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目 录

1 引言 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2指纹识别技术简介 3

2 系统硬件设计 6

2.1 系统设计方案 6

2.2 系统控制模块 6

2.3 液晶显示模块 8

2.4 按键控制模块 10

2.5 指纹识别模块 12

3 系统软件设计 15

3.1 主程序设计 15

3.2 键盘控制程序设计 16

3.3 LCD显示模块程序设计 17

3.4 指纹识别通信模块程序设计 19

4 实物制作与结果分析 20

4.1 硬件电路及串口调试 20

4.2 指纹电子锁按键解锁展示 21

4.3 指纹电子锁指纹解锁展示 22

5 结论与展望 24

参考文献 25

附录 26

致谢 29

基于指纹识别的电子密码锁设计

吴迪

, China

Abstract：

This paper has designed a microcomputer-based fingerprint identification electronic code lock. The lock is consisted of AT89C52 MCU, fingerprinting and identification module, digital key module, LCD display module and indicator light alarm module. Particularly, the fingerprinting and identification module is the kernel module in that system. The system has both unlock function with fingerprinting and digital code. If fingerprint is damaged, it can be unlocked with a digital password. What’s more, this design is accurate, fast, safe, reliable, cost-effective, and suitable for family use

Key words: electronic code lock; single chip microcomputer; fingerprint identification

1 引言

1.1 研究背景及意义

自从人类开始制造锁具，想当长一段时间使用的锁就是一种机械锁。这些锁由于锁芯的密齿结构咬合性不紧密，加上钥匙容易复制，门锁被撬非常容易。随着社会经济的发展、生活质量的提高，如何解决安全有效的防盗问题开始受到广泛关注，而更安全、更有效的密码锁更是人们的长期对更高生活品质的追求。与传统的密码锁相比，电子锁由于其强大的机密性，良好的使用灵活性和高安全因素而受到欢迎。电子密码锁是一种新型的锁具，不仅具有大量密集的密齿，通常在10000〜1000万之间，而且还省去了传统机械锁的钥匙，只要用户记住密码，便可开启，这大大提高了防盗功能。 因此，电子锁与普通机械锁相比具有独特的优势： 保密性好，防盗性强。

早在上世纪30年代，电子密码锁就已经被研制，并且用在一些特殊的地方。进入20世纪80年代后，出现了专用集成电路，电子密码锁的尺寸逐渐缩小，并且安全性能更高。早期编码锁只需要通过键盘输入密码，不需要携带用于解锁的钥匙。其方便性、安全性受到了人们欢迎。市场上比较常见的数码锁有：指纹锁，磁卡锁，IC卡锁等。对于电子密码锁来说，经过十几年的发展，其技术已发展的十分成熟。从目前市场接受程度来看，应用最广泛的是键盘式电子密码锁。

目前市场上的大部分电子密码锁均是基于单片机来制作的，而随着大规模集成电路技术的发展，具有微处理器的智能密码锁已经在市面上问世。智能密码锁不光包括了普通密码锁所具有的基本功能外，还扩展了智能管理等功能，从而更具安全性、可靠性。目前技术手段下，电子锁的密码量非常大，所以它可以与机械锁一起配套使用，并且可以避免由于钥匙被复制而留下安全风险。电子锁只需要记住一组密码，不需要携带钥匙，其简洁、方便、安全的特性受到人们的欢迎。而带有指纹识别功能的电子密码锁更是凭着更可靠的特点，对大门进行安全管理。这对人们的日常生活具有非常重要的现实意义。

电子式密码锁也存在的诸多安全问题，如密码容易被破解，智能化管理程度不高，误操作之后无法更改密码等等。为进一步提高电子密码锁的安全系数，已经有不少相关领域的研究者提出一种新型的无线遥控电子密码锁系统，其采用多层次密码机制，并基于滚动加密技术与无线遥控技术相融合的技术。^【1】

1.2指纹识别技术原理

由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们开始把目光转向了生物识别技术，并希望籍此技术来克服安全性的问题，比如指纹识别，已成为生物识别领域的热门话题。

本文的主要功能是基于指纹识别模块对密码锁进行验证和识别，最终达到开锁的目的，因此指纹识别技术及其识别算法是本文的研究理论核心。一般情况下，指纹识别主要包括了指纹采集原理、指纹特征提取原理以及指纹特征匹配原理三个方面，分类如图1.1所示。

图1.1 指纹识别原理

指纹采集是将指纹呈现出来的几何特性或者其他生理特征，利用指纹采集器、计算机处理软件、应用统计和数据库理论形成一种数字化表示的指纹图案。特别需要指出的是，该数字化指纹图案并不是最初始采集到的指纹图像，而是一种经过图像处理技术提取的指纹特征，这样处理的目的是使得指纹所需储存体积容量变小。

指纹特征分析是识别和分析采集得到的指纹图案的总体特征和局部细节，主要包括纹形的特征、特征点的分布以及各组特点之间的平面几何关系。因此，指纹分析的过程就是一种将这些指纹特征用数字模板的形式表示出来的过程。最后，将采集得到初始图像经过数字化技术处理后将数据贮存到计算机中形成指纹图像碎片或完整的图像。

指纹特征值匹配是利用计算机模式识别技术对采集的两枚指纹图案的整体特征和细节特征进行匹配，判断两者是否属于同源的过程，即判断指纹是否来自同一根手指头。

根据查询文献，了解到指纹识别过程是对指纹特征分析、预处理、特征提取以及最后匹配等一系列的过程，最终达到指纹识别的目的。过程如图1.2所示。^【2】

图1.2 指纹识别过程

（1）指纹特征分析

从参考文献[10-11]可以了解，指纹类型大致分为六种基本纹型：1、拱形；2、尖拱形；3、左箕型；4、左箕型；5、斗型；6、双漩型。指纹的细节特征包括：1、端点。纹路一般在此终结；2、分叉点。通常会在该交叉点分成两条或多条纹路；3、分歧点。平行的纹路一般在此点分离；4、孤立点；5、短纹；6、环点；7、桥等。

了解指纹的特征模式，就可以确定各指纹特征点，对分析指纹特征点拓扑图、等价比对等后续措施有着重要的作用。

（2）指纹图像预处理

指纹图像预处理包括：指纹特征场计算，指纹图像的分割、均衡、收敛、平滑、增强、二值化、细化等一系列的步骤。

（a）指纹分割。该过程是为了在整个指纹图像层中剥离指纹图像的前景。这里提到的指纹图像的前景通常可以被良好识别的指纹线的图像部分。

（b）指纹图像均衡。该过程原理是利用已经存在的计算机技术将灰度分布不均匀的图像转变为具有均匀灰度概率密度分布的新图像。通过扩展灰度值范围，整体图像对比度得到了有效提升。

（c）指纹图像滤波增强。该过程主要是为了处理因为手指按印不用力，按压过程中出现的手指非线性扭转，或者手指油腻、潮湿等因素产生的低质量图像。这些残缺的图像无法被准确提取重要的纹路结构特征，导致识别不准确。

（d）指纹细化。该过程逐渐将二值指纹图像的纹路腐蚀为单像素宽的纹路，能够最大限度地去掉冗余像素。

（3）指纹特征提取

指纹特征主要包括指纹图像的全局特征及局部特征。全局特征主要包括了核心点和三角点，而局部特征包括了端点和分叉点。在经过上述图像预处理后，信息维度降低。得到的特征点用来判断像素点的特征模式。

特征提取是将指纹特征的坐标、类型和方向等信息提取出来，并存储为一个特征文件，从而将图像转为由特征数据所组成的指纹模式空间向量，称为模板指纹。

（4）指纹匹配

指纹图像的匹配原理是将输入的指纹与指纹模板里贮存的数字或结构进行对比，根据相似程度判别该输入指纹是否是与目标指纹一致，达到身份鉴别或认证的目的。

在本次毕设中，选择了ATMEL公司的AT89C52作为主处理器，采用指纹识别技术作为辅助，设计了一款基于指纹识别的电子密码锁，该指纹密码锁主要具有如下功能：

（1）可以设置1‑16位的密码，若密码正确，门禁打开，否则打不开；

（2）密码可以由用户随意设置，并添加了防误操作的功能；

（3）指纹识别开锁。先采集指纹，要开锁之前必须用指纹进行匹配，增加了安全性；

（4）具有断电存储功能，断电后密码不丢失，符合实际应用要求。

2 系统硬件设计

2.1 系统设计方案

本文的电子锁是一款基于指纹采集和识别模块而设计的指纹识别电子锁。初始讨论设立的功能是使用指纹采集模块来搜索手指，当芯片确认搜索到手指后采集图像，并将图像转换为数字信号。考虑到每次需要对采集到的指纹图像进行对比，以及友好的人机交流环境，因此添加了液晶显示屏模块。

设计的基于指纹识别的电子锁具有以下功能：

（1）采集和录入指纹。密码锁具有采集指纹和录入指纹的功能，这是设计的核心部分。

（2）合成指纹模板并存储。计算机处理过后，将指纹特征值以及相对应的数字编号记录到存储器中。

（3）寻找指纹模板匹配指纹。录入指纹后，如果后续还有指纹信号输入，模块将根据上位机指令搜索指纹模板并匹配指纹。同时，液晶显示器显示匹配结果，然后继电器打开，发光二极管发光。

分析功能需求采用模块化设计，本文的主控芯片最终选用了AT89C52单片机。电子密码锁系统原理框图见图2.1：

图2.1 电子密码锁系统原理框图

该电子密码锁的整体系统主要由AT89C52单片机模块、液晶显示模块、独立按键模块、指示灯模块和指纹采集模块组成。当系统检测到按键信号时，指纹模块将会执行采集、录入、贮存、匹配指纹等一系列主要动作。

2.2 系统控制模块

单片机通常由一片半导体硅片构成，通俗讲就是一个集成电路芯片。电路芯片内部含有计算机基本功能组件：如中央处理器、存储器（包括了RAM和ROM）、并行I/O、串口I/O接口电路、定时器、计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线等。因此，只要将单片机装载相应的软件或者搭配不同的硬件，就可以组合成一个满足大部分功能需求的单片微机控制系统。

AT89C52芯片规格资料所示：

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