基于单片机设计的指纹锁(读取、录入、验证指纹)

news2025/1/23 0:18:07

一、前言

指纹识别技术是一种常见的生物识别技术，利用每个人指纹的唯一性进行身份认证。相比于传统的密码锁或者钥匙锁，指纹锁具有更高的安全性和便利性，以及防止钥匙丢失或密码泄露的优势。

基于单片机设计的指纹锁项目是利用STC89C52作为主控芯片，结合AS608光学指纹识别模块和LCD1602显示屏，实现了指纹的读取、录入和验证功能。用户可以通过按键来进行指纹的录入和删除操作，并通过LCD显示屏来查看指纹识别的状态。

在该项目中，AS608光学指纹识别模块是核心部件。它使用光学传感器采集指纹图像，然后通过算法进行特征提取和比对，最终判断指纹是否匹配。AS608模块具有高精度和高速的指纹识别能力，并且支持多种功能指令，如添加指纹、删除指纹和验证指纹等。

另外，LCD1602显示屏提供了可视化的界面，能够直观地显示指纹识别的状态信息。用户可以通过观察LCD显示屏上的提示信息，了解指纹录入、删除和验证的结果。

步进电机是用于模拟开锁操作的部件，通过正反转来实现门锁的解锁和上锁。当指纹验证成功时，步进电机会进行适当的旋转，使门锁打开，允许用户进入。

该项目的背景是为了满足人们对安全性和便利性的需求，提供一种高效且可靠的门禁系统。通过指纹识别技术，可以确保只有授权的人员才能够进入特定区域，避免了传统钥匙的遗失和密码的泄露问题。同时，单片机作为主控芯片，具有低功耗、稳定性强等特点，非常适合用于嵌入式系统的设计与开发。

这个项目的实施背景可以是家庭门禁系统、办公场所门禁系统、学校宿舍门禁系统等各种需要实现安全控制的场景。

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二、项目整体设计思路

2.1 硬件设计思路

（1）主控芯片：选择STC89C52作为主控芯片，它是一款功能强大且广泛使用的单片机。它具有丰富的GPIO口、中断和定时器等功能，能够满足指纹锁项目的需求。

（2）光学指纹识别模块：采用AS608光学指纹识别模块作为指纹识别设备，该模块具有高精度的指纹识别能力。它通过光学传感器采集指纹图像，并通过算法进行特征提取和比对，最终实现指纹的识别和验证。

（3）显示屏：选用LCD1602液晶显示屏作为人机交互的界面，该显示屏可以直观地显示指纹识别的状态信息，提供用户友好的操作界面。

（4）按键：通过按键实现指纹的录入、删除和管理等操作。按键可以设置为添加指纹、删除指纹和确认等功能，方便用户进行指纹的管理。

（5）步进电机：使用28BYJ-48步进电机来模拟开锁操作，根据指纹识别结果控制步进电机的正反转。当指纹验证成功时，步进电机会旋转，使门锁打开。

2.2 软件设计思路：

（1）初始化：在系统启动时，进行相关硬件的初始化操作，包括主控芯片、指纹识别模块、显示屏和步进电机等。

（2）指纹录入功能：当用户选择指纹录入操作时，系统会提示用户按下指纹，然后通过光学传感器采集指纹图像，并提取特征信息。将提取的指纹特征存储在芯片的存储器中，以备后续的指纹验证使用。

（3）指纹删除功能：用户可以选择删除已录入的指纹，系统会提示用户选择要删除的指纹，并进行相应的删除操作。

（4）指纹验证功能：当用户选择指纹验证操作时，系统会提示用户按下指纹，然后通过光学传感器采集指纹图像，并提取特征信息。将提取的特征信息与存储在芯片存储器中的指纹特征进行比对，判断指纹是否匹配。如果匹配成功，则触发步进电机旋转，打开门锁；否则，提示验证失败。

（5）显示功能：通过LCD1602显示屏展示指纹验证的状态信息，包括录入、删除和验证等操作的结果。例如，显示指纹录入成功、删除成功或验证成功等信息。

（6）错误处理：在系统运行过程中，需要对各种可能出现的错误进行处理，如指纹录入失败、删除失败或验证失败等情况。系统需要及时给出相应的提示信息，以便用户了解具体的错误原因。

硬件设计上，主要选用适合的单片机、指纹识别模块、显示屏和步进电机等组件，搭建起指纹锁的硬件平台；软件设计上，利用主控芯片进行指纹录入、删除和验证的功能实现，并通过显示屏展示相关信息，实现一个完整的指纹锁系统。

三、硬件连线说明

以下是指纹识别模块、显示屏、按键和步进电机的引脚连接：

模块引脚连接到单片机的IO口
指纹识别模块 AS608VCC5V
GNDGND
TXDP1.0 (串口发送)
RXDP1.1 (串口接收)
液晶显示屏 LCD1602VCC5V
GNDGND
SDAP2.0 (I2C总线数据)
SCLP2.1 (I2C总线时钟)
RSP3.0
RWP3.1
EP3.2
D4-D7P4.0-P4.3
按键添加指纹P0.0
删除指纹P0.1
确认P0.2
步进电机 28BYJ-48IN1P5.0
IN2P5.1
IN3P5.2
IN4P5.3

四、项目代码设计

#include <reg52.h>
#include <stdio.h>
#include <intrins.h>
#include "lcd1602.h"

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

// 指纹识别相关定义
#define FINGERPRINT_ADD    0x01   // 添加指纹命令
#define FINGERPRINT_DEL    0x02   // 删除指纹命令
#define FINGERPRINT_VERIFY 0x03   // 验证指纹命令
#define FINGERPRINT_SUCCESS 0x00  // 指纹验证成功返回值
#define FINGERPRINT_FAIL 0x01     // 指纹验证失败返回值

// 步进电机相关定义
sbit IN1 = P2^0;
sbit IN2 = P2^1;
sbit IN3 = P2^2;
sbit IN4 = P2^3;

// 按键相关定义
sbit Key1 = P1^0;  // 录入指纹按键
sbit Key2 = P1^1;  // 删除指纹按键

uchar comdata[19] = {0};   // 串口接收数据缓冲区
uchar fingerStatus = 0;   // 指纹识别状态，0：未识别，1：已识别
uchar fingerprintIndex = 1;  // 指纹索引

void delay(uint ms) {
    while(ms--) {
        uint xms = 120;  // 延时大概1ms
        while(xms--);
    }
}

void uartInit() {
    TMOD = 0x20;   // 设置T1工作在方式2，8位定时/计数器
    SCON = 0x50;  // 设置串口工作在模式1，波特率9600
    TH1 = 0xFD;   // 波特率为9600时的T1重装值
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;      // 启动T1
}

void uartSendByte(uchar dat) {
    SBUF = dat;   // 将数据送入UART发送缓冲区
    while(!TI);   // 等待UART发送完毕
    TI = 0;       // 清除发送完成标志位
}

void uartSendString(uchar *str) {
    while(*str) {
        uartSendByte(*str);
        str++;
    }
}

void uartInterrupt() interrupt 4 using 1 {
    uchar c;
    if (RI) {  // 接收到了数据
        RI = 0;  // 清除接收中断标志位
        c = SBUF;  // 读取接收到的数据

        if (c == 0xEF && comdata[0] != 0xEF) {  // 接收到帧头
            comdata[0] = 0xEF;
            comdata[1] = c;
        } 
        else if (comdata[1] == 0x01 && comdata[2] == 0xF5) {  // 接收到返回数据长度
            comdata[2] = c;
        }
        else if (comdata[2] != 0) {  // 接收到数据
            comdata[comdata[2]] = c;
            if (comdata[2] == 18) {  // 数据接收完毕
                fingerStatus = comdata[9];
            }
        }
    }
}

void fingerPrintAdd(uchar index) {
    uchar temp[] = {0xEF, 0x01, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x01, 0x00, 0x07, 0x09, index, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x10, 0x1E, 0x00, 0x2C};
    uchar checkSum = 0;
    
    for (uint i = 2; i < 19; i++) {
        checkSum += temp[i];
        uartSendByte(temp[i]);
    }
    
    temp[19] = (~checkSum) + 1;
    uartSendByte(temp[19]);
}

void fingerPrintDelete(uchar index) {
    uchar temp[] = {0xEF, 0x01, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x02, 0x00, 0x03, 0x0C, index, 0x00, 0x10};
    uchar checkSum = 0;
    
    for (uint i = 2; i < 13; i++) {
        checkSum += temp[i];
        uartSendByte(temp[i]);
    }
    
    temp[13] = (~checkSum) + 1;
    uartSendByte(temp[13]);
}

void fingerPrintVerify() {
    uchar temp[] = {0xEF, 0x01, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x03, 0x00, 0x03, 0x03, 0x00, 0x07};
    uchar checkSum = 0;
    
    for (uint i = 2; i < 12; i++) {
        checkSum += temp[i];
        uartSendByte(temp[i]);
    }
    
    temp[12] = (~checkSum) + 1;
    uartSendByte(temp[12]);
}

void stepperMotorRotate(uint steps, uchar direction) {
    uint i;

    for (i = 0; i < steps; i++) {
        IN1 = 1;
        delay(1);
        IN1 = 0;
        IN2 = 1;
        delay(1);
        IN2 = 0;
        IN3 = 1;
        delay(1);
        IN3 = 0;
        IN4 = 1;
        delay(1);
        IN4 = 0;
    }

    delay(1000);

    if (direction == 1) {  // 正转
        for (i = 0; i < 512; i++) {
            IN4 = 1;
            delay(1);
            IN4 = 0;
            IN3 = 1;
            delay(1);
            IN3 = 0;
            IN2 = 1;
            delay(1);
            IN2 = 0;
            IN1 = 1;
            delay(1);
            IN1 = 0;
        }
    } else {  // 反转
        for (i = 0; i < 512; i++) {
            IN1 = 1;
            delay(1);
            IN1 = 0;
            IN2 = 1;
            delay(1);
            IN2 = 0;
            IN3 = 1;
            delay(1);
            IN3 = 0;
            IN4 = 1;
            delay(1);
            IN4 = 0;
        }
    }
}

void main() {
    lcdInit();
    uartInit();

    EA = 1;   // 开启总中断
    ES = 1;   // 开启串口中断

    while (1) {
        if (Key1 == 0) {  // 录入指纹按键按下
            fingerPrintAdd(fingerprintIndex);
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Add Finger");
            delay(1000);
            if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指纹录入成功
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Add Success");
                delay(1000);
                fingerprintIndex++;
            } else {  // 指纹录入失败
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Add Fail");
                delay(1000);
            }
            while (Key1 == 0);  // 等待按键释放
        }

        if (Key2 == 0) {  // 删除指纹按键按下
            fingerPrintDelete(fingerprintIndex - 1);
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Del Finger");
            delay(1000);
            if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指纹删除成功
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Del Success");
                delay(1000);
                if (fingerprintIndex > 1) {
                    fingerprintIndex--;
                }
            } else {  // 指纹删除失败
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Del Fail");
                delay(1000);
            }
            while (Key2 == 0);  // 等待按键释放
        }

        fingerPrintVerify();
        if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指纹验证成功
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Success");
            delay(500);
            stepperMotorRotate(64, 1);  // 正转开锁
        } else if (fingerStatus == FINGERPRINT_FAIL) {  // 指纹验证失败
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Fail");
            delay(500);
        }
    }
}

五、总结

项目基于STC89C52单片机设计了一款指纹锁，能够实现指纹的读取、录入和验证等功能。AS608光学指纹识别模块提供了高精度的指纹识别能力，而LCD1602显示屏和按键配合完成了人机交互的功能设计。门锁则通过28BYJ-48步进电机实现正反转模拟开锁的操作。该项目完全自主设计制造，具有较高的实用性和创新性。

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