基于单片机的指纹键盘密码锁设计

基于单片机的指纹键盘密码锁设计内容摘要：

外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势 ，从而传输了被记录的信号。 当然，也要求在磁卡工作中被记录信号有较宽的频率响应、较小的失真和较高的输出电平。 一根很细的金属直线可以作为一个简单的重放设备。 金属直线与磁卡紧贴，方向垂直于磁卡运行方向，磁卡运行时，金属直线切割磁力线而产生感应电动势，电动势的大小与切割的磁力线成正比。 当磁卡的运行速度保持不变时，金属直线的感应电动势与磁卡表面剩余磁感应强度成正比，而导体中的感应电动势可由下式表示： e=BrWv 式中 Br代表 表面剩余磁感应强度；磁条磁卡裱磁机 W代表 记录道迹的宽度； v代表 重放时磁卡的运行速度。 在 Br=2π f/vφ rmcos2π ft 的情况下，综合 Br 和 e 的关系式，得到 e=2π fW 5 φ rmcos2π ft。 当然，用一根金属线作磁卡工作设备，由于输出很小，故而是不实用的。 而磁头是用高导磁系数的软磁材料制成的铁芯，上面缠有绕组线圈，磁头前面有一条很窄的缝隙，这时进入工作磁头的磁卡磁通量而言，可以看作是两个并联的有效磁阻，即空隙的磁阻和磁头铁芯的磁阻。 因为空隙的有效磁阻远大于工作磁头铁芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的绝大部分输入到磁头铁芯，并与工作磁头上线圈绕组发生交连，因而感应出电动势，在这 种情况下，单根金属 线得 到的感应电动势公式完全适用于环形磁卡工作磁头，只是比例系数不同而已。 设 N 为线圈的匝数， m 为与工作磁头铁芯的大小和磁性有关的系数，则环形工作磁头绕组中所产生的感应电动势为： e=2π fWmNφ rmcos2π ft 因为在工作磁绕组中所感应的电动势正比于磁通的变化率，即电动势 e ∝ By ∝ 频率 f。 在记录时 i=Isinwt ，纵向剩磁密度 Bx ∝ i （传递曲线的直线部分），所以， Bx=K1Isinwt。 由于 By ∝ dbx/dt,e ∝ By ，所以， e=K2Iwcoswt。 这里的 K2 取决于工作磁头的效率、匝数、磁带材料等。 这些公式还表明：输出电压正比记录电流；输出电压正比于信号频率；输出电压得到 90176。 的相应变化（即由正弦项改变到余弦项）。 磁卡识别 的应用 磁卡的使用已经有很长的历史了。 由于磁卡成本低廉，易于使用，便于管理，且具有一定的安全特性磁卡，因此它的发展得到了很多世界知名公司，特别各国政府部门几十年的鼎立支持，使得磁卡的应用非常普及，遍布国民生活的方方面面。 一种快 速发展的应用是在政府福利服务中使用磁卡来批准和支付福利金、食品卡 和 其它服务。 另一项发展 中的应用是存储倾向价值的卡片。 这种卡片是事先付款的，在卡中编码 一定的货币价值，用户使用它来购买商品或服务。 卡片的价值在每次使用时得到磁性销减。 两种理想的应用正在流行起来，一是电话卡，一是多次使用的交通票证。 其它应用包括学生就餐证、桥梁、通道和道路的过路费、多次使用的交通票证、录影带出租证、自动售货机、带有一定价值的驾驶证，可以用来购买商品或服务。 每年有 100 多亿张磁卡在各种应用中使用，而应用的范围在不断扩大中。 磁卡识别 的发展 磁 卡技术的限制因素是数据存储的时间长短受磁性粒 子极性的耐久性限制。 另外，磁卡存储数据的安全性一般较低，如磁卡不小心接触磁性物质就可能造成数据的丢失或混乱，要提高磁卡存储数据的安全性能，就必须采用另外的相关技术，增加成本。 随着新技术的发展，安全性能较差的磁卡有逐步被取代的趋势， 现有条件下，社会上 仍然存在大量的磁卡设备，再加上磁卡技术的成熟和低成本，磁卡技术仍然会在许多领域应用。 6 第 2 章 系统 总体设计方案 系统总体 设计 系统 功能描述 密码锁 功能如下： 1. 在 指纹不匹配之前锁死键盘 ， 不允许输入密码。 2. 在 磁卡不匹配之前锁死键盘，不允许输入密码。 3. 密码忘记 是可 重置 密码，强行将密码更换为原始密码。 4. 密码输错可按取消键， 重 新输入。 5. 密码输入正确，正确指示等亮。 密码输入不正确， 警报声 响起。 6. 要求密码可更改。 7. 键盘是 4*4键盘，由 0~9和功能键构成。 8. 密码 输错三次以后报警并且锁死键盘。 系统总体框架 系统 的总体框架包括单片机和 8个模块，如图 21所示。 80 C 51指纹识别模块键盘输入开锁模块密码存储报警模块显示模块磁卡识别读卡器晶振电路复位电路 图 21 系统框架 图 设计方案的选择 利用所学的电子技术知识和电子设计方法，设计出一个电子密码锁有 以下两种基本方案可以选择。 7 数字电路 密码锁方案 用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路， 或数字系统。 由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。 现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。 逻辑门是数 字逻辑电路的基本单元。 存储器是用来存储二值数据的数字电路。 从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。 用触发器构成的数字逻辑电路作为指纹锁的核心控制，完成与指纹识别模块进行通讯，判断是否开锁。 同样密码开锁时，密码保存在 JK 触发器中，与输入密码通过比较器比较，判断结果是否相符合。 如果我们这样设计的方案好处就是设计简单，但控制的准确性和灵活性差，故不采用。 数字电路密码锁系统框图 如下 所示： 密码修改电路键盘输入密码校验电路开锁电路 执行电路限时报警报警次数 锁定时间开锁开始Y 3脉冲锁定市电供电电路电子切换开关断电检测充电电路蓄电池电源 V C C5 V220 V 图 22 数字电路 密码锁系统框图 单片机 控制 密码锁方案 选用单片机作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。 单片机具有资源丰富、速度快、编程容易等优点。 附加一些简单的外围电路，利用单片机的一个 I/O端口组成 8 4 4键盘作为输入电路，利用单片机内部的随机存储器（ RAM）和只读存储器（ ROM）及其引脚资源，外接液晶显示（ LED），键盘输入等实现数据的处理传输和显示功能，基本上能实现设计指标。 采用 C语言编写程序来实现电子密码锁的各项功能，具有很强的实用性。 系统 框图参考图 21。 方案 选择及 可行性论证 综上提出的两种方案，方案一给出的采用数字逻辑电路的设计方法的好处就是设计简单，因为采用数字逻辑电路可以分成各个功能模块来设计，每个模块实现各自的一个功能。 这钟方法设计的密码锁电路大致包含：按键输入、密码核对、密码修改、开锁电路、错误提示电路等功能模块。 采用数字电路虽然设计简单但是操作繁琐，要运用很多数字逻辑器件，硬件电路复杂，而且可能会出现较多器件故障，同时难以检查和维护。 方案二提出的使用单片机为核心控制的方案，利用单片机丰富的 I/O 端口和灵活的编程设计，不但能实现密码锁的功能，而且控制准确性高，外围电路少 硬件电路简单，方便灵活，调试简单不易出错，体积小成本 低也利于现实中实现，具有较高的实际意义和实用价值。 这个设计方案 中 的 关键 之处 就在于编程，利用程序的执行来实现密码锁的基本功能，因此单片机方案还有较大活动空间，能在很大程度上扩展功能，方便对系统进行升级。 综上所诉，通过比较两种方案，本次设计拟采用以 Intel 公司的 8051 单片机为核心的单片机控制方案，利用单片机丰富的 I/O 端口和灵活的编程设计及其控制的准确性，实现基本密码锁功能。 9 第 3 章 硬件 电路设计 MCS 8051 单片机 MCS 8051 单片机简介 80C51 是美国 Intel 公司生产的低电压，高性能的 CMOS8 位单片机，它采用了 CHMOS工艺，其特点是功耗低。 片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ EPROM）和128bytes 的随机存取数据寄 存器（ RAM），器件采用标准 MCS51 指令系统，片内置通用8 位中央处理器（ CPU）和 FLASH 存储单元。 8051 的改进型 80C51 单片机为许多嵌入式控制系统提供了一种灵活行高且价廉的方案。 内部结构 如下 ： CPU： 8位，运算和控制功能。 RAM：共 256个 RAM 单元，用户使用前 128 个单元，用于存放可读写数据，后 128个单元被专用寄存器占用。 ROM： 4KB 掩膜 ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 /计数器：两个 16 位的定时 /计数器，实现定时或计数功能。 I/O 口： 4个 8位的 I/O 口 P0、 P P P3。 ：一个全双工串行口。 ： 5 个中断源（外中断 2个，定时 /计数中断 2 个， 串行中断 1个）。 ：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率 6MHZ 和 12MHZ。 10 图 23 8051单片机的内部结构 MCS 8051 单片机引脚功能 引脚功能 如下： 1. VCC：接 +5V 电源正端。 2. VSS：接 +5V 电源地端。 3. XTAL1：接外部石英晶体的一端。 在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时对于 HMOS 单片机，该引脚接地；对于 CHMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 4. XTAL2：接外部石英晶体的另一端。 在单片机的内部，它是片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端：对于 CHMOS 单片机，该引脚悬空不接。 5. P0 口 ： ~ 统称为 P0 口。 在不接片外存储器或扩展 I/O 接口时，可作为准双向输入输出口。 在接有片外存储器或扩展 I/O 接口时， P0 口分时复用为底 8 位地址总线和双向数据总线。 6. P1 口 ： ~ 统称为 P1口，可作为准双向 I/O 接口使用。 对于 52 子系列， 与 还有第二功能， 可作为 定时器 /计数器 2 的计数脉冲输入端 T2， 可用作定时器 /计数器 2的外部控制端 T2EX。 7. P2 口 ： ~ 统称为 P2 口，一般可作为准双向 I/O 接口使用。 在外接有外存P 0 口 驱 动 器 P 2 口 驱 动 器P 1 口 驱 动 器 P 3 口 驱 动 器R A M 地 址 寄 存 器R A MP 0 口 锁 存 器 P 2 口 锁 存 器 R O M堆 栈指 针地 址 锁 存 器缓 冲 器P C 增 量 器程 序 计 数 器数 据 指 针 寄 存 器 BT M P 2T M P 1A C CP S WA L U定 时和 控 制指 令寄 存 器O S CP 1 口寄 存 器P 3 口寄 存 器P 1 . 0 P 1 . 7 P 3 . 0 P 3 . 7P 0 . 0 P 0 . 7 P 2 . 0 P 2 . 7V c cG N DP S E NA L E / P R O GE A / V p pR S TS C O N T M O D T M O DP C O NT H 0 T L 0 T H 1 T L 1S B U F( T X )S B U F( R X )I PI E中 断 、 串 行 口和 定 时 器 模 块 11 储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256KB 时， P2口用作高 8 位地址总线。 8. P3 口 ： ~ 统称为 P3口。 除作为准双向 I/O 接口使用外， P3 口还可以将每一位用于第二功能，且 P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入 /输出或第二功能的输入 /输出。 P3 口第二功能如下： 1) RXD 串行输入口。 2) TXD 串行输出口。 3) INT0 外部中断 0（低电平有效）。 4) INT1 外部中断 1（低电平有效）。 5) T0 定时计数器 0。 6) T1 定时计数器 1。 7) WR 外部数据存储器写选通（低电平有效）。 8) RD 外部数据存储器读选通（低电平有效 ）。 9. RST：复位输入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 10. ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。 在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。 此时， ALE 只有在执行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。 另外，该引脚被略微拉高。 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 11. PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当。