基于單片機(jī)的指紋自動識別門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭祥明，謝曉亮

（1.亳州學(xué)院 電子與信息工程系，安徽 亳州 236800；2.淮北工業(yè)與藝術(shù)學(xué)校 信息工程系，安徽 淮北 235000）

高校實(shí)驗(yàn)室是教師科研、學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要場所，承擔(dān)實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的重要任務(wù)[1].隨著高校實(shí)驗(yàn)室開放程度的提高，采用傳統(tǒng)機(jī)械門鎖的實(shí)驗(yàn)室門禁管理方式造成的管理不便及安全性不高等問題已不能滿足廣大師生的科研和實(shí)驗(yàn)需求，針對高校實(shí)驗(yàn)室管理中存在的問題，課題設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的指紋門禁管理系統(tǒng)解決方案[2].系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，選用FPM10A光學(xué)指紋傳感器和門禁系統(tǒng)控制模塊組成.該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的功能和教學(xué)科研實(shí)際向已獲實(shí)驗(yàn)室使用權(quán)限的師生開放并記錄其使用次數(shù)、時間等信息，智能化的實(shí)驗(yàn)室管理提高了實(shí)驗(yàn)室的管理效率.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由控制模塊、指紋傳感器模塊、顯示模塊、電磁鎖控制模塊和報(bào)警模塊等組成.控制模塊選用的是STC公司生產(chǎn)的基于MCS-51內(nèi)核的8位微控制器STC89C52，指紋傳感器模塊選用的是FPM10A光學(xué)指紋傳感器采集及識別指紋信息，顯示模塊用于實(shí)時顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，電磁鎖控制模塊用于控制門的開關(guān)狀態(tài)，報(bào)警模塊則用于提示管理員門禁系統(tǒng)故障或者無關(guān)人員企圖進(jìn)入限制區(qū)域，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3].

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的控制器是宏晶科技推出的新一代具備高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾特點(diǎn)的STC89C52單片機(jī)，是系統(tǒng)的控制核心.根據(jù)系統(tǒng)工作需要設(shè)計(jì)的外圍電路有時鐘電路、復(fù)位電路、指紋模塊電路、報(bào)警電路、液晶顯示電路和控制電路等部分組成[4]，系統(tǒng)電路原理如圖2所示.

2.2 FPM10A光學(xué)指紋傳感器

光學(xué)指紋傳感器是利用光的折射和反射原理，通過CMOS或者CCD的光學(xué)器件采集到不同明暗程度的圖片信息，完成指紋數(shù)據(jù)的采集[5].本系統(tǒng)選用的光學(xué)指紋傳感器模塊的型號是FPM10A，該傳感器模塊有 VCC（接 3.6V-5.5V）、GND（電源地）、TXD、RXD和NC等五個端口，采用半雙工異步串行通訊，TXD為串口的數(shù)據(jù)發(fā)送端，RXD為串口的接收端，其默認(rèn)波特率為57600bps，也可根據(jù)實(shí)際需要通過命令設(shè)置為9600～115200bps[6].

如圖2所示，傳感器模塊的TXD和RXD端口分別與STC89C52單片機(jī)的P30（RXD）和P31（TXD）相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸?shù)膸袷饺鐖D3所示.

圖3 FPM10A傳輸?shù)膸袷?/p>

2.3 電磁鎖

電磁鎖是利用電生磁的工作原理，當(dāng)有電流通過硅鋼片時會產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力吸附固定在門框或墻體的鐵板從而實(shí)現(xiàn)鎖門的效果.當(dāng)門禁系統(tǒng)識別到有進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室權(quán)限的人員時電磁鎖電源斷開，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，否則無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室.本系統(tǒng)選用戶內(nèi)型磁力鎖，具有控制方便、功耗低、性能穩(wěn)定、安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[7].

2.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的功能是當(dāng)門禁系統(tǒng)故障或有未受權(quán)限人員企圖進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時發(fā)出警報(bào)聲，工作原理是系統(tǒng)利用微控制器的P36端口輸出高、低電平和三極管驅(qū)動電路控制蜂鳴器工作.

2.5 LCD液晶顯示模塊

LCD12864液晶顯示模塊的功能是實(shí)時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)指紋模塊檢測到有實(shí)驗(yàn)人員的指紋后，顯示“歡迎進(jìn)入XX實(shí)驗(yàn)室！”；當(dāng)指紋匹配不正確時，顯示“指紋匹配不正確，請重新識別！”；當(dāng)匹配不正確次數(shù)達(dá)到三次以上時，顯示“指紋庫中沒有您的信息，請聯(lián)系管理員！”等.管理人員可以根據(jù)實(shí)際實(shí)用需要還可以設(shè)計(jì)顯示一些其他實(shí)用的提示語，幫助廣大師生更友好的使用本系統(tǒng).

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思想

該實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)通過主控芯片與指紋模塊和電磁鎖模塊聯(lián)系起來，使得只有通過門禁系統(tǒng)的驗(yàn)證才能順利進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)活動.系統(tǒng)使用前，用戶先將指紋庫初始化，然后錄入管理員和相關(guān)有權(quán)限進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人員的指紋并保存，設(shè)定好之后只需將手指放在指紋傳感器的感應(yīng)端即可控制電磁鎖開門，如果未獲得實(shí)驗(yàn)室使用權(quán)限的人員觸摸指紋模塊的感應(yīng)端則會有語音警報(bào)[8].

3.2 指紋傳感器模塊程序設(shè)計(jì)

STC單片機(jī)通過串口與光學(xué)指紋傳感器相連，通過軟件實(shí)現(xiàn)指紋模塊與單片機(jī)串口通信.通過STC單片機(jī)發(fā)送EF 01 FF FF FF FF 01 00 03 01 00 05獲取指紋圖像，部分程序代碼如下：

然后將獲取的指紋圖像通過發(fā)送EF 01 FF FF FF FF 01 00 04 02 01 00 08存儲在模塊BUFFER1中；再次獲取指紋圖像，發(fā)送EF 01 FF FF FF FF 01 00 04 02 02 00 09將圖像存儲在BUFFER2中；

在匹配指紋模式時，當(dāng)單片機(jī)檢測到有手指時則會發(fā)送指令EF 01 FF FF FF FF 01 00 06 06 01 00 0B 00 19指紋信息存到光學(xué)指紋模塊的BUFFER1緩存器中.然后發(fā)送EF 01 FF FF FF FF 01 00 08 04 01 00 00 00 13 00 21進(jìn)行指紋匹配；最后返回?cái)?shù)據(jù)，若返回值為00H則表示搜索到.若返回值為09H則表示沒搜索到，這一過程可以幫助管理員進(jìn)行指紋庫的采集與管理.

3.3 報(bào)警系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

光電指紋模塊的通信端口直接與單片機(jī)的串口引腳相連，通過軟件可以實(shí)時串口通信；通過硬件可設(shè)定指紋輸入模式和安全防御模式，當(dāng)處于安全防御模式時必須要經(jīng)過指紋驗(yàn)證才能安全進(jìn)入房間，否則會有報(bào)警.

3.4 主程序流程圖

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)自動進(jìn)入使用者界面，用戶通過觸摸指紋傳感器感應(yīng)區(qū)進(jìn)行指紋匹配，如果匹配成功則打開電磁鎖，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室；當(dāng)指紋匹配失敗則無法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室并發(fā)出語音警報(bào).此外當(dāng)系統(tǒng)識別管理員身份時，管理員則可對系統(tǒng)指紋庫進(jìn)行管理，例如：錄入指紋、刪除指紋等操作.系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制芯片，利用FPM10A光學(xué)指紋傳感器采集和識別相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員的信息，通過控制電磁鎖最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室門禁的管理.經(jīng)測試，系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)成本低、低功耗、安全性高等優(yōu)點(diǎn),同時也提高了實(shí)驗(yàn)室管理的效率，為實(shí)驗(yàn)室門禁管理走向規(guī)范化、信息化和智能化提供了解決方案.

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