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怎样去设计一种基于单片机的指纹识别电子密码锁

指纹识别的原理是什么？
怎样去设计基于单片机的指纹识别电子密码锁的硬件电路？
怎样去设计基于单片机的指纹识别电子密码锁的软件部分？

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望艳妮

2021-9-18 15:37:38
1.1 指纹识别简介
1.1.1 指纹识别原理
指纹识别技术的原理和其它生物识别技术的原理相似。它是利用人体的指纹特征对个体身份进行区分和鉴定。在所有的生物识别技术中指纹识别技术是目前最为成熟，也被应用最广的生物识别技术。这主要因为指纹采用的过程对人们来讲非常简单，指纹识别的准确率高的原因。严格来讲，指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图案。
由于指纹的嵴和峪的几何特征不同，主要表现为嵴是突起的，峪是凹下的，所以在接触到光线时，其反射光的强度也就不同。在接触到平面时，其在平面上形成的压力也就不同。另一方面，由于指纹的嵴和峪的生理特征不同，主要表现为：嵴和峪的温度不同，其导电性也不同，其对波长的反馈也就不同。通过这些几何的、生理的特性的不同，把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。
指纹特征分析的原理是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的原理。其分析的对象包括纹形特征和特征点的分布、类型，以及一组或多组特征点之间的平面几何关系。特征点的平面几何关系表现为某个特征点之间的距离等，或者某三个或更多特征点之间组成的多边形的几何特性。不论是特征点的单体特征，还是特征点的组合特征都是指纹特征的组成部分。把这些指纹特征用数字模板的形式表示出来，就实现了一个指纹特征分析的过程。把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。
指纹特征值匹配原理是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对匹配。匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的。匹配运算不是对两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配。
1.1.2 指纹识别应用
指纹识别技术是最早的通过计算机实现的身份识别手段，它是应用最为广泛的生物特征识别技术。过去，它主要应用于刑侦系统。近几年来，它逐渐走向市场更为广泛的民用市场。指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，指纹考勤机、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹投票、指纹保护电脑、等等生活中和工作中的新现象已广为人知，其应用相当广泛，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。指纹识别技术是目前国际公认的应用广泛、价格低廉、易用性高的生物认证技术。指纹只是人体皮肤的小部分，但是它却蕴涵了大量的信息。这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作“特征”。医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和永久性。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的真实身份。
1.1.3 指纹识别技术的发展
在经历了近 10 年缓慢的自然增长后，指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展的黄金时期。专家们保守估计，未来 5 年，我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。较小的公司将面临新进入的传统行业大公司的无情竞争。在这些巨无霸面前，现有中小公司很难说有太大的竞争力，行业重新洗牌不可避免，合并与退出可能会成为大部分中小公司的无奈选择。最终可能形成传统行业的公司或大资本在较短时间内主导生物特征识别行业的局面。这也是每一个新兴市场的必然结果。而竞争的结果将会形成一个新兴的大产业。
国内生物识别技术的应用主要集中在企业级应用上，在 2002年总体约为2.5亿元人民币的终端市场中，超过 40%的产品都用于考勤、门禁系统之中。自2002年以来整个生物识别市场中指纹识别占据了超过 98%的份额，从需求看，中国 13 亿人口决定了中国将是未来全球最大的指纹识别认证技术市场。
1.2 系统设计的目的
现代社会越来越需要高效可靠的身份识别系统。传统的个人身份鉴别手段如口令、密码、身份-甚至磁卡、IC 卡等识别卡方式。由于其与身份人的可分离性，可假冒、可伪造、可盗用、可破译，已不能完全满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。从消除人为不安全因素看，只有不易被他人代替、仿制、甚至其本人也无法转让的身份误码别凭证才能胜任。因此，基于人体生理特征的身份识别系统逐渐为社会所瞩目。随着识别技术的不断成熟，随着计算机技术的飞速发展，各种基于人体生理特征的身份识别系统如：指纹、手掌、声音、视网膜、瞳孔、面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来，由小型机落户微机，走向民用。而从易用性、安全性、成熟性和造价等方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人体生理特征身份识别技术的主流之一，指纹自动识别技术开创了个人身份鉴别的新时代，将来我们生活的很多场 合都要用到指纹，指纹使我们的生活更方便、安全。
1.3 课题背景
指纹检测可以良好的判断和定义一个人的真实生物身份，从而降低社会活动中的信任成本。从根本上改变经济和社会交往模式，提高效率。未来社会利用生物识别技术的场合将会越来越多，指纹识别技术日趋完善，指纹检测变得越发重要。本次设计指纹识别电子密码锁是基于深圳指昂科技有限公司生产的ZAZ-010指纹模块，可以根据串口通信协议与上位机实现通信，从而实现指纹的录入、存储、比对，并通过HS12864-15C液晶显示出指纹采集存储的过程和比对的结果。指纹电子密码锁安全可靠，使用方便。
2 整体设计方案
2.1 系统总体设计
2.1.1 系统功能描述
本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送出去。它利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。主要功能就是用液晶显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果。采集指纹图像之前，指纹模块必须要检测手指是否放在采集窗口上，所以就要有录入指纹这一项功能。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。
2.1.2 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Atmeg16单片机。系统总体框图如图2-1所示：

系统主要由MCU、液晶屏、指纹模块组成。 系统的工作方式主要是，当检测到有按键按下时先由MCU通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储、比对。然后，根据所得的数据对其它接口器件，如液晶屏、继电器进行响应操作。
2.2 系统核心部件单片机
2.2.1 单片机的选择
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。
2.3 液晶显示模块
显示模块采用HS12864-15C系列中文图形系列液晶模块。由控制器ST7920控制与驱动。
2.3.1 HS12864-15C系列液晶的特点
HS12864-15系列硬件特性如下：
。提供8位，4位并行接口及传行接口可选
。自动电源启动复位功能
。内部自建振荡源
.6416位字符显示RAM（DDRAM最多16字符4行）
.2M位中文字型ROM（CGROM），总共8192个中文字型
HS12864-15系列软件特性如下：
。文字与图形混合显示功能
。画面清除功能
。光标归位功能
。显示开/关功能
。反白显示功能
。垂直画面旋转功能
。休眠模式
2.4.3 电源模块
电源模块可以直接提供正5V的直流电压，但是由于在一些工业环境中并不提供直流电源，而都是交流电源，为确保其实用性，在电源这一部分，提供了整流稳压电路，可以把交流电压变成5V的电压，为整个电路板提供电源。
从图2-6可以看出，当开关按下时，电路接通，先通过一个整流电路，使交流电压变成直流电压。为了保证其输出的电压是5V，在后面接一个稳压电路，由一个7805稳压器和一个发光二极管组成，发光二极管作为电源导通的指示灯。当电源导通时二极管发光。其中电容C1起滤波作用，电容C2是抑制高平信号。电容C3， C4直接接地，起到抗干扰的作用，能使电压稳定在5V。有了电源模块避免了因没有直流电源而无法使用的问题，使这个仪表能够在更多的环境中使用。电源模块电路图如图2-6所示：

3 系统软件的设计
3.1 系统程序工作分析
在本文的电路板中，单片机是作为控制器嵌入到系统中。应用程序的开发主要分为两大部分，即对ZAZ-010指纹识别模块的的应用程序开发以及对HS12864液晶、按键程序的开发。因此，要实现其应用，需要对其进行联合调试。电路软件应用开发根据所设计的硬件。程序开发的方式将主要建立一系列的C语言函数子程序供主程序的随时调用。即对ZAZ-010指纹识别模块或液晶电路分别编制C语言函数子程序。因此，需要有专门的开发工具。本设计中，采用AVRStudio4.0单片机软件开发环境对单片机进行编程，由于该编译器支持模块化程序设计，因此可以先将源程序划分为几个模块分别编写，然后再由编译器生成一个最终文件。 该开发环境可以对程序进行软件仿真调试，因此可以方便地进行程序的编写和调试。调试通过的代码文件通过开发板下载到单片机。单片机在上电后，主程序应该完成相应的初始化工作。依据电路的功能要求，主程序必须对液晶初始化、同时对按键进行检测，如果有对应的按键按下。执行相应的操作，单片机通过串行接口对指纹模块进行读写。
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