基于单片机指纹密码锁系统的设计（电子信息工程-全套设计）.zip

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基于单片机指纹密码锁系统的设计
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基于单片机指纹密码锁系统的设计
【摘要】指纹识别技术是一种利用人物特征进行身份认证的一种新型的生物识别技术,本设计中指纹模块指纹采集主要是采用活体光学式,通过光反射成像识别光学指纹模块FPM10记录和验证指纹,将指纹模块与单片机stc12c5a60s2的端口进行连接通信,以单片机为控制核心,利用单片机对指纹模块采样的数据进行处理,控制锁具中继电器的吸合,实现对指纹密码锁的控制。因为这种方式的***时间小于1秒,无需携带钥匙、磁卡等***设备,在家居防盗、超市密码提取柜及小区进出口等领域有其应用价值。
【关键词】指纹识别单片机stc12c5a60s2光学指纹模块FPM10密码锁
ThedesignofthecombinationlockbasedonMCUfingerprintsystem
【Abstract】Fingerprintidentificationtechnologyisakindofidentityauthenticationofanewbiometricidentificationtechnologybasedonthecharacter,theDesignfingerprintfingerprintacquisitionmoduleismainlyusedinvivooptical,byreflectedlightimagingrecognitionopticalfingerprintmodulerecordFPM10andverifythefingerprint,fingerprintmoduleandmicrocontrollerSTC12C5A60S2porttoconnectcommunication,single-chipmicrocomputerasthecontrolcore,usingMCUtosamplethefingerprintmoduleofdataprocessing,controlrelaysoflockpull,,noneedtocarryamagneticcardkey,andotherunlockthedeviceinhomesecurity,supermarketpasswordextractioncabinetsandsmallimportandexportandotherfieldshasitsapplicationvalue.
【Keywords】fingerprintstc12c5a60s2FPM10opticalfingerprintmoduleCombinationlock
基于单片机指纹密码锁系统的设计
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基于单片机指纹密码锁系统的设计
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目录
第1章绪论 1
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第2章指纹识别的基本原理与模块介绍 3
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第3章系统总体设计与论证 7
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第4章硬件电路的设计 9
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第5章软件部分的设计 14
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第6章系统的测试 17
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***操作 18
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第7章总结 21
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致谢语 22
参考文献 23
附录一 24
附录二 25
附录三 26
附录四 27
基于单片机指纹密码锁系统的设计
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基于单片机指纹密码锁系统的设计
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第1章绪论

科学技术的发展与社会进步的同时,锁防盗的问题越来越受到社会人士的关注,传统机械结构的锁因为其结构比较简单,防盗问题得不到有力的保证,锁被撬开的事情时常发生,如果钥匙丢失,还造成严重的安全隐患问题,如果要加强锁的安全性,只有重新换一个锁,这样造成了巨大的浪费。而指纹密码锁因为保密性比较高,指纹拥有唯一性,应用范围广,对环境要求不高,实用系数高,受到了广大用户的认可。在加上传统的机械锁发展到现在已有数千年的历史,人们对他的结构了解比较透彻,因此,有些对锁的结构了解比较深的人可以不用钥匙仅凭两根钢丝或一些简单的辅助工具就可以***,因为锁芯的材质一般采用常见的锌、铝、铜材质,抵抗不住外部的强力破坏,再加上锁具的制作技术工艺没有跟上时代发展的脚步,使得传统密码锁逐渐退出了锁具的大舞台。
从实用性的角度看,指纹密码锁省去了传统机械锁的钥匙,电磁卡锁的磁卡,使用者无需随身带钥匙,杜绝了忘带和丢失的可能,从而大大提高了其便捷性与安全性。同时,在设计中加入了矩阵键盘,其中矩阵键盘的密码可以根据用户的喜好自定义修改,操作简单方便,还具有断电保护的功能,防止密码上电后自动初始化的可能,因此指纹密码锁的具有较高的使用价值。

指纹识别的应用可追溯到秦朝,以“按指为书”的现象在文书、契约等场合被广泛采用。从宋朝起,指纹开始做为刑事诉讼的物证。指纹识别技术发展到现在已经经过三代的改良,分别是光学指纹识别、电容传感器技术、生物射频指纹识别技术。识别技术在生物识别技术中应用最广泛的技术是光学指纹识别技术,因为这项技术具有强大的优越性,因为其适用的场合广,应用场合举例如下:
(1)可以应用在需要高度机密的地方
(2)可以用来进行上班打卡考勤,简单快捷
(3)作为小区进入口的关卡
随着指纹识别技术的进一步完善,未来几年,指纹识别技术的应用必将成为安防、身份验证等领域的重要应用。
本设计中的指纹密码锁可以通过指纹输入来***。通过单片机给电路一个低电平,控制继电器吸合,同时有声光指示。本设计的指纹密码锁是采用光学指纹模块为核心,矩阵键盘为辅助密码。通过C语言编程来实现的。其实用性和安全性大大超过了机械锁和磁卡。

本课题的主要研究的是指纹识别的设计,其中指纹录入是采集两次指纹,提取特征对指纹进行识别合成模板,存放在flash的指纹库中。数字密码可以事先设置好,存储在单片机里,设计的指纹密码锁具有以下四种功能模式:
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基于单片机指纹密码锁系统的设计
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模式一:指纹***,通过功能键选择指纹识别***。通过采集输入的指纹与指纹库存储的指纹进行相似度对比,取最高相似度的指纹,如果达到一定标准时,单片机认为两个指纹是一样的,输出***信号,否则输出密码错误信号。
模式二:数字密码***,通过功能键选择数字密码***,将6位数字密码输入,利用单片机控制,与原始密码对比。一样时输出***信号,否则输出密码错误信号。
模式三:先指纹输入再数字密码输入***,通过功能键选择组合模式下的先指纹后数字输入,先通过采集输入指纹信息与指纹库中匹配,如果错误,输出否则输出密码错误信号,如果正确,则进入数字密码输入,当所输入的数字密码与单片机存储的原始密码不一致时,输出密码错误信号。正确时,输出***信号。
模式四:先数字密码输入再输入指纹***,通过功能键选择组合模式下的先数字后指纹输入,先通过输入数字密码,并与单片机存储的原始密码相比较,如果错误,输出否则输出密码错误信号,如果正确,则进入指纹输入,采集输入指纹信息与指纹库中匹配,当所采集到的指纹与指纹模块存储的原始密码不一致时,输出密码错误信号。正确时,输出***信号。
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第2章指纹识别的基本原理与模块介绍

指纹学是一门研究指纹纹路特征、结构及其采集、储存、分类与识别的原理的科学。指纹系统中包括对指纹图像采集、指纹数据图像处理、特征提取、特征值的比对与匹配的过程。
指纹自动识别的原理是这样的,先确定纹路、中心点、三角点、核心点等特征,然后比对生物细节特征,然后在指纹库中用匹配方式对比指纹,只要比对13个特征点重合,就可以确认是同一个指纹,将两个指纹的相似程度最高的,最后在给出两个指纹的相似程度并按相似程度排出前面最相似的若干个指纹供指纹,当相似度达到百分之七十以上时,确认两个指纹是同一个指纹。
指纹识别算法主要由指纹采集、图像处理、特征值提取和特征匹配四个部分组成的,其中图像预处理包括滤波、二值化、细化,通过选择指纹库指纹和所采集到的指纹用匹配方式进行对比,来验证是否有符合的指纹,从中来验证关键算法操作流程如图2-1所示。
图2-1关键算法操作流程

指纹模块的匹配方式有两种对比方式(1:1)和搜索方式(1:N),本课题采用的指纹模块匹配的方式是1:N的搜索方式,所谓的1:N,就是指纹采样时对同一指纹录入N次样,指纹识别时对比N次,然后判断两者之间的的图像相似度是否达到。搜索方式的缺点是速度比对比方式慢一点。但是搜索方式的优点是误识率相对1:1要低点,所以根据设计要求选择搜索方式。

按下矩阵键盘中的D字母,进入输入新指纹界面,指纹录入方式有两种分别是按压式和滑动式,本设计中采用的是按压式,正常情况下只要一次按压就可以采集一次图像方便快捷,无需像滑动式要多次采集才能完整拼接成一个指纹图像。光学指纹模块利用光的全反射原理,采集到按压在钢化玻璃的手指信息,通过采集到的指纹转化成图像信息,并将图像转换得到的特征码存放在Buffer1。同理将第二次采集到的图像信息转换成特征码存放在Buffer2。将然后将Buffer1和Buffer2中的特征码合并成到FLSAH指纹模块中,完成指纹的录入。当指纹识别时,指纹采集提取特征点的方式将其转化成二值码,通过采集到的指纹信息与指纹库中的指纹信息进行1:N的匹配,排列出相似度最高的一个,当相似度达到标准时,认定两个指纹是一样的,输出***信号。
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目前的指纹模块大致可以分为这三类、光学式指纹模块、电容式指纹模块、射频指纹模块。光学指纹模块是利用光反射原理,并通过COMS芯片获得指纹图像,从中提取指纹特征。电容指纹模块,利用人的手指指纹凹凸不平的现象,利用凸和凹在半导体表面获得的电容数值是不同的,通过其数值变化来采集记录指纹。射频指纹模块则是发射微量射频的信号来探测获得指纹,各模块的优缺点如表2-1所示。
表2-1指纹模块优缺点比较
光学式指纹模块、电容式指纹模块、射频指纹模块优缺点比较
模块名称
光学式指纹模块
电容式指纹模块
射频指纹模块
成像能力
一般
好
很好
耐用性
非常耐用
容易损坏
一般
分辨率
>500dpi
>500dpi
>700dpi
用电量
较少
一般
较多
体积
中
小
大
价格
低
中
高
因为本课题中对指纹识别成像的要求不高,在考虑价格、体积等因素,选择光学指纹模块,本课题采用的是光学指纹模块FPM10指纹模块,因为这款模块的性价比比较高,应用的范围比较高,可以满足本课题的需要。


光学指纹模块FPM10的性能特点如下所示:
本课题采用光学指纹模块FPM10最多可存储120人的指纹,容量大,可满足大部分的用户的需求
保密性好,因为世界上没有完完全全的手指。
易操作,增加新指纹和删除指纹的操作简单,无需一系类繁琐的指令操作。
省成本,不需要制卡的费用,也无需制作钥匙的费用,安全可靠,不会出现卡掉了,钥匙丢失的现象,造成密码锁不安全的情况。
认假率<%,拒真率<%,搜索时间<1秒
存储要求低,温度:-40°C---+85°C,相对湿度:<85%H
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光学指纹模块通过串行通讯接口,,模块的第1脚接单片机的正极电源,模块的第2脚TD接单片机的数据接收端RXD,模块的第3脚RD接单片机的数据发送端TXD,模块的第4脚接单片机的负极。
光学指纹模块协议说明:光学指纹模块采用的是半双工异步串行通讯,波特率设置成默认值57600bqs。传送的方式为传送10位帧格式,其中第1位0电平,第D0-D7位为8位数据和最后1位为停止位,没有校验位如图2-2所示。
图2-2指纹模块通讯时序图

表2-2指纹模块的技术参数
序号
名称
工作特性
1
供电电压
-
2
指纹图像录入时间

3
指纹图像识别时间
小于1秒
4
采集指纹屏幕
14mm*18mm
5
匹配方式
1:N
6
存储数量
120
7
认假率
%
8
拒真率
%
9
波特率
默认值57600bqs
10
工作温度环境
-20°C--+40°C
11
存储温度环境
-40°C--+85°C
从表中可以看出来,指纹录入时间、指纹识别解锁时间,都很短,而且认假率和拒真率的安全等级均为3级,对环境的要求不高,使得本设计的指纹密码锁可以应用到更多的场合。

本设计中采用的指纹采集模块是FPM10光学指纹模块,这款模块集成度高,稳定性好,性能优越。光学指纹模块识别的工作原理是利用光线的全反射原理实现的,当光线照射放在光学指纹钢化玻璃的手指时,光线通过钢化玻璃照射到谷的地方,在玻璃与空气的界面发生全反射,光线被反射到CMOS,而射向脊的光线不发生全发射,而是被脊与玻璃的接触面漫反射到别的地方不会被反射到CMOS上,反射到CMOS的光线被图像传感器感应到,这样就在CMOS上形成了清晰的指纹图像,先发送一个包头,这是一个通讯协议头文件,然后通过光学指纹模块的搜索方式匹配,寻找指纹库中相似度达到一定标准的指纹进行验证,同时判断指纹的正确与否,并反馈输出结果信号给单片机,让单片机处理控制密码的继电器的吸合,进而控制密码锁的开与关。
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指纹库的删除是先发送通讯协议包头,通过一个FOR循环将数据按位取零发送给指纹模板,实现将空函数的数据包发送到指纹库内,完成清空指纹库的信息的操作。
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第3章系统总体设计与论证

本课题设计的目的是为了进行密码验证显示,采用以单片机为控制核心,使得系统运行时更加的智能化,系统路中包含指纹模块输入、矩阵按键电路、声光指示部分、烧写电路、以及显示模块,系统框图如图3-1所示。
图3-1指纹密码锁系统结构框图
如图3-1所示,系统由单片机STC12C5A60S2、晶振电路、复位电路、液晶屏LCD1602、指纹模块、矩阵键盘模块、CH340G烧写电路组成。系统的主要工作方式是,单片机上电后,检测有键按下,判断选择的是什么***模式,本设计共有四种***模式,模式一:指纹模式,模式二:键盘模式,模式三:先指纹输入正确后方可输入键盘密码,否则直接错误警告,只有两个密码都正确的情况下,才能***。模式四:先输入键盘密码正确方可输入指纹并验证,只有两个密码都是对的情况下,才能***。本设计的指纹密码中,支持同一个键盘密码不同的指纹密码,其中指纹密码最多可以采集120个指纹,并建立指纹库。


方案一:采用光学指纹模块,这是利用光的全反射原理,通过CMOS芯片读取手指的指纹图像信息,再提取指纹特征文件。