基于单片机的指纹密码锁系统设计

唐瑞　于娟

摘 要：指纹识别电子密码锁系统将STC89C54单片机作为主控模块，通过串口通信的方式来控制ZFM-60指纹模块录取和存储指纹数据，然后通过LCD12864-BV2.0（带字库）液晶实时显示。通常，该系统设有一般模式和管理员模式，采用矩阵键盘实现模式选择和应急处理，用继电器和LED指示灯模拟开锁动作。

关键词：单片机；指纹密码锁；系统设计；指纹模块

中图分类号：TP368.1；TP391.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.012

随着科技的飞速发展，密码锁被广泛应用于私人场所，而指纹密码锁成为人们的首选。世界上绝大部分物质都有其特征，人类也不例外。据科学统计，在全世界60亿人口当中，除了几十名生来就没有指纹的特殊人物之外，没有相同的指纹。而将指纹这种具有唯一性和稳定性特征的信息转化为数字信息，然后再与之前采集的信息对比，逐渐形成了现在的指纹密码锁。

指纹识别技术的发展促进了现代电子集成制造技术和快速可靠算法的研究。现代电子集成制造技术使得我们可以制造出相当小的指纹图像读取设备，同时，飞速发展的计算机运算提供了在单片机上进行指纹比对运算的可能。

1 系统总体方案设计

1.1 一般模式

打开电源，电源指示灯点亮，液晶显示“欢迎使用指纹门禁系统，请按手指开锁”；按下按键后，液晶显示“请按指纹”，同时，指纹模块绿灯开始闪亮，执行指纹开锁。如果指纹识别成功，继电器工作（伴随一声“滴答”响），LED指示灯亮起，开锁成功，人员可以进入，液晶显示“门已打开”（还有指纹编号）；如果指纹识别不成功，继电器不工作，LED指示灯不亮，将不能开锁，人员不能进入，液晶显示“没有搜索到指纹，请按任意键继续”。

1.2 管理员模式

按下选项按键进入管理员模式，然后输入6位密码。密码正确，可以进入管理员模式；密码错误，则不能进入管理员模式。在管理员模式下，可以实现录入指纹、删除指纹、应急开锁和修改密码的功能。进入录入指纹模式后，指纹模块绿灯闪亮，将手指放到指纹头上，录入同一指纹两次。此时，液晶显示“指纹采集成功”。在删除指纹模式下，液晶显示“输入删除的指纹号”。输入指纹后，按确认键即可完成指定指纹的删除，同时液晶显示“删除指纹号成功”。在异常情况下，比如指纹模块不好用或者紧急情况下，可以使用紧急开锁功能。密码修改功能是指可以修改并保存6位管理员密码。

2 硬件设计部分

系统硬件设计如图1所示。

2.1 指纹模块电路

指纹密码锁系统设计选择的指纹模块型号为ZFM-60。该模块性能较为稳定，指纹模块接口电路如图2所示。在ZFM-60指纹模块内部，主要为DSP芯片（型号为AS606），与外围封装的CMOS芯片组合配套使用。CMOS芯片主要用于采集指纹，生成指纹特征，即数据资料。图3所示为一个指纹模板，录入两次这样的指纹特征就能生成一个指纹模板。具体的操作流程为扫描指纹（录入图像）→生成特征→合成模板（建立一个指纹库文件，成功录入一个指纹）。

用指纹模块内的CMOS芯片采集一次指纹信息，然后进行模糊处理，生成“0”和“1”两种记录信息，存入指纹模块的FLASH芯片中。当切换到识别模式时，指纹模块就会先让CMOS芯片采集一次指纹，然后与FLASH芯片的数据对比，看是否一致。如果一致，就可以返回指纹编号。这样就能够通过单片机识别指纹。

2.2 矩阵键盘

在本次设计中，我们采用逐行扫描法完成按键检测。图4所示为按键电路。依次将每根行线设置为输出口，并输出低电平（剩余行线输出高电平），然后逐列检查每根列线的电平状态。如果某列为低电平，则该列线与设置为输出低电平的行线交叉处的按键就是被按下的按键。确定按键位置后，要给矩阵键盘中的每个按键编号，也就是进行按键编码。

2.3 液晶显示

在本次设计中，采用带字库的12864液晶显示器进行实时显示。在软件方面，使用串口通信方式；在硬件设计上，简化了设计电路。图5为12864LCD与单片机接口的连接情况。

显示模块主要实现数据的显示功能。开始时，必须进行初始化，否则模块无法正常显示。在模块接受指令前，必须确保单片机模块内部处于非忙碌状态，然后根据接收到的指令将相关内容显示在屏幕上。

2.4 记忆存储的设计

记忆存储电路部分采用记忆存储传感器AT24C02进行记忆存储。AT24C02是ATMEL公司的2 KB电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线与单片机通信，电压最低可达2.5 V，额定电流为1 mA，静态电流为10 μA（5.5 V）。芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。AT24C02与单片机接口的连接如图6所示。

2.5 系统电路

本次设计运用Altium Designer Summer 2009软件设计。系统电路原理如图7所示。设计中，大部分元件都使用高精度贴片元件，使整个系统不会因元件选用不当而出现误差。

3 软件设计部分

在ZFM-60指纹模块程序的设计方面，先通过串口给指纹模块发送命令，然后等待指纹模块传回数据；接着采用单片机进行数据处理，从而判断命令有无执行（主要是指纹的采集和存储，将采集到的指纹与之前存储的指纹数据进行比对，得出结果）。在管理员模式下，需要进行修改密码，增加、删除指纹和手动开锁等功能程序的设计。其中，密码存储在AT24C02存储芯片中。在设计好所有子程序并且检测无误之后，再进行系统整理和修改，完善主程序。主程序设计流程如图8所示。

4 系统联调

系统程序需利用Keil 4软件编写调试。程序部分需要调试的主要有液晶显示、矩阵键盘行列扫描、指纹模块和I2C3部分。联调结果如图9所示。

5 结论

本文主要介绍了基于单片机的指纹密码锁系统的设计。该系统利用单片机、指纹模块、矩阵键盘和液晶显示，继电器及LED指示灯用来提示是否完成指令。经过软、硬件的调试，实现了指纹采集、存储、比对判断的功能，可以准确地识别指纹的ID。

参考文献

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作者简介：唐瑞（1992—），男，四川阆中人，就读于攀枝花学院电气信息工程学院测控技术与仪器专业。于娟（1983—），女，四川宣汉人，实验师，硕士，研究方向为控制理论与控制工程、电工电子技术。

〔编辑：刘晓芳〕