基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計的指紋鎖(讀取、錄入、驗證指紋)

一、前言

指紋識別技術(shù)是一種常見的生物識別技術(shù)，利用每個人指紋的唯一性進(jìn)行身份認(rèn)證。相比于傳統(tǒng)的密碼鎖或者鑰匙鎖，指紋鎖具有更高的安全性和便利性，以及防止鑰匙丟失或密碼泄露的優(yōu)勢。

基于單片機(jī)設(shè)計的指紋鎖項目是利用STC89C52作為主控芯片，結(jié)合AS608光學(xué)指紋識別模塊和LCD1602顯示屏，實現(xiàn)了指紋的讀取、錄入和驗證功能。用戶可以通過按鍵來進(jìn)行指紋的錄入和刪除操作，并通過LCD顯示屏來查看指紋識別的狀態(tài)。

在該項目中，AS608光學(xué)指紋識別模塊是核心部件。它使用光學(xué)傳感器采集指紋圖像，然后通過算法進(jìn)行特征提取和比對，最終判斷指紋是否匹配。AS608模塊具有高精度和高速的指紋識別能力，并且支持多種功能指令，如添加指紋、刪除指紋和驗證指紋等。

另外，LCD1602顯示屏提供了可視化的界面，能夠直觀地顯示指紋識別的狀態(tài)信息。用戶可以通過觀察LCD顯示屏上的提示信息，了解指紋錄入、刪除和驗證的結(jié)果。

步進(jìn)電機(jī)是用于模擬開鎖操作的部件，通過正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)門鎖的解鎖和上鎖。當(dāng)指紋驗證成功時，步進(jìn)電機(jī)會進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)，使門鎖打開，允許用戶進(jìn)入。

該項目的背景是為了滿足人們對安全性和便利性的需求，提供一種高效且可靠的門禁系統(tǒng)。通過指紋識別技術(shù)，可以確保只有授權(quán)的人員才能夠進(jìn)入特定區(qū)域，避免了傳統(tǒng)鑰匙的遺失和密碼的泄露問題。同時，單片機(jī)作為主控芯片，具有低功耗、穩(wěn)定性強等特點，非常適合用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

這個項目的實施背景可以是家庭門禁系統(tǒng)、辦公場所門禁系統(tǒng)、學(xué)校宿舍門禁系統(tǒng)等各種需要實現(xiàn)安全控制的場景。

二、項目整體設(shè)計思路

2.1 硬件設(shè)計思路

（1）主控芯片：選擇STC89C52作為主控芯片，它是一款功能強大且廣泛使用的單片機(jī)。它具有豐富的GPIO口、中斷和定時器等功能，能夠滿足指紋鎖項目的需求。

（2）光學(xué)指紋識別模塊：采用AS608光學(xué)指紋識別模塊作為指紋識別設(shè)備，該模塊具有高精度的指紋識別能力。它通過光學(xué)傳感器采集指紋圖像，并通過算法進(jìn)行特征提取和比對，最終實現(xiàn)指紋的識別和驗證。

（3）顯示屏：選用LCD1602液晶顯示屏作為人機(jī)交互的界面，該顯示屏可以直觀地顯示指紋識別的狀態(tài)信息，提供用戶友好的操作界面。

（4）按鍵：通過按鍵實現(xiàn)指紋的錄入、刪除和管理等操作。按鍵可以設(shè)置為添加指紋、刪除指紋和確認(rèn)等功能，方便用戶進(jìn)行指紋的管理。

（5）步進(jìn)電機(jī)：使用28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)來模擬開鎖操作，根據(jù)指紋識別結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)指紋驗證成功時，步進(jìn)電機(jī)會旋轉(zhuǎn)，使門鎖打開。

2.2 軟件設(shè)計思路：

（1）初始化：在系統(tǒng)啟動時，進(jìn)行相關(guān)硬件的初始化操作，包括主控芯片、指紋識別模塊、顯示屏和步進(jìn)電機(jī)等。

（2）指紋錄入功能：當(dāng)用戶選擇指紋錄入操作時，系統(tǒng)會提示用戶按下指紋，然后通過光學(xué)傳感器采集指紋圖像，并提取特征信息。將提取的指紋特征存儲在芯片的存儲器中，以備后續(xù)的指紋驗證使用。

（3）指紋刪除功能：用戶可以選擇刪除已錄入的指紋，系統(tǒng)會提示用戶選擇要刪除的指紋，并進(jìn)行相應(yīng)的刪除操作。

（4）指紋驗證功能：當(dāng)用戶選擇指紋驗證操作時，系統(tǒng)會提示用戶按下指紋，然后通過光學(xué)傳感器采集指紋圖像，并提取特征信息。將提取的特征信息與存儲在芯片存儲器中的指紋特征進(jìn)行比對，判斷指紋是否匹配。如果匹配成功，則觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，打開門鎖；否則，提示驗證失敗。

（5）顯示功能：通過LCD1602顯示屏展示指紋驗證的狀態(tài)信息，包括錄入、刪除和驗證等操作的結(jié)果。例如，顯示指紋錄入成功、刪除成功或驗證成功等信息。

（6）錯誤處理：在系統(tǒng)運行過程中，需要對各種可能出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行處理，如指紋錄入失敗、刪除失敗或驗證失敗等情況。系統(tǒng)需要及時給出相應(yīng)的提示信息，以便用戶了解具體的錯誤原因。

硬件設(shè)計上，主要選用適合的單片機(jī)、指紋識別模塊、顯示屏和步進(jìn)電機(jī)等組件，搭建起指紋鎖的硬件平臺；軟件設(shè)計上，利用主控芯片進(jìn)行指紋錄入、刪除和驗證的功能實現(xiàn)，并通過顯示屏展示相關(guān)信息，實現(xiàn)一個完整的指紋鎖系統(tǒng)。

三、硬件連線說明

以下是指紋識別模塊、顯示屏、按鍵和步進(jìn)電機(jī)的引腳連接：

四、項目代碼設(shè)計

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

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

// 指紋識別相關(guān)定義
#define FINGERPRINT_ADD    0x01   // 添加指紋命令
#define FINGERPRINT_DEL    0x02   // 刪除指紋命令
#define FINGERPRINT_VERIFY 0x03   // 驗證指紋命令
#define FINGERPRINT_SUCCESS 0x00  // 指紋驗證成功返回值
#define FINGERPRINT_FAIL 0x01     // 指紋驗證失敗返回值

// 步進(jìn)電機(jī)相關(guān)定義
sbit IN1 = P2^0;
sbit IN2 = P2^1;
sbit IN3 = P2^2;
sbit IN4 = P2^3;

// 按鍵相關(guān)定義
sbit Key1 = P1^0;  // 錄入指紋按鍵
sbit Key2 = P1^1;  // 刪除指紋按鍵

uchar comdata[19] = {0};   // 串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
uchar fingerStatus = 0;   // 指紋識別狀態(tài)，0：未識別，1：已識別
uchar fingerprintIndex = 1;  // 指紋索引

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

void uartInit() {
    TMOD = 0x20;   // 設(shè)置T1工作在方式2，8位定時/計數(shù)器
    SCON = 0x50;  // 設(shè)置串口工作在模式1，波特率9600
    TH1 = 0xFD;   // 波特率為9600時的T1重裝值
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;      // 啟動T1
}

void uartSendByte(uchar dat) {
    SBUF = dat;   // 將數(shù)據(jù)送入UART發(fā)送緩沖區(qū)
    while(!TI);   // 等待UART發(fā)送完畢
    TI = 0;       // 清除發(fā)送完成標(biāo)志位
}

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

void uartInterrupt() interrupt 4 using 1 {
    uchar c;
    if (RI) {  // 接收到了數(shù)據(jù)
        RI = 0;  // 清除接收中斷標(biāo)志位
        c = SBUF;  // 讀取接收到的數(shù)據(jù)

        if (c == 0xEF && comdata[0] != 0xEF) {  // 接收到幀頭
            comdata[0] = 0xEF;
            comdata[1] = c;
        } 
        else if (comdata[1] == 0x01 && comdata[2] == 0xF5) {  // 接收到返回數(shù)據(jù)長度
            comdata[2] = c;
        }
        else if (comdata[2] != 0) {  // 接收到數(shù)據(jù)
            comdata[comdata[2]] = c;
            if (comdata[2] == 18) {  // 數(shù)據(jù)接收完畢
                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) {  // 正轉(zhuǎn)
        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 {  // 反轉(zhuǎn)
        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;   // 開啟總中斷
    ES = 1;   // 開啟串口中斷

    while (1) {
        if (Key1 == 0) {  // 錄入指紋按鍵按下
            fingerPrintAdd(fingerprintIndex);
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Add Finger");
            delay(1000);
            if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指紋錄入成功
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Add Success");
                delay(1000);
                fingerprintIndex++;
            } else {  // 指紋錄入失敗
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Add Fail");
                delay(1000);
            }
            while (Key1 == 0);  // 等待按鍵釋放
        }

        if (Key2 == 0) {  // 刪除指紋按鍵按下
            fingerPrintDelete(fingerprintIndex - 1);
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Del Finger");
            delay(1000);
            if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指紋刪除成功
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Del Success");
                delay(1000);
                if (fingerprintIndex > 1) {
                    fingerprintIndex--;
                }
            } else {  // 指紋刪除失敗
                lcdClear();
                lcdSetCursor(0, 0);
                lcdPrint("Del Fail");
                delay(1000);
            }
            while (Key2 == 0);  // 等待按鍵釋放
        }

        fingerPrintVerify();
        if (fingerStatus == FINGERPRINT_SUCCESS) {  // 指紋驗證成功
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Success");
            delay(500);
            stepperMotorRotate(64, 1);  // 正轉(zhuǎn)開鎖
        } else if (fingerStatus == FINGERPRINT_FAIL) {  // 指紋驗證失敗
            lcdClear();
            lcdSetCursor(0, 0);
            lcdPrint("Fail");
            delay(500);
        }
    }
}

五、總結(jié)

項目基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計了一款指紋鎖，能夠?qū)崿F(xiàn)指紋的讀取、錄入和驗證等功能。AS608光學(xué)指紋識別模塊提供了高精度的指紋識別能力，而LCD1602顯示屏和按鍵配合完成了人機(jī)交互的功能設(shè)計。門鎖則通過28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)模擬開鎖的操作。該項目完全自主設(shè)計制造，具有較高的實用性和創(chuàng)新性。