黃慧靈，甘雙紅，李國(guó)治，唐詩(shī)程

（廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子工程學(xué)院，廣西 崇左 532200）

關(guān)鍵字：指紋密碼鎖、單片機(jī)、指紋識(shí)別

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和信息時(shí)代的不斷發(fā)展，人們的生活水平和物質(zhì)需求都有較大的提高，同時(shí)市場(chǎng)的五金鎖具行業(yè)也發(fā)展迅速。近年來(lái)，因?yàn)榧揖又悄艿钠占?，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖逐漸被新型智能鎖所取代，機(jī)械鎖鎖體材料差，開(kāi)啟門(mén)鎖的方式單一，安全性差，鑰匙非常容易丟失，隨身攜帶會(huì)給我們帶來(lái)諸多不便，而指紋密碼鎖主要利用單片機(jī)控制相應(yīng)的傳統(tǒng)機(jī)械部分來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，若輸入的指紋密碼錯(cuò)誤次數(shù)超過(guò)設(shè)計(jì)要求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)響起警報(bào)，解決了傳統(tǒng)鎖具的被動(dòng)防盜的缺點(diǎn)，增加了其使用的安全性和操作的便捷性。若要辨別一個(gè)人身份真?zhèn)涡裕畛Ｓ玫姆椒ň褪抢弥讣y識(shí)別，這種技術(shù)是將對(duì)象的指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)已有的指紋逐一比較實(shí)現(xiàn)的。歐美國(guó)家對(duì)這種新型鎖的使用率很高，該產(chǎn)品在出口市場(chǎng)上也一路走俏。如今，指紋識(shí)別作為熱門(mén)的人體生物特征學(xué)和身份識(shí)別應(yīng)用技術(shù)之一，其擁有市場(chǎng)的巨大需求，并且對(duì)國(guó)際、國(guó)內(nèi)安防產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生極大影響。指紋識(shí)別技術(shù)也被應(yīng)用于本設(shè)計(jì)的指紋密碼鎖中。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制芯片是以STC89C52單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)的，通過(guò)指紋和密碼兩種方式進(jìn)行開(kāi)鎖。初始化時(shí)，指紋識(shí)別電路和存儲(chǔ)電路對(duì)指紋進(jìn)行采集、處理、提取、有效存儲(chǔ)等步驟，最后才能將指紋成功錄入。在電源上電后，輸入的指紋會(huì)經(jīng)過(guò)指紋識(shí)別模塊對(duì)該指紋進(jìn)行比較，若與預(yù)先保存好的指紋數(shù)據(jù)相匹配，則繼電器控制開(kāi)關(guān)開(kāi)鎖，若指紋不匹配，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警。同樣地，也能利用4×4矩陣鍵盤(pán)設(shè)置密碼來(lái)開(kāi)鎖，當(dāng)指紋或者密碼開(kāi)鎖成功時(shí)，液晶顯示屏上會(huì)出現(xiàn)“開(kāi)鎖成功”的提醒字樣。此外，系統(tǒng)也能對(duì)指紋和密碼進(jìn)行修改和清除，還能錄入多個(gè)人的指紋。最后，本系統(tǒng)還由電源電路、報(bào)警電路、顯示電路等組成[1]。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 單片機(jī)選擇介紹

本設(shè)計(jì)選擇STC89C52是宏晶科技生產(chǎn)的一種高性能、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、多功能等優(yōu)點(diǎn)的CMOS8微控制器，且具有8K擦除閃存的單片機(jī)[2]。STC89C52的機(jī)械周期可以任意選擇，還具有EEPROM功能和看門(mén)狗的功能，其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash[3]。當(dāng)CPU停止工作，RAM、串口、中斷會(huì)繼續(xù)工作，并且有掉電保護(hù)功能，即使掉電，RAM內(nèi)容也會(huì)被保存下來(lái)。其在系統(tǒng)可編程，不需要專(zhuān)用編程器及專(zhuān)用仿真器，直接通過(guò)串口就能下載用戶(hù)程序。

1.1.2 指紋識(shí)別電路設(shè)計(jì)

指紋電路模塊是指紋鎖必不可少的部件，用來(lái)完成用戶(hù)指紋的采集和識(shí)別[4]。其識(shí)別的方法是利用專(zhuān)門(mén)的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備和圖像處理技術(shù)，搜集指紋、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、對(duì)比特征值來(lái)完成。該模塊設(shè)計(jì)選用型號(hào)為ZFM608指紋芯片，ZFM608屬于光學(xué)式指紋，光學(xué)類(lèi)型的指紋主要模塊是使用反射光線成像確實(shí)用戶(hù)指紋，該模塊已經(jīng)包含了算法芯片，其質(zhì)量穩(wěn)定、性能優(yōu)異。指紋識(shí)別電路與主控芯片通信是通過(guò)使用串口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和信號(hào)的輸出。指紋識(shí)別電路工作過(guò)程是將掃描的指紋進(jìn)行圖像處理，然后將CMOS采集得到的指紋進(jìn)行記錄，當(dāng)系統(tǒng)從掃描模式進(jìn)入識(shí)別模式后，系統(tǒng)就會(huì)向CMOS芯片發(fā)出指令，讓其采集后的指紋與Flash芯片中相應(yīng)的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，驗(yàn)證是否與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的指紋相匹配。其電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 ZFM608 電路圖

1.1.3 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的按鍵電路主要是對(duì)指紋密碼進(jìn)行修改和清除，除此之外還有指紋的采集、存儲(chǔ)，并且完成密碼開(kāi)鎖等功能。按鍵設(shè)計(jì)模塊采用矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，按鍵電路共有16個(gè)按鍵，分別有四個(gè)字母按鍵、數(shù)字按鍵及其兩個(gè)特殊符號(hào)按鍵。用戶(hù)在管理模式下輸入六位密碼，并按按鍵確定，才能將密碼存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，若用戶(hù)忘記密碼，可在管理頁(yè)面進(jìn)行修改，另外，也能用按鍵在管理界面修改和清除指紋。為防止按鍵系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程中干擾信號(hào)，通過(guò)添加延時(shí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的消抖。其電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 矩陣鍵盤(pán)電路圖

1.1.4 顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LCD12864液晶顯示屏，其能顯示中文、數(shù)字、圖形[5]。利用這個(gè)模塊的靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，能形成全中文人機(jī)交互圖形界面，其通訊方式有兩種：串行、并口，此電路使用串口通信模式，并將PSB接低電平。模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，可以將7～14引腳的數(shù)據(jù)I/O口懸空，來(lái)減少引腳的使用和減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)[6]。模塊外部接有一個(gè)可調(diào)節(jié)靈敏電阻，可對(duì)液晶顯示屏對(duì)比亮度進(jìn)行調(diào)整，背光源正端接5V，負(fù)端接一個(gè)電阻，為了起到保護(hù)電路的作用。其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 LCD12864 顯示屏電路圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)

指紋模塊的程序設(shè)計(jì)是通過(guò)單片機(jī)與指紋模塊間的串口方式執(zhí)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受這一指令來(lái)完成該程序的啟動(dòng)的。指紋識(shí)別程序主程序中只對(duì)液晶屏進(jìn)行寫(xiě)操作，首先串口初始化，然后經(jīng)過(guò)相關(guān)程序錄入一個(gè)指紋，采集兩次，生成一個(gè)指紋模板，獲取圖像并將生成的特征文件保存起來(lái)。在指紋識(shí)別子程序中，將讀到的指紋進(jìn)行比較，如果搜索到數(shù)據(jù)庫(kù)中存有的指紋序號(hào)，返回指紋序號(hào)，并成功搜索指紋序號(hào)。在驗(yàn)證過(guò)程中，如果驗(yàn)證成功則返回1，若不成功，再驗(yàn)證一次，兩次不成功，則返回失敗。

1.2.2 指紋對(duì)比程序設(shè)計(jì)

指紋對(duì)比是將指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字字符串，通過(guò)指紋對(duì)比程序，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)指紋的對(duì)比與匹配。指紋對(duì)比的整個(gè)過(guò)程是通過(guò)硬件系統(tǒng)完成指紋的粗對(duì)比，然后再根據(jù)粗對(duì)比結(jié)果由程序進(jìn)行細(xì)對(duì)比來(lái)判斷指紋是否匹配。當(dāng)用戶(hù)輸入指紋時(shí)，硬件模塊對(duì)指紋進(jìn)行掃描和讀寫(xiě)，并將讀寫(xiě)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)中的指紋對(duì)比程序會(huì)對(duì)指紋進(jìn)行采集和記錄，將此記錄的指紋和之前存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)，如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的數(shù)據(jù)與該數(shù)據(jù)匹配成功，則系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)鎖，當(dāng)該軟件在操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)指紋信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息不一致時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入警報(bào)模式。

1.2.3 開(kāi)鎖程序設(shè)計(jì)

當(dāng)開(kāi)鎖程序設(shè)計(jì)接收到密碼和指紋的正確信息，輸入開(kāi)鎖指令后，單片機(jī)通過(guò)一系列指令動(dòng)作，然后驅(qū)動(dòng)控制門(mén)鎖的開(kāi)啟，如果輸入密碼錯(cuò)誤三次后，就執(zhí)行報(bào)警程序。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

2 結(jié)論分析

指紋密碼鎖作為智能家居的先鋒，憑借著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)成為市場(chǎng)的新寵，其改變了傳統(tǒng)意義上的機(jī)械鎖單一開(kāi)門(mén)的缺點(diǎn)，是具有多種功能、安全性更高的一種科技產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)介紹了該系統(tǒng)利用單片機(jī)、指紋識(shí)別電路、鍵盤(pán)電路模塊、液晶顯示模塊等來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的。在研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上產(chǎn)品技術(shù)方面存在的問(wèn)題：指紋識(shí)別度有待提高，核心技術(shù)無(wú)法獨(dú)立，整和技術(shù)能力不夠等。經(jīng)過(guò)此次研究，讓我們對(duì)指紋密碼鎖設(shè)計(jì)有了更多的認(rèn)知，而在未來(lái)，指紋密碼鎖的技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，其發(fā)展一定值得信賴(lài)，指紋密碼鎖必然會(huì)對(duì)鎖具市場(chǎng)產(chǎn)生革命性的沖擊。