一个指纹密码锁的设计与实现∗

李友胜

（宝鸡文理学院机械工程学院 宝鸡 721016）

1 引言

指纹是人类皮肤上一种特殊的纹路结构，而这些结构的形成完全依赖于胚胎细胞的发育［1～2］。每一个胚胎因为其基因的重组是不尽相同的，所以，每个指纹也有着其特殊的纹理结构。

现代电子集成制造技术对于本系统的实现起了很大的作用［3～4］，可在一个微小的单片机上存储很多个指纹信息，体现其便捷性。利用指纹图像读取设备，可以获取任何一个指纹信息，而数据库可以准确地存储这些信息，在单片机上进行两个指纹的比对和运算，所以基于单片机的指纹识别技术有着很强的可行性［5～6］。

1.1 指纹识别原理

手指表面皮肤凹凸不平而产生的纹路就是指纹［7～8］，而纹路可以用结构特征来描述。

通常采用的结构特征有2种，如图1所示。

图1 指纹基本纹路图案

1）全局特征:分为:环形、弓形、螺旋形。

2）局部特征:利用指纹中最常见的断点和分叉来建立坐标，结合其他一些特征表示指纹。如图2中的小桥、三角点、分叉点、端点和环。

指纹识别原理［9～10］:是对指纹进行“照相”，生成指纹特征，如图3 所示就是一个指纹模板，录入两次这样的指纹特征就能生成一个指纹模板［11～12］。

其工作过程是:扫描指纹（录入图像）、生成特征、合成模板［13～14］（建立一个指纹库文件，成功录入一个指纹）。

图2 指纹图像

图3 指纹模板

1.2 系统功能结构图

该系统由四个功能模块构成，即LCD12864、单片机［15］、指纹模块、继电器和指示灯模块。其功能结构如图4所示。

图4 系统功能结构图

管理员进入系统后，在管理员模式下可以完成录入指纹、删除指纹、应急开锁和修改密码的功能。

管理员进入录入指纹模式后，指纹模块绿灯亮起，录入同一手指两次，此时液晶显示“指纹采集成功”；在删除指纹模式下，液晶显示“输入删去的指纹号”，输入后按确认键即可完成指定指纹的删除功能，同时液晶显示“删除指纹号成功”。在非正常的情况下，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；密码修改的功能是指可以修改并保存进入管理员的6位密码。

2 系统硬件设计

该系统硬件部分由四个模块组成:按键模块、显示模块、单片机控制模块、指纹模块。

2.1 指纹模块电路设计

指纹模块电路如图5 所示:将指纹模块里面的CMOS芯片采集一次指纹信息，然后处理生成0和1两种记录信息，存入指纹模块的FLASH芯片里面。

当切换到识别模式时，指纹模块首先采集一次指纹，然后和FLASH 芯片的数据进行对比，如果存在，则返回是几号指纹。

图5 指纹模块接口图

2.2 液晶显示的电路

本系统采用LCD12864 液晶显示器，是一种功耗极低的显示器件，广泛应用于便携式电子产品中，具有低功耗、显示信息量大、易于彩色化等特点。其电路如图6所示。

图6 LCD12864电路

2.3 按键控制电路

如果按键上为高电平，则表示断开，否则表示闭合。为了防止信号的干扰，加入消除电平，确保CPU 对一次按键动作只确认一次，图7 为按键电路，按键按下是呈低电平，采用软件消抖减少对的单片机影响。

图7 按键电路

2.4 复位电路

复位电路［16］由按键复位和上电复位两部分组成。本系统采用的复位电路如图8 所示。单片机在上电瞬间，RC 电路充电，RST 引脚端出现正脉冲，如果RST 端保持两个机器周期以上的高电平，单片机就会复位。

图8 复位电路

3 系统软件的设计

本系统采用Keil 开发软件对单片机程序进行编写、仿真调试，随后将代码文件通过开发板下载到单片机中，系统在通电之后，单片机中的主程序完成各个模块的初始化工作，同时检测对各个按键是否有按键动作，有则执行相关的程序。

3.1 主程序流程图

主程序首先对各个模块进行初始化，扫描有无按键动作，若有，先判断是哪个按键，并判断是否执行相应子程序。其主程序执行流程如图9所示。

图9 主程序流程图

3.2 按键流程图

按键模块实现其功能时，其流程如图10所示。

3.3 LCD显示流程图

LCD显示模块主要显示对比结果，方便用户更直观的获取信息。图11为显示模块的流程图。

图10 按键流程图

图11 显示模块流程图

3.4 指纹模块的通信流程图

指纹模块的串口通信中，数据的发送和接收流程图如图12所示。

图12 串口通信数据发送、接收流程图

4 系统的功能实现

4.1 程序的烧写

STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，主要用于对单片机程序的烧录，图13 为软件工作界面。

图13 STC-ISP工作界面

调试通过的代码文件通过STC_ISP_V480下载到单片机。STC_ISP_V480使用步骤为:

1）打开 STC-ISP 软件，然后在 MCU Type 栏目下选中STC89C52RC。

2）选中COM端口，波特率选择9600。

3）点击“打开文件”并在对话框内找到要下载的HEX文件。

4）点击download/下载，根据提示给单片机上电，完成程序烧写。

4.2 液晶显示屏的实现

导入12864 液晶的测试程序，设备通电后，通过调节液晶屏背面的电位器，在调试液晶时要注意:程序是否对液晶屏初始化，调整标准初始化步骤，或调整指令之间的延时。在经调试后液晶的显示结果如图14所示。

图14 液晶显示屏

4.3 指纹模块、按键的实现

导入程序后，测试指纹模块及按键是否工作，操作步骤为

1）按下电源，电源指示灯点亮；

2）按“*”键后屏幕显示“请按指纹”，指纹模块亮，将手指放到指纹头处即可识别指纹；

3）若录入指纹，指纹识别成功则继电器工作，LED灯亮，门开锁，按任意键返回初始界面，等待下一个人扫描指纹。若录入指纹后，指纹识别不成功，继电器没有动作，LED 灯不亮，将不能开锁，按任意键返回初始界面，继续扫描指纹。

4）按下 A 按键，输入 6 位密码，按下 B 按键，可删除输入的数字，按下D 按键确认，密码输入正确后，可进入管理员模式。

5）在管理员模式下，按数字键“1”进入录入指纹模式，指纹头灯亮起，此时可把手指放到指纹头进行指纹的录入，录入指纹时需要录入2 次指纹完成这个指纹的录入存储，指纹录入成功后，按任意键返回到管理员界面，如需再录入指纹重复上面操作即可。

6）按数字键“2”进入删除指纹模式，输入要删除指定的指纹号按“D”键确认，若指纹号输入错误可按“B”键撤销，再重新输入要删除的指纹号即可。

7）在非正常情况下（指纹模块不能识别或紧急情况）可按数字键“3”进行开锁。

8）按数字键“4”可进行管理员密码的修改。

5 结语

该指纹密码锁利用高性能单片机、LCD显示屏以及指纹识别模块实现了各模块的电路设计，通过系统的功能测试，实现了录入指纹、存储指纹及指纹对比及继电器的开锁功能，为身份识别奠定了良好的基础，具有现实的应用价值。