電阻為1K，當三極管由導通變?yōu)榻刂箷r，

41、繼電器繞組感生出一個較大的自感電壓。它與電源電壓疊加后加到控制繼電器線圈的三極管的發(fā)射極和集電極兩極上，使發(fā)射結有可能被擊穿。為了消除這個感生電動勢的有害影響，在繼電器線圈兩端反向并聯(lián)抑制二極管，以吸收該電動勢。自感電壓與電源電壓之和對二極管來說卻是正向偏壓，使二極管導通形成環(huán)流。感應的高電壓就會通過回路釋放掉，保證了三極管的安全。 繼電器的常閉端接有一個指示燈，指示繼電器的吸合狀態(tài)，當繼電器吸合時指示燈熄滅，沒有吸合時指示燈亮。第4章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要以硬件電路設計為基礎，以實現(xiàn)系統(tǒng)功能為導向，主要包括指紋識別程序設計、ADC鍵盤程序設計、DS1302程序設計、液晶RX12864

42、ZW程序設計幾部分。4.1 整體程序流程圖基于指紋識別的電子鎖系統(tǒng)圍繞指紋圖像采集、識別主要實現(xiàn)三種功能，指紋登陸、驗證指紋、記錄查詢。指紋登陸主要是為用戶在指紋鎖中存入指紋模板，驗證指紋主要是對待驗證的指紋進行識別并判斷是否和以存儲的指紋模版相同，并對電子鎖做出相應的控制，記錄查詢主要是針對驗證指紋的記錄進行的歷史查詢。因此系統(tǒng)的整體程序設計就圍繞系統(tǒng)的三種功能，用ADC鍵盤輸入密碼來實現(xiàn)對于三種功能的選擇，因此系統(tǒng)程序設計的主要內(nèi)容就是對三種功能的設計。系統(tǒng)的整體流程圖如圖4-1所示：開始模塊初始化掃描是否有鍵按下 否判斷鍵值 是按鍵2按鍵3按鍵1 是 否采集指紋兩次掃描是否有手指顯示記錄

43、合成模版采集指紋圖像顯示結果搜索指紋庫是否搜索到 是 否顯示結果開 鎖 圖4-1 整體程序流程圖4.2 指紋識別程序設計4.2.1 指紋模塊通訊協(xié)議說明指紋模塊采用UART與單片機通訊，對命令、數(shù)據(jù)、結果的接收和發(fā)送，都采用數(shù)據(jù)包的形式。對于多字節(jié)的，高字節(jié)在前低字節(jié)在后。數(shù)據(jù)包格式：包頭地址包標識包長度包內(nèi)容（指令/數(shù)據(jù)/參數(shù)/確認碼）校驗和包頭固定為0xef01, 傳送時高字節(jié)在前。地址默認值為0xffffffff, 用戶可通過指令生成新地址，模塊會拒絕地址錯誤的數(shù)據(jù)包。傳送時高字節(jié)在前。包標識，0x01表示是命令包，0x02表示是數(shù)據(jù)包(Data packet),且有后續(xù)包。數(shù)據(jù)包不能單

44、獨進入執(zhí)行流程，必須跟在指令包或應答包后面。0x07表示是應答包，可以跟后續(xù)包。0x08表示是最后一個數(shù)據(jù)包，即結束包。包長度指的是包內(nèi)容(指令/數(shù)據(jù))的長度加上效驗和的長度（即包內(nèi)容長度+2）。 長度以字節(jié)為單位（即字節(jié)數(shù)），傳送時高字節(jié)在前。包內(nèi)容可以是指令、數(shù)據(jù)、指令的參數(shù)、應答結果等。（指紋特征值、指紋模板都是數(shù)據(jù)）。校驗和是包標示、包長度和包內(nèi)容的所有字節(jié)的算術累計和，超過2 字節(jié)的進位忽略。指令只能由上位機下發(fā)給模塊，模塊向上位機應答。模塊收到指令后，會通過應答包，將有關命令執(zhí)行情況與結果上報給上位機。應答包含有參數(shù)，并可跟后續(xù)數(shù)據(jù)包。上位機只有在收到模塊的應答包后才能確認模塊的收

45、包情況與指令執(zhí)行情況。應答包的內(nèi)容包括一個字節(jié)的確認碼（必須有）和可能有的返回參數(shù)。模塊在上電完成初始化工作以后，等待接收上位機命令。在收到正確命令后，迅速執(zhí)行相應的, 操作，在操作完成后返回對應的信息。在模塊執(zhí)行命令的過程中，模塊不會響應上位機發(fā)出的其他命令。指紋模塊的命令如下表格所示：表4-1 指紋模塊命令表類型序號代碼功能說明類型序號代碼功能說明系統(tǒng)類10x13校驗口令指紋處理130x08上傳特征20x12設置口令140x09下載特征30x15設置地址150x06存儲模版40x0e設置系統(tǒng)參數(shù)160x07下載模版50x0f讀系統(tǒng)參數(shù)170x0c刪除模版60x1f讀指紋模板索引表180x0

46、d清空指紋庫70x1d讀指紋模板數(shù)190x03比對特征指紋處理類80x01錄指紋圖像200x04搜索指紋90x0a上傳圖像其他類210x14采樣隨機數(shù)100x0b下載圖像220x18寫記事本110x02圖像轉(zhuǎn)特征230x19讀記事本120x05特征合成模板4.2.2 指紋模版的采集存儲指紋模版的采集與存儲主要是單片機控制指紋模塊對用戶的同一枚指紋連續(xù)取兩次，存儲在圖像緩沖區(qū)Image Buffer，然后分別將指紋圖像轉(zhuǎn)化為指紋特征，存儲在特征文件緩沖區(qū)CharBuffer1或CharBuffer2，然后將兩個指紋特征文件合成一個模版放在指紋庫中，每一個指紋模板對應一個ID號，指紋庫中的模版是斷

47、電保存的。指紋模塊在FLASH中開辟了一段存儲區(qū)域作為指紋模板存放區(qū)，即指紋庫。存儲容量為1000枚，指紋庫中的數(shù)據(jù)是斷電保護的。指紋模板按照序號存放，若指紋庫容量為N，則指紋模板在指紋庫中的序號定義為：0、1、2N-2、N-1。用戶只能根據(jù)序號訪問指紋庫內(nèi)容，相應的存儲和搜索功能對應的都是針對指紋序號的操作。ATmega16控制指紋模塊進行各種操作，主要涉及單片機串口控制的幾個特殊寄存器，USART 寄存器包括I/O 數(shù)據(jù)寄存器 UDR、控制和狀態(tài)寄存器A UCSRA、控制和狀態(tài)寄存器B UCSRB、控制和狀態(tài)寄存器C UCSRC、波特率寄存器 UBRRL和UBRRH。在程序設計時，串口采用

48、異步倍速模式，需要設定的波特率寄存器UBRR的值，計算公式為UBRR=f/8BAUD -1，指紋模塊的波特率為57600bps，單片機晶振為6.0MHZ，可以計算得到UBRR=12。指紋模版登陸的程序流程圖如圖4-2所示：指紋模塊初始化 否是否采集到指紋圖像1 是轉(zhuǎn)化成特征文件是否采集到指紋圖像2 是 否轉(zhuǎn)化成特征文件合成模版并存儲圖4-2 指紋模版采集存儲程序流程圖4.2.3 指紋比對程序設計指紋比對程序設計是指紋鎖系統(tǒng)程序設計的主要方面，指紋匹配時，通過指紋傳感器，錄入要驗證指紋圖像并進行處理，然后與模塊中的指紋模板進行匹配比較（若與模塊中指定的一個模板進行匹配，稱為指紋比對方式，即1:1

49、方式；若與多個模板進行匹配，稱為指紋搜索方式，即1:N方式），模塊給出匹配結果（通過或失?。?，然后單片機控制電子鎖動作。指紋比對程序設計如圖4-3所示：指紋模塊初始化 否是否采集到指紋圖像 是指紋圖像轉(zhuǎn)化成特征文件搜索指紋庫是否搜索到 否顯示結果顯示并開電子鎖 是 圖4-3 指紋匹配程序流程圖4.3 ADC鍵盤程序設計ADC鍵盤采用電阻分壓原理，輸出的是電壓信號，采用單片機內(nèi)部的ADC將輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號，再將10位的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成十進制的數(shù)值，在設計程序之前，先測量一次每個鍵按下時對應的數(shù)值輸出并記錄下來，之后在程序設計中可以直接根據(jù)按鍵按下之后AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)值大小，就

50、可以判斷按鍵鍵值。每個按鍵按下之后對應的數(shù)值輸出主要由硬件電路和軟件決定，ATmega16內(nèi)部有一個10位逐次逼近型ADC，能對端口A的8路單端輸入電壓信號進行采樣，單端輸入以電壓0V（GND）為基準。ADC 包括一個采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC 的電壓保持恒定，ADC 通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個10 位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1 LSB，ADC轉(zhuǎn)換結果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL。ADC的參考電壓（VREF)反映了ADC的轉(zhuǎn)換范圍。若單端通道電平超過了VREF，其結果將接近0x3FF。VREF 可

51、以是AVCC、內(nèi)部2.56V 基準或外接于AREF 引腳的電壓，在該系統(tǒng)中采用AVCC即可滿足要求。ADC的初始化主要是針對多工選擇寄存器 ADMUX、控制和狀態(tài)寄存器A ADCSRA，ADMUX寄存器主要是設置參考電壓為AVCC、轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)右對齊、選擇輸入電壓信號的通道。ADCSRA寄存器主要是設置使能ADC、預分頻選擇，該轉(zhuǎn)換中選擇64分頻即可。ADC鍵盤檢測程序流程圖如圖4-3所示：AD初始化啟動AD轉(zhuǎn)換判斷轉(zhuǎn)換數(shù)值是否為0 是 否判斷鍵值顯示并返回鍵值 圖4-3 ADC鍵盤檢測程序流程圖轉(zhuǎn)換結束后，轉(zhuǎn)換結果被存入ADC 結果寄存器(ADCL, ADCH)。轉(zhuǎn)換的計算公式為 ADC=

52、1024*Vin/Vref，Vin 為被選中引腳的輸入電壓，Vref 為參考電壓。ADC的值為十位的二進制數(shù)，可以將其轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)ADData（ADData = (int)(long)ADC* 1000 / 1024)），方便后續(xù)的鍵值判斷程序設計。4.4 DS1302程序設計DS1302一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，采用SPI三線接口與單片機進行同步通信，實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，在系統(tǒng)中主要提供時間顯示和時間記錄功能。程序流程圖如圖4-4所示：開始DS1302初始化設定初始時間讀取DS1302時間 顯示日期時間 返回 圖4-5 DS1302程序流程圖4.5 液晶RX12864ZW程序設計系統(tǒng)中的液晶顯示模塊RX12864ZW采用并行接口控制，當PSB 腳（串/并口選擇）接高電平時，模塊將進入并口模式，在并口模式下可由指令DL FLAG 來選擇8-位或4-位接口，主控制系統(tǒng)將配合( RS、RW、E、DB0.DB7 )來達成數(shù)據(jù)傳輸動作。當模塊在接受指令前，微處理順必須先確認模塊內(nèi)部處于非忙碌狀態(tài)，即讀取BF 標志時BF需為0，方可接受新的指令；也可在送出一個指令前并不檢查BF標志，那么在前一個指令和這個指令中間必須延遲一段較長的時間，即是等待前一個指令確實執(zhí)行完成。液晶RX12