指纹密码锁设计论文.docx

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指纹密码锁设计论文

南京工程学院

毕业设计说明书（论文）

作者：

毛仲义学号：

202120621

院系：

　计算机工程学院

专业：

电子信息科学与技术

题目：

基于单片机的指纹密码锁设计

指导者：

刘勤　讲师

评阅者：

田丽鸿副教授

2016年5月南京

毕业设计说明书（论文）中文摘要

指纹密码锁是基于单片机开发的一个利用指纹识别技术完成解锁功能的智能系统。

本课题的主要任务是研究指纹录入、特征信息提取、生成模板并存储的原理，同时指纹传感器将实时采集到的信息和单片机进行交换。

单片机在逻辑上控制指纹相关操作的全过程。

本系统在Keil4环境下利用51C成功编写了一个支持指纹和键盘解锁的软件系统。

该系统中包括了指纹检测、指纹采集，模板匹配、键盘扫描、密码输入以及液晶显示等功能。

当指纹模板匹配成功或密码输入正确则启动开锁电路，反之，密码输入错误超过3次则开启报警电路。

完整模拟了现实开锁的真实过程。

关键词指纹锁　键盘扫描　液晶显示　报警电路

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleFingerprintLockBasedonMicrocontronllers

Abstract

FingerprintLockisanintelligentsystemdevelopedbasingonmicrocontrollerwhichusesfingerprintidentificationtechnologytocompletetheunlockfunction.Themaintaskoftheprojectistostudythefingerprintinput,featureinformationextraction,principleoftemplategenerationandstorage.Meanwhile,thefingerprintsensorchangethereal-timecollectionofinformationwithmicrocontrollers.MCUcontrolsthewholeprocessoffingerprintrelatedoperationsinlogic.

ThesysteminKeil4environmentuses51Csuccessfullywrittenfingerprintandunlockedthekeyboardsupportingsoftwaresystem.Thesystemhaslotsoffunctionsincludingfingerprintdetection,fingerprintacquisition,templatematching,keyboardscan,passwordenteringandliquidcrystaldisplay.Whenthefingerprinttemplatematchingissuccessfulorthepasswordisenteredcorrectly,thelockcircuitstarts.Onthecontrary,enteringthewrongpasswordmorethanthreetimeswillopenthealarmcircuit,whichsimulatestherealrealityunlockingprocesscompletely

KeywordsFingerprintLock，KeyboardScan，LiquidCrystalDisplay，AlarmCircuit

目　　录

第一章概述

1.1系统设计目的及意义

在日常的生活和工作中,住宅、物业、单位、银行的财产以及一些重要的资料的安全都会选择用加锁的办法来保证其安全。

但使用传统的机械锁，需要携带多把钥匙，而且一旦丢失、被盗或遗忘，不仅配置相当麻烦，而且可能被他人复制冒用，造成极大的安全隐患，甚至财产损失。

现代社会对安全的认证方式标准是简单、快捷和高效。

而生物特征识别技术具有随身携带、不易仿制等优点比之传统的方法更安全、方便和保密，恰好满足人们对防伪精度高，快捷高效的需求。

目前生物特征有手形、手指静脉、指纹、脸形、视网膜、虹膜、语音等，根据这些特征，分别研究出相应的识别技术，如手形识别、指纹识别、面部识别、虹膜识别等等。

但基于技术的理论和实际生产之间的差距，以及不同行业不同人群对于安全级别和使用场合的要求不同。

注定有些技术不能在大范围内普及使用，例如虹膜，虽然其安全系数最高，但成本也非常高，而且识别过程复杂，所以用在政府、军事及金融等高机密领域。

距离全民化还有很漫长的路要走。

虽然我国在手指静脉、虹膜、视网膜等生物特征识别领域要比国外的晚一点，但指纹识别技术却差不多和国外是同一时期开始的，所以无论在技术研究还是在市场上相关产品的普及都丝毫不比国外差。

指纹识别虽然成熟，但是并没有真正实现“飞入寻常百姓家”，为日常生活提供服务。

而指纹技术因其自身具有的优越特点注定会受到越来越多的关注，并最终实现全民化。

因此指纹识别作为一门高新且具有发展前景的热门技术，值得好好研究一下，所以本次毕业设计便选用指纹识别技术相关的课题。

除此之外，此次毕业设计需要熟练掌握单片机硬件设计方面的技术和软件编程的知识，之前学习的知识都是碎片化的，没有作为一个系统来考虑系统中各个模块如何部署，如何分工协作，所以毕业设计过程也是一个知识融合、系统化、精细化的过程，对于完善知识体系和理解实际开发流程有很大帮助。

1.2指纹识别原理及其前景

本次设计中比较重要的模块便是指纹传感器了，指纹识别技术的概念已经比较普遍，简单来说，是通过比较指纹上不同的细节特征点来区别不同的身份。

这些细节特征点是通过对指纹图像进行算法处理后得到的，体现在手指上则是凹凸不平的纹路的起点、终点、结合点和分叉点等可视化的信息。

每个人手指上的指纹就一个独一无二的“迷宫”，而每个迷宫的起点、终点、拐点都不同，正是由于这些不同的“特征点”成为区分每个人身份的重要标识。

当前，主要有两种采集指纹图像数据的方式：

光学识别、半导体识别。

光学识别是通过光学发射器发射的光线射在手指上后再反射回机器来获取指纹图像数据，并与之前采集好存储在模板库的指纹信息自动对比看是否一致，光学识别准确度受到手指是否干净、受伤、蜕皮的影响。

但是随着不断的优化，光学指纹传感器的精度已经很高，而且识别精度可以根据需求动态设定，同时价格也相对较低一点，因此本设计采用光学指纹传感器来完成。

指纹传感器采集好图像之后，使用指纹算法来实现指纹特征的提取、匹配、计算之后的特征点就是指纹模板库，每次都会自动把两个指纹的模板进行对比，计算其相似度来确定是是否为同一个指纹。

在应用方面，比较前沿的像华为的Mate、荣耀系列、三星、小米5、vivo、乐视、酷派等手机都有通过识别指纹来解锁的功能。

国外的近日有苹果公司的ApplePay，在2月18日正式进入中国后，和国内不少银行合作用于在线支付，掀起了一股指纹支付的热潮。

由于其快捷方便而且安全系数高的特点迅速在全球蔓延开来受到年轻人的追捧。

但在技术方面归根结底还是通过手机上的指纹传感器采集用户数据准确匹配后来完成支付功能的。

在2016年智能手机领域指纹解锁和指纹支付将是中高端手机的标配。

未来随着指纹技术的逐渐成熟，生产成本的降低，将会在智能手机领域更加普及，甚至会广泛应用于我们日常生活的方方面面，为高品质的生活提供便利服务。

1.3系统设计流程

系统会在AltiumDesigner9开发平台上设计原理图，绘制PCB并制成单片机开发板，然后根据原理图将相关元器件焊接到开发板上。

软件部分在KeiluVision4开发平台上进行相关代码的编写和调试。

然后利用串口助手工具将代码下载到开发板进行运行，观察硬件各模块是否可以正常运行，以及测试结果是否能够满足需求，便于及时调整程序。

课题的主要任务是设计出一个可以录入指纹，并对录入指纹提取特征信息然后与指纹模板库进行匹配最终达到开锁功能的一个系统。

指纹模板库的建立需要首先采集指纹进行图像算法处理，提取特征点做成特征文件并进一步合成特征文件存储在Flash，每次开锁都会采集指纹并和存储的模板进行比对判断是否为同一个指纹以确定是否授权打开锁。

同时系统也支持指纹未录入时在键盘手动输入管理员密码进行解锁的功能。

本论文由五部分部分组成，其中第一部分为概述，第二三部分分别为系统硬件和软件设计过程，第四部分为系统调试测试过程，最后一部分为总结与展望。

第二章硬件系统设计

2.1硬件系统整体设计

本次设计是一个单片机相关的课题，主要设计硬件部分和软件部分，而所有工作开展都必须从设计原理图开始，只有设计出正确的原理图才能保证完成一个可以正常运行的硬件设备，软件可以不断调试，但硬件一经设计制作成品便不能再改变，所以硬件设计的每一个细节都要仔细推敲，反复验证，多仔细都不为过，尤其是没有单片机设计经验的话更应该注意。

而硬件设计的第一步便从新建一个工程开始，新建工程的过程比较繁复这里不做详述。

2.1.1系统框图设计

根据系统需要实现的功能进行需求分析，将功能模块化成一个个单元电路，每个单元独立设计、调试，留出与其他模块接口，最后在逻辑上进行嵌套调用实现整体设计，具体的硬件系统设计框图如图2-1所示。

图2-1硬件系统设计框图

2.1.2系统原理图设计

由于本次是模块化的设计，每个模块的电路分开设计，引脚之间的连接使用PlaceNetLabel连接，即电气连接。

虽然引脚没有连接在一起，但相同的NetLabel则表示两个硬件是物理连接的，这样避免了大量复杂的布线导致引脚之间的对应观察起来容易混淆的问题，因此使得本次的设计看起来逻辑上更加清晰明了，出了问题排查起来也更加容易。

硬件原理图的系统设计如图2-1所示。

图2-2硬件设计系统图

每个模块之间使用线框分割开来，但是这个线并不是连接元器件的线PlaceWire,这个线是有电气信号的不能使用，点击UtilityTools选择PlaceLain，还可以设置线的颜色，宽度等等，每个模块的功能有文字旁注，使得不懂原理图的人打开之后也知道每部分是实现什么功能的，点击UtilityTools，选择PlaceTestString，再点击table键输入需要的内容即可，而且可以根据需要设置字体大小颜色等。

2.1.3系统PCB图设计

原理图设计完成后需要编译，查看有没有输出错误信息则将原理图更新到PCB文件开始布线，PCB布线首先影响的是板子的外形是否美观，当然最重要的还是板子能够稳定高效的运行。

而布线过程中需要进行相关的设置并遵守一定的规则才能达到这样的效果。

本次设计主要遵循了几个最重要的规则，由于单片机的晶振频率比较慢属于低速板，电气信号之间的干扰影响比较小，所以只要不犯明显的错误画出一个性能稳定且美观的板子还是很容易的。

首先走线要最短，保证走线最短就要将同一模块的元器件尽量靠近，尤其要将晶振电路靠近单片机芯片的引脚，否则板子是不能正常工作的。

这是最简单也是最重要的原则，决定了系统性能的稳定；其次电源和接地信号线要粗一些，本次设计使用30mil,而且布线过程中尽量避免90度走线，应使用45度拐角；最后板子要发到加工厂进行加工，出于对成本的考虑，板子面积控制在10*10cm。

本次设计的PCB是两层板，分为TopLayer层和BottomLayer层，设计完成后