基于單片機(jī)指紋識(shí)別的電子密碼鎖設(shè)計(jì)參考模板

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目：基于單片機(jī)指紋識(shí)別的電子密碼鎖設(shè)計(jì) 系 部： 自動(dòng)控制系 專 業(yè)： 樓宇智能化工程技術(shù) 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2016 年 4 月20 日I / 50 摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的安全防盜系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。生物識(shí)別技術(shù)的蓬勃發(fā)展，讓人們對(duì)于安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了另一種靈感，指紋鎖應(yīng)運(yùn)而生?？晒┒伍_(kāi)發(fā)的指紋模塊已經(jīng)解決了指紋圖像的處理問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)成為急需解決的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)對(duì)指紋模塊的控制實(shí)現(xiàn)了這種技術(shù)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)以指紋傳感器對(duì)指紋圖像的采集為基礎(chǔ)，通過(guò)單片機(jī)控制指紋模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋圖像的組合處理，系統(tǒng)的各

2、項(xiàng)具體功能皆建立在相應(yīng)的指紋圖像的組合處理基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了指紋模板的錄入以及指紋匹配功能。關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別技術(shù)；指紋鎖；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；單片機(jī) 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 realiz

4、ed 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 t

5、he 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 目 錄第1章 引 言11.1 課題研究意義11.2 指紋識(shí)別簡(jiǎn)介2 1.2.1指紋識(shí)別原理2 1.2.2 指紋識(shí)別應(yīng)用31.3 國(guó)內(nèi)外指紋鎖發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀31

6、.4 本論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)4第2章 整體設(shè)計(jì)方案52.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)73.1單片機(jī)的選擇73.2 ATmega16單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)93.3 指紋模塊 ZFM-206電路103.4 ADC鍵盤(pán)電路113.6 DS1302電路133.7 電子鎖及相關(guān)電路14第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 整體程序流程圖164.2 指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)184.3 ADC鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)214.4 DS1302程序設(shè)計(jì)224.5 液晶RX12864ZW程序設(shè)計(jì)23第5章 實(shí)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結(jié) 論26致 謝27附 錄

7、30第1章 引 言1.1 課題研究意義隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的安全防盜系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)久以來(lái)，安防系統(tǒng)驗(yàn)證身份的方法是驗(yàn)證一個(gè)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(lái)看，這種方法驗(yàn)證的是該人持有的某種“物”，而不是驗(yàn)證該人本身。只要“物”的有效性得到確認(rèn)，則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認(rèn)。這種通過(guò)“物”來(lái)確認(rèn)人的身份的辦法存在的漏洞是顯而易見(jiàn)的：“物”的丟失或出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致合法的人無(wú)法被認(rèn)證，并且各種信物容易被偽造、破譯2。在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的今天，我們每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比如開(kāi)機(jī)密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論壇登陸密碼等等；密碼作為身份識(shí)

8、別的標(biāo)志已被廣泛采用。密碼容易被遺忘，也有被人竊取的可能，無(wú)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(mén)鎖鑰匙，汽車鑰匙，保險(xiǎn)柜鑰匙等也如同密碼一樣存在顯而易見(jiàn)的漏洞。這些傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的方式，隨著社會(huì)的發(fā)展，其安全性越來(lái)越脆弱不堪一擊。但是我們不能回避這個(gè)尷尬的問(wèn)題，我們的生活中隨時(shí)都需要進(jìn)行個(gè)人身份的確認(rèn)和權(quán)限的認(rèn)定，尤其是在信息社會(huì)，人們對(duì)于安全性的要求越來(lái)越高，同時(shí)也希望認(rèn)證的方式簡(jiǎn)單快速。為了解決這一存在已久的問(wèn)題，人們把目光轉(zhuǎn)向了近年來(lái)興起的生物識(shí)別技術(shù)，希望能借助人體的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別。這樣就可以不必?cái)y帶大串鑰匙，也不用費(fèi)心去記各種密

9、碼。生物特征和鑰匙、密碼相比具有唯一性，不可復(fù)制性，例如指紋，專家推論以全球 60 億人口計(jì)算，300 年內(nèi)都不會(huì)有兩個(gè)相同的指紋出現(xiàn)2。以電子商務(wù)、電子銀行的安全認(rèn)證為例，目前在電子商務(wù)中經(jīng)常出現(xiàn)他人假冒當(dāng)事人的身份，如果通過(guò)生物特征進(jìn)行認(rèn)證，就可有效防止此類事件的發(fā)生。另外，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)鍵文件等的安全控制，機(jī)密計(jì)算機(jī)的登陸認(rèn)證，銀行 ATM、POS 終端等的安全認(rèn)證，蜂窩電話，PDA 的使用認(rèn)證等等，都可以依靠生物特征來(lái)認(rèn)證?？梢?jiàn)，生物特征識(shí)別不但有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有不可估量的國(guó)家信息安全效益。1997年比爾·蓋茨曾這樣預(yù)言：“生物識(shí)別技術(shù)即利用人的生理特征，如指紋、虹膜等

10、來(lái)識(shí)別個(gè)人的身份，將成為未來(lái)幾年IT產(chǎn)業(yè)的重要革新”2,指紋識(shí)別技術(shù)在生物識(shí)別技術(shù)中相對(duì)來(lái)看是發(fā)展的最成熟的識(shí)別技術(shù)，指紋鎖則是指紋識(shí)別技術(shù)的代表作品，指紋鎖在當(dāng)今安防系統(tǒng)中應(yīng)運(yùn)而生成為繼機(jī)械鎖、密碼鎖、感應(yīng)鎖之后另一代門(mén)鎖的代表，單體指紋代替鑰匙或者密碼成為開(kāi)鎖工具，大大降低了安防系統(tǒng)的潛在安全隱患，主要是因?yàn)橹讣y的獨(dú)特生理附屬性，在一段比較長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)避免了遺失、被盜、被復(fù)制的隱患，因此目前看來(lái)指紋鎖幾乎完美的解決了傳統(tǒng)門(mén)鎖存在的問(wèn)題，但是一把合格的指紋鎖，須采用國(guó)際領(lǐng)先水平的智能芯片和高標(biāo)準(zhǔn)的安裝材料，這就決定了其剛性成本很高，同時(shí)由于擁有極高的科技附加值，指紋鎖市場(chǎng)價(jià)格普遍比較昂貴，

11、近年來(lái)指紋識(shí)別產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)的大規(guī)模開(kāi)始應(yīng)用，以及人們對(duì)于智能化和安全性能的追求為指紋鎖的市場(chǎng)拓展創(chuàng)造了有利條件，因此可以預(yù)見(jiàn)，指紋鎖將迎來(lái)一個(gè)改變安防系統(tǒng)的歷史機(jī)遇。1.2 指紋識(shí)別簡(jiǎn)介1.2.1指紋識(shí)別原理指紋識(shí)別可謂歷史悠久，本是一種古老的身份識(shí)別技術(shù)。幾千年前，中國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理與識(shí)別技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代指紋識(shí)別技術(shù)已發(fā)展成為一種成熟、應(yīng)用廣泛的生物特征識(shí)別技術(shù)，而且指紋具有唯一性、穩(wěn)定性、隨身性、便于采集等優(yōu)點(diǎn)，這使得指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)于其他人體生物特征識(shí)別技術(shù)目前，全球范圍已建立了指紋數(shù)據(jù)庫(kù)和鑒定機(jī)構(gòu)，而且在

12、國(guó)內(nèi)外幾十年的研究與應(yīng)用中，其有關(guān)芯片模塊的開(kāi)發(fā)已達(dá)到了技術(shù)成熟、識(shí)別率高和價(jià)格低廉的要求。國(guó)外方面，美國(guó)、日本早已研制和生產(chǎn)出多種指紋自動(dòng)識(shí)別設(shè)備并投入使用，比如美國(guó)SECOM、日本嘉士通、松樹(shù)株式會(huì)社等公司開(kāi)發(fā)的指紋鎖和指紋認(rèn)證裝置。國(guó)內(nèi)率先進(jìn)入這一領(lǐng)域的高校是清華大學(xué)，在90年代中期開(kāi)發(fā)出了指紋IC卡，其后又有廣東粵安集團(tuán)、浙江中正、北大高科等高科技集團(tuán)紛紛進(jìn)入該領(lǐng)域，其中浙江中正于2000年開(kāi)發(fā)出的超小指紋識(shí)別系統(tǒng)，標(biāo)志著我國(guó)在這一領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)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(guò)各種傳感技術(shù)把指紋表現(xiàn)出來(lái)，形成數(shù)字化表示的指紋圖案。首先，通過(guò)指紋采集模塊

13、采集到人體指紋的圖像，并對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，這樣使指紋圖像中蘊(yùn)涵的特征信息更明顯。然后，運(yùn)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(jìn)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(duì)不會(huì)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(biāo)位置，也就是通常被專家稱為“細(xì)節(jié)點(diǎn)”(minutiae)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，同時(shí)擁有7種以上的唯一特征。有的算法把節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)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1k或者0.5k大小的記錄。最后

14、，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們之間的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。 指紋特征值匹配原理是對(duì)指紋圖案的整體特征和細(xì)節(jié)特征按模式識(shí)別的原理進(jìn)行比對(duì)匹配。匹配是在已注冊(cè)的指紋和當(dāng)前待驗(yàn)證的指紋之間進(jìn)行的。匹配運(yùn)算不是對(duì)兩個(gè)指紋圖像進(jìn)行比較，而是對(duì)已形成數(shù)字模板的指紋特征值進(jìn)行匹配。1.2.2 指紋識(shí)別應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)是最早的通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的身份識(shí)別手段，它是應(yīng)用最為廣泛的生物特征識(shí)別技術(shù)。過(guò)去，它主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來(lái)，它逐漸走向市場(chǎng)更為廣泛的民用市場(chǎng)。指紋技術(shù)在現(xiàn)代生活和工作中的應(yīng)用已越來(lái)越普遍，指紋考勤機(jī)、指紋社保、指紋銀行、指紋商場(chǎng)、指紋投票

15、、指紋保護(hù)電腦、等等生活中和工作中的新現(xiàn)象已廣為人知，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，指紋技術(shù)正在日益刷新著我們的現(xiàn)代化生活方式。指紋識(shí)別技術(shù)是目前國(guó)際公認(rèn)的應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉、易用性高的生物認(rèn)證技術(shù)。指紋只是人體皮膚的小部分，但是它卻蘊(yùn)涵了大量的信息。這些皮膚的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上是各不相同的，在信息處理中將它們稱作"特征"。醫(yī)學(xué)上已經(jīng)證明這些特征對(duì)于每個(gè)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(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比較他的指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。1.3 國(guó)內(nèi)外指紋鎖發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀生物識(shí)別技術(shù)在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)面臨尷尬的時(shí)

16、候，給人們帶來(lái)了希望，并且在今后一個(gè)很長(zhǎng)的歷史時(shí)期都將是緩解了安防壓力的有力保障，生物識(shí)別技術(shù)主要包括指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、掌形識(shí)別、指靜脈識(shí)別、紅膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、聲音識(shí)別等，由于各種生物識(shí)別技術(shù)的差異，只有基于指紋識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)品有希望在近幾年大規(guī)模的投入民用的市場(chǎng)，因此指紋識(shí)別產(chǎn)品將是世界各國(guó)在生物識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展和投入的重點(diǎn)。一方面，指紋識(shí)別產(chǎn)品的快速發(fā)展得益于低價(jià)位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，以及可靠的比對(duì)算法的研究發(fā)展，另一方面，指紋識(shí)別技術(shù)和其他的很多技術(shù)一樣，也是從專用走向公用，逐漸成為人們關(guān)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(biāo)識(shí)。蘋(píng)果公司計(jì)劃推出帶有指紋登

17、陸模塊的手機(jī)，微軟公司推出了可單獨(dú)操作的指紋辨認(rèn)器；IBM 開(kāi)始出售附有指紋辨認(rèn)器的手提電腦；韓國(guó) LG 電子公司也推出了一種通過(guò)指紋啟動(dòng)的手機(jī)。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(shù)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒(méi)有產(chǎn)生真正意義上的指紋科技產(chǎn)品強(qiáng)勢(shì)品牌，目前在中國(guó)市場(chǎng)上已經(jīng)有一些指紋鎖廠家進(jìn)入市場(chǎng)開(kāi)發(fā)階段，如杭州錦江科技、新加坡璽瑪克、深圳愛(ài)迪爾和長(zhǎng)春鴻達(dá)等，但這些公司的全國(guó)性業(yè)務(wù)還沒(méi)有完全做開(kāi)，一般的指紋鎖廠家都是通過(guò)直銷方式為政府機(jī)關(guān)、金融系統(tǒng)提供產(chǎn)品1。目前世界上指紋鎖主要以德國(guó)與韓國(guó)為代表，無(wú)論是在技術(shù)還是工藝方

18、面都占據(jù)著優(yōu)勢(shì)，而國(guó)內(nèi)的嶺南鎖系主要是做組合安裝，自主技術(shù)和工藝水平偏低。國(guó)外的指紋鎖品牌借助北京奧運(yùn)會(huì)登陸中國(guó)，強(qiáng)勢(shì)的占據(jù)了指紋鎖的高端市場(chǎng)，而國(guó)內(nèi)技術(shù)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(chǎng)，因此和國(guó)外品牌的利潤(rùn)相比相距甚遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的門(mén)鎖需要新一代的鎖來(lái)更替，在這樣巨大的市場(chǎng)需求下，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)紛紛研制開(kāi)發(fā)指紋安防產(chǎn)品，然而經(jīng)過(guò)最初幾年的市場(chǎng)突圍，指紋鎖卻一直沒(méi)有大規(guī)模的普及應(yīng)用。眾多廠家倒在了市場(chǎng)引導(dǎo)階段，成為指紋鎖市場(chǎng)開(kāi)拓大軍的先烈。而現(xiàn)在指紋鎖市場(chǎng)已經(jīng)基本被打開(kāi)，指紋鎖將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。1.4 本論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)基于指紋識(shí)別的電子鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)、指紋模塊、電子

19、鎖、液晶顯示屏、ADC鍵盤(pán)、時(shí)鐘幾個(gè)部分構(gòu)成，圍繞指紋鎖為核心功能設(shè)計(jì)的一個(gè)系統(tǒng)，在第二章中對(duì)設(shè)計(jì)方案的選擇作重點(diǎn)介紹。第三章介紹系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，第四章介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，第五章介紹實(shí)物制作與調(diào)試。第2章 整體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)目前，德國(guó)和韓國(guó)的主流指紋鎖廠商對(duì)于指紋鎖的功能設(shè)計(jì)主要是指紋加密碼，然后加以嚴(yán)格的工藝設(shè)計(jì)形成高質(zhì)量的指紋鎖，國(guó)外的指紋鎖品牌借助2008年北京奧運(yùn)會(huì)登陸中國(guó)，借助奧運(yùn)會(huì)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(shè)計(jì)也同樣被宣傳，指紋鎖的功能的主流設(shè)計(jì)也被公眾接受。在奧運(yùn)會(huì)期間廣泛的應(yīng)用于奧運(yùn)會(huì)的各個(gè)建筑的安防系統(tǒng)的指紋鎖產(chǎn)品獲得廣泛好評(píng)，經(jīng)過(guò)幾年

20、的發(fā)展，現(xiàn)在指紋鎖市場(chǎng)上的產(chǎn)品在功能設(shè)計(jì)上幾乎是如出一轍，對(duì)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(pán)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(shè)計(jì)上?；谥讣y識(shí)別的電子鎖系統(tǒng)是針對(duì)以指紋圖像采集、識(shí)別為核心而開(kāi)發(fā)出的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括ADC鍵盤(pán)，用戶在ADC鍵盤(pán)上輸入開(kāi)鎖密碼，系統(tǒng)就會(huì)控制指紋模塊開(kāi)始搜索是否有手指放上，一旦感應(yīng)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(chǔ)下來(lái)。通過(guò)比對(duì)該特征和模版特征來(lái)控制是否開(kāi)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(shí)只需用戶將手指放在指紋傳感器的采集窗口上，即可完成采集

21、任務(wù)，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(chǔ)、比對(duì)各個(gè)流程的結(jié)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(guò)指紋開(kāi)鎖。同時(shí)該系統(tǒng)還有開(kāi)鎖記錄查詢功能，可以通過(guò)ADC鍵盤(pán)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(gè)方面：1指紋模板登陸：系統(tǒng)通過(guò)指紋模塊連續(xù)采集用戶一個(gè)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(chǔ)，存儲(chǔ)之后的指紋模板斷電保存，存儲(chǔ)之后的每一個(gè)指紋模板都有一個(gè)ID號(hào)。2指紋的比對(duì)：當(dāng)系統(tǒng)采集到待驗(yàn)證的指紋圖像之后，系統(tǒng)將該圖像轉(zhuǎn)化為指紋特征文件，然后

22、把該指紋特征文件與已存儲(chǔ)的指紋模版特征文件相對(duì)比，比對(duì)之后給出結(jié)果，系統(tǒng)控制電子鎖作出相應(yīng)的動(dòng)作并控制液晶顯示比對(duì)結(jié)果。2.2 系統(tǒng)總體框架基于指紋識(shí)別的電子鎖系統(tǒng)主要以指紋模塊 ZFM-206-SA、單片機(jī)ATmega16、ADC鍵盤(pán)、液晶RX12864ZW、時(shí)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(jī)ATmega16液晶RX12864ZWADC鍵盤(pán)電子鎖KL-03時(shí)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(duì)比等操作的時(shí)候才需要處在工作狀態(tài)，而其他時(shí)候，指紋模塊就不需要處于工作狀態(tài)，指紋模塊如果一直處

23、于工作狀態(tài)，對(duì)于指紋傳感器的壽命會(huì)有影響，因此設(shè)計(jì)ADC鍵盤(pán)，用戶必須先在ADC鍵盤(pán)上輸入，之后才能啟動(dòng)指紋模塊，進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)時(shí)鐘模塊DS1302用以提供系統(tǒng)的時(shí)間的顯示和記錄，液晶顯示模塊會(huì)顯示指紋鎖運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行結(jié)果和提示信息。第3章 系統(tǒng)硬件的選擇及電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)整體框圖來(lái)具體的設(shè)計(jì)各個(gè)部分的電路，主要包括ATmega16單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、指紋模塊 ZFM-206電路、ADC鍵盤(pán)電路、液晶RX12864ZW電路、DS1302電路幾部分。3.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特

24、別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來(lái)越快。時(shí)間對(duì)人們來(lái)說(shuō)總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時(shí)間。忘記了要做的事情，當(dāng)事情不是很重要的時(shí)候，這種遺忘無(wú)傷大雅。但是，一旦重要事情，一時(shí)的耽誤可能釀成大禍。

25、目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。單片機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。單片機(jī)經(jīng)過(guò)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(jià)格、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng)I/O功能及較好的結(jié)構(gòu)兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)不外乎以下幾個(gè)方面： 1 單片機(jī)中盡可能地把所需要的存儲(chǔ)器和I/O口都集成在一塊芯片上，使

26、得單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）、WDT（監(jiān)視定時(shí)器-看家狗）、高速I(mǎi)/O口及計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。有的單片機(jī)針對(duì)某一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，集成了相關(guān)的控制設(shè)備，以減少應(yīng)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(dòng)器也開(kāi)始集成在8位單片機(jī)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(jī)開(kāi)始使用RISC、流水線和DSP的設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片機(jī)的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機(jī)運(yùn)行效率也有了很

27、大的提升；由于集成度的提高，單片機(jī)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(fù)雜程度的增加，開(kāi)始使用高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）來(lái)開(kāi)發(fā)單片機(jī)的程序。使用高級(jí)語(yǔ)言可以降低開(kāi)發(fā) 難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)軟件的可讀性和可移植性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充功能。AVR 內(nèi)核單片機(jī)具有豐富的指令集和32個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)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(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Fl

28、ash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即RWW)；512字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM；32 個(gè)通用I/O 口線；32 個(gè)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(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)；片內(nèi)/外中斷，片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的RC 振蕩器；可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口；8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；一個(gè)SPI 串行端口；四通道PWM，兩路8位，兩路16位；六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby

29、模式以及擴(kuò)展的Standby 模式；速度等級(jí)：0 - 8 MHz；工作電壓：2.7 - 5.5V；工作于空閑模式時(shí)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(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止CPU 和除了異步定時(shí)器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的

30、電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。本芯片是以Atmegal 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)(Application Flash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。通過(guò)將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmeg

31、a16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。3.2 ATmega16單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)基于指紋識(shí)別的電子鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是ATmega16，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(jī)部分電路只設(shè)計(jì)外圍經(jīng)典電路即可，包括復(fù)位電路、晶振電路、ISP下載電路幾部分，電路設(shè)計(jì)如圖3-1所示：圖3-1 單片機(jī)及其外圍電路外部復(fù)位由外加于RESET 引腳的低電

32、平產(chǎn)生。當(dāng)復(fù)位低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)即觸發(fā)復(fù)位過(guò)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(jìn)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(shí)別模塊選擇的是ZFM-206-SA，ZFM-206系列光學(xué)指紋模塊以高性能高速DSP處理器AS601為核心，結(jié)合光學(xué)指紋傳感器，在無(wú)需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋比對(duì)、搜索和模板儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。指紋圖像讀取過(guò)程中，對(duì)干濕手指都有較好的

33、成像質(zhì)量，適用人群廣泛。無(wú)需具備指紋識(shí)別專業(yè)知識(shí)即可應(yīng)用。用戶根據(jù) ZFM-206模塊提供的豐富控制指令，可自行開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)。并且面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，用戶可自行設(shè)定不同安全等級(jí)。模塊與用戶設(shè)備采用串行通訊，有四個(gè)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(hào)地（與電源地相連）。模塊通過(guò)串行通訊接口，可直接與3.3V或者5V電源的單片機(jī)進(jìn)行通訊：模塊數(shù)據(jù)發(fā)送腳（2腳TD）接上位機(jī)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(jī)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(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，采用了AMS1117轉(zhuǎn)換芯片，AMS

34、1117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(pán)電路系統(tǒng)的4x4鍵盤(pán)采用的是ADC鍵盤(pán)，如果采用普通4x4鍵盤(pán)需要八個(gè)I/O口控制，會(huì)對(duì)單片機(jī)的引腳占用過(guò)多，如果采用ADC鍵盤(pán)只需要一個(gè)AD轉(zhuǎn)換的I/O口即可檢測(cè)，并且ATmega16自帶AD轉(zhuǎn)換，容易實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)檢測(cè)功能。ADC鍵盤(pán)采用電阻分壓的方式，不同的鍵按下之后會(huì)輸出不同的電壓，通過(guò)對(duì)電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后就可以判斷鍵值。ADC鍵盤(pán)電路如圖3-3所示：圖3-3 ADC鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)ADC鍵盤(pán)電路時(shí)主要有兩個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)是電阻阻值問(wèn)題，即

35、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(gè)是無(wú)按鍵按下時(shí)，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(kāi)關(guān)S2右端。第一個(gè)問(wèn)題主要可以通過(guò)硬件電路或者軟件解決，按圖3-2所示，每個(gè)電阻的阻值都為10K，16個(gè)按鍵依次按下時(shí)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(shí)輸出電壓區(qū)分比較明顯。第二個(gè)問(wèn)題，按圖3-2所示，如果電阻R26是接在R10左端，那么在沒(méi)有按鍵按下時(shí)電壓輸出端會(huì)懸空，單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換輸出的值會(huì)隨機(jī)大幅度波動(dòng)，給鍵值檢測(cè)帶來(lái)困難，并且在任何時(shí)候電路都會(huì)耗電，如果采用電池對(duì)指

36、紋鎖供電，該設(shè)計(jì)并不合理，如果采用圖3-2所示的設(shè)計(jì)，主要有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，第一，在沒(méi)有按鍵按下時(shí)電壓輸出為0V，電壓輸出不會(huì)波動(dòng)，在這基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟件也很簡(jiǎn)便，第二，這種電路設(shè)計(jì)幾乎不會(huì)耗電，對(duì)于獨(dú)立的供電電源來(lái)說(shuō)是很合理的。3.5 液晶RX12864ZW電路RX12864ZW是自帶中文標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)（控制芯片ST7920）圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128X64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8X4個(gè)（16X16點(diǎn)陣漢字），在該系統(tǒng)與單片機(jī)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上電之后不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，因此把復(fù)位

37、端口RST接單片機(jī)PC1口，通過(guò)單片機(jī)給RST一個(gè)持續(xù)的低電平觸發(fā)復(fù)位。系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時(shí)，液晶只需要顯示時(shí)間以及提示信息，系統(tǒng)采用獨(dú)立的電源供電，對(duì)于電路的耗電必須做嚴(yán)格的控制，因此在無(wú)用戶進(jìn)行操作的空閑狀態(tài)，液晶不需要開(kāi)背光。因此控制背光的引腳LEDA、LEDK應(yīng)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(jī)的PC7、PC6、PC5引腳。DB0-DB7接單片機(jī)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(shí)間顯示和記錄功能，采用時(shí)鐘芯片DS1302來(lái)實(shí)現(xiàn)，DS13

38、02是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月小與31天時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓寬達(dá)2.55.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此非常適用于系統(tǒng)中記錄指紋鎖系統(tǒng)一些動(dòng)作的時(shí)間。DS1302及其外圍接口電路如圖3

39、-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(dāng)Vcc2>Vcc+0.2V時(shí)，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2< Vcc時(shí)，由Vcc向DS1302供電；SCLK：串行時(shí)鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；I/O：三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線；CE：輸入信號(hào)，在讀、寫(xiě)數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一，CE開(kāi)始控制字訪問(wèn)移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)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(guān)電路電子鎖KL-03工作的額定電壓12V，額定電流1A，為方便單片機(jī)控制電子鎖動(dòng)作

40、，在單片機(jī)和電子鎖之間采用了一個(gè)繼電器，電子鎖由外部電源供電，單片機(jī)通過(guò)控制繼電器來(lái)控制電子鎖動(dòng)作，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的供電電源，采用了一個(gè)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(jī)I/O口的輸出電流比較小，因此在單片機(jī)的控制引腳輸出端接一個(gè)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(jì)算值的2倍左右。通過(guò)計(jì)算，基極電阻可以選在2K左右，該設(shè)計(jì)中基極電阻為1K，當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器繞組感生出一個(gè)較大的自感

41、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(jié)有可能被擊穿。為了消除這個(gè)感生電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)。自感電壓與電源電壓之和對(duì)二極管來(lái)說(shuō)卻是正向偏壓，使二極管導(dǎo)通形成環(huán)流。感應(yīng)的高電壓就會(huì)通過(guò)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(gè)指示燈，指示繼電器的吸合狀態(tài)，當(dāng)繼電器吸合時(shí)指示燈熄滅，沒(méi)有吸合時(shí)指示燈亮。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要以硬件電路設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能為導(dǎo)向，主要包括指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)、ADC鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)、DS1302程序設(shè)計(jì)、液晶RX12864ZW程序設(shè)計(jì)幾部分。4.1 整

42、體程序流程圖基于指紋識(shí)別的電子鎖系統(tǒng)圍繞指紋圖像采集、識(shí)別主要實(shí)現(xiàn)三種功能，指紋登陸、驗(yàn)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(yàn)證指紋主要是對(duì)待驗(yàn)證的指紋進(jìn)行識(shí)別并判斷是否和以存儲(chǔ)的指紋模版相同，并對(duì)電子鎖做出相應(yīng)的控制，記錄查詢主要是針對(duì)驗(yàn)證指紋的記錄進(jìn)行的歷史查詢。因此系統(tǒng)的整體程序設(shè)計(jì)就圍繞系統(tǒng)的三種功能，用ADC鍵盤(pán)輸入密碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于三種功能的選擇，因此系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是對(duì)三種功能的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體流程圖如圖4-1所示：開(kāi)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合成模版采集指紋圖像顯示結(jié)果搜

43、索指紋庫(kù)是否搜索到 是 否顯示結(jié)果開(kāi) 鎖 圖4-1 整體程序流程圖4.2 指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)4.2.1 指紋模塊通訊協(xié)議說(shuō)明指紋模塊采用UART與單片機(jī)通訊，對(duì)命令、數(shù)據(jù)、結(jié)果的接收和發(fā)送，都采用數(shù)據(jù)包的形式。對(duì)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(biāo)識(shí)包長(zhǎng)度包內(nèi)容（指令/數(shù)據(jù)/參數(shù)/確認(rèn)碼）校驗(yàn)和包頭固定為0xef01, 傳送時(shí)高字節(jié)在前。地址默認(rèn)值為0xffffffff, 用戶可通過(guò)指令生成新地址，模塊會(huì)拒絕地址錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。傳送時(shí)高字節(jié)在前。包標(biāo)識(shí)，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)包不能單獨(dú)進(jìn)入執(zhí)行流程，必須跟在指令包

44、或應(yīng)答包后面。0x07表示是應(yīng)答包，可以跟后續(xù)包。0x08表示是最后一個(gè)數(shù)據(jù)包，即結(jié)束包。包長(zhǎng)度指的是包內(nèi)容(指令/數(shù)據(jù))的長(zhǎng)度加上效驗(yàn)和的長(zhǎng)度（即包內(nèi)容長(zhǎng)度+2）。 長(zhǎng)度以字節(jié)為單位（即字節(jié)數(shù)），傳送時(shí)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(yīng)答結(jié)果等。（指紋特征值、指紋模板都是數(shù)據(jù)）。校驗(yàn)和是包標(biāo)示、包長(zhǎng)度和包內(nèi)容的所有字節(jié)的算術(shù)累計(jì)和，超過(guò)2 字節(jié)的進(jìn)位忽略。指令只能由上位機(jī)下發(fā)給模塊，模塊向上位機(jī)應(yīng)答。模塊收到指令后，會(huì)通過(guò)應(yīng)答包，將有關(guān)命令執(zhí)行情況與結(jié)果上報(bào)給上位機(jī)。應(yīng)答包含有參數(shù)，并可跟后續(xù)數(shù)據(jù)包。上位機(jī)只有在收到模塊的應(yīng)答包后才能確認(rèn)模塊的收包情況與指令執(zhí)行情況。應(yīng)答包的

45、內(nèi)容包括一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)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(jī)命令。在收到正確命令后，迅速執(zhí)行相應(yīng)的, 操作，在操作完成后返回對(duì)應(yīng)的信息。在模塊執(zhí)行命令的過(guò)程中，模塊不會(huì)響應(yīng)上位機(jī)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(hào)代碼功能說(shuō)明類型序號(hào)代碼功能說(shuō)明系統(tǒng)類10x13校驗(yàn)口令指紋處理130x08上傳特征20x12設(shè)置口令140x09下載特征30x15設(shè)置地址150x06存儲(chǔ)模版40x0e設(shè)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180x0d清空指紋庫(kù)70x1d讀指紋模

46、板數(shù)190x03比對(duì)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(jī)數(shù)100x0b下載圖像220x18寫(xiě)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(chǔ)指紋模版的采集與存儲(chǔ)主要是單片機(jī)控制指紋模塊對(duì)用戶的同一枚指紋連續(xù)取兩次，存儲(chǔ)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(chǔ)在特征文件緩沖區(qū)CharBuffer1或CharBuffer2，然后將兩個(gè)指紋特征文件合成一個(gè)模版放在指紋庫(kù)中，每一個(gè)指紋模板對(duì)應(yīng)一個(gè)ID號(hào)，指紋庫(kù)中的模版是斷電保存的。指紋模塊在FLASH

47、中開(kāi)辟了一段存儲(chǔ)區(qū)域作為指紋模板存放區(qū)，即指紋庫(kù)。存儲(chǔ)容量為1000枚，指紋庫(kù)中的數(shù)據(jù)是斷電保護(hù)的。指紋模板按照序號(hào)存放，若指紋庫(kù)容量為N，則指紋模板在指紋庫(kù)中的序號(hào)定義為：0、1、2N-2、N-1。用戶只能根據(jù)序號(hào)訪問(wèn)指紋庫(kù)內(nèi)容，相應(yīng)的存儲(chǔ)和搜索功能對(duì)應(yīng)的都是針對(duì)指紋序號(hào)的操作。ATmega16控制指紋模塊進(jìn)行各種操作，主要涉及單片機(jī)串口控制的幾個(gè)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(shè)計(jì)時(shí)，串口采用異步倍速模式，需要設(shè)定的波特率

48、寄存器UBRR的值，計(jì)算公式為UBRR=f/8BAUD -1，指紋模塊的波特率為57600bps，單片機(jī)晶振為6.0MHZ，可以計(jì)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(chǔ)圖4-2 指紋模版采集存儲(chǔ)程序流程圖4.2.3 指紋比對(duì)程序設(shè)計(jì)指紋比對(duì)程序設(shè)計(jì)是指紋鎖系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要方面，指紋匹配時(shí)，通過(guò)指紋傳感器，錄入要驗(yàn)證指紋圖像并進(jìn)行處理，然后與模塊中的指紋模板進(jìn)行匹配比較（若與模塊中指定的一個(gè)模板進(jìn)行匹配，稱為指紋比對(duì)方式，即1:1方式；若與多個(gè)模板進(jìn)行匹配，稱

49、為指紋搜索方式，即1:N方式），模塊給出匹配結(jié)果（通過(guò)或失?。缓髥纹瑱C(jī)控制電子鎖動(dòng)作。指紋比對(duì)程序設(shè)計(jì)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(kù)是否搜索到 否顯示結(jié)果顯示并開(kāi)電子鎖 是 圖4-3 指紋匹配程序流程圖4.3 ADC鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)ADC鍵盤(pán)采用電阻分壓原理，輸出的是電壓信號(hào)，采用單片機(jī)內(nèi)部的ADC將輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換處理成數(shù)字信號(hào)，再將10位的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制的數(shù)值，在設(shè)計(jì)程序之前，先測(cè)量一次每個(gè)鍵按下時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)值輸出并記錄下來(lái)，之后在程序設(shè)計(jì)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，就可以判斷按鍵鍵值。每個(gè)按鍵按下

50、之后對(duì)應(yīng)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(gè)10位逐次逼近型ADC，能對(duì)端口A的8路單端輸入電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，單端輸入以電壓0V（GND）為基準(zhǔn)。ADC 包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC 的電壓保持恒定，ADC 通過(guò)逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)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(jié)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(guò)了VREF，其結(jié)果將接近0x3FF。VREF 可以是AVCC、內(nèi)部2.56V

51、基準(zhǔn)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(duì)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(shè)置參考電壓為AVCC、轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)右對(duì)齊、選擇輸入電壓信號(hào)的通道。ADCSRA寄存器主要是設(shè)置使能ADC、預(yù)分頻選擇，該轉(zhuǎn)換中選擇64分頻即可。ADC鍵盤(pán)檢測(cè)程序流程圖如圖4-3所示：AD初始化啟動(dòng)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(pán)檢測(cè)程序流程圖轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)換結(jié)果被存入ADC 結(jié)果寄存器(ADCL, ADCH)。轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式為 ADC=1024*Vin/Vref，V

52、in 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(jìn)制數(shù)，可以將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)ADData（ADData = (int)(long)ADC* 1000 / 1024)），方便后續(xù)的鍵值判斷程序設(shè)計(jì)。4.4 DS1302程序設(shè)計(jì)DS1302一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用SPI三線接口與單片機(jī)進(jìn)行同步通信，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，在系統(tǒng)中主要提供時(shí)間顯示和時(shí)間記錄功能。程序流程圖如圖4-4所示：開(kāi)始DS1302初始化設(shè)定初始時(shí)間讀取DS1302時(shí)間 顯示日期時(shí)間 返回 圖4-5 DS1302程序流程圖4.5 液晶RX12864ZW程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的液晶顯示模塊RX12864ZW采用并行接口控制，當(dāng)PSB 腳（串/并口選擇）接高電平時(shí)，模塊將進(jìn)入并口模式，在并口模式下可由指令DL FLAG 來(lái)選擇8-位或4-位接口，主控制系統(tǒng)將配合( RS、RW、E、DB0.DB7 )來(lái)達(dá)成數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作。當(dāng)模塊在接受指令前，微處理順必須先確認(rèn)模塊內(nèi)部處于非忙碌狀態(tài)，即讀取BF 標(biāo)志時(shí)BF需為0，方可接受新的指令；也可在送出一個(gè)指令前并不檢查BF標(biāo)志，那么在前一個(gè)