基于單片機的指紋識別門禁系統(tǒng)設(shè)計

1、中文摘要摘要人們在生活中需要安全的門禁設(shè)施，來保證自己的財產(chǎn)安全，各種各樣的門禁系統(tǒng)隨之而生。但隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，以前的門禁方式在鑒別方式、速度和性能方面越來越不能滿足人們的需要，比如射頻卡、數(shù)字密碼等方式，其安全性不夠高。在新的方式開發(fā)的過程中，由于人的身體特點具有不可復(fù)制性，所以人們把目光轉(zhuǎn)移到這上面來，開始了生物識別的門禁系統(tǒng)的開發(fā)。指紋識別作為生物特征識別，它是獨特的，它的特點是不易偽造，以為它的這些特點目前已被廣泛應(yīng)用于安全訪問。對于企業(yè)來說，辦公樓的安全性和規(guī)范性就顯得尤為重要，對于進入樓內(nèi)的人員需要嚴格的管理，并且需要保密的樓層也需要限制人員的進入。指紋識別技術(shù)正好可

2、以解決這個問題，每個人的指紋就相當于每個人的身份標識，對指紋的識別和管理，就能夠?qū)崿F(xiàn)對人員的管理。本文設(shè)計的系統(tǒng)是基于單片機的指紋識別門禁系統(tǒng)，它是在指紋識別技術(shù)的基礎(chǔ)上加以開發(fā)擴展得來的，主要目的是加強人員的出入管理和提高門禁的安全性。整個門禁系統(tǒng)主要包括上位機和下位機兩部分，對于下位機，單片機作為主體，另帶多個子模塊，包括指紋識別模塊、液晶顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、繼電器和蜂鳴器等；對于上位機，主要負責用戶信息的管理，并且通過網(wǎng)絡(luò)模塊，對多個下位機行進遠距離控制。論文基于對指紋識別技術(shù)和指紋識別系統(tǒng)的發(fā)展研究的意義的分析，介紹了指紋識別門禁系統(tǒng)總體框架，闡述了各子模塊的硬件和軟件資源。論文首先簡

3、要介紹了指紋識別算法，重點介紹了指紋識別模塊（FM-180）的使用方法，包括它的硬件連接和軟件指令的使用方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了以STC89C52單片機為核心的指紋識別門禁系統(tǒng)，指紋識別模塊負責識別指紋，并傳輸給單片機結(jié)果，單片機根據(jù)結(jié)果來控制液晶顯示和蜂鳴器的聲音提示，再控制繼電器的開閉，單片機還能通過網(wǎng)絡(luò)模塊與上位機實現(xiàn)遠程通訊。之后，介紹了軟件部分的設(shè)計，包括單片機、液晶屏、指紋識別模塊和上位機的軟件設(shè)計。系統(tǒng)測試部分，通過對系統(tǒng)的模型樣機的測試表明，系統(tǒng)能夠完成基本功能并具有較好的穩(wěn)定性，初步達到了預(yù)期的設(shè)計目標。在論文最后，做出了簡單的總結(jié)與期望。- I -英文摘要關(guān)鍵詞：指紋識別；

4、門禁；單片機AbstractPeople need in life safety entrance guard facilities, to ensure the safety of their property, and all kinds of entrance guard system. But with the continuous development of digitalization and networking, the entrance guard before way in terms of speed of identification methods, and per

5、formance is more and more cant satisfy peoples needs, Such as radio frequency card, digital code, its security is not high. In a new way in the process of development, because of the human body characteristics is replication, so people focus to this, started the biometric access control system devel

6、opment. Fingerprint identification as a kind of biometric recognition, it has the characteristics of uniqueness and difficult to counterfeit, make it widely used in security access.For enterprises, building security and standardization is particularly important, for people entering the building need

7、s to strict management, and need to be kept secret floor also need to limit personnel to enter. Fingerprint identification technology can solve the problem, each persons fingerprints are equivalent to each persons identity, the fingerprint identification and management, can realize the management of

8、 the personnel. In this paper, based on fingerprint identification technology is introduced, and design a set of fingerprint entrance guard system based on STC89C52 single-chip computer, to realize the unification of the building entrance guard management and personnel management of permissions. The

9、 entrance guard system mainly includes two parts of the upper machine and lower machine .For the machine, including fingerprint identification module, liquid crystal display module, network module, relay and buzzer, controlled by single chip microcomputer. For PC, is mainly responsible for user info

10、rmation management, and through the network module, a machine under the multiple remote control.Papers on the analysis of the fingerprint recognition technology development present situation and research significance of fingerprint entrance guard system, on the basis of introduced the overall framew

11、ork of fingerprint entrance guard system, this paper expounds the each modules hardware and software resources. Paper first briefly introduces the fingerprint identification algorithm, and introduced the use of the fingerprint identification module, including the hardware connection and the use of t

12、he software instructions. On this basis, designed a STC89C52 MCU as the core of fingerprint entrance guard system, fingerprint identification module is responsible for identifying fingerprint, and transfer to the single chip microcomputer as a result, as a result of the single-chip microcomputer to

13、control the liquid crystal display and a buzzer voice prompt, and the opening of the control relay, microcontroller can realize the remote communication module and the upper machine through the network. Later, the paper introduces the design of the software part, including MCU, LCD screen, fingerpri

14、nt identification module and PC software design. System test part, through to the model of the system prototype test show that the system can complete the basic function and has good stability, preliminary achieved the expected design goal. In finally, the thesis has made the simple summary and expe

15、ctation.Key words: fingerprint identification; Entrance guard; Single chip microcomputer- III -目錄目錄摘要IAbstractII第一章 緒論- 1 -1.1引言- 1 -1.2指紋識別技術(shù)的發(fā)展狀況- 2 -1.3課題的研究內(nèi)容- 3 -第二章 指紋識別技術(shù)介紹與整體設(shè)計方案- 3 -2.1 指紋特征- 3 -2.2指紋識別技術(shù)介紹- 5 -2.3 整體設(shè)計方案- 6 -2.4本章小結(jié)- 8 -第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計- 8 -3.1硬件系統(tǒng)具體架構(gòu)設(shè)計- 8 -3.2 系統(tǒng)硬件的模塊實現(xiàn)- 9 -3

16、.2.1 STC89C52核心處理器- 10 -3.2.2 FM-180指紋識別模塊- 13 -3.2.3 LCD12864液晶顯示模塊- 16 -3.2.4 繼電器模塊- 18 -3.2.5 蜂鳴器模塊- 19 -3.2.6按鍵模塊- 20 -3.2.7 ZLSN3000 串口聯(lián)網(wǎng)模塊- 20 -3.3 本章小結(jié)- 22 -第四章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)- 23 -4.1 指紋識別模塊的程序設(shè)計- 23 -4.2 液晶顯示模塊的程序設(shè)計- 28 -4.3 單片機的程序設(shè)計- 31 -4.4 上位機的程序設(shè)計- 33 -4.5 本章小結(jié)- 35 -第五章 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析- 36 -5.1 系統(tǒng)測試-

17、 37 -5.2 結(jié)果分析- 39 -結(jié)論- 40 -參考文獻- 41 -致謝與聲明- 42 -附錄- 43 - V -第一章 緒論第一章 緒論1.1引言 隨著社會的進步，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)，電子技術(shù)的改進程度越來越高，越來越融入人們的生活，同時，安全技術(shù)也越來越受到人們的重視。而解決安全技術(shù)問題，首先要解決的是門禁的安全問題。人們的財產(chǎn)安全問題僅僅依靠傳統(tǒng)的門鎖和防盜鎖是遠遠不夠的，于是各種新式的門禁系統(tǒng)應(yīng)運而生，比如數(shù)字密碼、射頻卡等。各種門禁方式有其自己的優(yōu)點，但大多不能同時實現(xiàn)既安全又方便，比如說數(shù)字密碼鎖，鎖的密碼容易忘記，并且容易被人盜取。 面對這些問題，人們把視線轉(zhuǎn)移

18、到了生物識別技術(shù)上去。一種以人體的特征進行識別的技術(shù)生物識別技術(shù)，憑借它自身的各種優(yōu)點，而且每個人的特征都是不一樣的，所以在門禁方面生物識別技術(shù)有很大的優(yōu)勢。而在人體特征中，指紋又具有唯一性、穩(wěn)定性和難以偽造性得特點，用指紋來做門禁的密碼，人們便可以不用再去記憶那長長的密碼，也不會出現(xiàn)遺忘的問題，于是指紋識別技術(shù)憑借其安全性和方便性在門禁系統(tǒng)的開發(fā)中迅速崛起。在各式各樣的生物識別方法中，與其他的識別技術(shù)相比較起來，指紋識別技術(shù)具有以下幾個特點：（1）安全性：人的指紋在人出生之后就確定了，并且終生不變，最重要的是每個人的指紋都是不相同的，具有惟一性，這就確保了用指紋來做門禁的密碼是十分安全的。（

19、2）可傳輸性：指紋識別技術(shù)中利用模板來進行識別，系統(tǒng)對模板庫的要求較小，并且便于遠距離傳輸。 （3）便捷：利用指紋識別技術(shù)來開發(fā)門禁，人們便可以不用再像以前一樣去記憶長長的密碼，也不用整天攜帶射頻卡，只要人在指紋就在，就可以開鎖，十分的方便快捷。鑒于指紋識別技術(shù)具有以上的優(yōu)點，所以利用人的指紋特征進行人身識別是十分優(yōu)秀的，并且在各個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景和無比巨大的市場潛力，值得去進行開發(fā)。1.2指紋識別技術(shù)的發(fā)展狀況在中國的古代，手指的指紋就被用做辨別每個人的標記，比如說，古代犯人需要簽字畫押，畫押就用到了指紋。所以說，對人體手指指紋的應(yīng)用，不是近代才有的，而是從古代就開始了。到近代，科學技

20、術(shù)發(fā)展迅速，生物領(lǐng)域迅速崛起，有關(guān)手指的秘密不斷被挖掘出來，比如說：1.對于指紋紋脊，每個人的紋脊的形狀都不相同；2.人體的手指指紋不會隨著年齡的增長而變化，也就說會一直保持不變。這兩個特點就是經(jīng)常說的指紋的唯一性和不變性，正是因為這兩個特點，使得在許多犯罪的案件中，罪犯所留下的指紋被用作識別犯人的證據(jù)，指紋得以正式應(yīng)用。最開始的時候，將指紋用作每個人的身份識別的想法早就成熟，但是在硬件上卻達不到。隨著光學掃描技術(shù)的發(fā)展，能夠完成捕獲清晰手指圖像的功能，由此，指紋識別技術(shù)開始飛速發(fā)展。圖像獲取的設(shè)備不斷改進，獲得的圖像越來越清晰，而且計算機的功能也變得很強大，處理圖像的能力也越來越好，這些因素

21、使得指紋識別技術(shù)實現(xiàn)了打跨步的前進，而且指紋圖像的識別算法也是越來越全面，推動著全面的發(fā)展。與國外相比，國內(nèi)的指紋識別技術(shù)起步是比較晚的，但發(fā)展的速度卻是很快，到目前指紋識別技術(shù)已經(jīng)很成熟。特別是北京大學的兩位院士（程民德和石青云）在這方面取得了很高的成就，在國內(nèi)具有很高的知名度和影響。 目前市場上的出售的指紋模塊種類有很多，比如半導體電容式指紋模塊、光學指紋模塊、射頻真皮識別指紋模塊、刮擦式真皮識別指紋模塊等等。在指紋識別算法方面，不斷地被優(yōu)化，以及硬件平臺的不斷升級，使指紋識別技術(shù)相應(yīng)的造價不斷降低，應(yīng)用方面越來越廣。指紋識別技術(shù)不在只用在警用領(lǐng)域，而是進入到人們的日常生活中來。因為指紋識

22、別在門禁方面的前景十分的廣闊，利潤高，這使得很多的公司和研究機構(gòu)都投入了大量的人力去開發(fā)，使得指紋識別門禁的發(fā)展空前迅速，而且這些產(chǎn)品已經(jīng)在各個領(lǐng)域被應(yīng)用。目前廣泛應(yīng)用的指紋識別都是基于單片機的，而單片機技術(shù)又在飛速發(fā)展，這就支撐著指紋識別技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域中飛速發(fā)展?？偠灾讣y識別技術(shù)的具有十分廣闊的發(fā)展前景。1.3課題的研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容大致分為指紋識別模塊、單片機控制門的硬件實現(xiàn)以及上位機的網(wǎng)絡(luò)通信和控制部分。首先，確定指紋識別門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計出符合實際需要的門禁系統(tǒng)，并分析指紋的特征和識別方法，以及各種指紋識別模塊的優(yōu)缺點，確定出一種合適的指紋識別模塊。其次，完成基于

23、單片機的門禁控制硬件設(shè)計，以及上位機的控制。完成單片機外圍電路的設(shè)計。- 3 -第二章 指紋識別技術(shù)與整體設(shè)計方案第二章 指紋識別技術(shù)介紹與整體設(shè)計方案2.1 指紋特征 指紋是指的是在手指末端正面的皮膚上線條構(gòu)成的紋路，線條的方向不同，彎曲程度不同，就構(gòu)成了不一樣的指紋。一條線條，就會產(chǎn)生幾百上千中的變化，一個手指上有很多條線，這就使得每個人的指紋都不同，每個人的指紋都是獨一無二的，而且不會改變。指紋的線條有很多的特征，其中紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，被稱為指紋的細節(jié)特征點。 指紋圖像分為兩大類：總體特征和局部特征兩大類。一、總體特征：指的是指紋的宏觀上面所體現(xiàn)出來的特征，也就是說那些用

24、肉眼可以直接觀察到的特點，這些特點比如有：紋形、模式區(qū)、核心點、三角點和紋數(shù)等。圖2-1 指紋總體特征圖（1）紋形：萬事都有規(guī)律，指紋也不例外，雖然指紋變化萬千，但還是有規(guī)律可循。指紋的脊線走向是比較有規(guī)律的，彎曲的大致方向有規(guī)律，根據(jù)其規(guī)律可以將指紋分為三大類環(huán)型、弓形和螺旋形。指紋最主要的是中心的部分，指紋都趨向于這里，這里是模式區(qū)，識別指紋的特點都集中在這里，指紋識別技術(shù)的識別就是通過這里來進行識別。圖2-2 指紋紋形圖（2）核心點：指紋的中間通常都有一個中心點，四周的指紋都是圍繞著這里的，就好像是周圍的紋路都發(fā)源于此，在進行指紋識別的時候，通常都以這個核心點作為識別圖像的參考位置，以此

25、來作對比。（3）三角點：指紋的紋線在延伸的時候不是一直平行的，有的紋線會出現(xiàn)交叉或者是斷開，當兩條紋線交錯連接，就會形成類似于三角形的圖形，像這樣的點，就成為三角點。（4）紋數(shù)：就是指紋的紋路的總數(shù)，一般都是從核心點處開始記錄，一直到邊緣的紋路的數(shù)量，不一樣的指紋所具有的指紋的紋路都是不同的。二、局部特征：手指指紋的有許多不能一眼看出來的小細節(jié)，這些細節(jié)需要仔細區(qū)看才能分辨出它的區(qū)別，這些特征就是局部特征。手指的指紋的紋線，不是一直連續(xù)的，會出先一些分叉和中斷，這些小的細節(jié)使得指紋進一步區(qū)別。相同的指紋在總體特征上面可能一致，但在局部特征上面卻是不同的，這就為指紋的唯一性提供了確認信息。指紋的

26、特征點可以從四個方面去區(qū)別：（1）類型。特征點可以分為很多的類型，具體如下圖所示：圖2-3 指紋特征點類型終結(jié)點：指紋的紋路再此終結(jié)，斷開。分叉點：指的是一條紋線會分叉成為兩條線，分叉的那個點就被稱為分叉點。分歧點：原本兩條平行的紋路，會出現(xiàn)彎曲變向的情況，開始出現(xiàn)這種情況的點就是。孤立點：沒有形成紋路，就只有單獨的一個點。環(huán)點：紋路彎曲連成一個小圓圈，就像是一個環(huán)形的點。短紋：比較短的一小段紋路，就像是線段。（2）方向。每一個特征點的方向都不同，同一類型的特征點，其方向不同，所代表的信息也就不同。（3）曲率。紋路會有彎曲，紋路的彎曲程度就用曲率來表示。（4）位置。就是指特征點在指紋圖像的位置

27、，用橫縱坐標來表示，一般是用相對的坐標來表示的特征的位置。 2.2指紋識別技術(shù)介紹指紋識別技術(shù)的目標就是能夠識別手指的指紋并能夠?qū)⒉煌讣y的模板進行對比判斷，主要分為兩部分：1.指紋圖像獲取。2.指紋圖像對比判斷（1）指紋圖像獲?。鹤R別并獲取指紋圖像，需要能夠獲取指紋圖像的指紋傳感器，目前主要有三類：1.光學指紋傳感器：通過光學手段獲取指紋的技術(shù)是最早用于指紋識別技術(shù)的，光學指紋感器的優(yōu)點是方便快捷，它的缺點就是對采集手指和取像的鏡片要求比較高，質(zhì)量好的鏡片才能夠獲取到清晰的指紋圖像，并且光學指紋傳感器的體積一般都比較大，對于小巧的嵌入式設(shè)備來說不適用；2.半導體指紋傳感器：對于半導體指紋傳感

28、器來說，它的價格低、體積小，對于嵌入式設(shè)備來說，小巧的便于使用。自從上世紀 90 年代中期出現(xiàn)以來，發(fā)展十分的迅速，代表的有產(chǎn)品有：壓感指紋傳感器、固態(tài)指紋傳感器、電容式指紋傳感器、溫度型指紋傳感器等等。3.基于超聲波掃描技術(shù)的指紋傳感器：超聲波遇到皮膚會反射回來，而且皮膚表面凹凸不平，反射回來的聲波也是不同的，超聲波識別就是利用反射回來的聲波的不同來識別不同的指紋。它的優(yōu)點有：在不同的情況下都能獲取到清晰的圖像，對于不同粗糙程度的手指也都能獲得清晰地圖像。缺點：就目前來說，這種傳感器的價格比較昂貴，不太適合普及。 （2）指紋圖像對比判斷：獲取到指紋圖像之后，為了判別出獲取到的指紋到底是誰的指

29、紋，就需要對指紋與指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋進行對比判斷。進行對比判斷就需要一個算法，這就是指紋識別算法。指紋識別算法是指紋識別技術(shù)的關(guān)鍵，算法的好壞，直接影響到拒識率和誤識率，以及系統(tǒng)的運行速度等。整個指紋識別算法分為三部分：指紋圖像預(yù)處理、提取指紋特征和指紋匹配。先獲得手指的指紋，再利用指紋識別算法將數(shù)據(jù)庫的指紋和得到的指紋相對比，判斷出獲取的指紋是不是數(shù)據(jù)庫中的指紋，若是，給出相匹配的是數(shù)據(jù)庫中哪一個指紋。通過指紋圖像獲取和指紋對比判斷兩個部分，便可以對給出手指的指紋進行識別，得到識別結(jié)果，這就是指紋識別技術(shù)的大體構(gòu)造。2.3 整體設(shè)計方案 根據(jù)以上所介紹的指紋識別技術(shù)，設(shè)計基于單片機的指紋識別

30、門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)對大樓所有門禁的整體管理，并且能夠管理用戶信息和權(quán)限。所以系統(tǒng)主要分為上位機和下位機兩部分，上位機作為主要的控制部分，通過網(wǎng)絡(luò)對多個下位機進行控制，并且實現(xiàn)用戶等級的設(shè)定。指紋錄入端位于大樓的入口處，對進入者進行指紋錄入工作。下位機則是門禁的實際控制端，通過指紋識別模塊，對用戶進行識別，進而控制門鎖的開閉。整體框架可以為如下圖所示：圖2-4 整體框圖上位機與下位機各自分工，上位機與下位機通過網(wǎng)絡(luò)模塊進行通訊。下位機是與門直接相連的部分，通過指紋識別模塊對用戶的指紋進行識別，并將結(jié)果傳輸給單片機，單片機再進一步控制液晶顯示結(jié)果，并通過蜂鳴器發(fā)出聲音提示，用戶還能夠進行按鍵調(diào)節(jié)。下位

31、機的框架如下所示圖2-5 下位機整體框圖各個子模塊的具體硬件選擇和使用方法在后面具體介紹。本系統(tǒng)的主要功能特點：（1） 擁有高效的指紋識別模塊，可以十分快捷的利用指紋開鎖，高效方便，且安全性高。（2） 上位機部分由科學的管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)門禁的科學化管理。（3） 上位機與下位機的通信采用以太網(wǎng)模塊，可以實現(xiàn)遠距離的控制。（4） 門禁系統(tǒng)的用戶采用權(quán)限分割，不同的用戶擁有的權(quán)限不同，能夠進入的門也不同，從而實現(xiàn)用戶的逐級權(quán)限管理。- 8 -第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計第二章 指紋識別技術(shù)與整體設(shè)計方案2.4本章小結(jié)本章主要介紹了指紋識別技術(shù)的主要工作原理，工作的原理主要包括三部分，分別為：指紋的特征、

32、指紋圖像的獲取和指紋識別算法。其中，指紋的特征又分為總體特征和局部特征兩類，指紋圖像傳感器大致有三類，指紋識別算法包括指紋圖像的預(yù)處理、提取特征值和指紋匹配三部分，先后并對各個部分做了簡要概述，在此之后，又對系統(tǒng)的整體設(shè)計方案做了介紹。- 9 -第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)具體架構(gòu)設(shè)計本次的基于單片機的指紋識別門禁系統(tǒng)的硬件部分需要完成一系列復(fù)雜的任務(wù)，包括圖像采集、圖像處理、圖像對比等，還需要在與上位機通信時上傳指紋模板，以及控制外圍器件等工作。所以要實現(xiàn)這樣一個復(fù)雜的任務(wù)，需要處理器具有比較強的計算能力和控制能力，并且儲存器資源要大。本文的指紋識別系統(tǒng)，就是利

33、用指紋識別技術(shù)，通過單片機的硬件和軟件管理實現(xiàn)對門禁的控制。工作人員不必攜帶鑰匙，也不必進行紙張登記，只需手指一按，便可以完成身份識別和進入記錄。所以整個系統(tǒng)需要滿足:（1） 體積小，便于安裝。所以在選擇硬件時就要考慮硬件的體積問題。（2） 用戶界面要簡單，便于操作。（3） 處理速度要快，指紋的辨識率要高。所以在處理的選擇和指紋識別模塊的選擇上，要注重其性能。（4） 良好的網(wǎng)絡(luò)通信。由于需要進行指紋圖像的數(shù)據(jù)通信，所以需用用到TCP/IP通信，就需要選擇網(wǎng)絡(luò)模塊來完成。 基于第二章的整體設(shè)計方案，已經(jīng)確定了系統(tǒng)的模塊組成，再根據(jù)各個模塊需要實現(xiàn)的功能，確定各模塊硬件的選擇和使用。對于指紋識別模

34、塊需要有高辨識率、處理速度要快、準確率高，所以確定使用FM-180光學指紋采集儀。液晶顯示模塊有LCD1602和LCD12864，但LCD12864能夠顯示4*8漢字，且界面清晰，所以采用LCD12864，來文字顯示錄入模式、識別模式轉(zhuǎn)換。單片機需要快速計算和控制，以及較大存儲空間，所以選擇STC89C52。由于上位機需要控制管理大樓內(nèi)所有的下位機，通信距離較遠，RS232不能夠滿足遠距離傳輸，RS485能夠滿足遠距離傳輸，但其在傳輸較大量數(shù)據(jù)時安全性不夠高，所以采用網(wǎng)絡(luò)傳輸形式，使用ZLSN3000網(wǎng)絡(luò)模塊。按鍵采用獨立式按鍵。圖3-1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)3.2 系統(tǒng)硬件的模塊實現(xiàn) 根據(jù)前面得到的

35、硬件具體規(guī)劃，下面就對各個模塊進行逐個介紹。包括核心處理器、指紋識別模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、液晶顯示模塊等等，下面將對各個子模塊進行介紹。3.2.1 STC89C52核心處理器一：主要性能STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一款8位的MCU，它的內(nèi)部組件有8KB的Flash芯片和512B的RAM。相比較于原先的51單片機，52的內(nèi)存更大，還具有第三個定時器，在各方面的性能方面都有了較大的進步。對于單片機能夠很方便的各個模塊相連接，比如說指紋識別模塊，只需要用P30和P31兩個端口，與模塊串口相連，在給模塊上電，就能夠?qū)崿F(xiàn)對模塊非管理和使用。程序可以下載到Flash中存著，即使掉電也不會丟失，能夠一直保存

36、，直到下次下載時才會清除。二：引腳介紹STC89C52的引腳結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3-2 STC89C52引腳圖各個引腳功能介紹：（1）電源引腳VCC ：電源電壓 VSS ：接地 （2）輸入輸*引腳P0 P1 P2 P3總共4*8=32個引腳，這些引腳主要用作I/O輸入輸出，控制一些外接器件，例如LED燈、開關(guān)等等。其中P3口有特殊用途，可用于串口傳輸以及中斷和定時器，本次的設(shè)計主要用到P3口。具體功能如下所示：表3-1 P3口第二功能端口第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部0中斷)P3.3INT1（外部1中斷）P3.4T0（定時器0）P3.5T1

37、（定時器1）（3）控制引腳RST：復(fù)位輸入。這個引腳用來使單片機復(fù)位，令單片機初始化。EA ：當有外部RAM時，需要訪問外部的存儲器，就需要EA引腳來控制是否選擇外部存儲器。(4)時鐘引腳XTAL1：外部振蕩器的時鐘輸入的第一個引腳。 XTAL2：外部振蕩器的時鐘輸入的第二個引腳。三： 外圍電路STC89C52作為單片機，想要運行起來，就需要最基本的一些外圍電路的支持，比如供電模塊、時鐘模塊。本設(shè)計使用5V電源供電，時鐘信號采用12MHZ晶振。（1）電源電路首：先要將220V城市交流供電轉(zhuǎn)換成5V的直流供電，需要經(jīng)過變壓、整流、濾波過程，再傳輸給單片機。原理圖如下所示：圖3-3 5V電源電路電

38、源電路左端接入220V交流市電，經(jīng)過變壓器降壓，將電壓降下來。在經(jīng)過一個由四個二極管組成的整流橋式電路，將交流電轉(zhuǎn)換成為直流電。轉(zhuǎn)換之后得到的直流電電壓波動比較大，不夠穩(wěn)定。所以并聯(lián)一個電解電容，起到濾波的作用，是電流進一步穩(wěn)定。進過濾波之后的電流仍然穩(wěn)定度不夠，所以再接上一個三端穩(wěn)壓器，其內(nèi)部由三極管和電阻構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)隨著所加電壓的波動而電阻發(fā)生變化，這樣在穩(wěn)壓器的右邊，電壓就可以保持穩(wěn)定。在穩(wěn)壓器之后再接電容，起到進一步濾波的作用。電源電路的右端，接一個開關(guān)，來控制電流的接通，即電源開關(guān)。二極管起到保護作用。VCC端便得到一個5V直流電源，可以接到單片機VCC引腳上面供電。（2）時鐘電路

39、：時鐘電路是單片機的心臟，是動力源，控制著單片機的工作，單片機就是通過時鐘信號來給其他的部件發(fā)送信號，推動者單片機整體的運行。晶振電路如下：圖3-4 晶振電路本設(shè)計采用12MHZ的外部晶振來供給單片機時鐘信號，晶振連接到單片機的XTAL1和XTAL2上面，在并聯(lián)兩個電容C1和C2，這兩個電容可以使頻率降低波動，還有助于起振。起到以為晶振為12MHZ，所以時鐘周期為1/12M=1/12us，機器周期為12*時鐘周期=1us。3.2.2 FM-180指紋識別模塊對于本系統(tǒng)指紋識別模塊的選用，采用FM-180指紋識別模塊。該模塊是一個完整的指紋識別模塊，能夠完成指紋圖像的獲取、指紋對比匹配和指紋模板

40、的存儲功能。模塊內(nèi)部含有高性能的DSP處理器和用于儲存的FLASH芯片等，具體能夠完成指紋圖像處理、模板生成、模板匹配、指紋儲存和指紋搜索對比的功能。每個指紋模塊都有自己的一些獨特的功能，F(xiàn)M-180具有以下特點：（1）適應(yīng)度強。不管模塊處在什么環(huán)境下，手指是干的還是濕的，模塊都能夠很好地調(diào)節(jié)，使得到的圖像變得很清晰。（2）價格低廉。設(shè)備采用低價的光學采集儀，使成本大幅降低。而且，處理器在不斷更新?lián)Q代，價格也隨之而降低。還有其他組成部分，例如FLASH芯片等，價格都在下降，使得模塊整體的造價低廉。（3）算法性能優(yōu)異。模塊的算法是經(jīng)過不斷改進變化的，對于粗糙的指紋還有變形的指紋，都做出了相應(yīng)的特

41、殊處理，使模塊能夠應(yīng)對各種各樣的不同指紋。（4）簡單易用。模塊具有自己的指令系統(tǒng)，用戶不需要自己去設(shè)計底層的東西，只需要按照指令去做即可。你可以使用指紋識別模塊，方便用戶無需專業(yè)知識為指紋識別的需要，可以按照模塊提供了指導，開發(fā)出功能強大的指紋識別系統(tǒng)。FM-180的外部引腳共四個，各個引腳的功能如下表所示：表3-2 FM-180的引腳介紹引腳號名稱類型功能描述1VCCin電源正輸入2TXDOut串行數(shù)據(jù)輸出3RXDin串行數(shù)據(jù)輸入4GND-電源接地圖3-5 FM-180 實物圖FM-180指紋識別模塊內(nèi)部已經(jīng)集成了足夠的器件，能夠自己完成足夠多的功能，只需要從單片機通過串口向模塊發(fā)送指令就能

42、夠?qū)崿F(xiàn)功能。具體的過程是：掃描指紋，獲取指紋的圖像，在將圖像合成模板，模板中存的就是指紋的特征的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中所存的指紋數(shù)據(jù)就是指的是模板，每個人的指紋構(gòu)成一個模板，一個模板代表一個人，指紋的識別也是通過獲取指紋的模板，在與數(shù)據(jù)庫中的模板向?qū)Ρ龋粯拥脑捑褪瞧ヅ涑晒Α?指紋識別模塊的使用命令主要為：（1）錄入圖像、生成特征、合成指紋模板、存儲指紋模板。（2）搜索指紋、匹配指紋。具體的指令格式和使用方法，在后面的軟件設(shè)計部分做詳細介紹。指紋識別模塊與單片機的引腳連接如下所示圖 3-6 指紋識別模塊與單片機的連接指紋識別模塊的VCC端接到5V電源，GCD端接地，RXD串行數(shù)據(jù)輸入接到單片機的P3.

43、0口（TXD），TXD串行數(shù)據(jù)輸出端接到單片機的P3.1口（RXD）。模塊與單片機需要通信，通信方式采用串行通訊，從單片機發(fā)送指令，指令以字節(jié)為單位從串行口發(fā)送出去，模塊接收指令，在運行指令，實現(xiàn)功能。單片機的指令、模塊的應(yīng)答和指紋數(shù)據(jù)的傳輸都要滿足模塊的規(guī)定包的格式。（1）指令包/數(shù)據(jù)包。指令包和數(shù)據(jù)包共分為三類:命令包，包標頭=01；數(shù)據(jù)包，且有后續(xù)包，包標頭=02；數(shù)據(jù)結(jié)束包，包標頭=08。數(shù)據(jù)包都需要添加前置的標頭，標頭都是0xEF01。 （2）應(yīng)答包。模塊在接收到單片機的指令后，就根據(jù)指令開始工作，當任務(wù)完成后，就需要向單片機返回指令執(zhí)行的結(jié)果，這時就需要應(yīng)答包，應(yīng)答包有自己的格式和

44、相應(yīng)的確認碼的定義。（3）通訊波特率。指紋識別模塊的波特率為9600bps，與單片機進行串口通信，單片機的波特率也要相應(yīng)設(shè)置為9600bps。 （4）指令集。指紋識別模塊具有自己完整的指令集，通過這些指令集，可以完成所有的功能。 指紋識別模塊的指令集、應(yīng)答包以及數(shù)據(jù)包在后面軟件設(shè)計的部分作詳細介紹。3.2.3 LCD12864液晶顯示模塊液晶顯示模塊是面向用戶界面的，所以需要充分顯示所要表達的內(nèi)容，還要簡潔，所以本系統(tǒng)采用的液晶顯示模塊為QC12864B，這個模塊帶有中文字庫，不需要用戶自己定義，只需要定義好位置顯示即可，能夠顯示的漢字有32個，一個漢字相當于兩個字符，所以，字符可以顯示64個

45、。LCD12864液晶顯示模塊共有20個引腳，通訊方式有串口和并口兩種，串行可以用SID口通訊，并口是有8個數(shù)據(jù)口，實現(xiàn)8位并口傳輸。1.模塊的20個引腳的定義如下所示：表3-3 LCD12864引腳介紹管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V模塊電源地2VCC5V模塊電源正3VO-對比度調(diào)整4RS(CS)H/L并行指令、數(shù)據(jù)選擇端；串行片選端5R/W(SID)H/L并行讀寫選擇信號；串行的數(shù)據(jù)口6E(SCLK)H/L并行的使能信號；串行的同步時鐘7DB0H/L數(shù)據(jù)口08DB1H/L數(shù)據(jù)口19DB2H/L數(shù)據(jù)口210DB3H/L數(shù)據(jù)口311DB4H/L數(shù)據(jù)口412DB5H/L數(shù)據(jù)口513DB

46、6H/L數(shù)據(jù)口614DB7H/L數(shù)據(jù)口715PSBH/L并/串行接口選擇16NC-空腳17RESETH/L復(fù)位端18VOUT-空腳19LED_AVDD背光源正極20LED_KVSS背光源負極單片機與液晶模塊連接如下所示：圖3-7 液晶模塊也單片機的連接 并行傳輸主要涉及7到14引腳，并行數(shù)據(jù)口DB0DB7連接到P0.0P0.7，串行數(shù)據(jù)口5連到P11，串行時鐘6連接到P12，串并行的方式選擇引腳15連接到P16。2.LCD12864是完整的模塊，在它的內(nèi)部有自己的RAM和ROM，如下所示：（1）字型產(chǎn)生ROM：屏幕是由很多個小的晶體管組合顯示的，通過控制一部分小的晶體管的開關(guān)，就能夠構(gòu)成很多形

47、狀的字符。（2）顯示數(shù)據(jù)RAM：內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲的是需要顯示的字符的編碼內(nèi)容，對于有字庫的，只需要把代碼放到里面就能夠顯示出來（3）字型產(chǎn)生RAM：如果想要顯示圖像，中文庫里面沒有圖像的代碼，這時就可以通過字形產(chǎn)生的RAM，把需要顯示的圖形的編碼放到上面，之后再放到顯示數(shù)據(jù)RAM中去，就可以顯示到屏幕上去。3.指令控制LCD12864模塊的提供兩種指令來控制芯片，基本指令和擴充指令，單片機在讓模塊實現(xiàn)功能的時候，就需要根據(jù)模塊的指令的格式，來向模塊發(fā)送指令，實現(xiàn)功能。在單片機項目模塊發(fā)送指令之前，為了防止出現(xiàn)沖突的問題，就需要先判斷模塊是否處于空閑的狀態(tài)，只有當模塊處于空閑狀態(tài)下才能夠接受新的指令

48、；如果想要在發(fā)送指令之前不去檢查標志位，就需要在發(fā)送新的指令之前，延時足夠長的一段時間，來保證前一個指令能夠確實執(zhí)行完成，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)不判斷忙也能夠不沖突的發(fā)送指令。模塊使用基本指令還是擴充指令，是由RE來決定的，RE的數(shù)值就代表使用哪一種指令，要想改用另一種指令，就需要來改變RE的數(shù)值，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)。4.串行通信圖3-8 串行時序圖 本次設(shè)計采用單片機與液晶模塊串行通信的方式，引腳主要用到4、5、6三個引腳，來實現(xiàn)片選（4）、同步時鐘（6）和串行數(shù)據(jù)口（7）。串口控制格式 11111ABC ，其中后面三位用于控制，A用來表示數(shù)據(jù)往哪里傳，高電平表示從模塊向單片機；B表示數(shù)據(jù)類型，高電平表

49、示傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，低電平表示傳輸?shù)氖侵噶睿籆固定為0。串行發(fā)送數(shù)據(jù)時，需要按照這樣的格式才能夠?qū)崿F(xiàn)正確的數(shù)據(jù)和指令發(fā)送。3.2.4 繼電器模塊門禁的門體部分，用電控鎖來控制門的開閉，電控鎖實際上是由一個電磁鐵來控制，電磁鐵則可以用繼電器來控制電流的開閉，繼電器選用松樂繼電器。圖3-9 繼電器部分 繼電器部分的控制端連接到P14，P14連接到PNP型的三極管的基極上面，當P14處于高電平時，三極管不導通，繼電器處于打開狀態(tài)，指示燈滅；當P14處于低電平時，三極管導通，指示燈亮，電磁鐵通電，使開關(guān)打開，繼電器處于閉合工作狀態(tài)。利用軟件編程，控制P14引腳的電平高低變化，來實現(xiàn)繼電器的控制。3.2.5

50、 蜂鳴器模塊門禁控制系統(tǒng)在與用戶交互時，需要聲音提示，聲音提示選用蜂鳴器，模式切換時響一聲，指紋錄入成功和匹配成功時響兩聲，指紋錄入失敗和匹配失敗時響三聲。蜂鳴器的驅(qū)動采用直流驅(qū)動，只需要利用一個三極管，將電源、引腳和蜂鳴器連接，就可以通過控制引腳電平，來實現(xiàn)控制蜂鳴器驅(qū)動電壓的控制。驅(qū)動電路如下圖所示：圖3-10 蜂鳴器部分 蜂鳴器通過一個PNP型的三極管連接到P15引腳上去，單片機復(fù)位后引腳都是高電平，所以用PNP型三極管。若用NPN型三極管，在單片機復(fù)位之后就會處于導通狀態(tài)，蜂鳴器就會發(fā)出聲音，為了避免這種情況，就采用PNP型三極管。當P15引腳處于高電平時，三極管不導通，蜂鳴器不響；當

51、P15引腳處于低電平時，三極管導通，蜂鳴器工作，發(fā)出聲音。3.2.6按鍵模塊門禁系統(tǒng)的人機交互界面，需要實現(xiàn)用戶的按鍵設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，指紋識別等的按鍵設(shè)置。在本系統(tǒng)中，只需要采用多個獨立式的按鍵即可。圖3-11 按鍵部分 三個按鍵的作用分別為：刪除指紋，模式切換和指紋錄入。三個按鍵連接到P32，P33和P34引腳上面，軟件設(shè)計上不停掃描這三個引腳的電平變化，當沒有按鍵按下時，電平不發(fā)生變化，不會觸發(fā)子程序；當有按鍵按下時，電平變?yōu)?，觸發(fā)按鍵子程序。3.2.7 ZLSN3000 串口聯(lián)網(wǎng)模塊 本次實現(xiàn)的指紋識別系統(tǒng)是針對整個大樓內(nèi)的系統(tǒng)，所以下位有多個，并且距離很遠，這就要求上位機與下

52、位機進行通信時，能夠保證通信的速度和安全性，所以選用網(wǎng)絡(luò)模塊ZLSN3000，來實現(xiàn)上位機與下位機的通信，如下圖：圖3-12 ZLSN3000模塊 TTL電平連接型系列模塊的zlsn3000，它的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分不需要用戶自己設(shè)計，已經(jīng)內(nèi)部集成了。串口部分，通過四根引線便可以將模塊與單片機部分相連接，分別為VCC（5V）、GND、TXD、RXD四根。ZLSN3000省去了用戶自己設(shè)計底板的過程，可以直接使用，方便快捷，為用戶提供經(jīng)濟、快捷的嵌入式聯(lián)網(wǎng)解決方案，可以減少用戶自己用于開發(fā)的時間和投入，并且增加穩(wěn)定性。模塊的通訊方式是全雙工的，在合適的波特率下，模塊可以實現(xiàn)沒有任何數(shù)據(jù)丟失的傳輸，而且模

53、塊的價格也很公道，比較適合系統(tǒng)。具體的引腳定義如下圖所示：表3-4 ZLSN3000引腳引腳號引腳定義引腳功能1MODE為0，模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)不能修改2GND電源接地3VCC電源正極4RST復(fù)位5SPA模塊參數(shù)修改應(yīng)答引腳6SPR模塊參數(shù)修改請求引腳7CTS串口流量控制8RTS串行流量控制9RXD串行輸入10TXD串行輸出11LED_S數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈12LED_R數(shù)據(jù)接收指示燈13TPIN+ IN網(wǎng)絡(luò)輸入+14TPIN- IN網(wǎng)絡(luò)輸入-15TPOUT- OUT網(wǎng)絡(luò)輸出-16TPOUT+ OUT網(wǎng)絡(luò)輸出+17DEF為0，模塊采用默認參數(shù)18ACT為0，表示數(shù)據(jù)正在接收19LINK連接指示將模塊的各個

54、引腳連接好之后，便可以將單片機與上位機實現(xiàn)遠距離通信，并且通信穩(wěn)定，傳輸速度快。網(wǎng)絡(luò)模塊需要先進行UART轉(zhuǎn)串口的工作，電路圖如下所示：圖3-13 串口電路3.3 本章小結(jié)本章主要對基于單片機的嵌入式指紋識別門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計做出了介紹，包括硬件整體構(gòu)架的分析和選擇，以及各個模塊的硬件實現(xiàn)，包括STC89C52核心處理器、FM180指紋識別模塊、 LCD12864液晶顯示模塊、繼電器模塊、蜂鳴器模塊、按鍵模塊和ZLSN 3000 串口聯(lián)網(wǎng)模塊，詳細介紹了各個模塊具體硬件類型的選擇和所選類型的功能做出了介紹。還對各個模塊的使用做出了介紹，包括硬件的連接和各個引腳具體介紹。- 25 -第四章 系統(tǒng)

55、軟件實現(xiàn)第四章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)本系統(tǒng)采用C語言編程，軟件使用KEIL C51版本，將程序模塊化，便于功能的進一步擴展，模塊化還有利于錯誤的檢查和后期的優(yōu)化。軟件系統(tǒng)主要分為以下幾個模塊：指紋識別模塊、液晶顯示模塊、單片機模塊和上位機模塊，下面針對各個模塊分別介紹了程序流程。- 26 -第四章 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)4.1 指紋識別模塊的程序設(shè)計FM-180作為一個指紋識別模塊，它的內(nèi)部已經(jīng)很完整，用戶只需要對模塊下達合適的命令就能夠?qū)崿F(xiàn)對模塊的控制，進而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。不同的功能，需要不同的指令來實現(xiàn)，而每一條指令都有其規(guī)定的格式，用戶必須按照其規(guī)定個格式來進行。指紋識別模塊需要完成的工作有：獲取指紋圖像，生成指紋特征模板，儲存指紋特征模板和匹配指紋等工作，單片機根據(jù)模塊的指令系統(tǒng)，給模塊發(fā)送指令信息，來控制模塊完成相應(yīng)的工作。工作過程如下所示：一：指紋錄入過程。指紋錄入過程的流程圖如下所示：圖4-1 指紋錄入過程指紋錄入過程，用于新用戶的注冊，當有新用戶需要注冊時，就先在指紋頭處獲