智能指纹密码储物柜的设计毕业论文Word下载.docx
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引言
科技是在不断的进步的，欺骗人的手段同样也是在不断进步的，所以传统的防盗系统在现今社会来讲已经有一些落后了。
人们都有一些固有思维，总认为密码银行卡等等是最具安全性的，是安防系统最有效的验证身份的信物，但是仔细分析来看，这些信物验证的不是人本身，而是该人拥有的物品。
在当今社会中，持有物品的本人只要物品的有效性得到了确认，其持有者本身的身份也就得到了证实。
但是，若是物品造成了丢失或出错就会相应导致物品主人的身份无法认证，并且在当今时代各种物品都是会被伪造的，所以这种通过物品来确认人的身份的办法是存在明显的漏洞的。
随着网络科技的飞速发展，各种各样的密码伴随着人们的生活，如银行密码、开机密码、社交网站登陆密码等，密码已经逐渐成为我们身份认证的标志。
但是随着科技水平的提高，密码的弊端逐渐显露，容易被人遗忘和窃取，其无论是在安全性还是智能化方面都不再能满足人们的需求。
如今如门锁、汽车、保险柜的钥匙也同密码一样，面临着被更新换代的局面，这些传统的安全防盗系统的安全性越来越不能得到保障。
但是随着人们安保意识的加强，安全防盗系统是人们生活中必不可少的，每个人都要进行个人身份和权限的确认，同时也希望确认的方式能够快捷方便。
认识到这个问题后，生物识别技术逐步走进了大众的视野，每个人都有自己独特的生理特征和独特的行为，这样人们可以把这些特点用来进行防盗。
生理特征相较于密码、钥匙来说安全性能更高，具有不可复制性，有专家推论300年内都不会出现两个指纹完全相同的人（以全球60亿人口计算），这样一来人们就不用再费心去记各种复杂的密码，出门也就不用携带众多的钥匙了。
拿当今电子商务的安全认证来说，如果使用安全性极高的生物特征认证方式，就可以有效杜绝假冒当事人的诈骗事件了。
生物特征的应用范围很广泛。
如今日常生活中用到的如电饭煲、汽车、洗衣机等都需要微处理器来控制，这是与单片机分不开关系的，单片机具有控制性能强、可靠性高等优点，如今作为控制器的技术已经发展得十分迅猛。
因此本设计选择了使用单片机控制，完成指纹识别操作这一课题。
在实践中将课堂中所学的知识利用起来，充分发挥二者结合的优势长处。
生物识别技术包含的范围很广泛，很多的生理特性和特点都可以用来进行识别，由于不同生物识别技术之间存在着差异，指纹识别是其中较有优势的一种识别方式，也可以大规模的投入市场应用，这项新技术的研发有效缓解了当今世界的安保压力，及时接替了传统安保系统的重担。
一方面，市场上充斥着很多低价位的取样产品，他们可以快速的取样。
这样也加快了指纹识别系统的发展。
这项新技术已经应用到很多的产品上，包括人们现在使用的手机，大部分都已经安装了指纹解锁的功能，人们所使用的门锁大部分也都已经采取了指纹解锁的功能。
目前我国在这一领域并没有一个强有力的品牌和厂家可以推出自己的产品，并且去占有一定的市场份额，虽然有一些也已在研发这样的产品，但他们大多数都是通过直销的方式为政府机关、金融企业提供产品，并没有放开全国性业务。
可以看出这项产品的技术还是没有攻克，还需要更加努力。
现在指纹锁无论是技术还是工艺方面占据优势的是德国与韩国。
国内的工艺水平较低，主要以组合安装为主，如岭南锁系。
国内的大部分指纹锁产品由于技术水平不够只是占据了低端市场。
国外的产品在我国占据了很多的高端市场进行销售，由此可见国内外品牌的利润相差悬殊。
随着公众对于传统门锁需要更新换代的呼声越来越高，国内企业在这样巨大的市场需求下纷纷开始研制指纹安防产品，但是目前的这种情况并没有得到有效的改观。
电子锁、单片机、指纹模块、ADC键盘、液晶显示屏、时钟是本设计的几个主要部分构成，在整个系统当中，指纹当然是整个系统最重要的重中之重，在第一章中介绍如何选择这个方案以及如何构思。
第二章介绍是怎么设计所需要的电路的。
第三章介绍设计系统软件。
第四章介绍实物制作与调试。
1总体方案设计
本设计采用的核心处理器为STC89C52单片机，其是一种直流供电电压的8位微控制器单片机，电压为2.0V至3.8V，内部具有大存储量的内存空间。
其在原有基础上进行了许多改进，相较于传统的51单片机单位时间内消耗功率更少。
STC89C52单片机是许多嵌入式控制系统的理想选择，因为其的效率和灵活度都较高，具有平滑的8位CPU和可编程闪存系统。
总体框图如图1.1
图1.1系统总体框架图
1.1设计要求
1）开机，按下开机键以后，根据显示屏的指示，我们将手指进行放入。
这里需特别注意，在本系统中识别成功的标志是绿灯亮起。
如果没有识别成功，则绿灯不会亮起，需要进行第二次识别。
2）管理员模式：
正确输入六位数的密码方可进入到管理员模式，如果密码不正确则不能进入管理员模式。
管理员模式是帮助用户在初始状态下录入指纹，以及在必要时候删除或更改指纹。
本系统还具备修改密码的功能。
同时，管理员模式还可以进行危急情况下的应急开锁功能。
1.2方案比较与论证
方案一：
控制数字电路
本法的优势就是设计简单，经济实惠。
一共需要输入十六个按键，但是其中有十二个按键是有效的密码按键。
当其他人输入密码错误三次以上，则系统会自己锁定。
同时还有备用电源，备用电源的作用就是当停电时，备用的电源可以支持系统正常的工作。
其如图1.2所示：
图1.2数字密码锁方案
方案二：
控制主体是单片机
首先，设备的编程方式是灵活的：
为了提高使用的安全性和节约用户的成本，用户在更换程序时，可以直接擦拭之前输入的程序，重新写入程序下载到设备中，这样在编程过程中用户就可以根据自己的需求来进行程序设计。
其次可以添加多个组件的I/O端口是非常灵活的，可以实现其他机械锁不能完成的功能，比如可以显示时间和温度，还可以添加远程控制等功能。
若是在其他机械锁中也想实现这种效果，则需要增加额外的组件。
准确性是至关重要的，它是保障安全性的前提，如果想要实现稳固的安全保障，精度就要达到一定的要求。
单片机的准确性还是合乎标准的，以其为核心的控制方案在实现基本功能的基础上，还可以增加一些额外的功能。
进行比较后发现单片机方案还是有很大发展空间的，不仅可以满足基本需求还能一定程度上增加一些额外的功能，同时系统升级也比较便利。
所以在权衡利弊后我们选择以单片机为核心的控制方案。
2硬件介绍和设计
2.1单片机及最小系统
该系统中最小的模块是单片机的最小系统如图2.1所示。
图2.1单片机最小系统
2.1.1STC89C52单片机介绍
单片机就是将各个方面的集成电路进行集合，并且具有自我计算能力的集成电路。
它其中有中央处理功能，有存储功能，还有输入和输出功能。
STC89C52单片机的特点是能耗低、简单实用、经济价值高。
内部存储空间大，并且可以随意编程，出现错误可以进行随意改变。
2.1.2外部晶振的设计
该种振荡器在系统中的作用十分重要。
振荡的频率越快，则单片机运行的
速度越快；
振荡的频率越慢，则单片机运行的速度越慢。
普通的已经可以在本设计中使用，更高级别的暂时在本次设计中还用不到。
在该系统中本设计选择的是电容值为30PF的振荡器。
时钟电路如图2.2所示。
图2.2外部晶振电路
本设计所选择的晶振频率是可以满足单片机进行正常使用的，所以该设计十分合理。
它的振荡周期是约为1us。
2.1.3复位电路的设计
在实际的操作中，设计有时候需要将电路进行复位，也就是将电路调整到一个固定的状态，简称为复位。
单片机也有自己的复位电路，在本次设计中需要用到。
一般的复位电路分为两个部分。
一个部分是充上电源以后可以进行复位，另一个部分是通过按键对其进行复位。
（1）上电复位：
在本系统中就是通过电容将电压降低到低电压，作用就是可以将系统和单片机进行系统复位。
（2）按键复位：
在本系统中，通过按动开关S1，即可对系统进行复位。
复位电路如图2.3所示。
图2.3复位电路
2.2液晶显示模块
液晶显示屏的技术成熟于上个世纪，它的特点是显而易见的，所占的空间少，体积小。
工作环境适用广，在极高的温度和极低的温度下都可以保持正常的运行，同时价格低，易于大批量生产，也易于在本次系统中进行选择使用。
2.3按键控制部分电路
在本系统操作当中，断开的显示就是高电平。
反之，如果系统显示是低电平，则表明正常的连接。
通过这个特点，我们就可以判断按键是按下还是没有按下。
同时在本系统中我们还考虑到了消除干扰信号的问题，本设计加入了一个抖动电平。
按键电路如图2.4所示。
图2.4按键闭合及断开前后的电压
按键的设计，本设计选择了独立按键和矩阵式按键两种方案进行比较。
独立按键的优点是独立配置，简单方便耐用，经济价值实惠，但是它比较浪费资源。
所以在面对本设计按键较多的复杂情况下，本设计选择矩形按键，如图2.5所示。
矩形按键的优点是系统具有可靠性，键盘设计也较为简单。
按键按下呈低电平，并采用软件消抖来减少对单片机影响。
图2.5按键电路
如上图所示，交叉点就是我们按键的位置。
当按键时，通过电平的变化可以得知按键的变化。
在此次实验中所采用的方法是扫描法。
当按键为按下时，则可以通过万用表检测出为低电平。
如果想要确定是按下的哪个按键，那么只需要检测其他按键为高电平，低电平的那个就是按下的按键。
2.4指纹模块
2.4.1指纹模块简介
AS608是本设计的指纹模块型号，其电路图如图2.6所示。
图2.6指纹模块
指纹模块里边也有相应的填充芯片，外面用来验证指纹生物特征的是CMOS芯片，图2.7所示就是一个用户的指纹模板，若想生成指纹模板需要进行两次的指纹特征认证。
首先用户需要进行指纹扫描，在指纹模块识别到指纹的生物特征后会形成一个合成模板，也就是建立属于用户的指纹库文件。
这就是指纹模块的具体运作流程。
图2.7指纹模版
这个模块的作用主要就是记录下每一个人手指的样子，并且将记录下来的样子进行存储。
工作的流程就是当它进行识别指纹时，识别到的指纹会与数据库中的指纹进行比对，如果可以比对的上则识别成功。
主要技术指标：
供电电压：
交流电3.8~7.0V
背光颜色：
红色
亮灯方式：
亮和闪烁
供电电流：
工作电流：
<
65毫安
峰值电流：
95毫安
指纹图像录入时间：
＜0.5秒
2.4.2指纹模块命令
单片机的接口发送与接受命令是指纹模块能够成功运行的关键。
指纹模块首先接受串口发送来的命令，之后再传回数据。
若想知道命令有没有成功地执行，则需要观察单片机对数据的处理程度。
2.5继电器模块
由指纹模块和密码设置模块接收上位机的信号，单片机收到指令开始工作。
如果密码输入正确或者指纹识别成功，则控制门锁电路的继电器工作，控制门锁打开，同时显示模块显示锁已开，延时一段时间后电子锁本身电路工作，从而实现开锁功能。
继电器模块如图2.8所示。
图2.8继电器电路
3系统软件设计
3.1系统程序工作分析
本系统中所采用的控制器是单片机，其连接两个模块，一个是按键的程序。
另一个是指纹的程序。
其模式主要是主程序能够随时调用作为子程序的C语言函数（指纹识别模块和液晶）。
在本文所设计的程序中，对单片机进行编程的方式是利用到了Keil单片机软件开发环境。
首先将源程序拆分成几个模块分别进行编写，最后整理成一个最终文件，这刚好符合模块化的程序设计。
我们可以比较大限度地进行程序的编写和调试，代码文件通过后可以下载到单片机，这都得力于开发环境的宽松，可以对软件进行仿真调试。
主程序的初始化工作应该伴随着单片机的上电完成。
主程序需要对液晶初始化，同时要检测按键，这都是基于电路的功能要求。
3.2主程序流程图
下图3.1所示为根据分析后所制订的主程序设计流程。
若要对程序进行巡检，第一个模块首先会进行初始化状态设置，之后系统会判断是否有按键进行按下以及哪个按键进行按下。
液晶、通讯子程序、按键程序是构成主程序的重要组成部分。
若要完成一个完整的主程序工作，首先则要对各种硬件功能模块进行初始化。
（这其中包括液晶显示、键盘扫描、指纹模块）
图3.1主程序流程图
3.3LCD显示模块程序设计流程
这个模块的主要功能就是为了在液晶屏幕上显示收到指令的程序数据内容。
程序流程如图3.2所示
图3.2程序流程图
3.3.1指纹模块通讯协议说明
该模块在收到和发出信号的时候，都采用的是接收数字信号的模式。
需要注意一点，在接收信号和发出信号的同时，高字节的信号要在低字节信号之前进行发出。
模块需要接收上位机发出的指令，与此同时，它会自己计算出一个结果，将该指令传递到下一个模块。
这里我们要引出一个新的概念叫应答包，应答包可以处理以上接收信号，并且做出判断和指令传输到下一个模块。
与此同时接收到正确的指令以后将会执行相应的操作，如果接收到的是错误指令，则不会进行相应的操作。
3.3.2指纹模版的采集存储
对同一用户的相同指纹连续收集两次，收集的图像存储在缓冲区ImageBuffer，之后图像会转化成指纹的生物特征，从而可以将该指纹存储到存储库当中。
这样一个简单操作的过程就是指纹的采集。
该系统的指纹库一共可以存储采集大约五百个左右的指纹，并且可以对每一个指纹进行独立编号，编号的方式就是录入的先后顺序，分为一二三，一直到五百。
指纹采集程序图如图3.3所示。
图3.3指纹采集程序
3.3.3指纹比对程序设计
该系统在进行指纹是否是正确的比对操作时，首先会将录入的指纹与自己储存的指纹库当中的指纹进行比较。
对指纹库当中的指纹进行搜索，搜索出来的指纹与相应的指纹进行比较，如果比对成功则代表指纹输入成功，如果比对失败则代表输入不成功。
搜索的方式为从一到五百依次进行指纹搜索。
指纹比对程序图如图3.4所示
图3.4指纹比对程序
3.4Keil编程
上文显示所有的硬件都已经选择好，接下来就需要开发指纹模块、液晶、按键，而进行开发的核心就是电路中的主控制器单片机。
主程序需要对子程序进行调用，所以首先应建立C语言一系列的子程序。
采用Keil用于单片机的编程。
C源码可以被Keil编译并汇编源程序，其的优点就在于可以快速生成代码，且生成的汇编代码通俗易懂。
[11]该软件的优点为简单操作实用，经济实惠，编程能力十分强大。
流程：
（1）创建一个命名为“Fingerprint”的新工程。
（2）新建一个命名为main.c的text文件，然后在Target1的子文件SourceGroup1中添加main.c文件。
（3）在弹出下一个对话框之后，在Xtal后输入9600，即单片机的工作频率为9600MHz。
设置波特率如图3.5所示。
图3.5设置波特率
（4）点击Output标签，勾选CreateHEX前的方框，这样可以生成hex文件以便输入单片机中。
（5）编程
（6）修改错误
（7）测试并且使用
4硬件调试
4.1电路的焊接
4.1.1焊前准备
如果想要做好引线成型等装配前的准备工作，同时要熟悉焊接的先后顺序。
并且按照图纸严格的进行焊接，不允许超过图纸自己焊接。
程序所遵循的顺序就是先焊电阻，后焊电容。
之后才是二极管，三极管等等，主要就是先小后大，先易后难。
在焊接电容时，我们要清楚的一点是不要搞错电容的正负极。
在焊接二极管时，不要搞错二极管的阴阳极，同时时间也不要超过太长，大概是一秒钟左右为最好。
焊接三极管时不要搞错三个引线的位置，同时焊接的时间要最短，为的是加快散热。
对于集成电路的焊接，一定要严格按照图纸来进行焊接，各个型号和引脚的位置都要符合图纸中所出示的位置。
多余的引脚不要保留，应该用剪刀将它剪去。
4.1.2注意事项：
1）为了让屏幕能够正常显示、保持完好，不能对正在处理机械振动的模块施加外力。
2）为了保护屏幕的完整光滑，不能用手或坚硬工具划、按压、磨擦显示屏。
3）如果发生意外情况导致屏幕碎裂，液晶化学材料流出，要严禁皮肤与液晶接触，如果不慎接触要即刻用酒精和水清洗。
4）如果显示屏有异物，可以用棉球蘸取少量的石油苯来轻轻擦拭屏幕，不能使用对偏光片不利的可溶有机体来清洗显示屏。
5）要注意高压静电，其中放出的电流将损坏模块中的CMOS电路。
6）模块的放置环境对温度和湿度都有严格的要求，温度不能过高，保持在35度一下，湿度也要保证好，如果湿度多大，很多的元器件将会失灵。
7）模块的存储环境要远离太阳直射的地方。
4.2程序的烧写
本设计采用的是STC-ISP，该软件的特点是操作简单易于学习，编程发现错误以后可以尽快的修改，因此应用十分广泛。
烧写程序如图4.1所示。
图4.1烧写程序
调试通过的代码文件通过STC_ISP_V480下载到单片机。
STC_ISP_V480使用步骤为：
（1）打开STC-ISP，在MCUType栏目下选中单片机STC89C52RC。
（2）选中COM端口，波特率选择9600。
（3）点击“打开文件”按钮并在对话框内找到要下载的HEX文件。
（4）点击download/下载，根据提示给单片机上电，即可完成程序烧写。
在对单片机进行增加电源之前，首先应该将主程序的初始化也完成。
按照对电路的功能化要求，主程序在有对应的按键按下时，要执行相应的操作，且必须要对按键检测，液晶也要初始化。
4.3小灯的调试
当按下电源键的时候，灯是否亮起，则证明该电路是否已经正常的运行。
之后要做的工作就是进行单片机的测试。
首先导入单片机一段程序。
该程序如果可以正常运行时，小灯是可以正常的亮起。
如果此时小灯没有按照我们的程序正常亮起，则证明单片机是有问题的，需要把它拆下来进行维护和更换。
4.4液晶的调试
首先我们导入测试程序，并且对该系统进行通电。
通过调节液晶显示器后面的调节按钮。
这时在屏幕的正中央出现了一个小方格，这是液晶显示屏出现了一定问题，所以不能正常地接收和发出指令。
可以按照标准化的步骤对其进行调试如图4.2所示。
图4.2调试过程
4.5指纹模块、按键的调试
首先将之前所编写好的程序进行导入。
1）打开电源，观察电源的指示灯是否亮起。
2）按“*”键，等待液晶显示屏上出现让用户输入指纹的指示。
方法就是当有人把手指放到上面的时候，小灯也会正常的亮起。
3）如果指纹被系统识别成功，则灯亮起以后使用者可以打开。
如果用户的指纹没有被识别成功，此时则需要重新进行输入，三次输入失败以后系统将会进行报警。
4）该系统还可以进行输入密码、删除密码以及管理员进行操作的模式。
5）进入管理员模式，此时我们可以进行密码的输入。
密码是由六位数字进行组成，如果我们输错可以进行删除。
6）对于已经录入的密码，如果我们想要删除这个密
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