1緒論1.1選題背景現(xiàn)代社會(huì)對(duì)高效精準(zhǔn)的身份認(rèn)證技術(shù)需求與日俱增，涉及口令、數(shù)字密碼與實(shí)體證件的身份核驗(yàn)手段，由于認(rèn)證要素與主體存在可割裂性，具有可仿冒、可篡改、可盜取及可破譯特性，難以全面支撐現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的開(kāi)展，與社會(huì)治安防控的現(xiàn)實(shí)要求存在差距。從技術(shù)成熟度而言，指紋識(shí)別堪稱生物認(rèn)證中最傳統(tǒng)的可靠方法，穩(wěn)定性相對(duì)可靠，指紋紋線的具體類型、結(jié)構(gòu)形式及整體統(tǒng)計(jì)特征分布，從妊娠中期第六個(gè)月指紋穩(wěn)定成型起，至生物體死亡后腐化階段，未產(chǎn)生明顯差異，指紋表現(xiàn)出明顯排他性，實(shí)驗(yàn)證實(shí)同卵雙胞胎的指紋各不相同，全人類范圍內(nèi)未檢出指紋重復(fù)現(xiàn)象，從用戶友好性、安全等級(jí)、技術(shù)完備性和資源消耗等層面綜合對(duì)比，指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)標(biāo)志著身份識(shí)別進(jìn)入新階段，日常生活的諸多場(chǎng)合都將采用指紋作為識(shí)別方式，讓日?；顒?dòng)既省時(shí)省力又保障隱私安全，將躋身人體生物識(shí)別技術(shù)的前沿行列。單片機(jī)控制技術(shù)憑借其卓越的控制性能和高度可靠性，已在電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，諸如電飯煲、洗衣機(jī)、汽車等日常生活中常見(jiàn)的設(shè)備，均離不開(kāi)單片機(jī)的精準(zhǔn)控制才能更好地整合所學(xué)。因此，我決定結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)與單片機(jī)原理，開(kāi)展基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)課題研究。期望通過(guò)這一設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)易的身份認(rèn)證功能，為用戶提供更加便捷的身份驗(yàn)證體驗(yàn)。1.2選題目的與意義本課題聚焦于開(kāi)發(fā)一款智能解鎖系統(tǒng)，以此替換傳統(tǒng)方案，達(dá)成更高水平的智能化，用戶只要觸摸指紋傳感器，就可觸發(fā)身份判斷及解鎖操作，在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)解鎖用途的同時(shí)，有效躲開(kāi)傳統(tǒng)鑰匙易被盜用、破解或者遺忘等難題，減少潛在安全方面的隱患。面對(duì)訪客的實(shí)際場(chǎng)景，系統(tǒng)新添了射頻卡與密碼的解鎖模式，為用戶給出多元化的選項(xiàng)，系統(tǒng)支持實(shí)施指紋錄入、管理及刪除操作，讀卡器可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)功能，管理員可憑借按鍵密碼進(jìn)入管理模式，搞定指紋處理、卡片讀寫(xiě)以及密碼修改等內(nèi)容，本選題的核心目標(biāo)為設(shè)計(jì)一款整合多識(shí)別技術(shù)的高速響應(yīng)單片機(jī)門禁系統(tǒng)。具體包含以下幾個(gè)關(guān)鍵方向：（1）技術(shù)兼容性構(gòu)建。依托STM32單片機(jī)豐富的接口資源，實(shí)現(xiàn)指紋、射頻卡等不同識(shí)別模塊的靈活集成，使系統(tǒng)能夠適配多樣化用戶需求與應(yīng)用場(chǎng)景。（2）操作界面優(yōu)化。打造簡(jiǎn)潔直觀的交互界面，確保普通用戶的身份驗(yàn)證流程與管理人員的系統(tǒng)維護(hù)操作均能高效完成，降低使用門檻。（3）快速響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)底層算法優(yōu)化，保障系統(tǒng)在完成身份識(shí)別后迅速執(zhí)行解鎖動(dòng)作，顯著縮短用戶等待時(shí)間，提升通行效率。（4）成本控制策略。在實(shí)現(xiàn)高性能門禁功能的前提下，通過(guò)硬件選型優(yōu)化與模塊化設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)整體成本，推動(dòng)其在中小型場(chǎng)所等成本敏感場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著生物識(shí)別技術(shù)的逐步成熟，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)在指紋識(shí)別領(lǐng)域取得重要突破，相關(guān)產(chǎn)品在門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。得益于技術(shù)迭代，指紋識(shí)別模塊持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，不僅識(shí)別速度顯著提升、準(zhǔn)確率大幅提高，還能適應(yīng)復(fù)雜多變的使用環(huán)境。黃河交通學(xué)院的李沙沙學(xué)者REF_Ref28849\r\h[1]以STC89C52單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了一種基于指紋識(shí)別的門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)提前錄入的指紋信息進(jìn)行指紋識(shí)別，用戶能選擇通過(guò)錄入指紋信息或輸入密碼等方式進(jìn)行解鎖，并將狀態(tài)信息傳送至CPU模塊，通過(guò)識(shí)別信息的正誤來(lái)開(kāi)鎖或報(bào)警。系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，具有一定推廣價(jià)值。為提升門禁系統(tǒng)的安全性與可靠性，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究正逐步推進(jìn)多種生物識(shí)別技術(shù)的融合應(yīng)用。以指紋與人臉識(shí)別技術(shù)的結(jié)合為例，系統(tǒng)要求用戶同時(shí)通過(guò)兩項(xiàng)驗(yàn)證方可完成解鎖，這種多模態(tài)識(shí)別模式從機(jī)制上強(qiáng)化了身份驗(yàn)證的嚴(yán)謹(jǐn)性，相較于單一識(shí)別技術(shù)顯著提升了系統(tǒng)的安全防護(hù)等級(jí)。西安工業(yè)大學(xué)的楊朋飛REF_Ref29084\r\h[2]等提出一種雙認(rèn)證門禁系統(tǒng)方法，將指紋識(shí)別開(kāi)鎖和密碼開(kāi)鎖相結(jié)合。以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)指紋密碼鎖設(shè)計(jì)，降低成本的同時(shí)，提升了門禁系統(tǒng)的安全性。利用單片機(jī)作為控制單元，將密碼判斷和射頻識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)的王斌等REF_Ref29120\r\h[3]開(kāi)發(fā)了一款雙重認(rèn)證門禁系統(tǒng)。雖然雙重門禁系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)，但是關(guān)于三重認(rèn)證的門禁系統(tǒng)的研究還鮮有報(bào)道。除了傳統(tǒng)的門磁報(bào)警、紅外報(bào)警等功能外，一些門禁系統(tǒng)還具備視頻監(jiān)控、異常行為檢測(cè)等功能。薛宇航學(xué)者REF_Ref29156\r\h[4]針對(duì)家居智能門禁與安防系統(tǒng)，在51單片機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)GSM（GlobalSystemforMobileCommunications）模塊實(shí)時(shí)發(fā)送短信息，通過(guò)SPI（SerialPeripheralInterface）通訊協(xié)議達(dá)成各基站和總站之間的數(shù)據(jù)傳輸，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)家居安防的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此系統(tǒng)整合了煙霧檢測(cè)、可燃?xì)鈾z測(cè)、防漏水檢測(cè)、人體紅外檢測(cè)、虹膜門禁裝置以及報(bào)警模塊等多項(xiàng)功能。它能夠自動(dòng)感應(yīng)外界環(huán)境的變化，并及時(shí)做出反饋，進(jìn)而構(gòu)建起一套完整的家居安全防護(hù)體系。黃軍等REF_Ref29192\r\h[5]設(shè)計(jì)一種基于STM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)的智能門禁指紋密碼鎖，集成指紋識(shí)別模塊，可實(shí)現(xiàn)指紋錄入、解鎖及刪除等基礎(chǔ)管理功能。系統(tǒng)內(nèi)置聲音交互模塊，通過(guò)音頻信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作反饋與多元化服務(wù)，并采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)核心，結(jié)合高效數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，可精準(zhǔn)控制門禁自動(dòng)開(kāi)啟同時(shí)，還配置熱釋電紅外監(jiān)測(cè)傳感器，基于有效掃描范圍內(nèi)的人體活動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)用戶進(jìn)出后自動(dòng)關(guān)門功能。從智能家居應(yīng)用角度，該設(shè)計(jì)高度契合便捷化需求，具備易部署、可擴(kuò)展的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。劉永雷、趙曰峰等REF_Ref29228\r\h[6]設(shè)計(jì)的智能電子密碼鎖集成安防與環(huán)境監(jiān)控功能，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)密碼鎖核心功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步具備環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能處理能力，為智能家居的技術(shù)拓展提供了創(chuàng)新路徑。安徽建筑大學(xué)的方正REF_Ref29261\r\h[7]采用手機(jī)藍(lán)牙作為非接觸式加密驗(yàn)證方式，實(shí)現(xiàn)門禁控制器的無(wú)接觸解鎖，并借助CAN（ControllerAreaNetwork）總線技術(shù)構(gòu)建分布式控制網(wǎng)絡(luò)，支持系統(tǒng)主機(jī)對(duì)多終端的集中管理。該方案通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線完成門禁控制器與系統(tǒng)主機(jī)的雙向互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了分散式控制與集中式管理的有機(jī)結(jié)合，有效提升了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)能力及安全防護(hù)水平。1.3.2國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在單片機(jī)門禁系統(tǒng)領(lǐng)域的研究同樣頗為活躍。隨著生物識(shí)別技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，門禁系統(tǒng)的更新?lián)Q代速度顯著提升，當(dāng)前主流的生物識(shí)別門禁系統(tǒng)涵蓋指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、面部識(shí)別以及靜脈識(shí)別等多種類型。非州的OkuonghaeREF_Ref29307\r\h[8]提出了一種采用PIC16F877單片機(jī)的生物特征控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建，該系統(tǒng)只對(duì)機(jī)構(gòu)內(nèi)的工作人員和學(xué)生進(jìn)行訪問(wèn)。生物特征識(shí)別技術(shù)為安全和認(rèn)證目的提供了一種可靠、成本有效的身份管理方法。SpringerREF_Ref29336\r\h[9]介紹了一個(gè)基于手指多種生物特征的智能門禁系統(tǒng)。從硬件結(jié)構(gòu)、特征提取三個(gè)方面構(gòu)建系統(tǒng)以及匹配算法設(shè)計(jì)和軟件框架指紋的高度唯一性和強(qiáng)大的防偽性手指靜脈的性能。此外，它還支持具有以下功能的安全解決方案熱電傳感器、語(yǔ)音信息、視頻對(duì)講和防盜警報(bào)器等。YuanyuanW設(shè)計(jì)REF_Ref29359\r\h[10]并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)技術(shù)的社區(qū)門禁系統(tǒng)。貼合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出一種由蜂鳴器報(bào)警裝置和顯示屏聯(lián)合組成的顯示設(shè)備，此門禁系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)出的管理及社區(qū)安全的保障意義頗大，國(guó)外單片機(jī)門禁系統(tǒng)面臨的技術(shù)門檻較高，涵蓋電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械、光學(xué)等多個(gè)范疇，企業(yè)在技術(shù)研發(fā)事宜上投入大量資源，持續(xù)提高產(chǎn)品的智能水平和安全系數(shù)。綜上所述，國(guó)內(nèi)研究注重性價(jià)比和多功能集成，國(guó)外研究同樣強(qiáng)調(diào)技術(shù)集成，但可能更注重生物識(shí)別技術(shù)的高端應(yīng)用及系統(tǒng)整體的安全性與便捷性。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，基于單片機(jī)的門禁系統(tǒng)發(fā)展都呈現(xiàn)出集成化、智能化，且市場(chǎng)規(guī)模龐大。1.4論文結(jié)構(gòu)第一章，緒論。重點(diǎn)闡釋本設(shè)計(jì)實(shí)施的現(xiàn)實(shí)背景與理論意義，同時(shí)展示該設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的當(dāng)前研究水平。第二章，系統(tǒng)架構(gòu)整體規(guī)劃。針對(duì)系統(tǒng)核心需求設(shè)計(jì)軟硬件綜合架構(gòu)第三章，硬件模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)際開(kāi)發(fā)。詳細(xì)說(shuō)明硬件模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)途徑。第四章，基于模塊化的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。著重探討了軟件系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)框架及工程實(shí)現(xiàn)手段。第五章，開(kāi)發(fā)完成效果。主要聚焦于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能組件及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第六章，總結(jié)歸納與前景展望。分析設(shè)計(jì)方案已落地的產(chǎn)出物與現(xiàn)存缺陷，提出下一階段改進(jìn)構(gòu)想。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1硬件選型2.1.1主控芯片的選擇本設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為主控核心，此芯片搭載了ARMCortex?-M3處理芯片，作為新一代嵌入式相關(guān)的ARM架構(gòu)方案，在實(shí)現(xiàn)微控制器功能時(shí)具備明顯的優(yōu)勢(shì)，不但給出成本不高的硬件平臺(tái)、精簡(jiǎn)的引腳安排及低系統(tǒng)功耗，更兼?zhèn)涑錾挠?jì)算能力以及高效的中斷響應(yīng)手段。其72MHz工作頻率與高速存儲(chǔ)單元（最高128KB閃存連同20KBSRAM）搭配，配合豐富的增強(qiáng)型I/O接口及與兩條APB總線相連的外設(shè)資源，構(gòu)筑了高性能的硬件根基，就硬件配置這方面而言，全系列器件都配備了2個(gè)12位ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器加上1個(gè)PWM定時(shí)器，與此同時(shí)支持多種通信接口，涉及2路I2C、SPI、3路USART、USB及CAN接口，跟同類型的產(chǎn)品相比，STM32在處理速度跟片上資源集成度上有突出表現(xiàn)，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了高效且方便的硬件后盾，綜合審視硬件性能、開(kāi)發(fā)成本與資源利用率等相關(guān)情況，最終確定采用STM32單片機(jī)充當(dāng)主控芯片。2.1.2顯示器件的選擇采用LCD12864液晶模塊作為顯示單元，這個(gè)模塊采用128×64這樣的分辨率，支持包含4/8位并行及2/3線串行的多種接口模式，內(nèi)建8192組16×16點(diǎn)陣的漢字字符集，兼容128組16×8點(diǎn)陣的ASCII字符集合，依托可靈活配置的接口及精簡(jiǎn)的指令體系，支持全中文圖形用戶界面的構(gòu)建，可支持8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字顯示以及自定義圖形的輸出，同時(shí)展現(xiàn)低電壓與低功耗的特質(zhì)。盡管該顯示屏存在顯示內(nèi)容布局過(guò)大，引起空間利用率不足與成本較高的問(wèn)題，但考慮到本設(shè)計(jì)需要呈現(xiàn)的信息參數(shù)挺多，囊括狀態(tài)數(shù)據(jù)、操作菜單及圖形化的界面等，對(duì)顯示區(qū)域的需求頗為強(qiáng)烈，綜合斟酌顯示功能的完整性及信息呈現(xiàn)效果，最終抉擇采用LCD12864液晶模塊作為顯示方案，以滿足復(fù)雜信息可視呈現(xiàn)的需求。2.1.3指紋解鎖模塊的選擇就現(xiàn)階段而言，指紋傳感器現(xiàn)階段主要?dú)w為三類，當(dāng)前以光學(xué)、電容及超聲波三種傳感技術(shù)為主，在各類指紋傳感器中，光學(xué)式技術(shù)起步最早，現(xiàn)已高度成熟且普及率最高。其核心原理基于光的全反射效應(yīng)，通過(guò)感光元件捕捉手指按壓玻璃表面時(shí)反射的光線，經(jīng)信號(hào)處理生成指紋圖像。后續(xù)通過(guò)圖像分析算法提取關(guān)鍵特征點(diǎn)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)于系統(tǒng)中，形成指紋識(shí)別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。光學(xué)指紋傳感器廣泛應(yīng)用的根由，原因在于它有成本低廉、穩(wěn)定性高、成像區(qū)域大等顯著優(yōu)勢(shì)，受成本控制以及基礎(chǔ)成像原理所限，該技術(shù)也存在著內(nèi)在的缺陷，鑒于依賴反射光信號(hào)收集，易因環(huán)境光的干擾，引發(fā)感光元件的誤判，手指按壓玻璃表面后留下的指紋會(huì)直接影響成像的清晰程度，進(jìn)而引起識(shí)別成功率的降低。按照光全反射原理的特性，其僅可捕捉指紋的表面訊息，若手指被污漬或雜質(zhì)沾染，會(huì)明顯讓成像質(zhì)量惡化并影響識(shí)別結(jié)果判定，較大的成像面積讓傳感器體積難以減小，讓其無(wú)法適配像手機(jī)、筆記本電腦這樣的小型設(shè)備，主要應(yīng)用場(chǎng)景局限在打卡機(jī)、門禁系統(tǒng)等具有充足安裝空間的終端設(shè)備里?；赟TM32的指紋門禁系統(tǒng)在空間布局、成本控制及運(yùn)行穩(wěn)定性方面的設(shè)計(jì)要求，光學(xué)指紋傳感器在綜合性能上表現(xiàn)出最佳適配性。結(jié)合具體型號(hào)選型，AS608光學(xué)指紋傳感器因在體積規(guī)格、功耗控制及行業(yè)應(yīng)用案例上的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)緊湊空間安裝、長(zhǎng)期可靠運(yùn)行及成本優(yōu)化的多重需求，最終確定采用該傳感器作為指紋圖像采集模塊。該指紋模塊AS608由ALIENTEK企業(yè)開(kāi)發(fā)完成,采用光學(xué)傳感技術(shù)的高性能指紋識(shí)別模塊，該指紋模塊采用的AS608芯片，其研發(fā)方為業(yè)內(nèi)知名的杭州晟元(Synochip)公司，該處理器內(nèi)部配置了DSP運(yùn)算模塊，還整合了指紋比對(duì)算法，實(shí)現(xiàn)指紋圖像的快速采集及特征高效辨識(shí)。該設(shè)備集成有串口與USB雙模通信接口，從用戶角度出發(fā)，不必掌握繁瑣的圖像處理與指紋識(shí)別算法原理，直接采用現(xiàn)成的串口/USB傳輸協(xié)議即可，便可對(duì)模塊實(shí)施控制，該系統(tǒng)可適配各類考勤儀器、保險(xiǎn)箱、指紋門禁以及電子鎖的電路開(kāi)發(fā)需求。2.1.4射頻卡解鎖模塊13.56MHz的非接觸式讀寫(xiě)芯片MFRC522具有高集成特性，基于調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種非接觸通信協(xié)議的完全集成。其內(nèi)置發(fā)射器可直接驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)器天線與ISO14443A/MIFARE卡及應(yīng)答機(jī)通信，無(wú)需額外外圍電路。接收器集成高效解調(diào)譯碼電路，專門處理兼容ISO14443A/MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。該芯片支持MIFARE協(xié)議的高速非接觸通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)424kbit/s，并提供靈活的主機(jī)接口方案，包括SPI、UART（兼容RS232電平）及I2C接口。其高集成度、多協(xié)議兼容性及便捷的接口設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)選用MFRC522作為射頻卡解鎖模塊的核心組件。2.1.5矩陣鍵盤在本設(shè)計(jì)中，密碼輸入與功能選擇需依賴按鍵交互。若采用傳統(tǒng)獨(dú)立按鍵方案，會(huì)導(dǎo)致過(guò)多IO資源被占用，造成硬件資源浪費(fèi)。而矩陣按鍵通過(guò)行列掃描機(jī)制，僅需8個(gè)IO口即可實(shí)現(xiàn)16個(gè)鍵值的輸入控制，顯著提升了單片機(jī)IO資源的利用效率，避免了獨(dú)立按鍵方案的局限性。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體要求整套系統(tǒng)依托STM32開(kāi)發(fā)板搭建門禁控制硬件框架，采用AS608指紋識(shí)別芯片配合LCD12864顯示屏，采用KeiluVision4開(kāi)發(fā)環(huán)境完成軟件編程，依托軟硬件模塊的協(xié)同優(yōu)化與邏輯控制集成。實(shí)現(xiàn)指紋密碼鎖的身份驗(yàn)證與開(kāi)鎖控制功能，并完成數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作的底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。本設(shè)計(jì)通過(guò)集成指紋識(shí)別模塊完成指紋錄入與身份驗(yàn)證功能，借助STM32開(kāi)發(fā)板按鍵完成錄入到識(shí)別模式的切換，顯示屏即時(shí)反映系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行模式及操作狀態(tài)，同時(shí)借助蜂鳴器產(chǎn)生不同音調(diào)及鳴響次數(shù)的狀態(tài)提示音，形成多模態(tài)人機(jī)交互系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的具體功能要求如下：（1）采用按鍵控制指紋錄入與識(shí)別模式的切換。（2）若當(dāng)前為指紋采集模式，指紋采集的連續(xù)性由錄入鍵的重復(fù)操作實(shí)現(xiàn)。（3）借助物理按鍵可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部指紋信息的完全擦除。（4）LCD界面會(huì)實(shí)時(shí)展示指紋注冊(cè)生成的序列號(hào)與認(rèn)證成功的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)。（5）液晶顯示器根據(jù)系統(tǒng)模式差異及錄入識(shí)別結(jié)果的成敗情況切換顯示狀態(tài)。開(kāi)發(fā)工具采用STM32開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)主控操作。采用AS608指紋模塊作為下級(jí)單元，發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)指紋的采集與識(shí)別操作，顯示部分采用LCD12864液晶屏幕模塊，開(kāi)發(fā)工作基于KeiluVision4開(kāi)展，利用J-Link仿真工具與串口調(diào)試器作為輔助方案。本系統(tǒng)的硬件組成如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖通過(guò)硬件模塊連接關(guān)系可見(jiàn)，指紋采集處理過(guò)程依托AS608識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)，接著把加工完成的指紋特征值打包發(fā)送至主控模塊，主控模塊借助指令包形式驅(qū)動(dòng)AS608指紋識(shí)別模塊，實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)鍵盤輸入、聲光提示及顯示屏模塊，指紋錄入與識(shí)別的成功結(jié)果以編號(hào)形式呈現(xiàn)在LCD顯示屏上，設(shè)計(jì)中采用開(kāi)發(fā)板原配蜂鳴器構(gòu)成報(bào)警模塊，依照狀態(tài)差異及反饋，產(chǎn)生間隔時(shí)長(zhǎng)與鳴響次數(shù)各異的蜂鳴信號(hào)，鍵盤單元采用三鍵設(shè)計(jì)，依次承擔(dān)狀態(tài)切換、指紋登記及數(shù)據(jù)擦除任務(wù)。2.3系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)借助4×4矩陣鍵盤和LCD12864達(dá)成人機(jī)交互，程序啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行后，自動(dòng)嘗試跟指紋識(shí)別、射頻模塊構(gòu)建關(guān)聯(lián)，若連接順利成功，立即進(jìn)入工作狀態(tài)；要是連接不成功的話，界面出現(xiàn)“系統(tǒng)連接失敗”的警示文字，待連接故障排除后，系統(tǒng)進(jìn)入工作階段后，用戶能借助按鍵界面選擇驗(yàn)證機(jī)制，或直接進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整模式，系統(tǒng)界面將顯示對(duì)應(yīng)功能模塊，身份核驗(yàn)支持字符密碼、電子卡證及指紋特征三類解鎖模式，完成解鎖驗(yàn)證后，向用戶推送解鎖成功提醒，按下任一按鍵可退回主菜單界面。若選定該設(shè)置途徑，畫(huà)面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至下一級(jí)設(shè)置菜單，完成所有設(shè)置后，按任意鍵退出至主菜單。總設(shè)計(jì)流程如圖2.2所示。圖2.2總設(shè)計(jì)流程圖2.3.1按鍵掃描子程序設(shè)計(jì)按鍵掃描采用行列交替方式實(shí)現(xiàn)鍵值讀取。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2.3所示。圖2.3按鍵掃描程序設(shè)計(jì)流程圖2.3.2LCD12864工作流程圖LCD的工作就是接受要顯示的內(nèi)容，然后顯示。程序流程如圖2.4所示。圖2.4LCD12864工作流程圖2.3.3指紋識(shí)別程序主要執(zhí)行添加、刪除和識(shí)別指紋三個(gè)功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖2.5所示。圖2.5指紋識(shí)別程序設(shè)計(jì)流程圖2.3.4射頻識(shí)別程序射頻卡模塊主要是讀卡和寫(xiě)卡，程序設(shè)計(jì)流程如圖2.6所示。圖2.6射頻模塊程序設(shè)計(jì)圖3系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 通過(guò)比較最終選擇了STM32作為本設(shè)計(jì)的主控芯片，通過(guò)矩陣按鍵進(jìn)行密碼輸入及功能的選擇，通過(guò)LCD進(jìn)行顯示，通過(guò)CPU向指紋模塊和射頻模塊發(fā)出指令進(jìn)行識(shí)別解鎖。整體設(shè)計(jì)框架如圖3.1所示，整體電路原理如圖3.2所示。圖3.1整體設(shè)計(jì)框架圖圖3.2整體電路原理圖圖3.2整體電路原理圖（續(xù)圖）3.2主控模塊設(shè)計(jì)主控部分采用STM32系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際選取STM32F103C8T6作為芯片型號(hào)，片上資源有32個(gè)IO口，2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口，多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。STM32F103C8T6原理如圖3.3所示。圖3.3STM32F103C8T6原理圖3.3指紋識(shí)別識(shí)別模塊本設(shè)計(jì)采用的指紋識(shí)別模塊為AS608型號(hào)，相關(guān)電路設(shè)計(jì)可參照?qǐng)D3.4中的指紋模塊，該光學(xué)指紋頭采用傳感器進(jìn)行特征采集，采用DSP處理器配合FLAH等芯片組構(gòu)成。供電電壓3.6~6.0V，運(yùn)行電流<120mA，匹配方式支持一比一的比對(duì)方式和一比N的搜索方式如圖3.5所示。圖3.4指紋模塊電路圖圖3.5AS608指紋識(shí)別模塊實(shí)物圖指紋模塊作為指紋識(shí)別系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)部的關(guān)鍵是型號(hào)為AS608的DSP芯片。它如同智慧大腦，具備強(qiáng)大運(yùn)算能力，可快速處理復(fù)雜的指紋數(shù)據(jù)。外部的CMOS芯片則像一位專注的攝影師，當(dāng)手指觸碰，它迅速對(duì)指紋進(jìn)行“照相”，捕捉指紋的紋路、斷點(diǎn)等細(xì)節(jié)，造出初始指紋特征，要兩次錄入指紋特征才可生成，真正工作的時(shí)候，開(kāi)始先掃描指紋錄入圖像，緊接著DSP芯片對(duì)該圖像分析生成特征，最后把模板合成后存入指紋庫(kù)，完成一枚指紋的錄入操作。圖3.6指紋模板圖基于單片機(jī)的指紋門禁系統(tǒng)，指紋模板的生成與識(shí)別是十分重要的環(huán)節(jié)，指紋模板的創(chuàng)建過(guò)程就好似“完成一次拍照”，當(dāng)用戶把手指放置到指紋模塊上時(shí)，模塊中的CMOS芯片會(huì)馬上啟動(dòng)，對(duì)指紋紋路、斷點(diǎn)、分叉等特征的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，這一過(guò)程就像用相機(jī)精準(zhǔn)抓取畫(huà)面的每一處細(xì)枝末節(jié)，采集到初始指紋信息后，系統(tǒng)并非直接去存儲(chǔ)，而是要進(jìn)行針對(duì)性的模糊處理，該處理過(guò)程的目的是讓指紋信息更通用、穩(wěn)定，減少由手指放置角度、力度等因素造成的干擾。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法推導(dǎo)，指紋信息被轉(zhuǎn)化成僅由0和1構(gòu)成的記錄數(shù)據(jù)，這些二進(jìn)制代碼恰似一把獨(dú)特樣式的“鑰匙”，精準(zhǔn)地呈現(xiàn)了用戶的指紋特性，這些“鑰匙”被收納進(jìn)指紋模塊的FLASH芯片里，充當(dāng)后續(xù)識(shí)別的佐證，當(dāng)系統(tǒng)切換至識(shí)別模式之際，指紋模塊的CMOS芯片會(huì)再次把當(dāng)前手指的指紋信息采集，系統(tǒng)會(huì)快速把新采集的指紋信息和FLASH芯片里存的所有指紋模板逐個(gè)對(duì)比，經(jīng)過(guò)細(xì)致的特征契合，倘若發(fā)現(xiàn)有完全吻合或者高度雷同的模板，系統(tǒng)便可以精準(zhǔn)判斷該指紋是否存在于數(shù)據(jù)庫(kù)里面，并輸出對(duì)應(yīng)的指紋編號(hào)。3.4LCD液晶顯示模塊本設(shè)計(jì)所選擇的顯示模塊是LCD12864模塊，12864共有20個(gè)引腳。支持漢字圖形的12864點(diǎn)陣液晶模塊，具備漢字及圖形呈現(xiàn)能力，內(nèi)建8192個(gè)16×16點(diǎn)陣中文字符集、128個(gè)8×16點(diǎn)陣ASCII字符，含64×256點(diǎn)陣顯示RAM。已能夠滿足我們的顯示需求。LCD12864原理如圖3.7所示，其接口信號(hào)見(jiàn)表3.1。表3.1引腳說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地11D4DataI/O2VDD電源正極12D5DataI/O3VO液晶顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端13D6DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）14D7DataI/O5R/W讀/寫(xiě)選擇端（H/L）15PSBH并行L串行6E使能信號(hào)16NC空腳7D0DataI/O17RST復(fù)位，低電平有效8D1DataI/O18NC空腳9D2DataI/O19A背光電源正極10D3DataI/O20K背光電源負(fù)極圖3.7LCD12864原理圖3.5矩陣鍵盤模塊設(shè)計(jì)矩陣按鍵運(yùn)用行列掃描機(jī)制。在這種機(jī)制下，僅需8個(gè)IO口，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)16個(gè)按鍵的有效控制。通過(guò)行列掃描的方式，矩陣按鍵能夠極大程度地節(jié)省IO口資源，顯著提升資源利用效率。矩陣按鍵原理圖如圖3.8所示。 圖3.8矩陣按鍵原理圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1指紋識(shí)別功能做到了跟指紋模塊的串口信息交互，包含發(fā)出多樣指令及接收模塊的響應(yīng)回復(fù)，采用調(diào)用這些函數(shù)的途徑，指紋模塊謀求獲取指紋圖像，若獲取達(dá)成成功結(jié)果就生成指紋特征，然后在指紋庫(kù)中實(shí)施快速檢索，若檢索到一致的指紋，就將zhi_wen_flag標(biāo)志位的值設(shè)定為1，然后把匹配指紋的ID記錄好。多次提示用戶按壓手指進(jìn)行指紋采集，得到兩次指紋圖像之后生成特征，衡量?jī)纱翁卣鞯钠ヅ淦鹾隙?，若特征可以匹配，就把兩次特征合并生成模板，最終把模板存到已指定的指紋ID處，要是中間某一步的進(jìn)程失敗，則回到第一步重新開(kāi)展工作，若有刪除指定ID指紋模板的需求，若刪除工作成功開(kāi)展，在LCD上呈現(xiàn)提示話語(yǔ)，進(jìn)而更新指紋庫(kù)里面有效模板的具體數(shù)量，若模塊返回錯(cuò)誤的代碼值，調(diào)用ShowErrMessage（）以展示出錯(cuò)緣由，若出現(xiàn)“指紋不匹配”“傳感器無(wú)手指”情況，核心代碼如下：4.2射頻識(shí)別功能基于STM32+RC522硬件方案成功實(shí)現(xiàn)了M1卡的讀寫(xiě)通信，初始化階段首先配置SPI接口參數(shù)，調(diào)整RC522模塊至ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施芯片復(fù)位與天線設(shè)置，帶有卡片鑒別及防干擾能力，可對(duì)感應(yīng)區(qū)內(nèi)的卡片進(jìn)行自動(dòng)檢索與類型識(shí)別，支持多卡共存時(shí)的沖突規(guī)避機(jī)制?？赏瓿蛇x卡、密碼核對(duì)及數(shù)據(jù)存取等卡片操作，執(zhí)行16字節(jié)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)，依托全局標(biāo)志位執(zhí)行預(yù)設(shè)卡片校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)卡號(hào)數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制可視化，輔助調(diào)試工作，采用休眠設(shè)計(jì)節(jié)省電力消耗，兼防誤觸情況發(fā)生，采用CRC校驗(yàn)方式防止數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。核心代碼如下：5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果5.1系統(tǒng)總體框架本系統(tǒng)把STM32單片機(jī)當(dāng)作主要控制中心，并且外接AS680指紋識(shí)別模塊以及STM32開(kāi)發(fā)板自帶的鍵盤、LCD液晶顯示屏與蜂鳴器，借助對(duì)這些組成模塊的程序操控達(dá)成整個(gè)設(shè)計(jì)。圖5.1為系統(tǒng)總體實(shí)物圖。圖5.1系統(tǒng)總體實(shí)物圖5.2功能測(cè)試5.2.1測(cè)試實(shí)例系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例，如REF_Ref4597\h表5.1所示。表5.SEQ表5-\*ARABIC1測(cè)試實(shí)例表編號(hào)測(cè)試內(nèi)容測(cè)試過(guò)程預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果1顯示功能開(kāi)啟系統(tǒng)，查看LED顯示