基于單片機(jī)的電子密碼鎖設(shè)計與實現(xiàn)

1緒論 1.1研究背景在科技飛速發(fā)展的今天，各種智能裝置不斷涌現(xiàn)。隨著“智能家居”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“物聯(lián)網(wǎng)”等新理念的出現(xiàn)，我們的日常生活也在發(fā)生著變化，我們對我們所使用的各種電子產(chǎn)品的便利程度也在不斷提高。電子密碼鎖是整個家庭的安全保障和實體大門，它直接關(guān)系到整個家庭的安全和使用者的感受[1]。該鎖是一種新型的基于單一的機(jī)械構(gòu)造的防盜鎖，通過增加嵌入的電子裝置，能夠?qū)θ梭w內(nèi)的各種信號如人體信號和數(shù)字信號進(jìn)行鑒別和確認(rèn)。采用了嵌入式模塊，使得電子密碼鎖在操作和管理上更加數(shù)字化和智能化。讓使用者既可以在保證安全的前提下，又可以充分感受到智能裝置帶來的高效率和方便。伴隨著科技的進(jìn)步，各種智能終端在我們周圍的應(yīng)用也變得更加廣泛[2]。但因其昂貴的價格和未完善的工藝，使得其在初期僅限于某些特定的場合使用。在人員密集的酒店、公租房和寫字樓等人員密集的地方，由于用戶的不斷變化，使得常規(guī)的機(jī)器鑰匙的管理變得更加困難，同時也存在著易被盜用等安全風(fēng)險。盡管可以從原理上從根本上解決這個問題，但是這種方法存在著造價昂貴、易操作性不強(qiáng)的缺點，而智能化的電子鎖在這一問題上有著巨大的優(yōu)勢。這種智能門鎖不需要采用普通的機(jī)械鑰匙，而是采用一種獨特的生物特征，比如指紋，或者是一種容易替換和維修的電子信號，這種方法能夠有效地提升管理人員對用戶數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)的效率[3]。盡管它具有很多優(yōu)點，但是在發(fā)展的早期，因為種種因素，它還沒有普及到一般的家庭。首先就是使用者的看法，在最初的時候，使用者對于各種電器的安全與可靠一直抱有疑慮，而電子密碼鎖這種對安全性有著極高需求的電器，自然會遭到更多的消費者的質(zhì)疑。其次，在開發(fā)的早期，各種費用都很高，零售價要上千甚至幾萬，明顯超過了一般消費者的經(jīng)濟(jì)承受能力。第四，早期的智能門鎖還存在著一些不夠完美的問題，比如管理和維修的繁雜，以及使用的功能比較簡單等等。若能解決目前在開發(fā)過程中出現(xiàn)的一些問題，將會為一般用戶提供更好的操作體驗。所以，一款既安全又方便，價格又便宜，操作簡便的智能電子鎖就顯得非常重要[4]。1.2研究意義采用單片計算機(jī)進(jìn)行身份鑒別的電子密碼鎖是一項非常有價值的課題。首先，由于技術(shù)的不斷發(fā)展，對安全的要求也在不斷提高，尤其是在家庭，辦公室等地方，更是如此。傳統(tǒng)的機(jī)械式鎖存在著安全性差和易被破解的缺陷，而電子密碼鎖由于其高安全性、高的警報、較強(qiáng)的安全性和較高的安全性，有著巨大的市場需求量[5]。其次，通過對電子加密技術(shù)的研究，可以有效地提升工作人員的工作質(zhì)量，從而提升工作的效率。利用該電子密碼鎖，可以達(dá)到一種智能的安保管理，不需要隨身帶著鑰匙，也不需要害怕忘記密碼，能夠在任何時間、任何地點對門鎖、開鎖等操作，極大地提升了我們的生活的方便與高效。第三，設(shè)計了一種以MCU為核心的電子加密鎖，它具有成本低，設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)的特點。目前廣泛使用的單片機(jī)，由于其功能強(qiáng)大，價格便宜，能夠完成較為繁瑣的數(shù)據(jù)處理與控制。對其進(jìn)行程序設(shè)計，使其具有較強(qiáng)的安全性能和較高的安全性能[6]?？傊?，采用MCU進(jìn)行身份鑒別的電子密碼鎖是一種非常有價值的產(chǎn)品，能夠很好地適應(yīng)人們在安全性、便利性和經(jīng)濟(jì)效益方面的需要，有著廣闊的市場推廣價值。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀由于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)較為成熟，電子密碼鎖在歐美日韓等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有了一定的發(fā)展。根據(jù)阿里巴巴集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化部出品的《2019中國智能門鎖發(fā)展與應(yīng)用白皮書》統(tǒng)計，韓國以80%的市場滲透率位居全球第一，日本和歐美各國緊隨其后，中國由于起步較晚目前市場滲透率還比較低。另外各國智能門鎖的主要結(jié)構(gòu)也有所不同，西方發(fā)達(dá)國家的電子密碼鎖主要是以電機(jī)直接控制鎖舌的全自動電子鎖為主，甚至有些型號的電子密碼鎖拋棄了傳統(tǒng)的門把手，直接將鎖嵌入到門內(nèi)[7]。而中國的電子密碼鎖則主要是以需要下拉門把手來進(jìn)行開鎖的半自動電子鎖為主，這種電子密碼鎖往往也可以帶動傳統(tǒng)防盜鎖的所獨有的天地鉤，在提升了安全性的同時也符合中國的實際國情[8]。圖1-1智能家居組成圖智能門鎖作為進(jìn)入家庭的第一道關(guān)卡，最有可能成為智能家居應(yīng)用的觸發(fā)和鏈接產(chǎn)品。用戶在入戶時首先要通過電子密碼鎖進(jìn)行身份驗證，由此開始啟動整個智能家居系統(tǒng)。隨后用戶信息會傳導(dǎo)到智能家居系統(tǒng)中的其他設(shè)備，并使其產(chǎn)生相應(yīng)的動作。智能家居的組成結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，能與智能門鎖直接聯(lián)動的就有智能門鈴、智能探頭等多種設(shè)備，間接聯(lián)動的更是有智能開關(guān)、室內(nèi)監(jiān)控攝像頭、智能電源等大量的智能家居應(yīng)用終端[9]。隨著智能門鎖行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，必將對正處在發(fā)展初期的智能家居這一行業(yè)產(chǎn)生巨大地推動與促進(jìn)作用。電子密碼鎖在中國零售市場于2016年正式進(jìn)入爆發(fā)式增長階段，根據(jù)天貓、網(wǎng)易家居等聯(lián)合發(fā)布的《2018中國電子密碼鎖消費白皮書》顯示，電子密碼鎖在主要的一、二線城市的市場滲透率已經(jīng)在10%左右，正處于跨越“創(chuàng)新擴(kuò)散理論”中“鴻溝區(qū)”的前夜[10]。一旦突破13.5%這個鴻溝區(qū)，中國電子密碼鎖的零售市場必將迎來新一輪的發(fā)展高潮，專家預(yù)計到2020年中國電子密碼鎖的滲透率將會達(dá)到19.75%，總體銷量將會突破3200萬套。近年來電子密碼鎖的需求與供給概況如圖1-2所示。圖1-2電子密碼鎖需求與供給發(fā)展概況圖從上個世紀(jì)30年代初期的第一代電子加密技術(shù)問世以來，經(jīng)過三個發(fā)展時期。首先是在早期的開發(fā)階段，以商務(wù)賓館為代表的公共場所的使用。目前主要采用的是單用途電子鎖或磁卡電子鎖，不利于家用。其次，在一段時期后，增加了一些生物特征的認(rèn)證方法，如指紋認(rèn)證，使之更具實際意義。但是目前的很多核心技術(shù)如指紋識別等尚不完善，使得它的生產(chǎn)成本很高。由于成本問題，這款手機(jī)很難普及到一般的家庭，也就是那些住在高檔住宅區(qū)的人才能買得起。而到了這個時候，由于各種科技的進(jìn)步，整個系統(tǒng)的價格已經(jīng)降低到了能夠讓一般的家用電腦都能承受的地步。隨著近幾年，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等新理念層出不窮，使得電子鎖能夠與智能電話等終端設(shè)備進(jìn)行交互，獲得了很多實際應(yīng)用的新功能。到目前為止，電子鎖的功能比較簡單，應(yīng)用范圍也比較有限，已經(jīng)演變成了具有多種復(fù)雜功能的電子密碼鎖[11]。由于其較為成熟的經(jīng)濟(jì)與工藝，目前已經(jīng)在歐美日韓等發(fā)達(dá)的國家中取得了較大的進(jìn)展。根據(jù)阿里巴巴標(biāo)準(zhǔn)部門《2019中國智能門鎖發(fā)展與應(yīng)用白皮書》，韓國占據(jù)了全球第一的位置，占據(jù)了80%的市場份額，日本和歐美緊隨其后，中國由于起步晚，在中國的份額還沒有達(dá)到很高的水平。另外，各國的智能鎖也各不相同，比如歐美，采用的就是通過電機(jī)來對鑰匙的舌部進(jìn)行操控，也有些樣式的則是舍棄了傳統(tǒng)的門把手，將它嵌入到了汽車的內(nèi)部。中國的大部分鎖具，都是半自動的，需要打開門把手，然后再用一般鎖具上的天鉤，在增加安全性的同時，也符合中國的實際狀況[12]。1.4驗證技術(shù)方法本文從兩個角度對電子密碼鎖進(jìn)行了研究。首先介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計和硬件的設(shè)計。軟件的設(shè)計分為兩部分。一方面，該算法能夠?qū)斎脒M(jìn)行關(guān)聯(lián)的辨識，實現(xiàn)對信息的高效集成；最后的解析結(jié)果可以被有效地用來進(jìn)行后續(xù)的辨識與比對，從而節(jié)約了大量的時間。二是對比法。該系統(tǒng)在獲得所需的數(shù)據(jù)之后，會與已存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如果發(fā)現(xiàn)了對應(yīng)的數(shù)據(jù)，則會自動進(jìn)行解鎖。該系統(tǒng)的設(shè)計包含了很多的功能。請移除你的資訊，并修改你的密碼。等等，但是這些函數(shù)一般都很容易執(zhí)行，所以我們把注意力集中在確定和比較處理上。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有以下幾個部分。首先，就是把不同的硬件連接起來。最簡便的方法就是將51微控制器與相應(yīng)的電路進(jìn)行有效的聯(lián)接，使其能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。第二部分為數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)。其基本思路是將采集器與識別模塊相連，并將其與MCU對應(yīng)的接口相連，實現(xiàn)對信號的識別。電信號最后，本論文還提出一種非鎖定電路，當(dāng)偵測到記憶體中含有資訊時，可進(jìn)行開鎖動作[13]。身份識別是一種最早的、在計算機(jī)上使用最多、使用最為廣泛的一種方式。在過去，這種方法大多是在犯罪偵查體系中使用的。今天，人們在生活、工作、學(xué)習(xí)等方面所使用的身份識別技術(shù)并未發(fā)生太大的變化?？萍紝θ藗兊男畔⑸町a(chǎn)生了積極的影響。由于利用了生物識別技術(shù)，所以在實際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。這僅僅是表皮的一小塊，但是里面有很多的數(shù)據(jù)和資訊。手指上的線在形狀、斷點和交叉點上都存在著巨大的差異，所以我們把他們叫做“功能數(shù)據(jù)”。據(jù)醫(yī)療研究者們所說，每塊指頭上的“功能數(shù)據(jù)”各不相同，但同一時刻卻又是獨一無二、不變的。通過這種方式，你可以匹配到每一個用戶，然后通過現(xiàn)在的能力和以前的能力來對比他們的擁有者[15]。1.5指紋鎖技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀20世紀(jì)初，指紋鎖出現(xiàn)在軍用領(lǐng)域，隨后指紋技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，并在國防、司法、刑事偵查等方面得到了越來越多的應(yīng)用，因此在軍用方面得到了越來越多的應(yīng)用。它是一種家庭、安全用品，正在逐步進(jìn)入我們的視線。在2005年，美國引進(jìn)了中國的指紋鎖。那時，美國的高級指紋鎖品牌Digier和全球500強(qiáng)的英格索蘭在這一領(lǐng)域占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。其中，最核心的就是指紋注冊與對齊算法。目前，指紋識別技術(shù)已相對成熟。國產(chǎn)的指紋鎖通常是500-560；正確率為0.01%，誤檢率為0.001%。當(dāng)前，我國的指紋鎖產(chǎn)品有很多，其中包括指紋門禁控制器，指紋鎖，指紋保險箱等。比如中控的Monarch系列指紋鎖，支持指紋比對，密碼比對，身份證比對，小米資費卡比對，使用USB通信，可以收集X00型指紋，識別時間在2S以內(nèi)，解析度500dpi。判定比率0.0001，該電源采用4節(jié)AA電池，4.2伏至6伏的操作電壓；沉陽電子有限公司發(fā)布了一款以DSP為核心的軟核指紋鎖，內(nèi)嵌64KBSRAM，對比指標(biāo)：FRR<1FAR<0.01，比對時間<1.5秒；A010-SN型佛山市思格鎖業(yè)股份有限公司出品的A010-SN型指紋鎖，5個管理員指紋，135個正常使用者指紋，可設(shè)定10個臨時使用者指紋，比對時間小于1.25，使用4節(jié)AA電池，6V工作電壓。在中國，美國，日本，歐盟，韓國，澳大利亞，在這方面，國外比中國更先起步，在技術(shù)上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先。在美國，由于受到美國FBI中心指紋檔案部門對指紋鑒定技術(shù)的長期宣傳，F(xiàn)BI首先發(fā)起了這項研究。美國在指紋識別領(lǐng)域占有領(lǐng)先地位，在指紋識別領(lǐng)域占有領(lǐng)先地位，占有超過70%的市場份額，同時也占據(jù)了全球80%的芯片生產(chǎn)商的市場份額。在日本，研發(fā)指紋辨識晶片是一種有利條件。日本NEC，日本富士，佳能，ALPS等公司已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種各樣的指紋識別芯片。日本的產(chǎn)品在整個產(chǎn)業(yè)鏈中占有舉足輕重的位置，也是指紋識別領(lǐng)域的兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相對于國外，國內(nèi)的指紋鎖在指紋信號的接受與分析方面還不夠穩(wěn)定，反應(yīng)速度達(dá)不到國際先進(jìn)水平，馬達(dá)連接的技術(shù)也不夠先進(jìn)，開鎖的反應(yīng)速度和精度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。近幾年來，馬達(dá)的故障率普遍降低，反應(yīng)速度也有了很大的提高，總體技術(shù)水平已經(jīng)逐漸逼近了國際水準(zhǔn)。1.6識別的特征該系統(tǒng)以人體生理學(xué)、幾何學(xué)等為基礎(chǔ)，采用多種先進(jìn)的傳感技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)字化處理。具體步驟為：利用采集模塊（如AS608）采集原始圖樣，并對圖樣進(jìn)行預(yù)處理，得到更為清晰的圖樣。其次，利用特征抽取算法產(chǎn)生具有代表性的特征量。特征值比較法的基本原則就是依據(jù)模式識別的原則，將事物的共性與個性加以比較、比較。在輸入模板與要檢驗的對象之間進(jìn)行匹配。1.7系統(tǒng)功能要求該電子密碼鎖控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下核心功能：通過密碼或指紋驗證的方式實現(xiàn)門鎖的解鎖和鎖定操作，為使用者提供安全可靠的訪問控制。支持多個用戶的密碼和指紋信息的錄入、存儲、修改和刪除，以方便管理和維護(hù)。為了提高安全性，當(dāng)密碼或指紋驗證錯誤次數(shù)超過一定閾值時，系統(tǒng)將發(fā)出報警提示，并在一段時間內(nèi)禁止繼續(xù)嘗試，防止蠻力攻擊。1.8系統(tǒng)設(shè)計方案針對上述系統(tǒng)功能要求，設(shè)計了一套完整的解決方案，該方案的核心是采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，并圍繞它整合了包括指紋識別模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、按鍵輸入模塊和報警模塊在內(nèi)的多個硬件組件，通過軟硬件的協(xié)同工作來實現(xiàn)預(yù)期功能。AS608指紋識別模塊負(fù)責(zé)采集用戶的指紋圖像、提取特征值并與事先存儲的指紋庫進(jìn)行匹配，為系統(tǒng)提供生物特征識別能力。LCD12864顯示模塊用于為用戶呈現(xiàn)系統(tǒng)界面、操作提示和狀態(tài)信息，與4*4矩陣按鍵模塊共同構(gòu)成人機(jī)交互接口。AT24C02數(shù)據(jù)存儲模塊則負(fù)責(zé)存儲用戶密碼、指紋特征值以及系統(tǒng)配置參數(shù)等重要數(shù)據(jù)。最后，蜂鳴器模塊在密碼或指紋驗證失敗時發(fā)出報警聲響，提高系統(tǒng)的安全性。上述各個硬件模塊都與STC89C52單片機(jī)連接，并由單片機(jī)的軟件程序統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制。軟件部分的設(shè)計將涉及單片機(jī)程序開發(fā)、指紋識別通信協(xié)議、LCD顯示驅(qū)動、按鍵檢測、數(shù)據(jù)讀寫存儲等多個方面。我們將在后續(xù)環(huán)節(jié)對軟件架構(gòu)和具體實現(xiàn)進(jìn)行深入設(shè)計和開發(fā)。圖1-3系統(tǒng)框圖2系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1模塊選型模塊選型是系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能、可靠性和成本。本節(jié)將對本設(shè)計中的單片機(jī)模塊、指紋識別模塊和顯示模塊進(jìn)行選型分析，并說明選擇理由。2.1.1單片機(jī)模塊的選型方案一：STC89C52STC89C52是一款基于8051內(nèi)核的傳統(tǒng)單片機(jī)，工作電壓5V，8位CPU，12MHz最高主頻。它有64KB系統(tǒng)可編程存儲器、256字節(jié)數(shù)據(jù)RAM、4個8位通用IO口、2個16位定時器、5個中斷源等豐富資源，可以很好地滿足本系統(tǒng)的需求。51單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)成熟，開發(fā)工具鏈和樣例程序非常完善，降低了開發(fā)難度。此外，該單片機(jī)芯片價格低廉，有利于控制整體系統(tǒng)成本。方案二：STM32F103STM32F103屬于32位ARMCortex-M3內(nèi)核的高性能單片機(jī)，工作電壓3.3V，主頻高達(dá)72MHz，存儲空間和外設(shè)資源都比51單片機(jī)豐富得多，運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理能力極為強(qiáng)大。然而，相比之下，它的價格昂貴，而且軟件開發(fā)和硬件移植的復(fù)雜度也大大增加，需要重新開發(fā)或者移植底層驅(qū)動庫、中間件等，使得開發(fā)周期較長。綜合考慮性能、價格、開發(fā)周期和開發(fā)難度等因素，本設(shè)計選擇STC89C52單片機(jī)方案。雖然相較于STM32性能偏低，但已經(jīng)足以滿足本系統(tǒng)的需求，同時極大地降低了開發(fā)難度和成本，有利于產(chǎn)品的快速推進(jìn)和商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)然，對于更復(fù)雜的系統(tǒng)而言，STM32可能是更好的選擇。2.1.2指紋識別模塊的選型方案一：AS608AS608是一款專業(yè)的指紋識別模塊，集成了指紋傳感器、算法芯片和存儲器。它支持指紋圖像采集、圖像處理、特征值提取和匹配搜索等全部指紋識別功能，形成了功能齊全的一體化解決方案。AS608模塊只需通過串口與主控制器通信，即可發(fā)送指令進(jìn)行指紋注冊、刪除、驗證等操作，無需單片機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜的識別算法，使用非常簡便。方案二：FPC1011FPC1011是一款指紋傳感器芯片，雖然成本較低，但需要配合單片機(jī)和相應(yīng)的算法庫才能實現(xiàn)完整的指紋識別功能。這不僅極大增加了軟件開發(fā)的工作量，而且還會占用較多的單片機(jī)資源，對系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性也有一定影響。鑒于AS608模塊已經(jīng)集成了全部所需功能，無需單片機(jī)編寫復(fù)雜算法，并且功耗低、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，因此本設(shè)計采用AS608作為指紋識別模塊。2.1.3顯示模塊的選型方案一：LCD12864LCD12864是一款128*64分辨率的點陣液晶顯示模塊，顯示區(qū)域大、分辨率高，可以顯示文字、圖標(biāo)和簡單圖形，為用戶界面的美化和優(yōu)化提供了很大空間。該模塊采用并口驅(qū)動方式，與單片機(jī)的接口簡單，驅(qū)動程序容易實現(xiàn)。方案二：LCD1602LCD1602是一款基于HD44780驅(qū)動的字符液晶顯示模塊，只能顯示2行16列的字符，顯示內(nèi)容單一且面積有限，不利于實現(xiàn)豐富的用戶界面?？紤]到本系統(tǒng)對顯示內(nèi)容和界面效果的需求，LCD12864模塊是更加合適的選擇。相比字符液晶，它不僅顯示區(qū)域更大，還可以通過圖形界面優(yōu)化人機(jī)交互體驗，是系統(tǒng)的理想顯示載體。因此，本設(shè)計采用LCD12864作為顯示模塊。2.2單元模塊設(shè)計2.2.1STC89C52單片機(jī)STC89C52作為本系統(tǒng)的控制核心，與其他各模塊緊密連接，對它們進(jìn)行操作管理。硬件設(shè)計時，我們將STC89C52的并行端口P2.5與LCD12864顯示模塊的數(shù)據(jù)總線相連，用于向顯示器傳送顯示數(shù)據(jù)；將P2.6和P2.7口與LCD12864的指令總線相連，用于發(fā)送顯示控制命令。同時，P1.0-P1.7口的部分管腳連接到4*4矩陣鍵盤的行線和列線，通過行列掃描檢測按鍵動作和密碼輸入。與此同時，我們也合理利用了STC89C52的串行通信接口。其中，P1口的TXD和RXD管腳分別與AS608指紋識別模塊的串行接口相連，用于發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)指紋注冊、刪除、匹配等操作。I2C總線的SDA和SCL管腳則連接到AT24C02存儲芯片，用于讀寫用戶密碼、指紋特征值和系統(tǒng)配置參數(shù)等重要數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計還需要考慮系統(tǒng)的其他要求。比如，為實現(xiàn)報警功能，我們將預(yù)留一個IO管腳用于驅(qū)動蜂鳴器模塊。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，電路布局時需要合理分區(qū)，使AS608等易受干擾的模塊遠(yuǎn)離其他部件，并采取必要的屏蔽措施。我們還將為單片機(jī)的復(fù)位電路、時鐘電路等進(jìn)行精心設(shè)計，以確保其穩(wěn)定可靠運(yùn)行。圖2-1STC89C52單片機(jī)2.2.2AT24C02數(shù)據(jù)存儲模塊AT24C02是一款2KB容量的EEPROM存儲芯片，采用I2C總線方式與STC89C52單片機(jī)相連。I2C是一種簡單、高效的串行通信方式，只需兩根數(shù)據(jù)線SDA和SCL即可實現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在具體硬件設(shè)計時，我們將單片機(jī)的SDA和SCL管腳直接與AT24C02模塊的對應(yīng)管腳相連。同時，為了確保正確的通信地址，我們還需要根據(jù)實際情況對AT24C02的A0-A2地址管腳進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟拥鼗蛏侠娮璧脑O(shè)置。此外，該EEPROM芯片的電源引腳需要連接5V電源，并在電源線上加入濾波電容以抑制工作噪聲。AT24C02具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)功能，無需備用電池即可在斷電情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失。這一特性使其非常適合用于存儲系統(tǒng)的用戶信息和配置參數(shù)等長期保存數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在實際應(yīng)用過程中，我們也會采取額外的數(shù)據(jù)備份和容錯措施，以防數(shù)據(jù)損壞或丟失。圖2-2AT24C02數(shù)據(jù)存儲模塊2.2.3AS608指紋識別模塊AS608是一款專業(yè)的指紋識別模塊，采用串行通信方式與STC89C52單片機(jī)相連。我們將單片機(jī)的TXD發(fā)送引腳與AS608的RXD接收引腳相連，同時將單片機(jī)RXD接收引腳與AS608的TXD發(fā)送引腳相連，以實現(xiàn)雙向串行數(shù)據(jù)通信。AS608模塊需要5V直流電源供電，因此我們還需要在電路中設(shè)計一個穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換為5V直流電壓輸出。同時，我們也會加入適當(dāng)?shù)碾娙轂V波，以抑制電源紋波對模塊運(yùn)行的影響。AS608在指紋采集過程中會產(chǎn)生一定的電磁干擾，可能會影響系統(tǒng)其他部件的正常工作。因此，在硬件布局時，我們會特意將這一模塊安排在遠(yuǎn)離單片機(jī)和其他關(guān)鍵模塊的位置，并采取必要的屏蔽和抗干擾措施，確保整個系統(tǒng)的電磁兼容性。圖2-3AS608指紋識別模塊2.2.4LCD12864顯示模塊LCD12864顯示模塊采用并口方式與單片機(jī)連接。具體來說，我們將單片機(jī)的P2.5口作為LCD12864的8位數(shù)據(jù)總線，用于向顯示器傳輸顯示數(shù)據(jù)；同時將P2.6和P2.7口作為指令和控制總線，發(fā)送像讀寫控制、光標(biāo)設(shè)置、顯示開關(guān)等各種命令。除了數(shù)據(jù)和指令接口之外，LCD12864還需要接入電源電壓Vcc和對比度調(diào)節(jié)電壓Vee。Vcc可直接連到5V電源，而Vee則需要通過一個可調(diào)節(jié)的電位器獲得合適電壓，以獲得最佳的顯示清晰度和對比度效果。我們還將為LCD12864顯示屏設(shè)計背光電路。背光亮度可通過串聯(lián)一個電位器調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同環(huán)境的使用需求。同時，我們也會采用專門的背光散熱設(shè)計，避免長期工作時LCD顯示模塊過熱而影響使用壽命。硬件布局時，我們將合理安排LCD12864的位置，使其顯示面盡量遠(yuǎn)離AS608等會產(chǎn)生干擾的模塊，并采取必要的屏蔽措施，避免顯示畫面被干擾而影響可讀性。圖2-4LCD12864顯示模塊2.2.5矩陣按鍵模塊系統(tǒng)采用4*4的矩陣鍵盤作為密碼輸入和部分控制操作的人機(jī)交互界面。在硬件設(shè)計上，矩陣鍵盤的行線和列線通過8根單獨的IO線與單片機(jī)的P1.0-P1.7口相連。矩陣鍵盤的工作原理是，單片機(jī)通過P1口的部分IO線拉高鍵盤的某一行線路，同時通過其余IO線檢測列線的電平狀態(tài)。只有在行線和列線的交叉處存在按鍵按下時，對應(yīng)的列線才會被拉低，從而實現(xiàn)了對按鍵狀態(tài)的檢測。我們將采用抗干擾性強(qiáng)、人機(jī)工程學(xué)設(shè)計合理的高品質(zhì)矩陣鍵盤。每個按鍵下面都將加入硅膠按鍵墊，以提供良好的手感，延長使用壽命。圖2-5矩陣按鍵模塊2.2.6蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊的作用是在密碼或指紋驗證出錯時發(fā)出聲音報警，提醒用戶并警示潛在的安全風(fēng)險。硬件設(shè)計時，我們選擇了一款額定電壓5V、聲音壓力級較高的有源蜂鳴器。蜂鳴器的正極將直接連接到單片機(jī)的一個IO口，該IO口在需要報警時將輸出高電平，否則保持低電平。為了獲得足夠的驅(qū)動電流和聲壓級，我們在蜂鳴器的供電回路中加入了一個放大環(huán)節(jié)，該放大環(huán)節(jié)由一個NPN三極管組成，它的基極來自單片機(jī)IO口，集電極連接5V電源，發(fā)射極則與蜂鳴器的正極相連。我們還會在蜂鳴器電路中并聯(lián)一個二極管，用于吸收蜂鳴器斷電時產(chǎn)生的反向感生電壓，防止對單片機(jī)IO口和驅(qū)動電路造成損壞。同時，我們也將在蜂鳴器供電回路中串聯(lián)一個限流電阻，以限制峰值電流并延長使用壽命。蜂鳴器工作時會產(chǎn)生一定的聲波振動，如果其放置位置不當(dāng)，可能會影響AS608指紋識別模塊等對振動敏感部件的正常工作。因此，在布局時我們將特意將蜂鳴器安裝在遠(yuǎn)離這些模塊的位置，并加裝減振墊，以最大限度地降低噪音干擾。為了使報警聲音能夠被使用者及時有效地聽到，我們也將合理布置蜂鳴器的安裝位置和朝向，使其能夠較好地輻射到使用區(qū)域。必要時，我們還可以在聲音出口處加裝一個小型喇叭形狀的話筒，起到聚焦和增強(qiáng)的作用。圖2-6蜂鳴器模塊2.2.7電磁鎖模塊本系統(tǒng)采用一個5V的低功耗繼電器控制電磁鎖的鎖定和解鎖。電磁鎖是利用電磁鐵的吸合力對門鎖進(jìn)行控制的一種無鑰匙安全鎖具，廣泛應(yīng)用于各類門禁系統(tǒng)中。硬件設(shè)計時，我們選用一款耐高壓、高載波的繼電器，它的線圈兩端將直接與單片機(jī)的一個IO口相連。當(dāng)該IO口輸出高電平時，繼電器線圈就會通電并吸合，從而控制常開觸點的閉合或者常閉觸點的斷開，進(jìn)而改變電磁鎖的通斷狀態(tài)。常開觸點將與電磁鎖的直流電源正極相連，而負(fù)極則直接接地。這樣，當(dāng)繼電器斷開時，電磁鎖處于通電狀態(tài)，門就處于鎖定狀態(tài)；反之，當(dāng)繼電器吸合閉合時，電磁鎖斷電，門就被解鎖了。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，我們會選用一款具有抗振動、抗沖擊性能的電磁鎖產(chǎn)品，并在電磁鎖通電回路中串聯(lián)一個無源蜂鳴圈，以抑制瞬間沖擊電流。同時，在繼電器觸點兩端也會并聯(lián)一個續(xù)流二極管，用于吸收斷開時產(chǎn)生的反向感生電壓，防止損壞繼電器觸點。針對繼電器控制電路采取適當(dāng)?shù)钠帘魏透綦x措施，避免其工作時產(chǎn)生的高頻干擾對系統(tǒng)其他模塊產(chǎn)生影響。另一方面，為了確保電磁鎖在斷電情況下的安全性，我們會在鎖體中裝入一個小型備用電池，確保斷電時仍能維持鎖定狀態(tài)。通過上述硬件設(shè)計，該電磁鎖模塊能夠可靠高效地對門禁進(jìn)行控制，并與系統(tǒng)其他模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)便捷安全的門禁解鎖功能。在軟件上，我們也會編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)υ撃K進(jìn)行精準(zhǔn)控制。圖2-7電磁鎖模塊

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計以單片機(jī)為核心的電子密碼鎖，主要完成三個功能：存儲、校驗、歷史存貯，并通過對影像的獲取與識別，記錄查詢等功能。儲存區(qū)的功能就是為使用者儲存某些樣板。校驗主要是對已確認(rèn)過的，核對它與儲存在晶片中的模版是否一致，并相應(yīng)地對電子鎖進(jìn)行控制，做好歷史記錄。儲存區(qū)紀(jì)錄查詢是用來儲存歷史資料查詢的。所以，整個系統(tǒng)的軟件程序都是以這三種函數(shù)為中心進(jìn)行的，而三種函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換則是由矩陣小鍵盤進(jìn)行的。3.1鎖主程序設(shè)計軟件設(shè)計是整個電子密碼鎖系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的核心所在，需要對各模塊的工作原理、協(xié)作流程和算法邏輯進(jìn)行深入分析和規(guī)劃。我們將采用模塊化編程和分層設(shè)計的思路，有利于代碼復(fù)用和后期維護(hù)。單片機(jī)主程序負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化工作、任務(wù)調(diào)度以及各模塊間的協(xié)調(diào)控制。在程序框架設(shè)計上，我們將采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計思路，不同的系統(tǒng)狀態(tài)對應(yīng)不同的子程序流程，例如密碼驗證狀態(tài)、指紋識別狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置狀態(tài)等，狀態(tài)之間可以相互切換和轉(zhuǎn)移。指紋識別模塊的軟件設(shè)計需要實現(xiàn)與AS608的串行通信協(xié)議，能夠根據(jù)不同的命令字，發(fā)送相應(yīng)的指令完成指紋采集、注冊、刪除、匹配、存儲等多種操作。該模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊緊密配合，將用戶指紋數(shù)據(jù)保存到EEPROM中，也可以從中讀取指紋庫進(jìn)行比對驗證。LCD12864顯示模塊的軟件驅(qū)動設(shè)計需要實現(xiàn)對LCD的初始化、清屏、設(shè)置光標(biāo)位置、顯示開關(guān)控制等基本功能。在此基礎(chǔ)之上，我們需要編寫字符/字符串顯示、圖形繪制、圖標(biāo)顯示等更高級的圖形界面函數(shù)，用于構(gòu)建豐富的用戶操作界面和狀態(tài)顯示界面。蜂鳴器報警模塊和數(shù)據(jù)存儲管理模塊的軟件實現(xiàn)。蜂鳴器模塊根據(jù)密碼或指紋驗證錯誤的情況決定是否發(fā)出報警聲響，并提供了報警時長和報警模式設(shè)置等功能。數(shù)據(jù)管理模塊則負(fù)責(zé)對存儲在EEPROM中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、更新和擦除等操作管理。通過軟硬件的緊密配合，這些模塊將有機(jī)結(jié)合并協(xié)同工作，逐步實現(xiàn)預(yù)期的系統(tǒng)功能。圖3-1顯示了主要標(biāo)識代碼鎖定程序。圖3-1主程序設(shè)計框圖3.2按鍵識別及處理按鍵函數(shù)子流程圖如圖3-2所示；作為用戶本地手動輸入的入口，按鍵子程序需要時刻掃描各按鍵的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，就需立即處理用戶的操作指令。首先通過軟件對多個按鍵端口線設(shè)置上拉電阻，當(dāng)無按鍵按下時，對應(yīng)端口為高電平。然后周期性輪詢掃描這些端口口線的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有端口由高電平轉(zhuǎn)為低電平，即判斷有按鍵被按下，從而確定是哪個按鍵被按下。圖3-2按鍵識別程序3.3顯示模塊的程序設(shè)計在基于單片機(jī)的密碼鎖系統(tǒng)中，液晶顯示器（LCD）是用戶交互和輸出反饋的關(guān)鍵組件。LC312864是一種常見的12864分辨率的點陣LCD，它扮演著重要的角色，為用戶提供直觀的視覺指示和引導(dǎo)。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，LC312864會顯示一條簡短的歡迎信息，提示用戶輸入密碼。用戶通過按鍵輸入密碼，每輸入一個數(shù)字，LC312864就會顯示一個占位符（如*），以保護(hù)隱私和安全性。如果輸入錯誤，它會顯示"密碼錯誤"的信息，并重新等待用戶輸入。如果密碼正確，LC312864會顯示"密碼正確"的提示，并等待幾秒鐘。接下來，它會提示用戶選擇操作模式，比如開鎖或關(guān)鎖。根據(jù)用戶的選擇，它會相應(yīng)地顯示"已開鎖"或"已關(guān)鎖"的消息，并可能顯示一些其他信息，如鎖定狀態(tài)或溫度等。在整個過程中，LC312864不僅向用戶反饋輸入狀態(tài)和操作結(jié)果，還可以顯示一些有用的提示信息，如密碼輸入超時警告或電池電量不足警告。它的顯示清晰度和對比度對于確保良好的用戶體驗至關(guān)重要。LC312864還可以顯示一些附加功能的界面，如菜單選項或設(shè)置界面。通過按鍵操作，用戶可以瀏覽不同的菜單項，LC312864則會實時顯示相應(yīng)的選項和說明。這種交互方式不僅使用戶能夠輕松控制和定制系統(tǒng)，還增強(qiáng)了整體操作體驗的流暢性和友好性。圖3-3顯示模塊流程4系統(tǒng)的測試4.1軟件調(diào)試4.1.1單片機(jī)模塊軟件調(diào)試單片機(jī)模塊作為整個系統(tǒng)的控制核心，其軟件調(diào)試尤為關(guān)鍵。首先，我們進(jìn)行了程序的初始化和中斷配置，確保單片機(jī)能夠正確地響應(yīng)各種外部事件。隨后，通過仿真器和調(diào)試軟件對單片機(jī)的寄存器、內(nèi)存空間進(jìn)行監(jiān)控，驗證程序的邏輯流程是否符合預(yù)期。針對可能存在的死鎖、延時過長等問題，我們進(jìn)行了專門的優(yōu)化處理，比如調(diào)整中斷優(yōu)先級、優(yōu)化代碼執(zhí)行路徑等。此外，還通過反復(fù)運(yùn)行測試程序，驗證單片機(jī)在不同狀態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性。4.1.2指紋識別模塊軟件調(diào)試指紋識別模塊是電子密碼鎖系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，其軟件調(diào)試主要包括與單片機(jī)的通信測試、指紋識別算法驗證等。在通信測試方面，我們通過發(fā)送特定指令，檢查模塊是否能夠正確響應(yīng)并返回預(yù)期數(shù)據(jù)，確保通信鏈路的穩(wěn)定性和可靠性。對于指紋識別算法，我們利用標(biāo)準(zhǔn)指紋庫進(jìn)行了大量測試，以驗證算法的準(zhǔn)確性和識別速度。針對識別過程中可能出現(xiàn)的誤識、拒識等問題，我們進(jìn)行了算法參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，以提高識別性能。4.1.3顯示模塊軟件調(diào)試顯示模塊負(fù)責(zé)向用戶呈現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)和操作提示，其軟件調(diào)試主要聚焦于顯示效果和人機(jī)交互界面的優(yōu)化。首先，我們對顯示模塊的驅(qū)動程序進(jìn)行了詳細(xì)測試，確保文字、圖標(biāo)等顯示內(nèi)容正確無誤。隨后，針對用戶界面的布局和操作流程進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，使操作更加便捷直觀。此外，還考慮了不同光線條件下的顯示效果問題，通過調(diào)整對比度、背光亮度等參數(shù)，確保在各種環(huán)境下都能提供良好的視覺體驗。4.1.4按鍵模塊軟件調(diào)試按鍵模塊是用戶與系統(tǒng)交互的重要接口之一，其軟件調(diào)試主要關(guān)注按鍵響應(yīng)的準(zhǔn)確性和可靠性。首先，我們對按鍵的掃描算法進(jìn)行了測試和優(yōu)化，確保系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地檢測到按鍵動作。隨后，針對不同按鍵組合和功能鍵進(jìn)行了詳細(xì)測試，驗證其是否能夠正確觸發(fā)相應(yīng)的操作指令。此外，還考慮到了按鍵抖動、誤觸等問題，通過軟件濾波和去抖算法進(jìn)行處理，提高按鍵輸入的準(zhǔn)確性。4.1.5數(shù)據(jù)存儲模塊軟件調(diào)試數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)存儲用戶信息、系統(tǒng)配置等重要數(shù)據(jù)，其軟件調(diào)試主要聚焦于數(shù)據(jù)的讀寫準(zhǔn)確性和存儲安全性。首先，我們對數(shù)據(jù)存儲模塊的驅(qū)動程序進(jìn)行了詳細(xì)測試，確保數(shù)據(jù)能夠正確無誤地寫入和讀取。隨后，通過模擬各種異常情況（如電源突然斷電、非法訪問等），驗證數(shù)據(jù)存儲的安全性和可靠性。此外，還對數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)機(jī)制進(jìn)行了測試和優(yōu)化，確保在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)丟失時能夠快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。綜上所述，軟件調(diào)試是電子密碼鎖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。通過對各個模塊的軟件調(diào)試和優(yōu)化處理，我們確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和用戶體驗的優(yōu)化。同時，也為后續(xù)的產(chǎn)品化開發(fā)和市場推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.2硬件調(diào)試在功能測試的基礎(chǔ)上，我們需要檢查系統(tǒng)中各模塊間的電路連接和信號傳輸是否正確、可靠。首先是電壓電流測試，我們將使用萬用表、示波器等測量儀器，檢查各關(guān)鍵節(jié)點的電壓電流是否滿足設(shè)計要求。對于模擬信號電路，我們還將使用示波器觀察波形，檢查是否存在失真、過沖、滯后等缺陷。其次是信號通路測試，我們將通過邏輯分析儀等工具，檢查模塊間的控制線、數(shù)據(jù)線以及串行通信線的時序、狀態(tài)等，判斷是否存在通信異常，如數(shù)據(jù)丟失、錯碼等。我們還將重點測試系統(tǒng)的抗干擾能力。我們將使用專業(yè)的電磁場發(fā)生器，在不同工作頻率下對系統(tǒng)施加高強(qiáng)度的射頻、覺振動等干擾，檢查系統(tǒng)的抗干擾性能。如果發(fā)現(xiàn)異常，將針對性地加強(qiáng)電路的屏蔽、濾波等抗干擾設(shè)計。4.3實物展示經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計、調(diào)試和優(yōu)化，我們終于將這款基于STC89C52的電子密碼鎖控制系統(tǒng)設(shè)計方案組裝了實物樣機(jī)。機(jī)身正面布置有LCD12864顯示屏、4x4矩陣鍵盤和指紋識別區(qū)，方便用戶進(jìn)行密碼和指紋驗證操作。未來，我們將進(jìn)一步優(yōu)化該電子密碼鎖系統(tǒng)的功能和性能，持續(xù)打造高品質(zhì)的智能門禁控制系統(tǒng)，讓安全無憂與便利并存，具體的情況如下圖所示：圖4-1開鎖成功如圖4-1所示，本系統(tǒng)可以通過按鍵輸入密碼，如果密碼輸入成功，則會在顯示屏提示開門成功的界面。圖4-2第一次密碼錯誤如圖4-2所示，此時通過按鍵輸入密碼，但是輸入的是錯誤的密碼，顯示屏?xí)尸F(xiàn)密碼錯誤的界面。圖4-3第二次密碼錯誤如圖4-3所示，此時再次通過按鍵輸入密碼，依然輸入的是錯誤的密碼，顯示屏?xí)俅纬尸F(xiàn)密碼錯誤的界面。圖4-4第三次密碼錯誤如圖4-4所示，此時再次通過按鍵輸入密碼，依然輸入的是錯誤的密碼，顯示屏?xí)崾鞠到y(tǒng)鎖死，并進(jìn)入60s倒計時。圖4-5增加指紋如圖4-5所示，本系統(tǒng)設(shè)有指紋識別模塊，通過指紋識別模塊可以進(jìn)行指紋的錄入，如圖此時正在進(jìn)行指紋錄入。圖4-6指紋開鎖如圖4-6所示，在錄入了正確的指紋以后，通過指紋