一個指紋密碼鎖的設計與實現?

李友勝

（寶雞文理學院機械工程學院 寶雞 721016）

1 引言

指紋是人類皮膚上一種特殊的紋路結構，而這些結構的形成完全依賴于胚胎細胞的發育［1～2］。每一個胚胎因為其基因的重組是不盡相同的，所以，每個指紋也有著其特殊的紋理結構。

現代電子集成制造技術對于本系統的實現起了很大的作用［3～4］，可在一個微小的單片機上存儲很多個指紋信息，體現其便捷性。利用指紋圖像讀取設備，可以獲取任何一個指紋信息，而數據庫可以準確地存儲這些信息，在單片機上進行兩個指紋的比對和運算，所以基于單片機的指紋識別技術有著很強的可行性［5～6］。

1.1 指紋識別原理

手指表面皮膚凹凸不平而產生的紋路就是指紋［7～8］，而紋路可以用結構特征來描述。

通常采用的結構特征有2種，如圖1所示。

圖1 指紋基本紋路圖案

1）全局特征:分為:環形、弓形、螺旋形。

2）局部特征:利用指紋中最常見的斷點和分叉來建立坐標，結合其他一些特征表示指紋。如圖2中的小橋、三角點、分叉點、端點和環。

指紋識別原理［9～10］:是對指紋進行“照相”，生成指紋特征，如圖3 所示就是一個指紋模板，錄入兩次這樣的指紋特征就能生成一個指紋模板［11～12］。

其工作過程是:掃描指紋（錄入圖像）、生成特征、合成模板［13～14］（建立一個指紋庫文件，成功錄入一個指紋）。

圖2 指紋圖像

圖3 指紋模板

1.2 系統功能結構圖

該系統由四個功能模塊構成，即LCD12864、單片機［15］、指紋模塊、繼電器和指示燈模塊。其功能結構如圖4所示。

圖4 系統功能結構圖

管理員進入系統后，在管理員模式下可以完成錄入指紋、刪除指紋、應急開鎖和修改密碼的功能。

管理員進入錄入指紋模式后，指紋模塊綠燈亮起，錄入同一手指兩次，此時液晶顯示“指紋采集成功”；在刪除指紋模式下，液晶顯示“輸入刪去的指紋號”，輸入后按確認鍵即可完成指定指紋的刪除功能，同時液晶顯示“刪除指紋號成功”。在非正常的情況下，如指紋模塊不好用或者緊急情況下，可以使用緊急開鎖功能；密碼修改的功能是指可以修改并保存進入管理員的6位密碼。

2 系統硬件設計

該系統硬件部分由四個模塊組成:按鍵模塊、顯示模塊、單片機控制模塊、指紋模塊。

2.1 指紋模塊電路設計

指紋模塊電路如圖5 所示:將指紋模塊里面的CMOS芯片采集一次指紋信息，然后處理生成0和1兩種記錄信息，存入指紋模塊的FLASH芯片里面。

當切換到識別模式時，指紋模塊首先采集一次指紋，然后和FLASH 芯片的數據進行對比，如果存在，則返回是幾號指紋。

圖5 指紋模塊接口圖

2.2 液晶顯示的電路

本系統采用LCD12864 液晶顯示器，是一種功耗極低的顯示器件，廣泛應用于便攜式電子產品中，具有低功耗、顯示信息量大、易于彩色化等特點。其電路如圖6所示。

圖6 LCD12864電路

2.3 按鍵控制電路

如果按鍵上為高電平，則表示斷開，否則表示閉合。為了防止信號的干擾，加入消除電平，確保CPU 對一次按鍵動作只確認一次，圖7 為按鍵電路，按鍵按下是呈低電平，采用軟件消抖減少對的單片機影響。

圖7 按鍵電路

2.4 復位電路

復位電路［16］由按鍵復位和上電復位兩部分組成。本系統采用的復位電路如圖8 所示。單片機在上電瞬間，RC 電路充電，RST 引腳端出現正脈沖，如果RST 端保持兩個機器周期以上的高電平，單片機就會復位。

圖8 復位電路

3 系統軟件的設計

本系統采用Keil 開發軟件對單片機程序進行編寫、仿真調試，隨后將代碼文件通過開發板下載到單片機中，系統在通電之后，單片機中的主程序完成各個模塊的初始化工作，同時檢測對各個按鍵是否有按鍵動作，有則執行相關的程序。

3.1 主程序流程圖

主程序首先對各個模塊進行初始化，掃描有無按鍵動作，若有，先判斷是哪個按鍵，并判斷是否執行相應子程序。其主程序執行流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 按鍵流程圖

按鍵模塊實現其功能時，其流程如圖10所示。

3.3 LCD顯示流程圖

LCD顯示模塊主要顯示對比結果，方便用戶更直觀的獲取信息。圖11為顯示模塊的流程圖。

圖10 按鍵流程圖

圖11 顯示模塊流程圖

3.4 指紋模塊的通信流程圖

指紋模塊的串口通信中，數據的發送和接收流程圖如圖12所示。

圖12 串口通信數據發送、接收流程圖

4 系統的功能實現

4.1 程序的燒寫

STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，主要用于對單片機程序的燒錄，圖13 為軟件工作界面。

圖13 STC-ISP工作界面

調試通過的代碼文件通過STC_ISP_V480下載到單片機。STC_ISP_V480使用步驟為:

1）打開 STC-ISP 軟件，然后在 MCU Type 欄目下選中STC89C52RC。

2）選中COM端口，波特率選擇9600。

3）點擊“打開文件”并在對話框內找到要下載的HEX文件。

4）點擊download/下載，根據提示給單片機上電，完成程序燒寫。

4.2 液晶顯示屏的實現

導入12864 液晶的測試程序，設備通電后，通過調節液晶屏背面的電位器，在調試液晶時要注意:程序是否對液晶屏初始化，調整標準初始化步驟，或調整指令之間的延時。在經調試后液晶的顯示結果如圖14所示。

圖14 液晶顯示屏

4.3 指紋模塊、按鍵的實現

導入程序后，測試指紋模塊及按鍵是否工作，操作步驟為

1）按下電源，電源指示燈點亮；

2）按“*”鍵后屏幕顯示“請按指紋”，指紋模塊亮，將手指放到指紋頭處即可識別指紋；

3）若錄入指紋，指紋識別成功則繼電器工作，LED燈亮，門開鎖，按任意鍵返回初始界面，等待下一個人掃描指紋。若錄入指紋后，指紋識別不成功，繼電器沒有動作，LED 燈不亮，將不能開鎖，按任意鍵返回初始界面，繼續掃描指紋。

4）按下 A 按鍵，輸入 6 位密碼，按下 B 按鍵，可刪除輸入的數字，按下D 按鍵確認，密碼輸入正確后，可進入管理員模式。

5）在管理員模式下，按數字鍵“1”進入錄入指紋模式，指紋頭燈亮起，此時可把手指放到指紋頭進行指紋的錄入，錄入指紋時需要錄入2 次指紋完成這個指紋的錄入存儲，指紋錄入成功后，按任意鍵返回到管理員界面，如需再錄入指紋重復上面操作即可。

6）按數字鍵“2”進入刪除指紋模式，輸入要刪除指定的指紋號按“D”鍵確認，若指紋號輸入錯誤可按“B”鍵撤銷，再重新輸入要刪除的指紋號即可。

7）在非正常情況下（指紋模塊不能識別或緊急情況）可按數字鍵“3”進行開鎖。

8）按數字鍵“4”可進行管理員密碼的修改。

5 結語

該指紋密碼鎖利用高性能單片機、LCD顯示屏以及指紋識別模塊實現了各模塊的電路設計，通過系統的功能測試，實現了錄入指紋、存儲指紋及指紋對比及繼電器的開鎖功能，為身份識別奠定了良好的基礎，具有現實的應用價值。