指纹门禁系统管理系统设计.docx
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指纹门禁系统管理系统设计
南京工程学院
自动化学院
本科毕业设计（论文）
题目：
指纹门禁系统管理系统设计
专业：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
起迄日期：
设计地点：
GraduationDesign（Thesis）
Fingerprintdoorsystemmanagementsystemdesign
By
Supervisedby
SchoolofAutomation
NanjingInstituteofTechnology
July,2010
摘要
如今保险箱已经进入了各行各业，大量用于银行、宾馆、家庭等场合，而门锁是决定保险箱安全系数的最重要的因素。
随着科技的进步，指纹识别技术己经开始走入了我们的日常生活之中。
由于指纹具有唯一性和不变性，因此将指纹识别的应用，将大大提高安全性和可靠性。
指纹门禁系统硬件主要由指纹识别模块、微控器、液晶显示器、键盘、指纹识别模块的电源管理、存储器、日历/时钟芯片、电压检测、电控锁等部分组成。
软件主要由与指纹识别模块的通讯程序模块、指纹识别模块返回代码识别程序模块、开门模块程序模块、关门程序模块、显示程序模块、键盘识别程序模块、按I2C总线协议对时钟芯片和串行E2PROM的读/写程序模块等模块组成。
在本次指纹门禁系统管理系统的开发过程中，重点开发了门禁控制器中央模块及接口硬件设计，以及在AT89C52上对指纹模块SM-60的软件驱动子系统的开发工作，实现了相应的软硬件功能。
综上所述，论文开发了一套集多种功能于一体的门禁系统，可用于小区或楼宇的智能化工程。
该系统的开发为楼宇或小区的科学管理，以及建设适宜人居环境具有一定积极意义。
关键词:
指纹门禁;单片机;I2C总线;AT89C52
ABSTRACT
Nowsafealreadyenteredtheprofessions,forBanks,hotels,families,etcandlocksaresafesafetycoefficientofthemostimportantfactors.Withtheprogressofscienceandtechnology,fingerprintidentificationtechnologyhasstartedtoourdailylife.Because,sowillthefingerprintidentificationofapplication,willgreatlyimprovethesafetyandreliability.
Fingerprintdoorsystemhardwareconsistsmainlyoffingerprintmodule,microcontroldevice,LCDmonitorandkeyboard,fingerprintmodulepowermanagement,memory,andcalendar/clockchip,voltagedetection,electroniclockcomponents.Softwarewithfingerprintmodulemainlybythecommunicationprogrammodules,fingerprintmodulereturncodeidentificationproceduresmodule,openandcloseprogrammodulesmodule,displaymoduleprogrammodules,keyboardkeysnumberidentificationprocedures,accordingtothemoduleofI2CbusprotocolsandserialE2PROMchipsclocktheread/writeprogrammodulemodules.
Inthefingerprintdoorsystemmanagementsysteminthedevelopmentprocess,thekeydevelopmentthecentraldoorcontrollerinterfacemoduleandhardwaredesign,aswellasonfingerprintmoduleinAT89C52SM-60softwaredevelopmentworkdrivingsubsystem,thecorrespondingsoftwareandhardwarefunction.
Tosumup,thispaperdevelopedasetoffunctionsinoneoftheentranceguardsystem,canbeusedforresidentialbuildingintelligenceengineeringor.Thissystemdevelopmentforbuildingorresidentialconstructionofscientificmanagement,andsuitableforlivingenvironmenthascertainpositivesignificance.
Keywords:
fingerprintdoor;microcontroller;AT89C52;I2Cbus
附件毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1引言
智能门禁系统是一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和现代安全管理措施为主体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通讯技术、生物技术等诸多新技术。
门禁系统通过在建筑物内的主要管理区、出人口、电梯厅、设备控制中心机房、贵重物品的库房等重要部门的通道口安装门磁、电控锁或控制器、读卡器等控制装置，由计算机或管理人员在中心控制室监控，能够对各通道口的位盆、通行对象及通行时间、方向等进行实时控制或设定程序控泪，从而实现对出人口的控制。
门禁系统常规由门禁控制器、门禁读卡器、卡片、电控锁、门禁软件、电源和相关门禁应用设备几部分组成。
门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，目前，国内外研制和使用的门禁系统主要集中在感应门禁系统和生物识别门禁系统。
在生物识别门禁系统中又以指纹门禁系统应用最为广泛。
本文主要研究的是一种利用指纹识别的智能门禁系统，既可以单独使用也可以联网应用。
1.2研究背景及意义
社会治安仍是当今社会面临的一个重大问题，如何应用高科技手段提高安全防范措施，更有效地阻止犯罪行为的发生是科技工作者义不容辞的责任。
目前的形势下，对于普通居民小区，仅仅依靠普通的门锁、防盗门或者报警等系统来保证居民住宅的安全是不够的，如果能够安装一套适合于单个家庭的简易智能门禁系统，将会有效地保护住宅的安全，并在案发后提高破案率。
随着科技的进步，指纹识别技术己经开始走入了我们的日常生活之中。
指纹识别是自动识别技术中应用最为广泛的一种应用。
自动识别技术是将信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。
指纹产品基础构件包括：
指纹传感器（指纹Sensor）、指纹传感器驱动程序（Driver）、指纹传感器底层接口程序（底层SDK）以及指纹算法程序。
指纹识别技术主要涉及四个功能:
读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。
应用系统利用指纹识别技术可以分为两类，即“验证”和“辨识”。
验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对，来确认身份的过程。
作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。
指纹以一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识联系起来。
随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。
验证其实是回答了这样一个问题:
“他是他自称的这个人吗?
”这是应用系统中使用得较多的方法。
有效的指纹识别系统不仅仅依赖于辨识算法，还包括注册和辨识过程，速度和工作学、用户信息的反馈、排斥欺骗和安全考虑。
为了得到较好的识别率，重要的是在注册时尽量获得最好的指纹图像。
一个较好的指纹识别系统应要求用户的指纹在登记指纹时多次获取指纹，然后，把最好的指纹或每次获得的指纹的综合的结果作为注册的指纹。
所以可以看出指纹具有唯一性和不变性，因此指纹识别的应用于门禁系统，将大大提高门禁系统的安全性和可靠性。
1.3本文的结构
本文以指纹门禁管理系统的研发工程项目作为应用背景，对指纹门禁系统管理系统技术进行了研究。
全文共分为四章，各章的主要内容如下：
第一章扼要地介绍了指纹识别、指纹应用系统的相关知识和概念，阐述了此次设计的相关研究背景和意义；
第二章研究了指纹门禁系统管理系统的硬件设计；
第三章对指纹门禁系统管理系统的软件进行了研究，给出了指纹门禁系统管理系统的软件设计方案；
第四章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。
第二章系统硬件设计
2.1系统的硬件结构[4]
2.1.1系统硬件设计综述
本次设计系统的硬件部分主要包括指纹识别模块、微控器、液晶显示器、键盘、指纹识别模块的电源管理、存储器、日历/时钟芯片、电控锁。
指纹识别模块主要完成指纹的采集、识别，指纹特征信息的存储、删除等操作。
微控器作为系统的上位机，控制整个系统，对各个部分发出指令和控制。
液晶显示器显示时间和提示操作信息以及显示开门记录。
和键盘一起组成人机交互界面
由于该门禁系统使用频率不高，大部分时间处于待机状态，也就是说指纹识别模块不必一直处于使用状态，并且指纹识别模块动态、静态电流都很高，所以必须对指纹识别模块的电源进行管理，在需要采集指纹、比对指纹、存储指纹特征信息、删除指纹特征信息等操作时才一给指纹识别模块供电。
开门记录和密码存储在E2PROM里。
显示的日期和时间来自日历/时钟芯片。
指纹比对通过后，微控器给一个控制信号控制门的开/关。
本次设计指纹门禁系统的硬件结构如图2.1所示：
图2.1系统硬件结构图
2.1.2硬件系统元器件概述[5]
指纹门禁系统的硬件部分主要包括指纹识别模块、微控器、液晶显示器、键盘、指纹识别模块的电源管理、存储器、日历/时钟芯片、电压检测、电控锁。
微控器选用单片机AT89C52，它是是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和DSPFlash存储单元，功能强大，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
指纹识别模块选用SM-60系列，SM-60系列光学头指纹识别模块是杭州中正公司2003年推出的最新产品。
SM-60系列模块采用光学指纹传感器，由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。
并具有自主知识产权；指纹适应性强；价格低廉；算法性能优异；不同应用环境转换灵活；简单易用方便扩充；低功耗；以及灵活设置安全等级等诸多优点。
SM-60系列模块应用广泛，适合从低端到高端的所有指纹识别系统。
简单的保险柜（箱）、门锁；较复杂的门禁系统；指纹IC卡识别终端机；与PC联机的指纹识别及认证系统中都得到了广泛的应用。
液晶显示器选用长沙太阳人电子有限公司的SMC1601A液晶显示模块。
SMC1601A是标准西文字符型液晶显示模块，显示16*1个字符。
键盘为4*4矩阵键盘。
指纹识别模块的电源管理由MAX603来管理。
MAX603是可关断/复位，低失稳电压、低静态电流的线性稳压器，输出5V，或可调电压，最大输出电流500mA,5V输出时典型失稳电压320mV（500mA输出电流），静态电流典型值15uA，最大值35uA。
关断方式的静态电流只有2uA。
MAX603来稳压5V给指纹识别独立模块SM-60供电，同时控制指纹识别独立模块SM-60的电源。
存储器用来存储密码和开门纪录的ID号及时间，并要求在断电的情况下，数据不能丢失，所以，要用到电擦除可编程只读存储器E2PROM。
串行E2PROM选用CATALYST公司的CAT24WC02，CAT24WC02是一个2K位的串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节。
该器件通过I2C总线接口进行操作。
日历/时钟芯片选用PHILIPS公司的PCF8563。
PCF8563是一款低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。
最大总线速度为400Kb/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动增加。
因此，该器件和CAT24WCO2都挂在I2C总线上。
电压检测器件选用HOLTEK公司的HT7050。
HT7050是HT70XX系列中检测电压为5V的三端口低电压检测器。
HT70XX系列是采用COMS技术实现的三端口低电压检测器，检测器由4部分组成:
高精度低功耗的标准电压源、比较器、滞后电路、输出驱动。
电控锁由直流电机、控制直流电机正反转的电路和减速机构构成，实现控制锁杆的伸出和收回两个动作，从而达到控制门的开关。
2.2主控芯片硬件设计
2.2.1AT89C52介绍[4]
AT89C52是51单片机系列的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.2.2主要功能特性
·兼容MCS51指令系统
·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
·32个双向I/O口
·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断
·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断
·可编程UART串行通道
·2个外部中断源
·共6个中断源
·2个读写中断口线
·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式
·软件设置睡眠和唤醒功能
2.2.3管脚说明
AT89C52如下图2.2所示：
图2.2AT89C52管脚图
1）P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
2）P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
3）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
4）P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5）RST复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
6）ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
7）PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
8）EA/VPP外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。
9）XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
10）XTAL2振荡器反相放大器的输出端。
11）VDD电源+5V。
12）VSSGND接地。
13）特殊功能寄存器如表2-3所示：
表2-3特殊功能寄存器表
引脚号
第二功能
P3.0
RXD
P3.1
TXD
P3.2
外部中断0
P3.3
外部中断0
P3.4
T0
P3.5
T1
P3.6
P3.7
2.2.4主控芯片模块设计[10]
AT89C52作为此次门禁系统开发的处理器的核心部件是非常重要的，通过图2.4可知：
通过键盘，读卡器模块的连接完成对其输入的功能，而LCD显示器以及指纹识别模块的连接则完成了AT89C52处理后的信息输出的功能，来完成系统的输入以及输出的功能。
图2.4系统硬件功能示意图
本次系统中，P1.0-P1.7完成与键盘的4*4的按键来识别并确认键盘的信号；P0.0-P0.7和P2.5-P2.7作为LCD液晶显示器模块的控制及显示；P3.0-P3.1用于指纹识别模块；P2.0-P2.3则对应开关门控制。
P3.5-P3.6对应时钟/日历芯片。
2.3指纹识别模块的硬件设计[6]
2.3.1指纹识别模块
SM-60系列光学头指纹识别模块是杭州中正公司的产品。
由高性能DSP处理器和FLASH等芯片构成，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等项功能。
指纹适应性强；价格低廉；算法性能优异；转换灵活；简单易用方便扩充；低功耗；以及灵活设置安全等级等诸多优点。
1、SM-60技术参数如表2-5所示：
表2-5SM-60技术参数表
2、SM-60工作方式:
根据不同开发任务和应用要求，模块分为“独立”和“命令”两种工作模式。
1）独立工作模式
模块不需要PC机或上位机的控制，自己就能完成指纹录入，生成模板，模板存储，指纹比对，指纹搜索等功能。
2）命令工作模式
模块在PC机或上位机的控制下，通过各种指令的组合实现更复杂，更具个性化的功。
这两种工作模式的设定是通过主板上的一组拨码开关来实现的。
拨码开关:
拨码开关S1有两个作用:
其一，设定命令工作模式;其二，在设定独立工作模式状态前提下，通过位置的不同组合，指使模块进行指纹登录、删除、搜索等处理。
开关“ON”代表逻辑“0"。
拨码开关功能表如表2-6所示：
表2-6拨码开关功能表
Pin2
Pin1
所设定的工作模式
开关功能
1
1
命令工作模式
设定命令工作模式
0
0
独立工作模式
删除指纹
0
1
独立工作模式
登陆指纹
1
0
独立工作模式
指纹搜索
2.3.2电平信号转换
EIA与TTL转换:
EIA是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用集成电路转换器件，如MC1488,SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489,SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL---EIA向电平转换。
MAXIM公司生产的芯片MAX232，是一个低功耗、5V供电、双路的TTL电平与RS-232电平转换芯片，因为他外围器件少，应用电路简单，功耗低，所以选用它进行电平转换。
在此使用的集成电平转换芯片MAX232为RS-232C/TTL电平转换芯片。
它只使用单+5V为其工作，配接4个电解电容即可完成RS-232电平与TTL电平之间的转换。
MAX232管脚图及内部电路如图2.7所示：
图2.7MAX232管脚图及内部电路图
2.3.3稳压器[13]
从上面可知，指纹识别独立模块SM-60工作电压为5V、200mv，电流为200mA、但是该系统是电池供电，电压随着电池的消耗会下降，并且指纹识别独立模块SM-60的静态（或空闲）电流太大，不能长时间处于空闲状态，必须在不使用的时候将其关断，所以，给指纹识别独立模块供电的电源要求稳压和可关断。
低压差线性稳压器MAX603作为稳压器，具有低的降落电压和电源电流（与输出电流无关），它比通常的双极型稳压器有更宽的工作范围。
它的输入电压范围为2.7V至11.5V，稳压输出电压5V，输出电流500mA时压降为320mV，稳压器的输出电压有折返电流限制和热过载线路保护，静态电流典型值15uA，最大值35uA，MAX603对电池的消耗非常低。
这种低压差线性稳压器在轻负载时具有节省电池的特性，在重负载时仍能提供低的降落电压。
其主要性能:
1）双模式工作，固定或1.25V至11V可调输出
2）7V至11.5V大输入电压范围
3）最大输出电流500mA
4）
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