基于單片機(jī)的指紋門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石巖

門(mén)禁管理是現(xiàn)代安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，技術(shù)的發(fā)展，以傳統(tǒng)鑰匙、射頻卡系統(tǒng)為代表的系統(tǒng)以檢驗(yàn)人持有的“物”為主，只要“物”的有效性得到確認(rèn)，則持有該“物”的人就被認(rèn)為是合法者。所以這種以“物”認(rèn)人的辦法的問(wèn)題是顯而易見(jiàn)的，一是“物”的遺失將使合法的人得不到合法的驗(yàn)證;二是“物”被盜用將反使非法的人得到合法的驗(yàn)證。

指紋門(mén)禁系統(tǒng)，是利用人體生物特征指紋來(lái)進(jìn)行身份安全識(shí)別，具有不可替代，不可復(fù)制和唯一性的特點(diǎn)，它采用數(shù)字圖像處理、生物識(shí)別及DSP算法等技術(shù)，用于門(mén)禁安全、進(jìn)出人員識(shí)別控制，是符合現(xiàn)代安防要求的新一代門(mén)禁系統(tǒng)。使用時(shí)只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成開(kāi)鎖任務(wù)，操作十分簡(jiǎn)便，避免了其它門(mén)禁系統(tǒng)（傳統(tǒng)機(jī)械鎖、密碼鎖、識(shí)別卡等）有可能被偽造、盜用、遺忘、破譯等弊端。以往，指紋門(mén)禁系統(tǒng)多應(yīng)用于商務(wù)住宅、博物館等安全級(jí)別較高的場(chǎng)所，隨著科技的發(fā)展，指紋鎖以其便捷性的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了普通用戶(hù)的市場(chǎng)。用戶(hù)群體的改變，對(duì)指紋門(mén)禁系統(tǒng)的成本提出了更高的要求。

1.硬件部分設(shè)計(jì)

51單片機(jī)自1980年問(wèn)世以來(lái)，以其控制能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展方便等特點(diǎn)得到了飛速發(fā)展，成為了工業(yè)控制系統(tǒng)中的理想機(jī)型。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有更多速度快、容量大的機(jī)型問(wèn)世，51系列單片機(jī)依然廣泛應(yīng)用于各控制系統(tǒng)。究其原因，一是因?yàn)?1單片機(jī)能夠滿(mǎn)足多數(shù)控制系統(tǒng)的基本要求，其控制方式簡(jiǎn)單好上手，對(duì)多數(shù)研發(fā)和維護(hù)人員都比較友好;二是其成本低廉，在符合基本工作控制場(chǎng)景的情況下，成為了多數(shù)中小企業(yè)的優(yōu)選。

本系統(tǒng)由AT89C51單片機(jī)做為核心CPU，通過(guò)按鍵控制輸入和刪除指紋信息，并將指紋傳感器模塊電路的數(shù)據(jù)采集后，與已有指紋信息比對(duì)，得到是否匹配的結(jié)果，并將結(jié)果顯示在LCD屏幕上，同時(shí)控制繼電器、蜂鳴器做出對(duì)應(yīng)動(dòng)作。

指紋模塊是指紋門(mén)禁系統(tǒng)中指紋鎖的核心部件，用來(lái)完成指紋的采集和指紋的識(shí)別的模塊。指紋模塊主要由指紋采集模塊、指紋識(shí)別模塊和擴(kuò)展功能模塊（如鎖具驅(qū)動(dòng)模塊）組成。指紋模塊按其指紋識(shí)別方式可以分為：光學(xué)指紋模塊：靠光的折射和反射原理識(shí)別指紋;電容指紋模塊：通過(guò)電容的數(shù)值變化來(lái)采集指紋;射頻指紋模塊（刮擦指紋模塊）：利用微量射頻信號(hào)來(lái)探測(cè)紋路。

本文使用的指紋識(shí)別模塊主要是指采用了杭州晟元芯片技術(shù)有限公司（Synochip）的 AS608 指紋識(shí)別芯片做成的指紋模塊，它屬于基于光學(xué)的指紋模塊。光學(xué)器件通過(guò)收集在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗信息完成指紋的采集。

指紋匹配時(shí)，將通過(guò)指紋傳感器，新采集到的指紋圖片信息進(jìn)行特征提取，并與存儲(chǔ)在模塊中的指紋模板進(jìn)行匹配和比較，從而得出是否匹配的結(jié)果。它采用3.3V供電，因而需要進(jìn)行5V轉(zhuǎn)3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。使用8針的控制接口，除電源線和地線、感應(yīng)信號(hào)的輸入輸出以外，提供兩種通信總線接口。分別為串口通訊（TX、RX）和USB通訊（D+、D-）;其中，USB通訊編程相對(duì)較難，但USB作為最常用的總線接口，有很好的兼容性;串口通訊編程相對(duì)簡(jiǎn)單，也是比較常用的一種，但是兼容性不好，由于本系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，因此采用串口通訊的方式。AS608模塊touch引腳接到單片機(jī)的普通IO上，當(dāng)有指紋按下，該引腳觸發(fā)一個(gè)高電平信號(hào);TX、RX引腳分別接到單片機(jī)的P30、P31串口引腳上，通過(guò)這兩個(gè)端口，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與AS608指紋模塊的通信。

單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)對(duì)AS608指紋模塊的控制，就需要根據(jù)AS608芯片規(guī)定的通訊協(xié)議格式來(lái)發(fā)送和處理串口數(shù)據(jù)，整個(gè)模塊各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)也是圍繞該協(xié)議格式進(jìn)行的。一般要實(shí)現(xiàn)一個(gè)指紋密碼鎖的功能，只需用到以下指令：錄入圖像、生成特征、搜索指紋、自動(dòng)驗(yàn)證指紋、自動(dòng)注冊(cè)模板、刪除指紋。

本設(shè)計(jì)采用的是字符型顯示。本設(shè)計(jì)采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，+5V供電，而且不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。LCD1602可以顯示2行16個(gè)漢字，滿(mǎn)足系統(tǒng)錄入、對(duì)比、刪除的顯示要求。

門(mén)禁是門(mén)體的重要部分，系統(tǒng)中通常使用電控鎖來(lái)控制門(mén)的開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制繼電器的通斷控制電流，以此控制電磁鐵型電控鎖，達(dá)到控制門(mén)的效果。除此之外，門(mén)禁系統(tǒng)還設(shè)置了聲音互動(dòng)，以蜂鳴器的形式存在。模式設(shè)置（按鍵錄入）有效時(shí)，響一次，指紋錄入成功或匹配成功時(shí)，蜂鳴器響兩次，指紋錄入失敗或匹配失敗時(shí)，響三次。繼電器和蜂鳴器都由直流驅(qū)動(dòng)，因此，只需要利用端口控制電平輸出，再由三極管進(jìn)行電流放大，就可以控制這兩個(gè)動(dòng)作部件做出相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

2.軟件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件部分遵循按鍵--采集--對(duì)比--動(dòng)作的大致流程。首先，將定時(shí)器、LCD1602和串行通信接口初始化。然后采集指紋，若指紋采集成功，則跟預(yù)存的指紋比對(duì)，若比對(duì)成功，則繼電器做出相應(yīng)動(dòng)作。程序運(yùn)行過(guò)程中，可隨時(shí)通過(guò)按鍵進(jìn)入中斷，根據(jù)功能按鍵的不同，在LCD上顯示不同的提示語(yǔ)，并做出不同的響應(yīng)，響應(yīng)完成后繼續(xù)運(yùn)行。

3 測(cè)試結(jié)果

軟硬件系統(tǒng)搭建完成后，先后對(duì)多人的指紋進(jìn)行了采集和測(cè)試，通過(guò)按鍵和液晶顯示完整實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。

隨著技術(shù)發(fā)展，個(gè)人家居也逐步智能化。生物識(shí)別系統(tǒng)逐步發(fā)展后，指紋門(mén)禁系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。文中的指紋門(mén)禁系統(tǒng)比較單一、后期可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，接入傳統(tǒng)的射頻識(shí)別，保障門(mén)禁系統(tǒng)的完備性。也可以接入藍(lán)牙模塊，與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制等。