基于单片机的指纹密码锁设计

1、目目 录录 摘摘 要要.I I ABSTRACT.IIII 第一章第一章 绪论绪论.- - 1 1 - - 1.1 引言.- 1 - 1.2 指纹锁的背景.- 1 - 1.3 指纹锁的指纹识别的基本原理.- 2 - 1.4 指纹锁设计的意义的本设计特点.- 2 - 第二章第二章 系统设计系统设计.- - 3 3 - - 2.1 设计原则.- 3 - 2.2 设计方案的选择.- 3 - 2.2 系统总设计结构图.- 4 - 2.3 开锁机构设计.- 4 - 第三章第三章 主要元器件介绍主要元器件介绍.- - 5 5 - - 3.1 80C51 单片介绍.- 5 - 3.2 SB2000M 指纹识

2、别模块介绍.- 7 - 3. .2. .1 结构 .- 7 - 3. .2. .2 产品规格.- 8 - 3.3 RS-232C 连接器介绍 .- 9 - 3.4 显示设备的介绍.- 10 - 3.5 输入设备的介绍.- 11 - 3.6 报警设备的介绍.- 13 - 第四章第四章 硬件电路的设计硬件电路的设计.- - 1515 - - 4.1 系统电源的设计.- 15 - 4.2 系统的备用电源的设计.- 16 - 4.2.1 备用电源的供给设计.- 16 - 4.2.2 备用电源的使用选择设计.- 18 - 4.3 系统报警电路的设计.- 19 - 4.4 开锁电路的设计.- 20 - 4

3、.5 密码输入电路的设计.- 21 - 4.6 显示电路的设计.- 22 - 4.7 指纹识别模块电路的设计.- 23 - 4.8 总电路的设计.- 23 - 第五章第五章 软件程序软件程序的设计的设计.- - 2525 - - 5.1 程序设计语言的选择及步骤.- 25 - 5.2 开锁程序的设计及流程图.- 26 - 5.3 修改开锁密码的设计及操作.- 28 - 结结 论论.- - 2929 - - 致致 谢谢.- - 3030 - - 参考文献参考文献.- - 3131 - - 附录一：总接线图附录一：总接线图.- - 3232 - - 附录二：程序附录二：程序.- - 3333 -

4、- 第一章 绪论 1.1 引言 随着人们生活水平的提高，如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出， 传统的机械锁由于其构造的简单，安全性能低，被撬的事件屡见不鲜，而且钥 匙易于被复制，难以形成有效的保护。电子类锁由于其保密性高，使用灵活性 好，安全系数高，受到了广大用户的喜爱，拥有广大的市场需求。锁是置于可 启闭的器物上,用以关住某个确定的空间范围或某种器具的,必须以钥匙或暗码 打开的扣件。锁具发展到现在已有若干年的历史了，人们对它的结构、机理也 研究得很透彻，因此，不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。现代人类 文明社会里，由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈，人们的思想道德观念，价值 观念，文

5、化修养水平等差异，群众中良莠不齐，善良的人们能够自觉规范自已 的行为， “非礼不为” ，虽无钥匙亦不会乱闯。然而，那些毫无道德观念的盗贼 却想方设法利用高科技手段撬门开锁，使广大居民防不胜防。 为什么会出现这种情况呢？因为传统锁具都存在致命的弱点： 第一、 锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料，抵抗不了强力破坏； 第二、 锁具制作工艺，技术落后，无法阻止技术手段的开启。1 目前，市场上很多国内外的锁具，实际上都不具备真正的防盗功能。在惯 偷面前，两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开，有的惯偷甚至公开 扬言：“没有我打不开的锁。 ”其实，不是他们多高明，而是一般锁具技术原理 太过简单。面对这一残

6、酷的现状，新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求， 这样电子锁具就进入了大家的视野。 1.2 指纹锁的背景 随着社会科技的进步，锁已发展到了密码锁、磁性锁、电子锁、激光锁、 声控锁等等。在传统钥匙的基础上，加了一组或多组密码，不同图像，不同声 音，不同磁场，不同声波不同光束光波（如指纹、眼底视网膜等）来控制锁的 开启。从而大大提高了锁的安全性，使不法之徒无从下手，人们也就能对自身 财产安全有了更多的保障。当今安全信息系统应用越来越广泛，特别在保护机 密、维护隐私和财产保护方面起到重大作用，而基于电子锁的安全系统是其中 的组成部分，因此研究它具有重大的现实意义。 虽然以上多种电子锁具，都有其各自的

7、特点以及良好的防盗性，但是受限 与当今的科学技术以及成本的限制和市场的要求，一些过于复杂及高端的锁具 由于自身的局限性无法进入大众市场普及化。可是指纹锁具其的技术已经十分 完善，价格已经随着时间逐步降低，是我们的设计电子锁的首选。2 而指纹识别可谓历史悠久，本是一种古老的身份识别技术。几千年以前， 中国人、盎格鲁撒克逊人和古叙利亚人就曾经采用其作为身份鉴别的方法。 而随着现代计算机技术和信息处理与识别技术的不断进步，现代指纹识别技术 已发展成为一种成熟、应用广泛的生物特征识别技术，而且指纹具有唯一性、 稳定性、随身性、便于采集等优点，这使得指纹识别技术优于其他人体生物特 征识别技术。目前，全球

8、范围已建立了指纹数据库和鉴定机构，而且在国内外 几十年的研究与应用中，其有关芯片模块的开发已达到了技术成熟、识别率高 和价格低廉的要求。国外方面，美国、日本早已研制和生产出多种指纹自动识 别设备并投入使用，比如美国 SECOM、日本嘉士通、松树株式会社等公司开 发的指纹锁和指纹认证装置。国内率先进入这一领域的高校是清华大学，在 90 年代中期开发出了指纹 IC 卡，其后又有广东粤安集团、浙江中正、北大高科等 高科技集团纷纷进入该领域，其中浙江中正于 2000 年开发出的超小指纹识别系 统，标志着我国在这一领域已经达到了世界领先水平。 1.3指纹锁的指纹识别的基本原理 首先，通过指纹采集仪器采集

9、到人体指纹的图像，并对原始图像进行初步 的处理，这样使指纹图像中蕴涵的特征信息更明显。然后，运用指纹特征提取 算法建立指纹的数字表示特征数据。这种转换是单向进行的，只能从指纹转换 成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而且两枚不同的指纹绝对不会产 生相同的特征数据。指纹纹路的分叉、终止或转弯处的坐标位置，也就是通常 被专家称为“细节点”(minutiae)的数据点，同时拥有7种以上的唯一特征。有 的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息能够表明各个 节点之间的关系，有的算法还可以处理整幅指纹图像。这些数据通常称为模板， 保存为1k或者0.5k大小的记录。最后，我们通过计算机模

10、糊比较的方法，把两 个指纹的模板进行比较，计算出它们之间的相似程度，最终得到两个指纹的匹 配结果。3,4 1.4指纹锁设计的意义的本设计特点 单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU） 、 随机存取存储器（RAM） 、只读存储器（ROM） 、输入/输出端口 （I/0）等主 要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。在单片机没有 出现之前我们只能使用复杂的模拟电路来进行线路的连接，这样不仅体积巨大， 成本较高给我的生产生活带来的极大的不便。而单片机给我们的各领域都带来 的巨大的变化，现在从飞机大炮到电子产品都离不开单片机，这是因为单片机 是靠程序运行的，并且

11、可以修改。 5通过不同的程序实现不同的功能，尤其 是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些 则是花大力气也很难做到的 。同样本次设计同样要采用单片机进行设计。 本设计采用 80C51 单片机为主控芯片，结合外围器件，组成电子控制系统， 用户想要打开锁，必先通过指纹识别模块 SB2000M 对指纹进行采集比对，若 指纹比对正确则开锁，否则不予开启。同样也可以输入密码进行开锁，和对密 码信息进行修改。由于门锁的开启是由指纹信息来确定，而个人的指纹信息是 独一无二的，一般难以被盗与仿制，因此我相信我们所设计的指纹防盗锁的安 全性是有保证的。而且我们拥有两种开锁方式，对于我们

12、生活工作中的正常的 使用有更大的适用性。 第二章 系统设计 2.1设计原则 根据毕业设计课题的基本要求，同时结合以前课程设计的一些心得体会， 我确定了此次毕业设计的基本原则： 第一，模块化设计。根据电路的基本功能，将整个系统分成若干个电路模 块， 然后进行对各个模块进行独立设计。各模块之间通过合理的接口电路联系起来。 这样，不仅可以降低整体设计的难度，也便于电路的扩展，分析。同时，又能 够合理掌握时间进度，确保顺利完成系统的防盗报警监测任务。 第二，智能化设计。系统选择使用80C51系列单片机作为控制核心，用 RS232 总线作为网络的总体架构，实现整个系统的网络化、智能化设计。同时选用各 种

13、优良算法来进行相关的中断程序的设计，并辅以延时、计数等子程序来弥补 硬件电路的缺陷，力争最大限度的降低误报率。 第三，通用性设计。在设计系统时，尽量保持各模块的独立性。并且首先 确保系统基本功能的实现，在此基础上，对系统进行功能扩展。同时，考虑到 功能扩展的问题，要尽量充分使用I/O接口,避免浪费。 第四，简单化设计。我们再设计当中尽可能的减少接线的连接，简化程序 的编写，使我们的设计更加简单易懂，为我们将来对设计成品的修改，改进及 二次开发创造便利。 第五，高性价比原则。在进行系统设计时，需要采用各种元器件和芯片。 考虑到学校的经济条件，我们选择的标准是“选择最合适的，不选择最好的” 。 2

14、.2设计方案的选择 我们所设计的是指纹锁，因此我们必须要对指纹的信息进行判断与控制， 对开锁结构的运动进行正确的进给。因此经过思考有了以下两种控制方法。 方案一：采用数字电路控制 用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路， 或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电 路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑 门是数 字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。 从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。 用以个类型的触发器构成的数字逻辑电路作为指纹锁的核心控制，完成与 指纹识别模块进行通讯，

15、判断是否开锁。同样密码开锁时，密码保存在JK触发 器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合。如果我们这样设计 的方案好处就是设计简单，但控制的准确性和灵活性差，故不采用。 方案二：采用以单片机为核心的控制方案 选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。单片机具有资 源丰富、速度快、编程容易等优点。利用单片机内部的随机存储器（RAM）和 只读存储器（ROM）及其引脚资源，外接液晶显示（LED） ，键盘输入等实现 数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标，因此综合考虑，本系统 采用方案二。单片机种类繁多，性能指标，计算速度，性价比更不相同，考虑 到本次设计单片机并不承担过

16、于复杂和困难的计算任务，将不选用性能和价钱 过高的单片机。因此我们选用常见的80C51单片已能满足设计要求。 2.2 系统总设计结构图 80C51 单片机 输入设备 开锁电路 指纹识别模块 显示电路 报警电路 图21系统总设计结构图 为了完成设计任务，我们寻找一定功能的若干单元电路构成一个整体，满 足题目睥各项性能指标。 因为设计的途径不是唯一的，满足要求的方案也不止一个，所以为得到一 个满意的设计方案，往往要针对要求，大量查阅资料、手册等工具，将多个方 案进行分析与比较，从分析中找出认识最理想的入手进行设计，这是方案论证 过程，再经过设计验证再设计多次反复过程，才能达到目的。 总体设计方案用

17、框图表示。主要部分和难点可详细一些，一般部分只能反 映设计思想和基本原理就可能了。每一个方框表示一个小的功能单元，用表示 信号流向的箭头将各功能单元连接起来，构成一个系统。 本设计主要由单片机、输入设备、显示电路等部分组成。其中指纹识别模 块是用来对指纹信息进行采集分析比较，判断指纹的合法性，然后与单片机机 进行通讯，完成开锁任务。而输入设备用于输入数字密码和进行各种功能的实 现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的 密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高 低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片 机的负载由

18、继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可。同样以上的所有设 计要求又必须有电源的供给，因此电源也是在我们的设计要求之中。6系统整 体框图上图2-1所示。 2.3 开锁机构设计 通过单片机送给开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目 的。本设计通过 P3.0 接一个 3 极管驱动继电器打开电磁阀线圈实现开关门。 当用户输入的指纹或密码是正确而且是在规定的时间及次数输入之内，单 片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。 信息正确 开锁驱动电路电磁阀80C51 图 22 密码锁开锁机构示意图 第三章 主要元器件介绍 数字电路设计时器件是很重要的，因为器件的选择

19、是否合理直接影响着电 路的稳定性，以及成本和成品体积大小等问题。选择器件的原则是：在实现题 目要求的前提下所选的器件最小、成本最低。最好采用同一种类型的集成电路， 这样不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。 3.1 80C51单片介绍 80C51 是美国 Intel 公司生产的低电压，高性能的 CMOS8 位单片机，它采 用了 CHMOS 工艺，其特点是功耗低。片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程 序存储器（EPROM）和 128bytes 的随机存取数据序存器（RAM） ，器件采用标 准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 FLASH 存储单元。 2

20、0 世纪 80 年代中期，Intel 公司将 8051 内核使用权以专利互换或出售形式让给 世界上许多著名的 IC 制造厂商，如 Philips，西门子， AMD，OKI，NEC，Atmel 等，这样就保证 8051 用户到了 21 世纪仍具有技术 的领先性。因此 8051 的改进型 80C51 单片机为许多嵌入式控制系统提供了一 种灵活行高且价廉的方案。7 主要性能： 具有适于控制的 8 位 CPU 和指令系统。 128B 片内 RAM。 21 个特殊功能寄存器。 32 线并行 I/O 接口。 两个 16 位定时/计数器。 一个全双工串行口。 5 个中断源，2 个中断优先级的中断机构。 4K

21、B 片内 ROM。 一个片内时钟振荡器和时钟电路。 片外可扩展 64KB ROM 和 64KB RAM。 引脚功能： VCC（40脚）：接+5V电源正端。 Vss（20脚）：接+5V电源地端。 XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相 放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时对于 HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的 输入端。 XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机的内部，它是片内 振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该引 脚作为外部振荡信号的输入端：对于CHM

22、OS单片机，该引脚悬空不接。 P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器或扩展I/O接 口时，可作为准双向输入输出口。在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口分 时复用为底8位地址总线和双向数据总线。 P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于 52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能，P1.0可作为定时器/计数器2的计数脉冲输 入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。 P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口使用。 在外接有外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过25

23、6KB时，P2口用作高8位地 址总线。 P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O接口使用外， P3口还可以将每一位用于第二功能，且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一 功能的输入/输出或第二功能的输入/输出。P3口第二功能如下： P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 串行输出口 P3.2 INT0 外部中断 0（低电平有效） P3.3 INT1 外部中断 1（低电平有效） P3.4 T0 定时计数器 0 P3.5 T1 定时计数器 1 P3.6 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效） P3.7 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效） RST：复位输入

24、。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电 平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用 作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存 储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。 此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被 略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：程序储存允许

25、（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 80c51 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。当访问外部数据存储器，高有两次有效的 PSEN 信号。 EA/VPP：外部访问允许。欲使 CPU 访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ， CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时,该引脚加上12V 的编程电压 VPP。 图31 80c51单片机引脚图 3.2 SB2

26、000M指纹识别模块介绍 指纹识别模块是集指纹采集、处理、存储及指纹比对为一体的嵌入式系统。 该模块以DSP系列处理器为处理核心，嵌入指纹识别算法,能够独立完成全部的 指纹识别工作。8,9该模块可以接入多款业界流行的光学、半导体传感器，并支 持多种标准通讯接口，能够方便的集成到需要指纹识别的应用产品中，同时便 于开发商或代理商进行二次开发。经过选择我们将选用型号为SB2000M的指纹 识别模块。 3. .2. .1 结构 SB2000M 由指纹处理器和指纹传感器组成。SB2000M 的OEM 模块的速 度高，由CPU,闪存，SDRAM 的OEM 模块的速度高.等等构成。 图32 SB2000M

27、 模块 图33光学传感器 3.2.2产品规格 特征： 设计简洁 高速且精确度高的识别技术 简单的主机界面协议 技术规格： 项目值项目值 CPU ARM7 Core Samsung S3C44B0X 66MHz 图像大小 256pixel(W) 256pixel(H) 匹配速度 1 秒分辨率403 dpi 认假率 (FAR) 0.00001 %通信接口 RS232C(3 line) 波特率=9600bps, 数据 位 = 8, 奇偶=NONE, 停止位 = 1,流控方式= NONE 据真率 (FRR) 0.1 %工作电压DC 5V 存储登记的 指纹数 2000 枚工作电流190mA 登记次数 3

28、 秒工作温度 0 60 指纹数据登 记号 1 32767工作湿度20 % 80 % 匹配方式1:1, 1:N 方式匹配存储温度 0 70 模板大小1404 Bytes存储湿度10 % 80 % 3.33.3 RS-232C 连接器介绍 RS-232C 标准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会， RS（若 Recommended Standard）代表推荐标准， 232 是标识号，C 代表 RS232 的最 新一次修改（ 1969），在这之前，有 RS232B、RS232A。它规定连接电

29、缆和 机械、电气特性、信号功能及传送过程。目前在IBM PC 机上的 COM1、COM2 接口,就是 RS-232C 接口。 RS-232C 标准规定使用符合 ISO 2110 标准的 25 芯 D 型连接器，该标准 还规定了：在具有一定的数据处理能力和数据收发能力的数据终端设 DTE(Data Terminal Equipment)上使用插座，在 DTE 和传输线路之间提供 信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放链路的连接器称为数据通讯 设备 DCE（Data Communication Equipment)上使用插头，如 Modem。DCE 设备通常是与 DTE 对接的，因此针脚的分配

30、相反。 RS-232C 总线标准设有 25 条信号线，其中： 4 条数据线 11 条控制线、3 条定时线、7 条备用和未 定义线，常用的只有 9 条。因此串行口连接器分为 9 芯 D 型连接器针和 25 芯 D 型连接器两种， 尽管 RS-232C 使用 20 条信号线，大多数情况下，微型 计算机、计算机终端和一些外部设备都配有RS-232C 串行接口。在近距离 通信时可以通过 RS-232C 直接将通信双方连接，这种方式称为 “零调制解 调”，只需三条连接线，即 “发送数据”、“接收数据”和“信号地”， 发送方和接收方的 “发送数据”、“接收数据”端交叉连接，传输线采用屏 蔽双绞线即可实现，

31、如图 3-4 所示；当使用 RS-232C 进行远距离传送数据 时，就必须配合调制解调器（ modem）和电话线进行通信。 项目Pin No内容 +5V 1 提供+5V GND 2 GND TXD0 3 RS232C 串行端口的方式 传输数据 RXD0 4 RS232C 串行端口的方式 接收数据 由于RS-232C是在TTL集成电路之前制定的，所以它的电平不是+5V和地， RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围它使用负逻辑约束，其低电平 “0”在+3+15V之间，高电平“1”在-3-15V之间，而单片机的逻辑“1”是 以+5V来表示的，因此RS-232C不能和TTL电平直接相连。为了

32、保证数据正确地传 送，设备控制能准确地完成，必须使所用的信号电平保持一致，把单片机的信 号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平 转换成单片机的TTL电平因此，使用时必须加上适当的电平转换电路。常用的电 平转换器：如 MC1488、MC1489、MAX232等。MAX232是单电源双RS-232发送/接 收芯片，如图5-7所示 ，采用单一+5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构 成标准的RS-232通信接口，硬件接口简单，所以被广泛采用。因此在此将选用 型号为MAX232的电平转换器。10,11 3.43.4 显示设备的介绍 八段LED数码管显示

33、器由8个发光二极管组成。基中7个长条形的发光管排 列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在数码管显示器的右下角作为显示小数 点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED数码管显示器有两种不一样的 形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED数码管显 示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管 显示器。如下图所示。 在本次设计中我们采用发光二极管显示器作为显示设备。其并借着其低廉 的价格，优良的性能。是现今的电子设备的重要组成部分。发光二极管显示器， 简称LED（Light Emitting Diode），LED有7段和8段之分，其中7个长条形的发

34、 光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在数码管显示器的右下角作为 显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。同样也有共阴和共阳之分， 如图4-5所示。一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED数 码管显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED 数码管显示器。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连在一起，通常此公共阴 图34 MAX232电平转换器电路 极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应段给被 现实如图4-5所示。同样共阳极LED显示块的发光二极管的阳极连在一起，通常 此公共阳极接正电压。某个发光二极管的阴极接低电平

35、的，发光二极管被点亮， 相应的段被现实，如图4-5所示。两个显示块都有dp显示段。 图34 LED原理及外形引脚图 七段字型码见下表，由于只有8个段，多以字型码为一个字节 显示字符共阴极码共阳极码显示字符共阴极码共阳极码 03FHC0HC39HC6H 106HF9HD5EHA1H 25BHA4HE79H86H 34FHB0HF71H8EH 466H99HP73H8CH 56DH92HU3EHC1H 67DH82HY6EH91H 707HF8HH76H89H 87FH80HL38HC7H 96FH90H亮FFH00H A77H88H灭00HFFH B7CH83H 考虑到本此设计的成品是指纹防盗锁

36、，而LED显示屏仅仅起到提示的作用， 并不直接参与解锁的行动，所以在设计中对LED显示屏并不做过多的设计和要求。 只是采用单片的8段LED显示屏，只用单位的数字或字母提示操作已能满足操作 的要求。这样一来减少的屏的数量，降低了成本，可以免去了与8为锁存器和译 码器的线路连接，同样可以降低成本更重要的是减少了线路的连接，降低了线 路的复杂程度，为加工制造和程序的编写提供了极大的便利。 经过选择我们采用由深圳市盈辉光电套件有限公司生产的型号为YFS-5121 的数码管。该产品有如下特点：1.字节高度为0.52英寸（13.20mm）。2.本产品 使用芯片发光颜色多种。3.封装方式黑面白胶。4.满足低

37、能耗。已广泛应用于 家用电器领域如空调，热水器，冰箱，液晶屏与荧光屏等。12 3.53.5 输入设备的介绍 因为我们有密码开锁的设计要求，我们将采用键盘输入的方式。键盘是计 算机不可或缺的输入设备，是实现人机对话的纽带。其结构形式，键盘可分为 非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法产生 键码。在单片机中使用的大部分都是非编码键盘，因为非编码键盘结构成本低 廉。按键形式有独立式和矩阵式两种。 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线 上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此通过检测输入线的 电平状态可以很容易的判断哪个按键按下。 矩阵

38、式按键就是键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交叉点上都对应有 一个键。所谓的实际上是一个机械弹性开关，被按下时其交点的行线和列线接 通。键盘接口技术的主要内容就是如何确定被按键的行列位置，并据此产生键 码。这就是所谓的识别问题。 由上我们可已考虑到经济成本的因素，要满足设计要求的条件下，尽可能 的降低成本，因此用硬件方法产生键码的编码键盘，要采用增加硬件的使用方 式，对成本的要求较高，不予考虑。我们选择非编码键盘。 矩阵式非编码键盘适用于按键数量较多的场合。其工作原理是按键设置在 行列焦点上，行列现分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。 无按键动作时，行线处于高电平，当有键按

39、下时，行线电平状态将由与此行线 相连的列电平决定。 流线电平为低，在行线电平为低；列线电平为高，则行 线电平为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键。而此种方法的接 线见下图3-5。 图 35 矩阵式非编码键盘接线图 独立式非编码键盘（又称小键盘），是指直接用一条 I/O 接口线对应连接 （一键一连）的键盘电路。由于每个按键单独占用一条 I/O 接口线，所以该接 口线的状态只能反映该按键是否按下，不会影响其他 I/O 接口线的状态。因此， 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但在按键数量较多时，需要的 I/O 接口线也较多。独立式按键电路如图 3-6 所示。当某一按键闭合时，相应的 I

40、/O 接口线变为低电平。 图 35 独立式非编码键盘接线图 因为密码的输入 8 位已经基本可以满足设计要求，而且我们可以在线路 上一个接口做多个按键的迷惑处理。更加重要的是 独立式非编码键盘接线较 为简单，对于程序的设计又简化的作用。因此我们考虑采用独立式非编码键盘 的键盘录入方式进行密码开锁。5,6 3.63.6 报警设备的介绍 我们所设计的是指纹防盗锁，我们对锁具的安全性能要有所保证，对于拥 有开锁信息的人要使锁具正常开启，对于没有开锁信息的人，要坚决的不予开 启。但是如果我们单纯的知在锁的性能上下功夫，而忘记了人的作用，这将是 我们的大错误。所以我们加入报警设备，对非法的开锁操作进行报警

41、是十分必 要的。不但可以提醒安保人员注意安全情况没有可以对不法人员进行警示与恐 吓，维护我们的财产及人身安全。 但是我们也必须考虑到，对于指纹开锁，由于人的指纹的清晰程度，气候， 湿度，人的用力程度，手指的清洁程度的不同，在指纹采集的时候出现比对的 错误是十分正常及常见的，我们不应当对每次的指纹识别失败都进行报警。但 是如果我们进行密码开锁的时候，我们不应当多次输入错误，因此我们应当对 密码输入错误三次时进行报警，并且警报长鸣不止进行提示，直到我们进行了 正确的指纹开锁。所以我们的报警设备应当更加针对密码开锁时。 现在市面上的报警设备很多，价钱从高到低不一而足，而我们的设计当中 的报警设备我们

42、选择的是蜂鸣器，首先蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器， 采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、 汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。其次是我们的设计 需要较高的性价比，而蜂鸣器的价格十分便宜，一般在几块钱左右，价格十分 便宜。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 压电式蜂鸣器，用的是压电材料，即当受到外力导致压电材料发生形变时 压电材料会产生电荷。同样，当通电时压电材料会发生形变。电磁式蜂鸣器， 主要是利用通电导体会产生磁场的特性，用一个固定的永久磁铁与通电导体产 生磁力推动固定在线圈上的鼓膜。由于上面 2 种蜂鸣器发音原理不同，

43、压电式 结构简单耐用但音调单一音色差，适用于报警器等设备。而电磁式由于音色好， 所以多用于语音、音乐等设备。 经过比较我们将选选择压电式蜂鸣器，经过我们在市场上的调查，将选用 型号为 JN-3015 的压电式蜂鸣器，该器材现形尺寸：35mm*15mm，内置驱动电 路，音质脆声音大；稳定性好，属于压电式直流蜂鸣器。广泛应用于汽车、摩 托车、空调、冰箱、音响、电脑、验钞机、功能饮水机等各种电器电子产品。 已能很好的满足我们的设计要求，而且价格低廉，极大的节约了成本。 第四章第四章 硬件电路的设计 电路的设计是整个设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要求设计 好，才能保证整体电路的质量。为我们下

44、面的程序设计，打下坚实的基础。单 元电路的设计步骤分为以下三步。12 第一步：根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指 标。注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使 用电平转换电路。 第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或 者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路 的结构形式最佳。 在选择电路时充分考虑经下几个问题： （1）电路的功能满足要求。 （2）电路的结构简单、成本低 （3）电路的性能稳定、通用性强。 第三步：画出单元电路电路图。 4.14.1 系统电源的设计 首先我们来完成最基本，最必须的电源

45、部分的设计，任何电路都离不开电 源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电 源部分电路比较简单而有所忽视，其实有将尽一半的故障或制作失败都和电源 有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。 在上一章中我们对硬件的选择上可以发现从单片机到 LED 显示屏都是需要 用+5v 直流电源的。因此我们对电源的设计就是要给系统提供合理的电源供给。 我们生活工作中最常见的电源是 220v 交流电源，是目前我国居民最常用的标 准电压的有效值（我们常用的各种家用用电器上所标注的电压值220V 即 为有效值）。我国交流电频率为 50Hz。所以我们要以 220v 交流电源为基础， 供给+5

46、v 直流电源。 我们所设计的电路实现的功能是，输入家用 220v 交流电，经过全桥整流， 稳压后输出稳定的 5v 直流电。而且我们设计的电路要有方便实用，输出电压稳 定，最大输出电流为 1A，电路能带动一定的负载等特点。 我首先翻阅了参考书，复习了整流稳压的一些电路知识，然后设计出一个 实现电路如下图 4-1 所示。 图 41 电源设计接线图 从图上看,变压器输入端经过一个保险连接电源插头,如果变压器或后面的 电路发生短路，保险内的金属细丝就会因大电流引发的高温溶化后断开。变压 器后面由 4 个二极管组成一个桥式整流电路，整流后就得到一个电压波动很大 的直流电源，所以在这里接一个 330uF/

47、25V 的电解电容。变压器输出端的 9V 电 压经桥式整流并电容滤波，在电容 C1 两端大约会有 11V 多一点的电压，假如 从电容两端直接接一个负载，当负载变化或交流电源有少许波动都会使 C1 两 端的电压发生较大幅度的变化，因此要得到一个比较稳定的电压，在这里接一 个三端稳压器的元件。三端稳压器是一种集成电路元件，内部由一些三极管和 电阻等构成，在分析电路时可简单的认为这是一个能自动调节电阻的元件，当 负载电流大时三端稳压器内的电阻自动变小，而当负载电流变小时三端稳压器 内的电阻又会自动变大，这样就能保持稳压器的输出电压保持基本不变。 因为 我们要输出 5V 的电压，所以选用 7805，7

48、805 前面的字母可能会因生产厂家不 同而不同。LM7805 最大可以输出 1A 的电流，内部有限流式短路保护，短时间 内，例如几秒钟的时间，输出端对地（2 脚）短路并不会使 7805 烧坏，当然如 果时间很长就不好说了，这跟散热条件有很大的关系。三端稳压器后面接一个 105 的电容，这个电容有滤波和阻尼作用。最后在 C2 两端接一个输出电源的插 针，可用于与其它用电器连接,比如 MP3 等。 虽然 7805 最大电流是一安培， 但实际使用一般不要超过 500mA,否则会发热很大，容易烧坏。一般负载电有 200mA 以上时需要散热片。因为 80C51 单片机的电流很小一般只有几毫安，而 SB2

49、000M 指纹识别模块的电流为 190mA，可以得出该线路可以满足设计的要 求。14 4.24.2 系统的备用电源的设计 4.2.14.2.1 备用电源的供给设计 由于我们的设计当中主电源选择的是家用交流 220v 转直流 5v，虽然我国 的电力行业经过数十年的发展壮大，在经济能力和技术水平上已达到世界一流 水平，但是我们无法保证电力供应当中不存在意外的发生，而且停电时间是我 们的工作生活当中时常会遇见的事情。因此我们必须考虑到在停电时我们的指 纹锁的系统的工作稳定性。 备用电源是主要是为了防止 单片机及其相应模块 产品在长时间使用过 程中发生断电或是没电的条件下所备用的电源 ，使其可以在断电

50、的情况下 继续工作，不会因为没电无法开门，影响我们的工作生活，带来不必要的损 失。 在停电时 220v 电源不法提供电能，我们必须找到另外一种可以稳定供电的 电源。我们考虑到干电池。干电池是一种伏打电池,利用某种吸收剂(如木屑或 明胶)使内含物成为不会外溢的糊状。干电池属于化学电源中的原电池，是一种 一次性电池。因为这种化学电源装置其电解质是一种不能流动的糊状物，所以 叫做干电池，这是相对于具有可流动电解质的电池说的。干电池不仅适用于手 电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等，而且也适用于国防、 科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域,十分好用。 随着科 学技术的发展，

51、干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有 100 多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气 电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。 对于使用最多的锌-锰 干电池来说，由于结构的不同又可分：糊式锌-锰干电也、纸板式锌-锰干电池、 薄膜式锌-锰干电池、氯化锌锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、四极并联锌-锰 干电池、迭层式锌-锰干电池等。 众所周知干电池的电压是 1.5v，但我们的单片机以及其它器件需要 5v 的电 压，所以干电池的单纯串联无法提供合适的电压供给，所以我们不得不要设计 一个升压或降压电路，完成备用电源的供给。 这里经过选择，我们选

52、用 Maxim 公司出产的 MAX8815A 型号的升压芯片， 进行升压任务。Maxim 推出 1A 升压转换器 MAX8815A，具有业内最高效率 (97%)、低静态电流(30A)以及低噪声强制 PWM 工作模式。该 boost 转换器 专为 2 节 NiMH/NiCd AA 电池或单节 Li+电池输入设计，可从 1.2V 至 5.5V 输 入提供可调(3.3V 至 5V)或预设(5V)输出。当反馈引脚接地将输出设置为 5V 时， MAX8815A 仅需 3 个外围器件即可输出高达 1A 的电流。为进一步节省空间， 器件集成了 True Shutdown负载断开开关和内部补偿。MAX8815

53、A 作为一款 高通用性的高效率器件，可理想用于手持式通信设备、媒体播放器和数码相机 等空间受限的应用。 MAX8815A 具有多种保护功能，如：输出过载和短路保护、 抑制软启动期间的浪涌电流以及热关断等。器件提供微型 3mm x 3mm、10 引 脚 TDFN 封装，工作在-40C 至+85C 扩展工业级温度范围。所以我们将 3 节 干电池电源串联产生 4.5v 电压，经过下图 4-2 后将会产生 5v 工作电压。15 图 42 升压电路接线图 4.2.24.2.2 备用电源的使用选择设计 可知我们指纹锁系统经上一步操作已经有两个电源，可以充分保证系统的 在各种情况下的正常工作。但是我们要考虑

54、到工作情况下电源的使用选择的问 题，是使用 220v 转 5V 的电路供给电能，还是用干电池电路供给电源。我们希 望在 220v 可以正常供给时选用 220v 电源。在 220v 电源失效时才选用干电池供 电。经过考虑我们叫选用接触器对电路的选择进行控制。接触器是在外界输入 信号下能自动地接通或断开带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器， 他是利用电磁力来使开关打开或闭合的电器。适用于频繁操作（高达每小时 1500 次），远距离控制电流电路，并具有低压释放的保护性能，工作可靠，寿 命长（机械寿命达 2000 万次，电寿命达 200 万次）和体积小等优点。接触器是 继电器-接触器控制系统中最

55、重要和常用的原件之一，它的工作原理是当按钮按 下时，线圈通电，静铁芯被磁化，并且把动铁芯吸上，带动转轴使触头闭合， 从而接通电路。当放开按钮时，过程与上述相反，使电路断开。由于我们的电 源为 5V 直流电源，所以将选择直流接触器，由于直流接触器的吸引线圈通以 直流，所以没有冲击的启动电流。也不会产生铁芯猛烈撞击现象，因而它的寿 命长，适用于频繁启动，制动的场合。接线线路如下图 4-3 所示。 图 42 电源总接线图 由上图可知，若 220v 电源正常通电，按下按钮 SB 启动电路，接触器 KM 的吸引线圈得电16，衔铁吸上，其动合主触头闭合，动断主触头断开，220V 可 以正常给单片机供电，电

56、池电源在电路中被切除。若 220V 电源断电，接触器 KM 失电，吸引线圈失电，动合主触头断开，动断主触头闭合，220V 转 5V 电路 被系统切除，单片机由电池电源供电。因此在不论 220V 是否正常的情况下， 系统都可以正常工作。同上我们在电池 5V 电源供电时可以按下按钮 SB 进行试 切换，若此时 220V 已正常则 KM 通电，进入 220V 供电的状态，若此时 220V 已不能正常则 KM 依旧断电，进入 220V 供电的状态。 但是由于电池的容量较小无法长时间的提供电源，所以备用电源仅用来在 应急的时刻供电，不应作为主电源。而且应当定时对电池的电量进行检测，更 换电池，以防在意外

57、情况下，指纹锁系统无法正常工作，为我们的正常的学习 工作生活带来不必要的损失。 4.34.3 系统报警电路的设计 在第三种中我已经将报警器材选择为 JN-3015 的压电式蜂鸣器。所以我们 的设计电路中只要将该压电式蜂鸣器，与单片机相接既可以完成。电路图如下 图 4-3 所示。 图 43 单片机报警接线图 蜂鸣器发声原理是电流通过压电材料发生形变，因此需要一定的电流才能 驱动它，单片机 I/O 引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL 电平基本上驱动 不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。80C51 单片机实验板通过一 个三极管 C8550 来放大驱动蜂鸣器。 如图所示，蜂鸣器的正极接到

58、 VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到 三极管的发射极 E，三极管的基级 B 经过限流电阻 R1 后由单片机的 P0.1 引脚 控制，当 P0.1 输出高电平时，三极管 C8850 截止，没有电流流过，蜂鸣器不发 声；当 P0.1 输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声 音。因此，我们可以通过程序控制 P0.1 脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 程序中改变单片机 P0.1 引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调， 产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变 P0.1 输出电平的高低电平占空比， 则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。但本设

59、计中蜂鸣器，对音色音调不做过多的考虑。 4.44.4 开锁电路的设计 锁的最终执行部件一个关键部分，不管采用多高级的控制方法，但最终还 是要控制两件事：开锁，闭锁。在实际应用中可以采用多种方法来执行这两个 动作，比如采用电磁继电器或进步电机等。电磁继电器主要由电磁系统，接触 系统及传动机构等组成。当控制电路（电磁铁的线圈）中通过电流时，电磁铁 即产生磁力，吸动衔铁，传动到接触系统，使触电动作，接通，断开或换接被 控电路。当用于开闭锁的执行机构时可以将衔铁连接到锁芯，当控制电路（电 磁铁的线圈）中通过电流时，电磁铁即产生吸力，吸动衔铁，带动锁芯缩回， 开锁。当控制电路断电时，电磁铁失去吸力，衔铁

60、在弹簧的作用下回归原位， 闭锁。如果采用进步电机则可以用齿轮传动锁芯，通过控制步进电机正向或反 向旋转一定角度来实现开闭锁。本设计考虑到成本的问题不采用以上方法作为 执行部件，而是采用一个+5v 的继电器来模拟开闭锁动作。其电路图如图 4-4 所示。 模拟开闭锁的工作过程为：当处理器得到开锁信号时给管脚 P0.0 置低点位， 三极管导通，继电器线圈通电，产生磁力吸合常开弹簧开关，使发光二极管亮， 模拟开锁动作。当处理器得到关门信号时给 P0.0 置高电位使三极管截止，继电 器线圈两端电压为零，失去磁力，弹簧开关恢复断开状态，发光二极管灭，模 拟闭锁动作。 图 44 开锁电路接线图 但此处要注意