基于单片机的指纹门锁设计

毕业设计（论文）

基于单片机的指纹门锁的设计

The Design of Fingerprint Door-Lock Based on Single-Chip

Microprocessor

长 春 工 程 学 院

摘 要

指纹的唯一性和终生不变性使得指纹识别技术在各种重要的身份鉴别场合有着越来越多的应用。随着科技的进步，指纹锁将逐渐的走入千家万户，它的高安全性将成为取代传统锁的主要原因。

本实际开发系统以飞利浦P89LPC922单片机为核心，应用高速率的芯片提高整个系统的工作效率，并通过显示屏、蜂鸣器和指示灯来提示门锁状态，加上人性化的键盘设计，具有着实际工程意义。本开发系统具有体积小、性价比高、安全性好等特点，该产品在以后的进一步开发生产中更具广阔市场。

关键词

指纹识别 单片机 指纹锁 显示屏

中图法分类号：TP27

Abstract:

Fingerprint recognition technology is more and more widely used in various and important place of status identification duo to unique and permanent performance of fingerprint. With the development of science and technology, fingerprint door-lock will be applied for many civil families. The main reason substituted traditional door-lock is excellent security of fingerprint door-lock.

The real system applies Philip P89LPC922 single-chip microprocessor as its core-module and uses high-rapidity chip to improve work efficiency of system and prompts the state of fingerprint door-lock via LCD and buzzer and indicator light. Well-suited keyboard is design. System takes on practical engineering significance. The system possesses many merits such as small-bulk and finer ratio of performance-price and excellent security, and so on. This product has preferable market in future development and production.

Key words: fingerprint recognition single-chip microprocessor fingerprint door-lock LCD

目 录

毕业设计（论文）.................................................... I 摘 要............................................................ II 关键词............................................................. II Abstract:......................................................... III 目 录........................................................... IV 1 引言. (1)

1.1 概述 (1)

1.1.1 现行门锁受到的挑战 (1)

1.1.2 指纹识别是成熟的生物识别(Biometric)技术 (2)

1.2 指纹识别技术简介 (3)

1.2.1 历史、现状和未来 (3)

1.2.2指纹特征 (3)

1.2.3 指纹应用系统简介 (5)

1.2.4 指纹取像的技术及特点 (7)

1.2.5 指纹识别技术综述 (8)

1.3 设计背景 (8)

1.4 小结 (8)

2 系统的总体方案论证 (10)

2.1 系统工作原理 (10)

2.2 方案的论证 (10)

2.3 总体方案的确定 (11)

2.4 指纹模块的选择 (12)

2.4.1 艾菲尔EFM-800指纹模块[3] (12)

2.4.2 天识TS-FID16EB指纹模块[4] (13)

2.4.3 指安科技ZFM-20指纹模块[5] (14)

2.4.4 指纹模块的确定 (15)

2.5 单片机的选择 (15)

2.5.1 现行单片机种类[6] (15)

2.5.2 单片机型号确定 (17)

2.6 小结 (17)

3 系统硬件设计 (18)

3.1 P89LPC922简介 (18)

3.2 指纹模块ZFM-20简介 (22)

3.3 电源电路的设计 (23)

3.4 键盘电路的设计 (24)

3.4.1 键盘接口的工作原理 (24)

3.4.2 键盘电路的设计 (25)

3.5 显示屏的电路设计 (26)

3.5.1 74HC595简介 (26)

3.5.2显示电路的设计 (27)

3.6 其它部分电路的设计 (28)

3.6.1 ISP升级总线电路的设计 (28)

3.6.2 电机与单片机连接电路的设计 (28)

3.6.3 蜂鸣器与指示灯的电路设计 (30)

3.6.4 指纹模块与单片机连接电路的设计 (30)

3.7 小结 (31)

电路板的制作与调试 (32)

4

4.1 器件封装的确定 (32)

4.1.1 常见封装形式[6] (32)

4.1.2 制作元器件封装 (34)

4.1.3 封装形式的确定 (34)

4.2 PCB图的绘制 (35)

4.3 硬件的调试 (37)

4.4 小结 (38)

5 软件的编写与调试 (39)

5.1 指纹模块通讯程序 (39)

5.1.1 指纹模块的通讯协议 (39)

5.1.2 指纹模块基本命令 (41)

5.1.3 录入指纹程序设计 (45)

5.1.4 删除、清空指纹程序设计 (45)

5.2 显示程序模块 (45)

5.2.1 显示器的读写时序及初始化 (45)

5.2.2 显示程序的设计 (46)

5.3 键盘程序的设计 (46)

5.3.1 删除键程序的设计 (46)

5.3.2 登录键程序的设计 (47)

5.3.3 其他按键程序的设计 (48)

5.4 主程序的设计 (48)

5.5 程序的仿真 (51)

5.6 小结 (53)

6 总结 (54)

参考文献 (55)

致 谢 (56)

1 引言

1.1 概述

1.1.1 现行门锁受到的挑战

所谓门就是装在房屋、车船或是封闭起来的地方的能开关的障碍物。因为设置门的目的是为了管理者能够方便的进入，而其他人不能够随便进入的装置，所以一个门的好坏取决的主要因素就是它的安全性。门除了对结构有特殊的要求外，核心部分——门锁是决定门安全系数的最重要因素。

传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能用通过各种手段把它打开。在出入人很多的通道(像办公室，酒店客房)钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。为了解决这些问题，就出现了电子磁卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，使通道管理进入了电子时代，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，磁卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，安全系数低。密码锁的问题是密码容易泄露，又无从查起，安全系数很低。

随着科技的进步，指纹识别技术已经开始走入了我们的日常生活之中。目前在世界上许多公司和研究机构都在指纹识别技术的研究中取得一些突破性技术，从而推出了许多新产品，这些产品己经开始在许多领域得以运用。

随着生物识别技术的日益完善，目前已经把可靠的指纹识别算法和集成电路相结合，脱离计算机，集成到一块电路板，从而为应用于门锁提供可能。由于指纹具有唯一性和不变性，因此将指纹识别应用于门锁，将大大提高其安全性和可靠性。所以，开发应用指纹锁成为必然的趋势。

1.1.2 指纹识别是成熟的生物识别(Biometric)技术

因为每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的，并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。这就是指纹识别技术。自动指纹识别是本世纪六十年代兴起的、利用计算机来进行指纹识别的一种方法。作为生物特征识别的一种，由于它具有其它特征识别所不可比拟的优点，使得自动指纹识别有着更为广泛的应用。

自动指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。

另外，匹配算法可靠性也不断提高。为此，指纹识别技术己经非常简单实用了。由于计算机处理指纹时，只是涉及了指纹的一些有限的信息，而且比对算法并不是精确匹配，其结果也不能保证100%准确。

指纹识别系统的特定应用的重要衡量标志是识别率。主要由两部分组成，拒判率(FRR)和误判率(FAR)。我们可以根据不同的用途来调整这两个值。FRR和FAR是成反比的。用0-1或百分比来表达这个数。ROC(Receiver Operating Curve)—曲线给出FAR和FRR之间的关系。尽管指纹识别系统存在着可靠性问题，但其安全性也比相同可靠性级别的“用户ID+密码”方案的安全性高得多。

例如采用四位数字密码的系统，不安全概率为0.01%，如果同采用误判率为0.01%指纹识别系统相比，由于可以在一段时间内试用所有可能的密码，因此四位数密码并不安全，但是他绝对不可能试验一千个人的手指。

正因为如此，权威机构认为，在应用中1%的误判率就可以接受。FRR实际上也是系统易用性的重要指标。由于FRR和FAR是相互矛盾的，这就使得在应用系统的设计中，要权衡易用性和安全性。

一个有效的办法是比对两个或更多的指纹，从而在不损失易用性的同时，极大地提高

了系统安全性。

1.2 指纹识别技术简介

1.2.1 历史、现状和未来

考古证实，公元前7000年到6000年以前，在叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别己经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在Jercho的古城市的房屋留有砖匠一对大拇指指纹的印记等。虽然指纹的一些特征己经被人们认识和接受，但不能证明指纹己广泛应用社会的各个方面。

19世纪初，科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样(ra d ge pattern)不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。(主要代表性的事件有:1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。)20世纪60年代，由于计算机可以有效的处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从那时起，自动指纹识别系统AFI S在法律实施方而的研究和应用在世界许多国家展开。

20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替IC卡。现在(90年代后期)，低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了舞台。

生物识别技术被广泛的接受并影响着千万人的日常生活。通过取代个人识别码和口令，生物识别技术可以阻止非授权的访问，可以防止盗用A T M、蜂窝电话、智能卡、桌面P C、工作站及其计算机网络;的金融交易时进行身份认证；生物识别技术可以取代钥匙、证件、图章和卡阅读器。[1]

1.2.2指纹特征

指纹其实是比较复杂的。与人工处理不同，许多生物识别技术公司并不直接存储指纹的图像。多年来在各个公司及其研究机构产生了许多数字化的算法(美国有关法律认为，指纹

图像属于个人隐私，因此不能直接处理指纹图像)。但指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。

我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证:总体特征和局部特征。在考虑局部特征的情况下，英国学者E.R.H err y认为，只要比对13个特征点重合，就可以确认为是同一个指纹。

总体特征:

总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括:

(l)纹形

其他的指纹图案都基于图1-1这三种基本图案。仅仅依靠纹形来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，通过更详细的分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便快捷。

环形 弓形 螺旋形

图1-1 指纹的三种基本图像

(2)模式区(P attern Area)

模式区是指指纹上包括了总体特征的区域（见图1-2），即从模式区就能

够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数

据。S ecure T ouch的指纹识别算法使用了所取得的完整指纹而不仅仅是模

式区进行分析和识别

图1-2 模式区

(3)核心点(Core P oint)

核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考

点（见图1-3）。许多算法是基于核心点的，既只能处理和识别具有核心点的指纹。核心点对于S ecure T ouch的指纹识别算法很重要，但没有核心点的指纹它仍然能够处理。

图1-3 核心点

（4）三角点（De l ta）

三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、

孤立点、折转处，或者指向这些奇异点（见图1-4）。三角点提供了指纹纹

路的计一数跟踪的开始之处。

图1-4 三角点

(5)纹数(Ri d ge Count)

指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数（见图1-5）。[2]

图1-5 纹数

1.2.3 指纹应用系统简介

应用系统利用指纹识别技术可以分为两类，即验证(V eri f ication)和辨识(I d enti f ication)。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对(one-to-one matching)，来确认身份的过程。如图1-6作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识(ID，P I N)联系起来。随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。验证其实是回答了这样一个问题:”他是他自称的这个人吗?“这是应用系统中使用得较多的方法。

图1-6 一对一指纹登记与验证系统示意图

辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配(one to man y matching)”。如图1-7验证其实是回答了这样一个问题:“他是谁?”辨识主要应用于犯罪指纹匹配的传统领域中。一个不明身份的人的指纹与指纹库中有犯罪记录的人指纹进行比对，来确定此人是否曾经有过犯罪记录。

图1-7 一对多指纹登记与辨识系统示意图

验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。例如验证系统一般只考虑对完整的指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对;验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性;另外在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。

除了验证的一对一和辨识的一对多比对方法，在实际应用中还有“一对几个匹配(one 一to一f e w matching)”。一对几个匹配主要应用于只有“几个（f e w）”用户的系统中，比如一个家庭的成员要进入他们的房子。“几个”所包含的数目一般为5一20人。一对几个匹配一般使用与一对一匹配相同的方法。

1.2.4 指纹取像的技术及特点

取像设备分成两类:光学、晶体传感器和其他技术。

光学取像设备依据的是光的全反射原理(F T IR)。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。

晶体传感器是最近在市场上才出现的。这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。最常见的硅电容传感器通过电子度量被设计来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100，000个电容传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组

成了电容阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是脊(近的)和谷(远的)相对于另一极之间的距离。另一种晶体传感器是压感式的，其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号。其他的晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。

超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类。很像光学扫描的激光，超声波首先扫描指纹的表面。紧接着，接收设备获取了其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度，积累在皮肤上的脏物和油脂对超音速获得的图像影响不大，所以这样的图像是实际脊地形(凹

凸)的真实反映，应用起来更为方便。

晶体传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏。

1.2.5 指纹识别技术综述

指纹识别技术主要涉及四个功能:读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。

首先，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，采集到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。

接其次，指纹辨识软件建立指纹的数字表示—特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”(minutiae)的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置。

最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

1.3 设计背景

指纹具有唯一性和稳定性，依靠这一点，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。利用指纹识别技术，用指纹取代传统的钥匙、密码、磁卡等，设计用于门禁系统，将大大提高其安全性和可靠性。所以，开发指纹门锁成为必然的趋势。这也是本次设计开发指纹门禁系统的目的。

1.4 小结

通过对比传统门锁与指纹门锁，说明了指纹门锁的优势和特点。本章介绍了指纹识别技术，随着科技的发展，指纹识别技术已经基本成熟，运用高端电子器件，指纹门锁的开发已经成为现实，基于指纹锁的优点，它取代传统锁已经成为必然趋势。

2 系统的总体方案论证

2.1 系统工作原理

指纹门锁主要设计的功能有：指纹的提取、存储、比对、删除和控制电动机的转动来控制门的开与关。

当一个指纹锁中没有指纹时，首先应当提取管理者指纹储存到指纹模块中，以后无论是录入新的管理者指纹或是开门都应当进行该指纹的比对，以确保高的安全性（除复位外）。想要开启一个指纹门锁，首先进行指纹的采集，通过指纹模块采集指纹图像，然后进行图像的处理转换成数字信号与指纹模块中的管理者数据进行比对，当数据吻合时通知单片机开启电动机进行开门动作，如果采集的数据和管理者数据不符时单片机控制L CD，提示操作不成功，不进行开门动作。

根据要求该指纹锁工作在5V电压下，通过选取性能高的指纹模块来提高指纹锁的认假率和拒真率，从而提高锁的安全效率。

2.2 方案的论证

系统的设计是指根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成一个完整的系统。在系统的整体方案确定之前，首先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。

通过查阅大量的文献资料、综合分析考虑以模块的方式提出几种可供选择的方案一：

图2-1 方案一框图

如图2-1为方案一的原理框图，我们采用自选传感器和指纹图像处理芯片，传感器采集到指纹图像后经过指纹图像处理可以存储到指纹存储fl a s h中，当使用到图像时可以通过单片机从质问存储fl a s h中调取。

方案二：

如图2-2为方案二的原理框图，与原理一的不同点是采用集成的指纹模块，其它部分一致。

图2-2 方案二框图

2.3 总体方案的确定

对以上两种方案进行对比分析：

方案一与方案二唯一的区别就是指纹模块部分，且这部分为本设计的关键部分。

方案一的优点是自选性强，指纹采集、处理、存储芯片都可以自行选择，可以通过不同的用户选择相对应的不同芯片。缺点是稳定性差，且设计不一定能达到所设想的效果。

2.4 指纹模块的选择

指纹模块是本设计中最重要的部分，它的选择决定了整个系统工作的效率以及安全性。指纹模块的种类繁多，通过网上查找，选择了以下几种指纹模块进行对比，通过比较性能、价格以及外型来选择出一个符合要求的指纹模块。

2.4.1 艾菲尔E F M-800指纹模块[3]

如图2-3，E F M-800是通用指纹识别模块，它完成指纹采集、指纹登记、指纹1:N和1:1比对等与指纹有关的操作。它由高速信号处理器D S P、射频原理真皮指纹敏感器（面积型）、高性能指纹比对算法等软硬件组成。产品有两种形式：指纹敏感器与主板成一体E F M800U,

指纹敏感器与主板分离E F M800S。

产品的主要优势是适应各种指纹能力非常强。除了对理想指纹具有很高的识别率（低拒真率）外，对困难手指也能保证很好地识别率，如：干手指、浅纹理手指、磨损手指、粗糙手指、老年手指、油脂手指、灰尘手指、带泥手指、油墨手指等。E F M-800的防伪指纹能力非常强，它的指纹敏感器从原理上讲只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题。

产品特点：

对各种指纹类型适应性强：彻底解决了不理想手指识别率低的问题

对干手指识别高：特别适用与北方冬天的干手指

登录指纹成功率高：在作登录指纹时，成功率接近100%超薄体积：能嵌入到各种产品中

宽温区：适合特别寒冷或特别酷热的地区

抗静电能力强：在干懆容易起静电地区很适合

抗震动性能好：适合在像门锁这样带震动冲击的场合使用

该指纹模块技术指标见表2-1：

表2-1 EFM-800

指纹模块技术指标

2.4.2 天识T S -FID 16E B 指纹模块[4]

T S -FID 335416E B 型嵌入式指纹识别模块（以下简称T S -FID 335416E B ）是全新的独立型嵌入式指纹识别套件（如图2-4）。该套件应用自主开发的图象处理与识别算法，根据控制命令在模块上独立完成指纹采集、特征提取、模板比对等功能，适用于需要进行身份鉴别的嵌入式应用产品环境。工作模式及特点：

与主控设备（P C 或单片机或其他智能单元）通过R S 232连接，接收主控设备发来的命令，完成相应的处理后，将结果返回主控设备。该指纹模块具有干湿手指自动参数调节和验证

时支持360度旋转功能。该指纹模块技术指标见表2-2：

表2-2 TS-FID335416EB

指纹模块技术指标

2.4.3 指安科技Z F M -20指纹模块[5]

上位机接口： U AR T （TT L 逻辑电平） 或 US B 1.1

通讯波特率(U AR T )： (9600×N )b p s 其中N =1～12 （默认值N =6，即57600b p s）工作环境：

温 度：-10℃－+40℃

相对湿度：40％R H －85％R H (无凝露)储存环境：

温 度：-40℃－+85℃相对湿度：＜85％H（无凝露）外形尺寸(L ×W×H )：

分体式：

模 块：42×258.5mm (安装尺寸：31.5×19 mm )质问传感器：56×20×21.5mm

一体式：56×20×21.5mm ，一体式指纹模块见图2-5该指纹模块技术指标见表2-3：

表2-3 ZFM-20

指纹模块技术指标