摘要學(xué)生的安全管理是大學(xué)管理中不可或缺的一環(huán)，很多高校目前仍在沿用傳統(tǒng)的手工方式來記錄和管理學(xué)生的考勤信息。然而，隨著科技的飛速進(jìn)步，這種方式逐漸顯露出效率不高、準(zhǔn)確性不足等諸多問題。因此，在這種背景下，我們提出了使用指紋識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的校園門禁系統(tǒng)來進(jìn)行校園的安全管理，指紋識(shí)別技術(shù)經(jīng)過了多次迭代更新已經(jīng)較為成熟，因此可作為校園門禁系統(tǒng)的驗(yàn)證手段。這款系統(tǒng)是在STM32單片機(jī)平臺(tái)上開發(fā)的，集成了指紋識(shí)別、指紋錄入、指紋刪除和語音播報(bào)等功能的校園門禁系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，可以通過指紋模塊進(jìn)行指紋識(shí)別，顯示學(xué)生個(gè)人信息，從而確認(rèn)是否為校外人員，提升了學(xué)生信息管理的效率和水平。通過針對(duì)部分教師和學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，完成了對(duì)校園門禁系統(tǒng)需求的分析工作，為后續(xù)開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效降低了開發(fā)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，保證了系統(tǒng)的高品質(zhì)，可有利守護(hù)師生安全與校園安全。關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別；單片機(jī)；語音播報(bào)；門禁

ABSTRACTStudentsecuritymanagementisanindispensablepartofuniversitymanagement,andmanycollegesanduniversitiesstillusetraditionalmanualmethodstorecordandmanagestudentattendanceinformation.However,withtherapidadvancementoftechnology,thismethodhasgraduallyrevealedmanyproblemssuchasinefficiencyandlackofaccuracy.Therefore,inthiscontext,weproposeacampusaccesscontrolsystemdesignedbyfingerprintrecognitiontechnologyforcampussecuritymanagement,whichhasbeenupdatedmanytimesandhasbeenrelativelymature,soitcanbeusedasaverificationmeansforcampusaccesscontrolsystem.ThesystemisdevelopedontheSTM32microcontrollerplatformandintegratesthefunctionsoffingerprintrecognition,fingerprintentry,fingerprintdeletionandvoicebroadcasting.Usingthesystem,fingerprintrecognitioncanbecarriedoutthroughthefingerprintmoduletodisplaystudents'personalinformation,soastoconfirmwhethertheyareoff-campuspersonnel,whichimprovestheefficiencyandlevelofstudentinformationmanagement.Throughthequestionnairesurveyofsometeachersandstudents,theanalysisoftheneedsofthecampusaccesscontrolsystemwascompleted,whichprovidedasolidfoundationforthesubsequentdevelopment,effectivelyreducedtheriskinthedevelopmentprocess,ensuredthehighqualityofthesystem,andwasconducivetoprotectingthesafetyofteachersandstudentsandcampussecurity.KEYWORDS:FingerprintIdentification;SingleChipMicrocomputer;VoiceBroadcast;AccessControl

目錄TOC\o"1-3"\h\u230691前言 178191.1研究背景 134441.2研究現(xiàn)狀 1295821.3研究內(nèi)容 2129082系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 3177262.1總體設(shè)計(jì)方案 3301322.2總體設(shè)計(jì)思路 4256003硬件設(shè)計(jì)方案 6109493.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6121343.2單元模塊設(shè)計(jì) 9114923.2.1指紋識(shí)別模塊 940243.2.2語音播報(bào)模塊 1074273.2.3繼電器模塊 11155523.2.4顯示屏模塊 1230343.2.5蜂鳴器模塊 13174174軟件設(shè)計(jì)方案 14229674.1軟件思路設(shè)計(jì) 1445854.2指紋模塊軟件工作流程 1486565系統(tǒng)調(diào)試 1771865.1硬件調(diào)試 17299815.2軟件調(diào)試 173825.3軟硬件調(diào)試設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1823045.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)測試結(jié)果 18212396結(jié)論 2324654參考文獻(xiàn) 244226附錄 251前言1.1研究背景智能門禁系統(tǒng)如今應(yīng)用廣泛，生活中每個(gè)人、每種場景都或多或少有它的身影。作為一種創(chuàng)新智能的控制系統(tǒng)，融合了機(jī)械電氣電子、軟件編程、硬件編程、無線通信等技術(shù)，已能妥善解決重要區(qū)域出入口在人員安全上的問題。智能門禁系統(tǒng)被應(yīng)用在各種對(duì)安全要求較高的區(qū)域，如校園安保、中央總控室機(jī)房、各大銀行、國家軍火庫、居民住宅區(qū)等等。尤其是在校園這種高度需要安全性的公共場所，迫切需要更安全更方便的防護(hù)手段，新型智能門禁技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生，轉(zhuǎn)變成校園智能門禁并取得了良好成效?，F(xiàn)如今，門禁系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于簡單的門鎖和鑰匙，經(jīng)過不斷的完善和更新，門禁系統(tǒng)已經(jīng)得到了進(jìn)一步的改進(jìn)，演變成一個(gè)穩(wěn)定而安全的控制管理系統(tǒng)。智能門禁系統(tǒng)在對(duì)于工作場所和生活環(huán)境的安全性、舒適性以及考勤管理等需求方面發(fā)揮著非常重要的作用?；诖吮尘跋拢救酥谱鞒鲆惶谆谥讣y識(shí)別技術(shù)的校園門禁系統(tǒng)。1.2研究現(xiàn)狀 當(dāng)今科技迅猛發(fā)展，智能門禁系統(tǒng)已經(jīng)更新為一套更為安全、功能完善的管理系統(tǒng)[1]。與過去簡單的鑰匙和鎖相比，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)通道和出入口的智能管理?？捎涗浫藛T進(jìn)出時(shí)間、狀態(tài)等，限制進(jìn)出范圍，能夠有效阻止非法人員入侵成為其核心功能。此外，該系統(tǒng)有助于保護(hù)校內(nèi)人員的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全。門禁管理系統(tǒng)在安全防范中擔(dān)當(dāng)重要角色，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，如辦公室、智能大廈、賓館、智能小區(qū)等各種大門、房間、通道管理中得到迅速普及。在當(dāng)今校園安全極為重要的社會(huì)中，指紋門禁系統(tǒng)已成為維護(hù)校園安全不可或缺的配套設(shè)施，能夠有效保障人身和財(cái)產(chǎn)安全。1.3研究內(nèi)容 本套智能門禁系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，在此基礎(chǔ)上增加按鍵電路、蜂鳴器電路、開鎖指示燈電路、指紋識(shí)別模塊電路、繼電器電路以及0.96英寸LCD顯示屏電路等組成。本套校園智能門禁系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)、電源電路、繼電器電路、語音模塊電路、按鍵電路、SD卡存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊組成，使用按壓提前錄入指紋的方式進(jìn)行出入驗(yàn)證操作。本套校園門禁系統(tǒng)的工作原理如下：(1)當(dāng)已被錄入的指紋放置時(shí)，蜂鳴器響起并語音播報(bào)，與此同時(shí)繼電器打開，指示燈點(diǎn)亮；等抬起手指時(shí)，指紋識(shí)別結(jié)束后繼電器關(guān)閉，指示燈熄滅。(2)當(dāng)按下錄入指紋按鈕時(shí)，將手指放置至指紋識(shí)別模塊，當(dāng)屏幕出現(xiàn)提示時(shí)，進(jìn)行下一步操作以完成指紋錄入。(3)程序中編寫了對(duì)指紋權(quán)限的判斷，當(dāng)錄入指紋的手指觸碰到指紋模塊進(jìn)行指紋比對(duì)時(shí)，顯示器顯示通過，指示燈亮起，繼電器打開表示門禁開啟；如果識(shí)別為未錄入的指紋時(shí)，顯示器顯示通過失敗，指示燈亮起，蜂鳴器響起，繼電器無動(dòng)作。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案 該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，增加了開鎖指示燈電路、按鍵電路、蜂鳴器電路、指紋識(shí)別模塊電路、繼電器電路以及OLED顯示屏電路等來構(gòu)建智能門禁系統(tǒng)。指紋門禁系統(tǒng)的架構(gòu)包括CPU、開鎖指示電路、振蕩電路、設(shè)置按鍵電路、SD卡存儲(chǔ)模塊和LCD顯示模塊等。 在實(shí)際應(yīng)用中，指紋一般通過指紋采集器來提取，目前常用的指紋采集設(shè)備有三種：光學(xué)式、硅芯片式和超聲波式指紋采集器，本項(xiàng)目采用光學(xué)指紋采集方式。光學(xué)指紋采集器光學(xué)指紋采集器是最早的指紋采集器，也是目前使用最為普遍的。手指按壓屏幕時(shí)，OLED屏幕發(fā)出光線將手指區(qū)域照亮，照亮指紋的反射光線透過屏幕像素的間隙返回到緊貼于屏下的傳感器上。獲取的指紋圖像與手機(jī)初次錄入的圖像進(jìn)行對(duì)比，最后進(jìn)行識(shí)別判斷。本次實(shí)驗(yàn)采用此種指紋采集方式，如圖2-1所示。圖2-1光學(xué)指紋采集器原理硅芯片指紋采集器硅芯片的指紋采集器出現(xiàn)于90年代末，大部分硅芯片測量的是手指表面與芯片表面的直流電容場，這個(gè)電容場經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為灰度數(shù)字圖像。超聲波指紋采集器超聲波指紋采集器可能是最精準(zhǔn)的指紋采集工具，但目前的技術(shù)并不成熟，尚未廣泛應(yīng)用。2.2總體設(shè)計(jì)思路 此次設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心。錄入指紋時(shí)，按下錄入指紋功能按鈕，提示放置指紋提示時(shí)，將要錄入的手指放置至指紋識(shí)別模塊，識(shí)別到手指指紋后，OLED顯示器顯示下一步操作，按提示進(jìn)行操作直至指紋錄入操作完成。實(shí)際使用中，如果是有效指紋，顯示屏顯示通過成功，有語音提示，繼電器開合以表示門鎖打開，開合若干秒后閉合，模擬門鎖關(guān)閉；如果是無效指紋，顯示屏顯示通過失敗。有語音提示，蜂鳴器響起，繼電器無動(dòng)作以表示通過失敗。如果要?jiǎng)h除有錄入的指紋，只需按下刪除指紋按鈕，選擇刪除即可。硬件框架圖如圖2-2所示。圖2-2設(shè)計(jì)硬件框架圖 在軟件設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)功能劃分，可以總結(jié)出以下幾個(gè)模塊進(jìn)行編程：主程序模塊、指紋模塊、顯示模塊、中斷模塊、存儲(chǔ)器模塊、延時(shí)模塊和繼電器模塊等。當(dāng)用戶將手指靠近指紋識(shí)別模塊時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮指示燈，并在屏幕上顯示指紋信息。隨后，程序?qū)Ⅱ?yàn)證指紋的合法性，若指紋合法，繼電器模塊將觸發(fā)指示燈點(diǎn)亮操作，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊啟動(dòng)，打開繼電器。若指紋非法，不賦予權(quán)限，蜂鳴器響起，不打開繼電器。軟件框架圖如圖2-3所示。圖2-2設(shè)計(jì)軟件框架圖

3硬件設(shè)計(jì)方案3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次基于指紋識(shí)別的校園智能門禁系統(tǒng)采用STM32F103C8T6微控制器作為核心。STM32F103C8T6是一款基于ARM32位CORTEX?-M3內(nèi)核的微控制器，其特點(diǎn)包括使用2.0V至3.6V的電壓供電、最高72MHZ的工作頻率、64K或128K字節(jié)的FLASH程序存儲(chǔ)器以及高達(dá)20K字節(jié)的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。此外，該微控制器還內(nèi)置了CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)以及96位編碼（即24位的十六進(jìn)制數(shù)）的芯片唯一序列號(hào)。STM32F103C8T6的主系統(tǒng)由4個(gè)控制單元（DCODE總線D-BUS、系統(tǒng)總線S-BUS、通用DMA1、通用DMA2）以及4個(gè)受控單元（內(nèi)部SRAM、內(nèi)部FLASH、FSMC、AHB到APB的橋AHB2APBX）組成，它們通過一個(gè)多級(jí)的AHB總線相互進(jìn)行連接。該微控制器的尺寸為7*7MM，適用于特別小的項(xiàng)目。它還具有37個(gè)快速I/O端口，包括2個(gè)SPI、2個(gè)I2C、3個(gè)USART、1個(gè)USB和1個(gè)CAN接口，滿足不同應(yīng)用的需求。此外，STM32F103C8T6還支持串行線調(diào)試（SWD）和JTAG接口，以及兩個(gè)12位、1μSA/D轉(zhuǎn)換器（最多10個(gè)通道），7通道DMA控制器，3個(gè)通用定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器?？偟膩碚f，STM32F103C8T6以其高性能、低功耗和廣泛的外設(shè)支持，成為了許多嵌入式應(yīng)用的理想選擇?；谝陨咸攸c(diǎn)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求，需要實(shí)現(xiàn)以下功能。1.讀取指紋模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)以進(jìn)行處理。2.控制OLED顯示屏顯示信息。3.控制蜂鳴器與繼電器、語音模塊。4.識(shí)別按鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。作為智能門禁系統(tǒng)的核心部件，STM32F103C8T6微控制器除了基本功能外，還整合了指紋識(shí)別電路、繼電器電路、蜂鳴器電路、OLED顯示電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及語音播報(bào)電路等模塊。這些模塊共同構(gòu)成了智能門禁系統(tǒng)的控制電路。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)見圖3-1，智能門禁最小系統(tǒng)原理見圖3-2。圖3-了圖3-1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)圖

圖3-2智能門禁最小系統(tǒng)原理圖

3.2單元模塊設(shè)計(jì)3.2.1指紋識(shí)別模塊AS608指紋模塊集成了指紋識(shí)別芯片和DSP運(yùn)算單元，可以快速高效地獲取圖像并識(shí)別指紋特征。該模塊具有串口和USB通訊接口，支持簡單的通訊協(xié)議控制，無需進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理或指紋識(shí)別算法研究，用戶只需按照通訊協(xié)議通過串口或USB來控制模塊即可。技術(shù)指標(biāo)方面，AS608的工作電壓范圍為3.0~3.6V，典型值為3.3V；工作電流范圍為30~60MA，典型值為40MA；通訊波特率為9600×N，N=1~12[3]。此外，還有資料顯示串口波特率可達(dá)9600~115200BPS，USB接口為USB2.0FS，傳感器尺寸為256*288PIX。它內(nèi)部集成了指紋傳感器、處理器、存儲(chǔ)器等多個(gè)功能模塊，可直接連接至單片機(jī)或PC機(jī)，并通過串口通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，支持多種指紋錄入方式，包括單次錄入、連續(xù)錄入、按壓式錄入等，并具有良好的安全性能，支持指紋信息加密和存儲(chǔ)，有效保護(hù)用戶隱私。AS608指紋模塊的工作原理主要依賴于光的折射和反射原理。具體來說，當(dāng)用戶按下手指時(shí)，手指在光學(xué)鏡片上形成的指紋圖像會(huì)被采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)隨后通過外圍電路處理，并與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的指紋模板進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證或識(shí)別的功能，原理圖見圖3-3。圖3-3AS608指紋模塊原理圖AS608指紋模塊各引腳的功能如下：1.VI模塊電源正輸入端。2.TX串行數(shù)據(jù)輸出，TTL邏輯電平。3.RX串行數(shù)據(jù)輸入，TTL邏輯電平。4.GND信號(hào)地，內(nèi)部與電源地連接。5.WAK感應(yīng)信號(hào)輸出，默認(rèn)高電平有效。（用戶可讀取狀態(tài)引腳(WAK)判斷有無手指按下）6.VT觸摸感應(yīng)電源輸入端。7.U+USBD+。8.U-USBD-。3.2.2語音播報(bào)模塊語音模塊的工作原理主要涉及到對(duì)聲波信號(hào)的處理和分析，以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別、語音合成、語音喚醒等功能。首先語音模塊需要進(jìn)行聲音采集，這是其基本的工作步驟之一[2]。在這個(gè)過程中，語音模塊可能會(huì)采用離線語音識(shí)別芯片，通過串口通信的方式實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的交互，支持最多150條語音指令，并且可以在用戶平臺(tái)上自主定制語音指令和固件。此外，實(shí)現(xiàn)這些功能的一個(gè)關(guān)鍵步驟是將語音文案轉(zhuǎn)換成MP3格式的語音文件并將其提供給芯片方，由他們幫助定制。語音模塊的優(yōu)勢(shì)包括可以批量錄音、自行燒寫、錄制以及存儲(chǔ)較長的語音等。這些特性使得語音模塊能夠廣泛應(yīng)用于錄音玩具、安防系統(tǒng)以及各種會(huì)議記錄系統(tǒng)中。至于觸發(fā)方式，單片機(jī)語音模塊通常有多種觸發(fā)方式，如IO口觸發(fā)播放、雙線串口通訊等。這些觸發(fā)方式允許用戶根據(jù)需要選擇合適的方式來觸發(fā)播放語音，從而實(shí)現(xiàn)不同的操作需求。本次設(shè)計(jì)使用的是QY5200-16語音模塊，采用TF卡存儲(chǔ)的方式將語音存儲(chǔ)至TF卡中以進(jìn)行語音播報(bào)功能，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期中的效果，在讀取成功或讀取失敗時(shí)都有相應(yīng)的語音播報(bào)，方便快捷。QY5200-16語音模塊原理圖見圖3-4。圖3-4QY5200-16語音模塊原理圖3.2.3繼電器模塊 常用的繼電器種類有很多，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是光耦隔離繼電器。光耦隔離繼電器，也稱為光電耦合器或光隔離器，其工作原理主要基于光電效應(yīng)。這種器件通過將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后通過光耦隔離器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)輸入端和輸出端的電氣隔離[8]。具體來說，光耦隔離繼電器的主要組成部分包括一個(gè)發(fā)光二極管（LED）作為光源和一個(gè)光電晶體管（光敏三極管）作為接收器。當(dāng)輸入端接收到電信號(hào)時(shí)，LED會(huì)發(fā)光，這種光信號(hào)通過隔離材料傳輸?shù)焦怆娋w管中。光敏元件接收到光信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸。光耦繼電器的工作過程可以概括為以下幾個(gè)步驟：首先，輸入端的LED發(fā)出電信號(hào)，這些電信號(hào)被光電晶體管接收并轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。接著，光信號(hào)被傳輸?shù)焦怦罡綦x器中，后者將這個(gè)光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將之輸出到輸出電路中。這種轉(zhuǎn)換過程不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的有效傳輸，還保證了輸入端和輸出端之間的完全隔離，從而防止了電路間的干擾和電擊穿。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的光耦隔離繼電器型號(hào)為JQC-3FF-S-Z。它的工作原理主要基于電磁吸合原理。在繼電器的控制電路中，當(dāng)施加足夠的電壓后，電磁鐵線圈產(chǎn)生磁場，這種磁場會(huì)吸引動(dòng)鐵芯，使得鐵芯與觸點(diǎn)之間的連接斷開，從而實(shí)現(xiàn)電流的接通和非接通狀態(tài)的控制。此外，繼電器作為一種電控制器件，其基本功能是在電氣輸出電路中，當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，使被控量發(fā)生變化。JQC-3FF-S-Z繼電器模塊能夠控制電流的接通和非接通狀態(tài)，這一點(diǎn)與開關(guān)類似。JQC-3FF-S-Z光耦繼電器原理圖見圖3-5。圖3-5JQC-3FF-S-Z光耦繼電器原理圖3.2.4顯示屏模塊 顯示屏種類繁多，得到廣泛應(yīng)用的有LED屏幕與OLED屏幕等。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是0.96寸的OLED屏幕。0.96寸OLED屏幕是一種小型、高分辨率的顯示屏幕，主要特點(diǎn)包括自發(fā)光的白色像素點(diǎn)、128×64的分辨率、支持SPI和I2C通信方式、以及低功耗和高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)。該屏幕采用SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)128X64個(gè)像素點(diǎn)的控制，這些像素可以獨(dú)立工作，不使用背光，因此顯示效果始終處于明亮狀態(tài)，無需任何對(duì)比度調(diào)整。OLED屏幕的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是其高度的靈活性和定制性。例如，它可以支持黑白、黑藍(lán)或黃藍(lán)雙色顯示，這為用戶提供了更多的顯示選項(xiàng)。此外，0.96寸OLED屏幕還具有超大可視角度，大于160°，這意味著在不同角度觀看時(shí)，屏幕內(nèi)容仍然清晰可見。在技術(shù)規(guī)格方面，0.96寸OLED屏幕的尺寸為27.3×27.8×2.7MM，顯示區(qū)域?yàn)?1.74×11.20MM，點(diǎn)大小為0.15×0.15MM，點(diǎn)間距為0.17×0.17MM，工作電壓為3.3V或5V，工作電流約28MA，工作溫度范圍為-20~60°C，存放溫度也是-20~60°C。這些參數(shù)表明，0.96寸OLED屏幕適用于各種小型電子產(chǎn)品和設(shè)備中，如智能穿戴設(shè)備、MINI小游戲機(jī)等。0.96寸OLED屏幕以其小巧的尺寸和高性能，成為了許多應(yīng)用領(lǐng)域中的理想選擇，無論是在數(shù)據(jù)顯示、游戲娛樂還是其他便攜式設(shè)備中，都能提供清晰、明亮且對(duì)比度高的顯示效果?；诒敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)所需要實(shí)現(xiàn)的功能以及從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，使用了0.96寸OLED屏幕作為顯示屏模塊，0.96寸OLED屏幕原理圖見圖3-6。圖3-60.96寸OLED屏幕原理圖3.2.5蜂鳴器模塊蜂鳴器模塊是一種簡單的發(fā)聲模塊，它能夠通過高低電平信號(hào)來驅(qū)動(dòng)發(fā)聲。這種模塊廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等多種電子產(chǎn)品中，作為發(fā)聲器件使用。蜂鳴器模塊的工作原理是通過振蕩電路產(chǎn)生一定頻率的交流電信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路輸出到蜂鳴器上，使其發(fā)出對(duì)應(yīng)頻率的聲音。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的是有源蜂鳴器。蜂鳴器原理圖見圖3-7。圖3-7有源蜂鳴器原理圖STM32F103C8T6單片機(jī)利用PA0引腳控制蜂鳴器的開啟和關(guān)閉。通過使用三極管來放大電流，以使蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)PA0引腳為高電平（邏輯1）時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止工作；當(dāng)PA0引腳為低電平（邏輯0）時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器開始工作。因此，單片機(jī)只需通過PA0引腳的輸出信號(hào)（0或1）來控制蜂鳴器的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)放置的指紋不在指紋庫內(nèi)時(shí)，蜂鳴器將觸發(fā)并發(fā)出報(bào)警聲，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

4軟件設(shè)計(jì)方案4.1軟件思路設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)功能需求確定了多個(gè)模塊進(jìn)行編程，其中包括主程序模塊、指紋模塊、顯示模塊、中斷模塊、存儲(chǔ)器模塊、延時(shí)模塊和繼電器模塊等[7]。當(dāng)手指貼近模塊時(shí)指示燈亮起，屏幕顯示指紋信息，然后程序判斷權(quán)限，如果指紋合法，開鎖模塊程序點(diǎn)亮指示燈，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊啟動(dòng)，打開繼電器。若指紋非法，不賦予權(quán)限，蜂鳴器響起，不打開繼電器。4.2指紋模塊軟件工作流程本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的AS608指紋識(shí)別模塊，軟件工作流程主要包括以下幾個(gè)步驟：1.采集指紋圖像：AS608模塊通過硬件傳感器（如光學(xué)或電容傳感器）對(duì)手指進(jìn)行掃描或接觸式采集，以獲取指紋圖像。這一步驟是指紋識(shí)別模塊的核心，直接影響到后續(xù)的識(shí)別功能[4]。2.指紋圖像采集和處理：采集到的指紋圖像被送至AS608模塊內(nèi)部的DSP運(yùn)算單元進(jìn)行處理。這個(gè)運(yùn)算單元能夠高效快速地采集和處理指紋圖像，并內(nèi)置的指紋識(shí)別算法能夠準(zhǔn)確地對(duì)指紋特征進(jìn)行識(shí)別。3.指紋特征匹配：經(jīng)過處理的指紋圖像與預(yù)先存儲(chǔ)在模塊內(nèi)部的指紋特征庫進(jìn)行比對(duì)，以識(shí)別指紋特征。如果匹配成功，則表示指紋是用戶的身份憑證，反之則非用戶的身份憑證，匹配失敗。AS608模塊的指紋比對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)涉及到指紋的錄入、特征數(shù)據(jù)的生成、以及指紋特征庫的傳輸和上位機(jī)的訪問。首先，需要進(jìn)行芯片配置，然后進(jìn)行指紋錄入，并生成出該指紋的特征模板存放于BUFFER1中。這一步驟是指紋比對(duì)的基礎(chǔ)，通過錄入指紋信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)特征模板，這個(gè)模板包含了指紋表面的特征信息。接下來，將生成的特征模板保存于緩沖區(qū)并通過串口發(fā)送至上位機(jī)。這一過程確保了指紋特征數(shù)據(jù)的安全傳輸和遠(yuǎn)程訪問，使得上位機(jī)能夠查看和管理錄入的指紋數(shù)據(jù)[5]。代碼部分見附錄。工作流程如下圖4-1所示。圖4-1指紋識(shí)別模塊開發(fā)流程

5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試 為了解決前期電路設(shè)計(jì)和后期電路焊接可能帶來的問題，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的硬件調(diào)試是至關(guān)重要的。首先，需要通過對(duì)比設(shè)計(jì)的電路原理圖，使用萬用表逐一檢查電路板中各器件的引腳，確保元器件管腳和其他器件連接正確。同時(shí)，務(wù)必檢查電路的電源連接是否準(zhǔn)確，以免造成芯片燒毀。另外，要仔細(xì)檢查所選器件的適用性，及時(shí)更換不合適的器件；特別要注意系統(tǒng)芯片的正確使用，因稍有疏忽可能導(dǎo)致芯片毀壞，從而影響畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度。因此，在排除各種電位錯(cuò)誤時(shí)，尤其需要注意電源端的電位連接是否準(zhǔn)確。經(jīng)過確認(rèn)無誤后，方可插入芯片進(jìn)行下一步檢查。在開始聯(lián)動(dòng)測試之前，需要首先去掉系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，然后通過模擬器的插口將它們與STM32F103C8T6芯片相連，最后在主控制板上執(zhí)行模擬測試。在此基礎(chǔ)上，我們需要確認(rèn)所配置的電路按鍵是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)格。我們可以借助諸如FLYMCU燒錄軟件這樣的測試工具，來評(píng)估各個(gè)接口的連接狀態(tài)。為了確保語音模塊電路的正常運(yùn)作，我們可以設(shè)計(jì)多種不同的控制語音模塊的方式來進(jìn)行測試。若系統(tǒng)測試結(jié)果未達(dá)預(yù)期效果，可通過故障現(xiàn)象找出故障原因，并采取措施進(jìn)行排查和修復(fù)[6]。5.2軟件調(diào)試本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的軟件調(diào)試采用了KEIL5仿真軟件，旨在審查和糾正程序中的錯(cuò)誤，并且檢測硬件是否存在故障。鑒于軟件可以被拆解為許多部分，所以每一部分都必須通過調(diào)試。因此需要對(duì)每一個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的仿真調(diào)試，以驗(yàn)證程序的運(yùn)行性能和排錯(cuò)。一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，即可進(jìn)行修正。一旦程序能夠正常運(yùn)行，就需要確認(rèn)其是否符合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，以及是否能夠正?？刂聘鞣N接口電路等。接著，對(duì)主程序進(jìn)行調(diào)試，觀察其是否成功運(yùn)行。如果出現(xiàn)運(yùn)行失敗的情況，需要仔細(xì)檢查各個(gè)子程序是否成功運(yùn)行。在調(diào)試過程中，需要特別關(guān)注程序模塊中參數(shù)的傳輸是否準(zhǔn)確。最后，將編寫的程序燒錄到單片機(jī)中，并進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)試，以確保軟件和硬件上沒有問題。在此過程中，備份各項(xiàng)子程序的數(shù)據(jù)尤為重要。調(diào)試的基本步驟如下：1.編寫蜂鳴器程序，調(diào)試蜂鳴器是否正常工作。2.編寫指紋模塊程序，調(diào)試刷指紋時(shí)是否顯示指紋信息。3.編寫按鍵控制程序，對(duì)按鍵的按下情況進(jìn)行檢測，以確認(rèn)是否存在按鍵值。4.編寫存儲(chǔ)、刪除錄入指紋程序，調(diào)試功能是否執(zhí)行正常。5.編寫繼電器程序，調(diào)試當(dāng)為有效指紋時(shí)時(shí)是否正常開合。6.編寫顯示屏程序，調(diào)試以確認(rèn)是否能夠呈現(xiàn)預(yù)期的效果。7.編寫紅外模塊程序，調(diào)試合適運(yùn)行環(huán)境下的傳感效果。最后，根據(jù)上述調(diào)試步驟進(jìn)行整體調(diào)試，檢查顯示屏是否正常工作。通過按下按鍵來確認(rèn)存儲(chǔ)和刪除錄入指紋的功能是否實(shí)現(xiàn)，以及檢查語音播報(bào)和驗(yàn)證有效指紋是否能夠控制繼電器的開合等是否符合設(shè)計(jì)要求。5.3軟硬件調(diào)試設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 1.如果AS608指紋模塊電源接觸不良或者指紋持有者的手指有臟污，則有可能會(huì)影響到光學(xué)識(shí)別，導(dǎo)致讀取指紋失敗。2.硬件設(shè)計(jì)中，需合理安排器件布局，確保每個(gè)器件的引腳連接正確。3.指紋識(shí)別模塊與其他模塊之間注意是否有共地。4.注意使用電源的性能是否良好，供電是否正常，是否達(dá)到供電最大閾值，否則將會(huì)導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，從而影響性能。5.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)測試結(jié)果校園智能門禁系統(tǒng)初始化的效果圖見圖5-1，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用5V電源供電。系統(tǒng)包括開關(guān)按鈕、顯示模塊、指紋識(shí)別模塊、紅外模塊、語音播報(bào)模塊、繼電器模塊、按鍵模塊等。當(dāng)電源供電時(shí)，STM32單片機(jī)和紅外模塊、光耦繼電器工作指示燈亮起，屏幕顯示文字信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)操作按鈕，分別為錄入指紋按鈕、刪除指紋按鈕、確認(rèn)按鈕和返回按鈕。圖5-1校園智能門禁系統(tǒng)初始化界面校園智能門禁系統(tǒng)使用錄入指紋功能的效果圖見圖5-2，按下第一顆按鈕后顯示屏顯示錄入指紋，此時(shí)將需要錄入指紋的手指放置至指紋識(shí)別模塊上，發(fā)送取圖像指令包PS_GetImage（獲取指紋像素圖形）到指紋識(shí)別模塊并等待指紋識(shí)別模塊發(fā)送應(yīng)答包至用戶接收并確認(rèn)結(jié)果；當(dāng)指紋識(shí)別模塊識(shí)別到指紋像素圖形校驗(yàn)成功后，發(fā)送生成特征指令包PS_Genchar（生成第一次的指紋），發(fā)送完指令包給指紋模塊后，后續(xù)會(huì)收到它發(fā)的應(yīng)答包。確認(rèn)無誤后用戶將會(huì)發(fā)送比對(duì)特征指令包PS_Match到AS608指紋識(shí)別模塊處，使其進(jìn)行CharBuffer1和CharBuffer2特征文件的比對(duì)（抬起手指再次錄入指紋），發(fā)送完指令包給指紋模塊后，后續(xù)會(huì)收到它發(fā)的應(yīng)答包。接收到應(yīng)答包確認(rèn)后，用戶將會(huì)向AS608指紋模塊發(fā)送生成模板指令包PS_RegModel，要求其進(jìn)行CharBuffer1和CharBuffer2特征文件的比對(duì)（第二次錄入指紋成功即將生成指紋），發(fā)送完指令包給指紋模塊后，后續(xù)會(huì)收到它發(fā)的應(yīng)答包。接收到應(yīng)答包一切準(zhǔn)備就緒后，用戶向AS608指紋模塊發(fā)送儲(chǔ)存模板指令包PS_StoreChar，以便將CharBuffer1和CharBuffer2中生成的模板進(jìn)行存儲(chǔ)（生成指紋成功存儲(chǔ)進(jìn)指紋庫中），發(fā)送完指令包給指紋模塊后，后續(xù)會(huì)收到其發(fā)送的應(yīng)答包。至此錄入指紋操作完成。此處是通過AS608光學(xué)指紋識(shí)別模塊掃描并接收待檢測指紋，；讀取圖像效果圖見圖5-3，錄入成功后效果圖見圖5-4。

圖5-2校園智能門禁系統(tǒng)錄入指紋功能界面圖5-3校園智能門禁系統(tǒng)錄入指紋確認(rèn)界面圖5-4校園智能門禁系統(tǒng)錄入指紋成功界面

校園智能門禁系統(tǒng)使用指紋匹配成功打開繼電器的效果圖見圖5-5、圖5-6，下方紅外模塊檢測到信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示請(qǐng)按指紋，將錄入過指紋的手指放置至指紋識(shí)別模塊上，繼電器開合，屏幕顯示編號(hào)：XXX入校，并有相應(yīng)的語音播報(bào)。上方紅外模塊檢測到信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示請(qǐng)按指紋，將錄入過指紋的手指放置至指紋識(shí)別模塊上，繼電器開合，屏幕顯示編號(hào)：XXX出校，并有相應(yīng)的語音播報(bào)。此處原理為指紋接收成功后觸發(fā)讀取觸摸感應(yīng)狀態(tài)并發(fā)送生成特征指令包PS_GetImage（獲取指紋像素圖形），并等待指紋識(shí)別模塊發(fā)送應(yīng)答包，接收完畢后發(fā)送搜索指令包PS_Search并設(shè)置參數(shù)BufferIDStartPage=0（錄入指紋庫的首頁），PageNum（從錄入指紋庫中拉取的數(shù)據(jù)）=300，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)搜尋與待檢測指紋吻合的圖形，若接收應(yīng)答包完畢后指紋吻合，將信號(hào)傳輸至單片機(jī)，利用I2C總線進(jìn)行通信，將單片機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成OLED屏幕可讀取的信號(hào)。通過清屏函數(shù)與顯示函數(shù)將程序中提前寫入的響應(yīng)字符串顯示至顯示屏上。將對(duì)應(yīng)的紅外模塊檢測關(guān)閉時(shí)，繼電器閉合，模擬了門禁里無人再關(guān)閉門禁以此防止誤傷的情況。校園智能門禁系統(tǒng)使用指紋匹配失敗報(bào)警的效果圖見圖5-7，當(dāng)沒有經(jīng)過錄入指紋操作的指紋觸碰到指紋識(shí)別模塊上時(shí)，屏幕上顯示指紋失敗，并會(huì)觸發(fā)語音播報(bào)，蜂鳴器響起。此處原理與上方指紋匹配成功基本相符，不同之處在于若在發(fā)送搜索指令包PS_Search后，指紋識(shí)別模塊返回的應(yīng)答包不符合，則視為匹配失敗，啟動(dòng)報(bào)警程序。 校園智能門禁系統(tǒng)刪除指紋的效果圖見圖5-8，按下第二顆按鈕，進(jìn)入刪除指紋頁面。進(jìn)入頁面后第一顆按鈕為上一個(gè)指紋，第二顆按鈕為下一個(gè)指紋，第三課按鈕為確定刪除。刪除時(shí)只需按動(dòng)上下按鈕選擇需要?jiǎng)h除的指紋再按確認(rèn)按鈕即可。此處原理為通過刪除指令包PS_DeletChar給AS608指紋模塊讓它刪除模板，發(fā)送完刪除指令包到指紋模塊后，用戶則會(huì)收到指紋模塊發(fā)送的應(yīng)答包，此時(shí)會(huì)再發(fā)送清空指紋庫指令包PS_Empty至指紋識(shí)別模塊使其清空所有模板，指紋模塊返回應(yīng)答包，確認(rèn)無誤后刪除操作結(jié)束。圖5-5校園智能門禁系統(tǒng)匹配指紋入校界面圖5-6校園智能門禁系統(tǒng)匹配指紋出校界面圖5-7校園智能門禁系統(tǒng)匹配指紋失敗界面圖5-7校園智能門禁系統(tǒng)刪除指紋界面

6結(jié)論 本次校園智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用于進(jìn)行校內(nèi)師生與工作人員出入管理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)邏輯縝密，還采用了應(yīng)用廣泛，技術(shù)先進(jìn)的AS608光學(xué)指紋模塊。采用光學(xué)式指紋驗(yàn)證方式，與其他的指紋驗(yàn)證方式相比，光學(xué)式指紋驗(yàn)證方式具有有效的圖像采集和識(shí)別能力。更得益于AS608模塊內(nèi)置的DSP運(yùn)算單元和高質(zhì)量的光學(xué)傳感器，使得其可在各種復(fù)雜環(huán)境下準(zhǔn)確識(shí)別指紋。 相比起電容式指紋模塊，光學(xué)指紋模組比電容式指紋模組具有更大的掃描面積。手指不必準(zhǔn)確地放在掃描區(qū)域上即可捕獲準(zhǔn)確的圖像。相比之下，電容式指紋模塊的掃描面積很有限，手指必須準(zhǔn)確地放在掃描區(qū)域上才能夠捕獲準(zhǔn)確的圖像。電容式指紋模塊對(duì)溫度變化敏感。極端溫度會(huì)影響模塊的精度，而光學(xué)指紋模塊受此影響不大。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下功能：1.識(shí)別訪問者身份，并且語音播報(bào)：當(dāng)指紋識(shí)別模塊檢測到已錄入指紋庫的指紋時(shí)，此時(shí)屏幕有顯示，語音模塊播報(bào)提示音。2.不是校內(nèi)人員，語音提示請(qǐng)聯(lián)系安保人員，同時(shí)語音報(bào)警；3.訪問時(shí)同時(shí)屏幕顯示訪問者身份，識(shí)別成功3-5S內(nèi)開啟閘門；4.人員過去之后迅速關(guān)閉閘門；5.出校語音播報(bào)：注意安全，祝一路順風(fēng)，同時(shí)屏幕顯示出校人基本信息。

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附錄附錄1：程序部分源代碼Main.cvoidTim3_Handle_Process_m(){ staticu8i; if(flag==0) return; switch(Motostatus) { caseMotoStop_Demo: MotoStopFun_Demo(); break; caseMotoZheng_Demo: if(MotoPoint<500) { i++; if(i>=8) { i=0; MotoPoint++; } Moto_Zheng_Demo(i); }else MotoStopFun_Demo(); break; caseMotoFan_Demo: if(MotoPoint>0) { i++; if(i>=8) { i=0; MotoPoint--; } Moto_Fan_Demo(i); }else MotoStopFun_Demo(); break; }}voidaddfinger(void){ if(user_num[1]>=MAX_AS) { OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,0,(unsignedchar*)"錄入數(shù)量已滿"); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,16,(unsignedchar*)""); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,32,(unsignedchar*)""); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,48,(unsignedchar*)"");delay_ms(1000); return; } OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,0,(unsignedchar*)"錄入指紋"); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,16,(unsignedchar*)""); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,32,(unsignedchar*)""); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,48,(unsignedchar*)""); while(1) { if(TOUCH==1) break; delay_ms(100); }if(TOUCH==1) { SFG_getimage(); delay_ms(200); if(querenma==0) { SFG_genchar(buffer1ID); } SFG_fastsearch(buffer1ID); while(querenma==1) SFG_fastsearch(buffer1ID); if(querenma==0) { OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,0,(unsignedchar*)"指紋已存儲(chǔ)"); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,16,(unsignedchar*)"按繼續(xù)鍵"); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,32,(unsignedchar*)""); OLED_ShowStr_ENCH_Demo(0,48,(unsignedchar*)""); comeon=1; while(comeon) { Key_value_Demo(Key_Process_Demo); } } elseif(querenma==9) { delay_ms(2000); OLED_ShowStr_ENCH