基于51单片机的指纹密码锁设计.docx

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基于51单片机的指纹密码锁设计

基于51单片机指纹电子密码锁设计

摘要

随着人民生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变得尤其突出，传统的机械锁由于其构造简单，安全性低，无法满足人们的需求。

随着电子产品向智能化和微型化的不断发展，单片机已成为电子产品研制和开发中首选的控制器，所以具有防盗报警功能的电子密码锁控制系统逐渐代替传统的机械式密码控制系统，克服了机械式密码锁控制的密码量少，安全性能差的缺点。

在传统的身份认证中，我们往往使用密码加密法，但是这种方法只是"防君子不防小人"。

在高明的黑客眼里，由几个字符组成的密码脆弱得不堪一击。

现在，科技的发展让我们有了新的选择——生物识别技术。

将生物识别技术应用于笔记本、门锁等方面，可以对文件、财产起保护作用，并且可以进行身份识别。

生物识别技术的发展主要起始于指纹研究，它亦是目前应用最为广泛的生物识别技术。

本设计开发了一款基于单片机的指纹识别电子密码锁系统。

该系统以STC89C52单片机作为模块核心，通过串口通信控制ZFM-60指纹模块实现录取指纹并存储指纹数据，并通过HS12864-15C液晶显示比对流程及比对结果，辅以直流继电器与发光二极管模拟开锁的动作。

本系统具有体积小、性价比高、传输速度快、适合家庭及单位使用。

关键词：

单片机，密码锁，指纹识别

51singlefingerprint-basedelectroniccodelockdesign

ABSTRACT

Withtheimprovementofpeople'slivingstandards,howtoachievefamilysecurityissuehasbecomeparticularlyprominent,thetraditionalmechanicallocksbecauseofitssimplestructure,lowsecurity,cannotmeetpeople'sneeds.AselectronicproductstointelligentminiaturizedandthecontinuousdevelopmentofSCMhasbecometheelectronicproductresearchanddevelopmentpreferredcontroller,theelectroniclockcontrolsystemwithanti-theftalarmfunctiongraduallyreplacethetraditionalmechanicalcontrolsystemswithcode,overcomepasswordless,poorsafetyperformanceshortcomingsofmechanicallockcontrol.

Intraditionalidentity,wetendtousepasswordencryptionmethod,butthismethodonly"anti-anti-villainisnotagentleman."Intheeyesofcleverhackers,passwordconsistsofseveralcharactersfragiletoovulnerable.Now,thedevelopmentofscienceandtechnologysothatwehaveanewoption-biometrics.Thebiometrictechnologyusedinnotebook,doorlocks,etc.,theycanfileforprotectionofproperty,andcanbeidentifiable.biometrictechnologyinfingerprintprimaryoriginresearch,itisalsothemostwidelyusedbiometrictechnology.

ThesystemdesignoffingerprintrecognitionelectronpasswordlockbasedonSingle-chipmicroprocessorisdevelopedinthethesis.ThesystemSTC89C52MCUasthecoremodule,throughtheserialcommunicationcontrolZFM-60fingerprintmodulefortakingfingerprintsandstorefingerprintdataandliquidcrystaldisplaybyHS12864-15Cratiothanontheprocessesandresults,supportedbysimulationofDCrelaysandLEDsunlockaction.Thesystemissmall,cost-effective,andfastandsuitableforfamiliesandunits.

KeyWords：

Single-chipmicroprocessor,password,Fingerprintrecognition

第一章绪论

我们今天的工作生活中，很多场合需要身份验证。

而基于传统的标志的身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些不足。

如何保护自己的重要文件，如何保证自己的隐私不被泄露？

在传统的身份验证下，我们倾向于使用密码加密方法，但这种方法“只是防得住君子，防不住小人”。

在高明黑客的眼中，密码由几个字符脆弱得不堪一击。

现在，科学技术的发展，使我们有了新的选择-生物识别技术。

在笔记本，门锁等加上生物识别的技术，它们可以对文件财产进行保护，并且是高安全性，高效率的。

生物识别技术是基于对人的外貌，声音和对其它生物特征身份验证的科学解决方案，现有的生物识别技术，包括指纹识别技术一般，掌纹识别，视网膜识别，虹膜识别，脸部识别技术，语音识别技术和手写识别技术[1]。

生物识别技术的主要优点是：

1，减少，杜绝假冒身份，确认真实身份;2，降低管理成本，免去了人工身份认证过程;3，人性化，减少或消除使用卡，钥匙或密码等问题。

指纹是研究生物特征识别技术的起源，它也是应用最广泛的生物识别技术。

指纹识别技术的发展依靠于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。

虽然指纹是人体皮肤的一小部分，但其中所包含的数据信息却大到我们难以想象。

对这些包含的数据信息对比不是一个简单的问题，而是使用模糊匹配算法，加以大量的操作。

现代电子集成制造技术使我们能够制造相对小的指纹图像读取装置，而在计算速度迅速发展的今天，使在单片机上进行两个指纹的对比运算成为可能。

此外，匹配算法的可靠性也在不断提高，使得指纹识别技术越来越成熟[2]。

1.1课题研究意义

随着社会的发展和技术的进步，传统的安全防盗系统面临极大的挑战。

长久以来，安防系统验证身份的方法是验证一个人是否持有有效的信物，如照片、密码、钥匙、磁卡和IC卡等。

因此从本质上来看，这种方法验证的是该人持有的某种“物”，而不是验证该人本身。

只要“物”的有效性得到确认，则持有该“物”的人的身份也就随之得到确认。

这种通过“物”来确认人的身份的办法存在的漏洞是显而易见的：

“物”的丢失或出错都会导致合法的人无法被认证，并且各种信物容易被伪造、破译。

在网络化时代的今天，我们每个人都拥有大量的认证密码，比如开机密码、邮箱密码、银行密码、论坛登陆密码等等；密码作为身份识别的标志已被广泛采用。

密码容易被遗忘，也有被人窃取的可能，无论是在智能化还是安全性能方面都已经不能满足需求，现在的各种钥匙，如门锁钥匙，汽车钥匙，保险柜钥匙等也如同密码一样存在显而易见的漏洞。

这些传统的安全系统所采用的方式，随着社会的发展，其安全性越来越脆弱不堪一击。

但是我们不能回避这个尴尬的问题，我们的生活中随时都需要进行个人身份的确认和权限的认定，尤其是在信息社会，人们对于安全性的要求越来越高，同时也希望认证的方式简单快速。

为了解决这一存在已久的问题，人们把目光转向了近年来兴起的生物识别技术，希望能借助人体的生理特征或行为动作来进行身份识别。

这样就可以不必携带大串钥匙，也不用费心去记各种密码。

生物特征和钥匙、密码相比具有唯一性，不可复制性，例如指纹，专家推论以全球60亿人口计算，300年内都不会有两个相同的指纹出现。

以电子商务、电子银行的安全认证为例，目前在电子商务中经常出现他人假冒当事人的身份，如果通过生物特征进行认证，就可有效防止此类事件的发生。

另外，网络、数据库和关键文件等的安全控制，机密计算机的登陆认证，银行ATM、POS终端等的安全认证，蜂窝电话，PDA的使用认证等等，都可以依靠生物特征来认证。

可见，生物特征识别不但有可观的经济效益，还有不可估量的国家信息安全效益。

1997年比尔•盖茨曾这样预言：

“生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个人的身份，将成为未来几年IT产业的重要革新。

指纹识别技术在生物识别技术中相对来看是发展的最成熟的识别技术，指纹锁则是指纹识别技术的代表作品，指纹锁在当今安防系统中应运而生成为继机械锁、密码锁、感应锁之后另一代门锁的代表，单体指纹代替钥匙或者密码成为开锁工具，大大降低了安防系统的潜在安全隐患，主要是因为指纹的独特生理附属性，在一段比较长的历史时期内避免了遗失、被盗、被复制的隐患，因此目前看来指纹锁几乎完美的解决了传统门锁存在的问题，但是一把合格的指纹锁，须采用国际领先水平的智能芯片和高标准的安装材料，这就决定了其刚性成本很高，同时由于拥有极高的科技附加值，指纹锁市场价格普遍比较昂贵，近年来指纹识别产品在各个行业的大规模开始应用，以及人们对于智能化和安

全性能的追求为指纹锁的市场拓展创造了有利条件，因此可以预见，指纹锁将迎来一个改变安防系统的历史机遇。

现代社会越来越需要高效，可靠的身份识别系统。

可分离人身份的传统方式，如口令，密码，身份。

可以进行假冒，伪造，盗窃，或者破译，不能完全满足现代社会经济活动和社会安全的需要。

作为最传统和最先进的生物鉴定方法，指纹具有很强的相对稳定性。

从六个月胎儿完全形成指纹到死后尸体腐烂，指纹结构，整体分布的统计特性并没有显著的改变，显然指纹具有其唯一性。

至今仍然无法找到两个人有相同的指纹，甚至是同卵双胞胎都是不一样的指纹。

从易用性，安全性，成熟度和成本以及其他方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人的生理特征识别的主流技术。

自动指纹识别技术创建了一个个人身份识别的新时代，指纹识别的应用使我们生活更加安全，方便【5】。

以单片机为控制器的技术已经发展的非常成熟，因为它的控制性能和高可靠性的优点，电子产品与单片机控制是分不开的，如电饭煲，洗衣机，汽车等都需要微处理器控制。

学习单片机的基础知识后，我们需要在实践中把所学知识组织起来，在现实生活中应用它，所以我联系指纹识别技术和单片机的原理与应用选择了基于单片机的指纹识别系统这个课题，我希望我的设计可以完成简单的身份认证，给身份认证提供方便。

1.2国内外指纹密码锁发展历史及现状

生物识别技术在传统安防系统面临尴尬的时候，给人们带来了希望，并且在今后一个很长的历史时期都将是缓解了安防压力的有力保障，生物识别技术主要包括指纹识别、人脸识别、掌形识别、指静脉识别、红膜识别、视网膜识别、声音识别等，由于各种生物识别技术的差异，只有基于指纹识别技术的产品有希望在近几年大规模的投入民用的市场，因此指纹识别产品将是世界各国在生物识别技术领域发展和投入的重点。

一方面，指纹识别产品的快速发展得益于低价位取像设备的引入及其飞速发展，以及可靠的比对算法的研究发展，另一方面，指纹识别技术和其他的很多技术一样，也是从专用走向公用，逐渐成为人们关注的前沿高科技之一，而现在俨然已经成为了

各种高科技产品的标识。

苹果公司计划推出带有指纹登陆模块的手机，微软公司推出了可单独操作的指纹辨认器；IBM开始出售附有指纹辨认器的手提电脑；韩国LG电子公司也推出了一种通过指纹启动的手机。

但是必须指出的是指纹科技产业作为新兴的高科技智能产业，其技术上存在难以逾越的高度，迄今为止，全球指纹科技产品也刚刚处于起步阶段，国内市场上还没有产生真正意义上的指纹科技产品强势品牌，目前在中国市场上已经有一些指纹锁厂家进入市场开发阶段，如杭州锦江科技、新加坡玺玛克、深圳爱迪尔和长春鸿达等，但这些公司的全国性业务还没有完全做开，一般的指纹锁厂家都是通过直销方式为政府机关、金融系统提供产品。

目前世界上指纹锁主要以德国与韩国为代表，无论是在技术还是工艺方面都占据着优势，而国内的岭南锁系主要是做组合安装，自主技术和工艺水平偏低。

国外的指纹锁品牌借助北京奥运会登陆中国，强势的占据了指纹锁的高端市场，而国内技术和工艺偏低的指纹锁产品只是艰难的占据着低端市场，因此和国外品牌的利润相比相距甚远，传统的门锁需要新一代的锁来更替，在这样巨大的市场需求下，国内许多企业纷纷研制开发指纹安防产品，然而经过最初几年的市场突围，指纹锁却一直没有大规模的普及应用。

众多厂家倒在了市场引导阶段，成为指纹锁市场开拓大军的先烈。

而现在指纹锁市场已经基本被打开，指纹锁将迎来一个快速发展的时期。

1.3本文主要内容

基于指纹识别的电子锁系统设计主要由单片机、指纹模块、电子锁、液晶显示屏、ADC键盘、时钟几个部分构成，围绕指纹锁为核心功能设计的一个系统，在第二章中对设计方案的选择作重点介绍。

第三章介绍系统硬件电路设计，第四章介绍系统软件设计，第五章介绍实物制作与调试。

第二章整体设计方案

基于指纹识别的电子锁系统是针对以指纹图像采集、识别为核心而开发出的系统。

系统会控制指纹模块搜索是否有手指放上，一旦感应到有手指，就立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成特征并存储下来。

通过比对该特征和模版特征来控制是否开锁。

该系统利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需用户将手指放在指纹传感器的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。

系统的液晶显示屏可以显示出指纹模块采集、转化、合并、存储、比对各个流程的结果，系统另外还有指纹模版的存入功能，用户可以随意存入或者删除指纹模块中的模版，只要指纹模块中有该用户的指纹模版，该用户就可以通过指纹开锁。

2.1方案比较与论证

方案一：

采用数字电路控制

使用数字锁电路的好处是设计简单。

以74L112双JK触发器构造的数字逻辑电路作为控制核心的密码锁，一共有16个用户输入键，其中只有12有效的密码按键。

，另一种是干扰按钮，如果按下干扰按钮键盘输入电路会自动清零，以前输入的密码无效，需要重新输入：

电路报警触点接通三次，电路将锁定键盘10秒，以防止他人非法操作。

电路有两大部分组成：

备用电源（UPS）和密码锁电路，其中设置UPS电源是为了防止因为停电造成的密码锁电路失效，使用户免遭麻烦。

密码锁电路包含：

键盘输入、密码检测、执行电路、开锁电路、报警电路、键盘输入次数锁定电路。

其原理方框图如图2-1所示

图2-1数字密码锁方案

方案二：

以单片机为核心的控制方案

首先，设备可灵活编程：

一是编程过程中可以根据自己的设计要求编写程序为自己的设计，可以通过下载的方式将根据设计编写的程序写入设备，如果你想更换程序，就可以把以前输入的程序擦拭后，自己将程序重写下载写入到设备，这样可以同时使用户节约成本和提高安全性。

其次是在单片上丰富灵活的I/O端口，这些端口可以添加多个组件，以增加其功能用来实现的其他机械锁不可能完成的任务。

因为可以加温度显示，时间显示，甚至通过I/O端口添加远程控制功能，这些都可以通过添加各种组件来完成。

但是如果在其他机械锁中，完成这些功能，需要加入额外的专用组件。

最终控制的准确性，对所有的锁来说准确性是最重要的，因为它是保证安全性的前提，如果精度不足够高的话，就很难得到适当的安全保障，单片机的准确性是比较不错的。

单片机为核心的控制方案不仅可以实现基本锁定功能，可以添加一些额外的功能。

通过比较以上两种方案，单片机方案有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能而且能在很大程度上扩展功能，而且还可以方便的对系统进行升级所以我们采用以单片机为核心的控制方案。

2.2系统总体设计

2.2.1系统功能描述

本系统是根据指纹采集，识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。

该系统使用一个搜索手指指纹模块，一旦搜索到手指，立即采集手指指纹图像，并且将所收集的图像以数据形式发送。

它利用人类指纹各向异性和不变性，为用户提供加密。

只需把你的手指平放在指纹采集仪的采集窗口上完成指纹采集，操作十分方便。

其主要功能是通过液晶显示屏显示出了各个过程和指纹对比结果。

采集指纹图像之前，指纹模块必须检测是否在传感器表面上出现手指，所以应该有这种指纹录入的功能。

简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将比对的数据显示在液晶屏幕上。

本系统拥有一次最多录入三个指纹的能力

该系统的主要功能有以下几个方面：

1．录入指纹：

系统预先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集用户指纹的特征信息。

2．合成指纹模板并存储：

通过光电转换后，将指纹特征值和对应的ID号存储到存储器中。

上位机只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置。

3．搜索指纹库比对指纹：

当有指纹录入时，模块会响应上位机指令搜索指纹库比对指纹，同时液晶显示比对结果，继电器动作、发光二极管亮。

2.2.2系统总体框架

系统的总体框架是指根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成一个完整的系统。

在系统的整体方案确定之前,先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。

通过查阅大量的文献资料、综合分析考虑。

主控芯片选用STC89C51单片机。

系统总体框图如图2-2所示

图2-2系统总体框架图

2.3本章小节

本章开头分别分析了采用数字电路控制和采用单片机控制的优缺点。

根据总体设计原则，最终确定本系统采用单片机控制的方案。

在采用单片机控制方案确定后，本章又给出了该系统的总体设计。

并简单的对系统功能进行了描述，最后给出了系统的总体框架图。

本章是本设计的前提，为接下来的工作打下了基础。

第三章系统硬件设计

系统的硬件电路设计主要是根据系统整体框图来具体的设计各个部分的电路，主要包括STC89C52单片机外围电路设计、指纹模块ZFM-60电路、ADC键盘电路、液晶FYD12864电路几部分。

3.1单片机及最小系统

3.1.1STC89C52单片机介绍

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

现在可以说单片机是百花齐放的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地【6】。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

【7】

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：

增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。

工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

用户应用程序空间为8K字节

片上集成512字节RAM

通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

具有EEPROM功能

具有看门狗功能

共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

PDIP封装

STC89C52RC单片机的工作模式

掉电模式：

典型功耗<0.1μA，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

空闲模式：

典型功耗2mA

正常工作模式：

典型功耗4mA～7mA

掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备

下图3-1为STC89C52RC引脚功能说明。

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，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可启动4个TTL负载。

P1口：

为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可启动4个TTL负载。

P2口：

为8位准双向I/O接口，当它作为I/O接口使用时，可直接连接外部I/O设备；在接有片外存储器或扩展I/O且寻址范围超过256字节时，P2口可用做高8位的地址总线。

P3口：

为8位准双向I/O接口，还可以将每一位用于第二功能，第二功能的定义见表3-1。

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：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

本设计的主程序主要由液晶显示、通讯子按键程序组成。

主程序的工作流程描述