基于单片机的智能门的控制系统设计.docx

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基于单片机的智能门的控制系统设计

基于单片机的智能门控制系统设计

学院：

专业：

姓名：

指导老师：

工业自动化学院

机械工程

易礼杨

学号：

职称：

161204107004

何文晋、唐伟杰

副教授、讲师

中国·珠海

二○二○年五月

诚信承诺书

本人郑重承诺：

本人承诺呈交的毕业设计《脉动式无级变速装置的仿真及设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

本人签名：

易礼杨

日期：

2020年5月13日

摘要

本文简述了基于智能门的安全指纹识别智能门系统，并在此基础上重点设计和研究了基于指纹识别单片机的安全指纹识别智能门系统的主要硬件结构设计和主控系统制作。

智能门系统设计中采用的主控硬件是增强型52单片机,STC89C52可以作为智能门主控系统芯片，而增强型ZFM-60指纹识别通信模块则可以作为对指纹的采集和数据处理的主要技术核心。

通过它们可以完成对指纹的录入，自动识别采集，比对，提取指纹特征值等多种功能。

关键词：

指纹识别门

Abstract

Thisarticlebrieflydescribesthesmartdoorsystembasedonsmartdoorforfingerprintidentification,Andonthisbasis,focusondesigningandresearchingthemainhardwarestructuredesignandmaincontrolsystemproductionofthesecurefingerprintrecognitionintelligentdoorsystembasedonthefingerprintrecognitionmicrocontroller.Themaincontrolhardwareusedinthedesignoftheintelligentdoorsystemisanenhanced52singlechipmicrocomputer,andSTC89C52canbeusedasthemaincontrolsystemchipoftheintelligentdoor,TheenhancedZFM-60fingerprintidentificationcommunicationmodulecanbeusedasthemaintechnicalcoreforfingerprintcollectionanddataprocessing.Throughthemcancompletetheentryoffingerprints,automaticidentificationcollection,comparison,extractionoffingerprintfeaturevaluesandotherfunctions.

Keywords:

Fingerprintrecognitiondoor

第一章：

绪论

1.1.课题的背景和意义

在时代不断发展与进步的同时，各项现代科学信息技术逐渐实现革新与升级，而且，不管是在生活当中，还是在工作当中，往往要对各个主体的身份加以确认。

从目前的实际情况来看，在现代信息技术在民众的生产与生活当中得到普遍运用的大背景下，产生了各种不同的密码以及身份认证,比如，开机密码、手机密码等等,绝大多数的人也可以利用各种的保险柜,钥匙,防盗报警等工具来加强自己的安全身份认证系统。

随着现代社会的发展,传统的安全身份认证显得更加薄弱,这时前沿的安全系统生物指纹识别的技术已经开始走进了安全身份认证系统,指纹是人与生俱来的不会发生变化的人的一个特质,而且每个人的身份指纹都可能是不同的,指纹也是我们可以识别任何一个人真实身份的一个重要标志。

我们可以说身份指纹含有与生俱来的安全密码认证信息,也是我们拥有作为一个人的密码认证信息必须需要的三个特点:

①广泛性,不管是对于哪个人而言，均具备相应的指纹。

②终生不变性[1],非重大交通意外事故的死亡发生率为终身不变。

③身份的唯一性,人与其他人之间的指纹是不同,可以用指纹作为其身份的特征来识别。

指纹识别的技术目前可以说是被认为最好的识别方法之一,由于目前应用指纹识别的技术在理论上具有很高的技术性和实用性,在实践中与目前的指纹识别的技术方法相比如果使用其他识别方法可以明显地看到一些差距。

由于目前应用指纹识别的技术在各行各业的广泛应用,对它的应用和研究也逐渐成熟,所以我们需要了解如何应用指纹识别的技术和原理,掌握设计指纹识别系统的方法。

1.2.生物识别技术概述

所谓人体生物识别技术[2]顾名思义就是,根据实际需要对生物声学等各项先进的科学技术方法与手段进行合理利用，基于机体所具有的基本属性，进而完成身份判定的基本手段。

众所周知，人体所具有的基本特性具备一定的独特性，在这种情况下，利用生物几何学识别的技术可以进行个人身份的认定,安全、准确、可靠，从现在的实际情况来看，各个领域对生物识别技术展开了全面运用，而且，能够通过不同的方式来实现，其中，人体指纹识别、声音识别、视网膜识别、面部识别以及手掌识别等等无疑是其典型的代表,与此同时，还有不少先进的生物识别技术正处于研发设计时期。

在这种情况下，随着时间的推移，生物识别技术的种类变得越来越丰富多样，同时，技术含量也越来越高，而随着现代科技的发展和进步,越来越多的国家将生物识别应用技术推广到社会生活中。

1.3.指纹识别技术概述

指纹（fingerprint）即为经常出现在人手上的手指以及皮肤上的各种花纹,这也是指纹属于现代人类的一种结合自然学和生物学的特征。

在我国指纹识别的应用技术发展过程中的这种环形指纹准确地应该被称作手纹指印,即同时出现在每个人手大拇指的指纹按印,如下见图1-1。

图1-1指纹

在十九世纪开始阶段，业内人士通过对相关内容与问题展开系统全面的研究与分析得出，指纹具备不同的特征。

首先，各个手指所具有的指纹纹脊存在一定的差异性；其次，随着时间的推移，指纹纹脊并不会发生改变[1]。

在该发展阶段，民众将该疾病属性的分析和发现很好地应用到了公安机关的案列侦查中。

20世纪60年代,随着计算机的技术飞速发展,科学家发现在研究指纹时利用计算机能取得很高效且实用的研究成果,这时名为计算机指纹识别的系统AFIS（AutomatedFingerprintIdentificationSystem）的开发和应用在许多研究机构广泛展开。

随着进入20世纪80年代,随着电子光学和图像采集的技术、个人计算机和电脑的技术飞速发展,取得指纹图像的设备和工具更加地复杂和多样化,在这种情况下，指纹识别技术逐渐得到了更加普遍的实际运用，民众的生产以及生活因此而变得更加便捷，其中，指纹代替IC卡无疑是其最典型的代表。

随着时间的进一步推移，研究领域围绕比对识别算法展开了更加系统深入的研究与分析，也建立起了更多的研究分析理论，能够更加科学严格的对数位取像设备的成本进行管理与控制，实际运用变得更为广泛。

在这种大环境下，个人身份指纹识别技术持续实现革新与升级。

21世纪,指纹识别的技术已经基本初步走向成熟,研究的方向也已经开始逐渐转向简单的追求高效,快速的准确识别指纹算法。

相对于其他具有身份功能识别的身分鉴定系统技术,指纹识别身份鉴定系统技术之所以足够能发展成为一种优于其他的各类身份识别的身份识别鉴定技术而被广泛大众接受和普遍采用的根本原因主要可能是由于指纹识别者的指纹功能具有以下基本的技术性质:

①人和人之间是没有完全一样的指纹的。

②指纹一直都是位于人的手指上，不会因为人的成长发生变化。

③指纹数据样本易于人工采集识别,难以直接进行非法伪造,便于科学研究

和商业开发,实用性强。

④所有人各个手指的指纹存在一定的差异性，指纹能够体现出人们的个人信息，基于此，多种信息结合能确保个人隐私的安全。

⑤指纹识别所采集的只是人的指纹的一些特征，并不是整个指纹图形，所以对于计算机运算的负荷小，易于储存。

指纹识别主要可以分为两种,即嵌入式应用系统与基于PC计算机的应用系统。

嵌入式的系统是一个独立的可以自己计算的系统，它的优势是小巧便捷也是我们生活中最常见到的指纹识别系统，例如手机的指纹解锁。

而基于PC计算机的应用系统则是有着更庞大的数据结构和更强大的处理数据能力,并且其指纹识别应用设备的数据库可以在多个嵌入式系统之间进行共享,可以同时建立大型的指纹识别数据库,但是由于这种指纹识别系统需要连接PC才能够使用，所以它的用途就没有前者那么广泛和普遍。

指纹识别认证技术与其他识别方法认证技术对比有许多独特的技术优势,它作为方便快捷高新的技术广泛地在生活各处得以应用己经是社会安全信息系统建设和发展的一个必然趋势。

1.4.指纹识别研究现状

我国的指纹识别系统的研究比别的发达国家开始的晚，但是我国非常重视这种高新科技的发展，许多科学家对此展开了多方面的研究，国家也出台政策支持搞科技的企业，越来越多的专业技术公司开始从事自动指纹身份鉴别系统产品的研究开发和生产销售。

就目前的指纹技术发展和状况总体来看,自动指纹识别测试系统已经由大型嵌入式计算机的处理、微机软件处理的阶段发展到了嵌入式计算机处理的阶段。

国内外众多自动指纹识别的研究开发机构和专业技术公司以及生产厂商都已将其嵌入式的指纹识别测试系统的应用作为指纹识别研究技术开发的方向和重点,并且先后推出了部分关键技术产品,已经充分体现了当前的一个重要发展趋势。

1.5.研究内容

文章在对课题进行研究与分析的过程当中，将建立在单片机前提下的智能指纹识别门系统作为研究分析对象。

对于这个系统而言，STC89C52单片机无疑处于核心地位，同时，对串口通信控制ZFM-60指纹模块进行合理设计与运用，从而顺利的完成对指纹信息的获取以及保存，所获得的比较分析结果以及比较分析过程通过HS12864-15C液晶呈现出来，借助于直流继电器以及发光二极管对开锁行为进行准确模拟。

进行进一步总结分析能够得出，该系统具备诸多优点，比如，传输极为迅速，能够对成本以及体积进行严格管控等，而且，在不同的场所都有着较强的适用性。

第二章：

研究方案及原理

2.1.研究方案

对于这个系统而言，基本开锁方式包括密码开锁方式以及指纹开锁方式，通过对继电器进行合理利用，进而实现对开锁过程的管控，同时通过对显示设备进行合理利用，能够使人机交互能力得到显著增强。

机器实际进行运行的过程当中，若来访者输入指纹则会识别和鉴定来访者的数据。

假设来访人相关的信息已经保存在了指纹数据库当中，那么，在实现匹配的情况下，门锁被顺利打开，来访者相关的信息在显示屏显示出来；相反的，在不能实现匹配的情况下，门锁难以被打开，同时，向管理人员发出警报。

此外，如果情况比较特殊，或者来访者属于临时性质，那么，也能够使用密码将门锁打开。

通过以上的设想，设计的主控芯片为单片机，属于涉及报警模块、指纹模块、按键模块、漏电保护模块和继电器模块等一系列不同模块的指纹门系统。

系统设计的总体框图如图2-1所示。

图2-1系统设计总体框图

2.2.指纹识别原理

指纹识别的过程如下图2-2所示：

图2-2指纹识别过程

2.2.1.指纹采集

所谓的指纹采集指的即是将图像形式的指纹信息转换成数字形式，在这个基础上，把信息存储起来的基本过程。

对于指纹识别系统而言，图像输入设备处于先导地位，与此同时，对于图像输入设备而言，具备不同的功能，也就是图像输入功能以及数字化功能。

依据相应的标准能够对指纹采集进行类别界定与划分，包括超声扫描、电容式取像设备等等。

接下来，将对各种指纹采集方式进行进一步介绍。

电容式取像设备:

从根本上来讲，即是将大量电容传感器集成在半导体金属上构建起来的设备。

在将手指置于电容式取像设备上的情况下，由于指纹存在纹路使半导体的距离存在一定的差异性，进而引起电容值产生区别，在这个基础上，通过将电容值转换为电压值便可以顺利的获得灰度图像。

这种类型的指纹采集设备也具备一定的不足，传感器不够结实耐用，而且，在使用的过程当中极易受到静电的干扰。

光学式取像设备:

对于这种类型的指纹采集设备而言，利用的即是全反射原理以及指纹纹理原理。

不管是对于哪个人而言，指纹都存在一定的纹路。

由于指压在纹玻璃的表面上，因此，在玻璃表面被光线照射的情况下，如果光束照射在纹路下凹的部分，那么，光束将被全反射；相比之下，如果光束照射在纹路上凸的部分，那么，光线就不会出现全反射，在这种情况下，指纹的图像便被顺利的构建起来。

超声波扫描:

从基本运行机制的角度来讲，超声波扫描指的即是对着指纹进行扫描，使用的扫描信号为超声波，在获得反射信号的情况下，最终得到指纹图像。

这是由于在超声波发射至指纹不同部位的情况下，受到阻抗差异的影响，所获得的信号也有所区别。

进一步对这种类型的指纹采集设备进行总结分析能够得出，其同样具备一定的优缺点，优点在于所获得的指纹图像为真实的指纹图像，便于进行使用，并不会因为手指上存在油脂或者赃物而受到影响，不足之处在于难以对其成本进行严格的管理与控制。

对各种不同取像设备所具有的基本性能进行对比分析所获得的结果为下表所示：

表2-1各种指纹采集设备比较

项目

光学取像设备

电容时传感器

超声波扫描

体积

大

小

中

耐用性

非常耐用

容易损坏

一般

成像能力

只有在手指清洁的情况下，才能够获得理想效果

清洁手指能够获得理想效果，否则难以成像

效果十分理想

耗电

较多

较少

较多

成本

低

低

很高

2.2.2.图像处理

在指纹采集时，噪声的影响是不可避免的，受到噪声的干扰就会影响图像中的断点，最终使所获得的指纹信息受到不同程度的干扰。

根据实际需要，通过对信号处理技术进行合理利用，能够使图像当中所存在的噪声被去除，形成高质量二值化图像，便于获取准确全面的特征信息。

通常来讲，实际对图像进行处理的时候，需要遵循相应的流程，首先，增强滤波；其次，细化以及二值化[3]。

首先，增强滤波：

从根本上来讲，就是对滤波的手段进行合理利用，从而使指纹图像中当所存在的干扰被全面清除。

而且，从实际情况来看，滤波方法并不是唯一的，十分丰富多样，其中，低通滤波等无疑是其典型的代表，然而，由于纹线具备特有的方向以及频率，因此，实际对各种不同手段进行运用的时候，所能够获得的噪声滤除效果并不理想。

如今，基本上所有的图像滤波算法均建立在该项原理的前提之下，所以，能够对带通滤波器加以运用。

其次，二值化：

所谓的二值化指的即是借助于各种不同的方法与手段把灰度图像转化成黑白图像。

从目前的基本情况来看，依据相应的标准能够对二值化进行类别界定与划分，包括固定门限二值化以及动态门限二值化。

对于固定门限二值化而言，有着十分严格的输入图像品质要求，灰度要求均衡；动态门限则是在不同的区域选用不同的门限，对输入图像质量要求低。

再者，细化[3]：

所谓的细化指的即是将已经获得一定处理图像的脊加以调节，最终使其宽度达到最小值，并将其中所存在的毛刺全面清除，进而使由于毛刺而产生的伪交叉点以及断点的情况得到有效规避。

2.2.3.特征提取

依据相应的标准能够对指纹的特征进行类别界定与划分，通常涉及局部细节特征以及全局特征[4]。

其中，所谓的全局特征指的即是纹线所具有的整体走向，所具有的不同之处更多的主体现在奇异点方面，这里的奇异点指的即是纹线方向变动显著的点，即是通常所讲的核心点亦或是三角点，实际对指纹进行类别界定与划分的过程当中，奇异点为关键参考依据。

对于局部细节特征而言，包括端点以及分叉点。

从现在的实际情况来看，提取方法并不是唯一的，十分丰富多样，接下来将对不同类型的提取方法加以介绍和论述：

在细化图像上提取：

在这个过程当中，把指纹图像细化处理，接下来，对所有的像素点加以分析，进一步对细节点的种类以及所处位置进行判定，借助于细节点和纹线之间的连线对方向作出判定。

在灰度图像上提取[5]：

在已经完成增强滤波的灰度图像当中设置起点，合理设定追踪步长，在这个基础上，根据灰度投影对纹线加以确定，在遇到分叉点以及端点的情况下，对其进行记录。

2.2.4.指纹匹配

从现在的实际情况来看，匹配的方法已经十分丰富多样，比如，细节点匹配、图像相关匹配等[6]。

进一步对各种匹配方法进行对比分析能够得出，纹理特征匹配匹配以及图像相关匹配的效率比较高，同时，不需要图像具备较高的质量，然而，对细节的把握不够细致全面，因此，导致匹配的准确性不够理想。

在进行纹线匹配的过程当中，必须将大量的特征信息作为参考依据，所以，在开展该项工作的时候，效率并不高。

相比之下，对于细节特征匹配而言，对各个指纹之间的差异性加以利用，不仅十分准确，而且使用起来也极为便捷，因此得到了广泛应用。

实际进行细节点匹配的过程当中，将匹配模板与所有细节点集对齐，建立相应的匹配规则，在这个基础上，分析判定能够实现对应的细节点，进而顺利实现对其相似度的分析与判定。

就这种手段而言，对细节的形变以及旋转等十分敏感。

在进行细节点匹配的过程当中所面临的难点包括：

首先，在提取细节点的时候，往往会丢失部分真实细节点，产生一些虚假细节点，同时，细节点的方向以及位置也许会存在一定的偏差。

其次，指纹图像具有一定的旋转以及平移，在这种情况下，必须采取相应的措施使其全面对齐。

再者，在采集指纹的时候，因为压力不均匀，所以，极易导致图像发生不同程度的改变，图像质量不高。

最后，不同指纹之间所具有的重合面积不大，在确定相同指纹细节点对应关系的过程当中面临着诸多困难与阻碍。

第三章：

系统硬件设计

3.1.单片机及最小系统

3.1.1STC89C52单片机介绍

所谓的单片机指的即是通常所讲的单片微电脑，还常常被称为单片微型计算机。

从根本来讲，即是将传输端口、CPU、存储器等各种不同的部件都集成起来的微型计算机。

从目前的实际情况来看，单片机有着十分迅猛的发展势头，发展空间也比较大。

而且，综合实力比较强的芯片制造企业在进行运营与发展的过程当中，积极投入大量的人力物力，组织单片机研发设计，单片机种类变得更加丰富多样，所具有的功能也变得更为强大，总体来看，单片机市场依然具备广阔的发展空间，在今后的一段时间里，其实际应用将变得更加普遍[7]。

通过对单片机的基本发展历程进行总结分析，能够对其在今后一段时间里的发展倾向作出分析与判定。

在MCS-51系列的8031刚刚研发设计出来的时候，其功率达到了630mW，相比之下，如今单片机的功率在100mW上下，而且对CMOS的运用变得更加普遍。

对于80C51而言，便对就采用HMOS以及CHMOS进行了全面运用。

目前大部分单片机均根据实际情况以及具体需要把CPU、通信接口、只读程序存储器、中断系统等集成在芯片当中，在单片机得到全面改进与优化的情况下，将A/D转换器、WDT（看门狗）等集成起来，基于此，单片机对更多的单元电路加以运用，所具有的基本功能变得更加丰富多样[8]。

进一步对STC89C52RC单片机进行总结分析能够得出，这种单片机具备诸多优势，比如，运行速度快，抗干扰能力突出等，还能够兼容传统8051单片机。

主要特性如下：

单片机具备诸多优势，比如，运行速度快，抗干扰能力突出等，还能够兼容传统8051单片机。

运行电压：

5V单片机处于5.5V～3.3V范围内，3V单片机处于3.8V～2.0V范围内。

运行频率：

处于0～40MHz范围内，实际运行的过程当中，其频率能够达到48MHz。

ISP/IAP，不需要设置与利用专用编程器，也不需要设置与利用专用仿真器，能够经由串口下载各项用户程序，在极端的时间内就能够完成一片。

具备EEPROM基本功能，具有看门狗功能

设置有三个十六位的定时器/计数器。

也就是定时器T0、定时器T1以及定时器T2。

外部中断四路，在下降的过程当中低电平触发电路，同时，在PowerDown基本模式当中，能够通过外部中断低电平触发中断的基本方式将其唤醒。

根据实际需要对通用异步串行口进行设置与运用，也能够对定时器软件加以运用，从而实现多个不同的UART。

运行温度：

工业级处于-40～+85℃范围内，相比之下，商业级处于0～75℃范围内。

PDIP封装

STC89C52RC单片机的工作模式

在掉电模式当中：

功耗低于0.1μA，能够通过外部中断将其唤醒，在中断返回的情况下，接着执行原来的各项基本程序。

在空闲模式当中：

基本功耗为2mA

在正常运行模式当中：

基本功耗处于4mA～7mA范围内

早掉电模式当中，能够通过外部中断将其唤醒，在水表等电池供电系统当中有着较强的适用性

STC89C52RC引脚功能情况为图3-1所示。

图3-1STC89C52引脚图

VCC（40引脚）：

电源电压，VSS（20引脚）：

接地

P0口：

为8位准双向I/O接口，各位都可以对为输入线亦或是输出线，能够启动四个不同的TTL负载。

P1口：

为8位准双向I/O接口，各位均能够对输入线亦或是输出线加以界定，能够启动四个不同的TTL负载。

P2口：

为8位准双向I/O接口，在将其当成I/O接口使用的情况下，能够将外部I/O设备连接；在接有扩展I/O，同时，寻址范围在256字节以上的情况下，P2口能够当成高八位的地址总线。

P3口：

指的即是八位准双向I/O接口，能够把各位用于第二功能，同时，第二功能基本内涵为表3-1所示。

表3-1STC89C52P3口的第二功能

端口功能

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输入口）

P3.2

INT/0（外中断0）

P3.3

INT/1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T0（定时/计数器1）

P3.6

外部数据存储器写选通

P3.7

外部数据存储器读选通

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部的情况下，钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

文章在对课题进行研究与分析的过程当中，主程序包括不同的构成部分，比如，液晶显示等。

主程序的基本运行程序可以概括为：

将各硬件功能模块加以初始化处理。

3.1.2.外部晶振的设计

在构建单片机系统的过程当中，对晶振进行设置与运用，晶振发挥着关键性的作用，其结合单片机内部电路形成相应的时钟频率，时钟频率与运行速度有着相同的变动趋势。

实际进行运行的过程当中，一般的晶振频率绝对精度已经比较准确，相比之下，高级晶振频率的精度更加理想。

部分晶振能够通过外加电压的方式对频率加以调节，也即是通常所讲的压控振荡器。

通过对晶振进行合理利用，能够将机械能与电能加以转化，从而提供可靠稳定的单频振荡[9]。

通过对单片机晶振加以利用，能够使系统获得时钟信号。

一般来讲，系统会共用晶振，从而使不同的部分实现同步。

部分通讯系统对不同的晶振加以运用，借助于电子调整频率的手段使不同的部分实现同步。

通常情况下，锁相环电路和晶振共同使用，从而使系统获得准确的时钟频率。

假设各个子系统对时钟信号频率的要求有所区别，那么，能够设置与运用各种锁相环。

对于STC89C52而言，根据实际需要对11.0592MHz的晶体振荡器加以运用，其中存在振荡电路，因此，仅仅需要连接电容以及晶振就可以，通常来讲，电容容量处于15pF到50pF范围内。

根据实际需要，将高增益反相放大器设置在STC89C52当中，振荡器随之建立起来，将其当成反馈元件的晶体，进而顺利的