李龍，陳飛鳳，岳梅，張婧婧（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

現(xiàn)實(shí)生活中人們總是有各種鑰匙和門禁卡，一不小心就會(huì)忘記攜帶或丟失，從而造成了不必要的麻煩，影響人們正常的生活。國內(nèi)從2000年左右就開始了基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)的研究[1]，現(xiàn)如今5G通信技術(shù)的逐步成熟和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展為基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)提供了良好的平臺(tái)，使基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)得以推廣應(yīng)用。每個(gè)人的指紋特征都是惟一的，指紋的紋路、交叉點(diǎn)、斷點(diǎn)各不相同且具有穩(wěn)定性。對(duì)比市面上現(xiàn)有指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)[2]后，本項(xiàng)目利用了指紋唯一性的特征設(shè)計(jì)了一個(gè)基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)。系統(tǒng)先進(jìn)行指紋信息的采集、錄入和儲(chǔ)存，通過單片機(jī)將采集的用戶指紋與預(yù)先錄入的指紋對(duì)比來驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份?；谥讣y識(shí)別的門禁系統(tǒng)利用人體本身手指的指紋作為開門的鑰匙，根據(jù)輸入指紋是否特性匹配來判斷是否開門，它提高了門禁系統(tǒng)的安全性，也為用戶帶來了極大的便利和更加人性化的體驗(yàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

■1.1 功能描述

系統(tǒng)有兩種工作模式：（1）用戶訪問模式；（2）管理員模式。在用戶訪問模式下，用戶在使用本系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行指紋采集和錄入，指紋匹配成功后，在面板區(qū)域可顯示狀態(tài)的LED指示燈亮起，然后會(huì)聽見“嗒”的一聲，此時(shí)繼電器會(huì)模仿門禁把鎖打開。反之，非授權(quán)用戶按下手指，系統(tǒng)采集到指紋，指紋數(shù)據(jù)庫中沒有與之相匹配的指紋模板，則蜂鳴器報(bào)警，門禁不打開，未經(jīng)授權(quán)的用戶就不能進(jìn)入。在管理員模式下，可以進(jìn)行如指紋錄入、指紋刪除，緊急打開門禁和修改管理員登陸密碼之類的操作。

系統(tǒng)的開鎖方式有兩種：指紋開鎖和鍵盤開鎖。這兩種開鎖方式都可以打開門鎖，也可以設(shè)置鍵盤輸入正確和指紋識(shí)別都成功后系統(tǒng)再打開開鎖。

■1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STC89C52 最小單片機(jī)模塊、4×4 矩陣按鍵模塊、AS608 指紋模塊、LCD12864 液晶顯示模塊、系統(tǒng)供電模塊、AT24C02 芯片儲(chǔ)存模塊、繼電器模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊 8個(gè)模塊構(gòu)成。STC89C52單片機(jī)是系統(tǒng)的控制核心，它協(xié)同調(diào)用各個(gè)功能模塊，從而達(dá)到控制整個(gè)門禁系統(tǒng)正常工作的目的。指紋模塊和鍵盤模塊之間通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和接收，并在液晶顯示器的提示下進(jìn)行用戶操作，從而達(dá)到打開門禁系統(tǒng)的目的。在系統(tǒng)硬件中，指紋模塊主要用于人體指紋的收集、錄入和識(shí)別；24C02 芯片儲(chǔ)存模塊用于密碼的儲(chǔ)存；LCD12864 主要用來用戶操作顯示和提示功能；4×4 矩陣按鍵用來實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能指令的操作和發(fā)送。系統(tǒng)仿真電路圖如圖2所示。

■2.1 STC89C52單片機(jī)模塊

系統(tǒng)采用了STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，它協(xié)同調(diào)用各個(gè)功能模塊，從而達(dá)到控制整個(gè)門禁系統(tǒng)正常工作的目的。STC89C52是一款低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)。它具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，看門狗定時(shí)器。

圖2 指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)電路原理圖

■2.2 4×4矩陣按鍵模塊

本系統(tǒng)的按鍵外觀設(shè)計(jì)如圖3所示。該系統(tǒng)功能鍵盤，從下往上的10個(gè)數(shù)字按鍵用于密碼輸入或者是其它系統(tǒng)選項(xiàng)卡的選擇；“＊”號(hào)鍵則是“返回”功能；“#”號(hào)鍵代表“確認(rèn)”功能；“A”則是在初始界面時(shí)，按下此按鍵，可訪問“管理員界面”。

圖3 4×4按鍵功能示意圖

該4×4矩陣按鍵鍵盤的接線如圖2所示。單片機(jī)的“P1.4-1.7”IO口，采用4條并列的行線進(jìn)行連接，4條并列的列線則接在“P1.0-1.3”IO口上，這樣就增加了單片機(jī)IO口的利用率。單片機(jī)根據(jù)每個(gè)鍵盤開關(guān)高低電平的變化來判斷按鍵是否按下。

■2.3 LCD12864 液晶顯示模塊

液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其它顯示方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示各種圖形、曲線、及漢字，并且可實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍、文本特征顯示等功能。本系統(tǒng)采用了LCD12864 液晶顯示器作為人機(jī)交互界面，其接線如圖2 所示。

■2.4 AT24C02芯片儲(chǔ)存模塊

系統(tǒng)采用了AT24C02 芯片實(shí)現(xiàn)密碼存儲(chǔ)，如圖2所示。AT24C02是一個(gè)2K位串行CMOS EEPROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，CATALYST公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02有一個(gè)8字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC總線接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。AT24C02是運(yùn)用IIC總線技術(shù)的非易失性 EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備，可以在上次運(yùn)行后的下一次運(yùn)行中調(diào)用的芯片。其工作電壓為 1.8-6V。

■2.5 AS608 指紋模塊

系統(tǒng)的指紋模塊采用了ALIENTEK 發(fā)布的高性能光學(xué)指紋識(shí)別芯片AS608，主要實(shí)現(xiàn)用戶指紋的錄入和識(shí)別。該芯片具有內(nèi)置的指紋識(shí)別算法，可以更快更有效地識(shí)別指紋。

AS608實(shí)物圖如圖4所示。

■2.6 繼電器模塊

系統(tǒng)選用了繼電器來模擬門禁開鎖狀態(tài)，可更加直觀的觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。繼電器模擬門禁開鎖電路如圖2所示。

圖4 AS608實(shí)物圖

■2.7 蜂鳴器報(bào)警模塊

本系統(tǒng)采用了蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)用戶的指紋信息匹配失敗時(shí)，系統(tǒng)會(huì)禁止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問，蜂鳴器鳴響發(fā)出警報(bào)。蜂鳴器報(bào)警電路如圖2所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 系統(tǒng)調(diào)試實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件編程環(huán)境采用KeilC51編譯器集成開發(fā)環(huán)境μVision4作為C語言的開發(fā)環(huán)境。軟件程序開發(fā)采用了自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)，即分別編寫指紋識(shí)別模塊程序、按鍵程序和LCD12864 液晶顯示程序。

在單片機(jī)上電之后，主程序即開始初始化，同時(shí)進(jìn)行鍵盤按鍵檢測(cè)和 LCD 初始化工作，檢測(cè)到按下的按鍵后再調(diào)用其它子程序。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將源程序編譯、下載好之后，開始調(diào)試系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和可靠性。系統(tǒng)調(diào)試畫面如圖6所示。

經(jīng)簡單調(diào)試后，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)基本功能，且系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定。該指紋識(shí)別門禁系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了指紋錄入、指紋識(shí)別、指紋刪除、指紋開鎖、鍵盤開鎖、LCD顯示、非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)報(bào)警等功能。本系統(tǒng)相對(duì)于其他生物識(shí)別的門禁設(shè)計(jì)來說，成本較低、功耗較低、操作簡單便捷。本系統(tǒng)后繼也可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展功能有：可在系統(tǒng)中增添“訪問日志”功能來管理訪客人員。