【正文】 基于單片機(jī)的指紋鍵盤密碼鎖設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract II第1章概述 1 1 1 2 2 2 3 磁卡識(shí)別技術(shù) 4 4 5 5第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 6 6 6 6 6 7 7 8第3章硬件電路設(shè)計(jì) 9 MCS 8051單片機(jī) 9 MCS 8051單片機(jī)簡介 9 MCS 8051單片機(jī)引腳功能 10 12 12 14 15 LCD1602系列液晶簡介 15 LCD1602的引腳功能 15 LCD1602的指令說明 16 17 17 ZAZ010系列獨(dú)立式指紋識(shí)別模塊引腳功能 18 ZAZ010系列指紋識(shí)別模塊指令系統(tǒng) 18 21 21 21 22 22 電源穩(wěn)壓芯片7805簡介 22 22 存儲(chǔ)模塊 23 存儲(chǔ)器件AT24C02簡介 23 AT24C02的引腳功能 23 AT24C02的器件操作 24 IC卡讀卡器 25 MR810 系列非接觸 IC卡讀寫器簡介 25 MR810 系列非接觸 IC卡讀寫器技術(shù)指標(biāo)與可讀卡型 25第4章軟件設(shè)計(jì) 27 主程序設(shè)計(jì)思路及流程圖 27 LCD顯示子程序的設(shè)計(jì) 29 LCD顯示流程圖 29 LCD顯示子程序 29 32 鍵盤掃描子程序流程圖 32 33 35 AT24C02密碼存儲(chǔ)、讀取子程序設(shè)計(jì) 36 39第5章軟硬件組合調(diào)試 41第6章結(jié)論 43參考文獻(xiàn) 44附錄A 外文文獻(xiàn) 45附錄B 外文文獻(xiàn)翻譯 51附錄C 源程序 57附錄D 完整硬件圖 72致謝 73II第1章 概述隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的安全防盜系統(tǒng)面臨極大的挑戰(zhàn)。生物識(shí)別技術(shù)是根據(jù)人的體貌、聲音等生物特征進(jìn)行身份驗(yàn)證的科學(xué)解決方案，現(xiàn)有的生物識(shí)別技術(shù)大致上包括指紋識(shí)別技術(shù)、掌紋識(shí)別技術(shù)、視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)、虹膜識(shí)別技術(shù)、面相識(shí)別技術(shù)等。生物識(shí)別技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有：1. 減少、消除身份假冒進(jìn)行真實(shí)身份的確認(rèn)。2. 降低管理的成本，取代了身份人工人證的過程。3. 方便使用者，減少或消除了使用卡、鑰匙的麻煩。生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展起始于指紋研究，它亦是目前應(yīng)用最廣泛的生物識(shí)別技術(shù)。為了有效地的保護(hù)信息資料，財(cái)產(chǎn)的安全生物識(shí)別技術(shù)的安全系數(shù)較傳統(tǒng)意義上的身份驗(yàn)證機(jī)制有了很大提高，越來越得到社會(huì)的重視。指紋鎖和指紋門禁是應(yīng)用最廣的生物識(shí)別技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和指紋識(shí)別技術(shù)的迅速成熟，物美價(jià)廉的指紋識(shí)別產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于商業(yè)市場同時(shí)逐漸進(jìn)入家庭。國內(nèi)外科研人員很早就致力于指紋識(shí)別的檢測方法，研制各式各樣的指紋識(shí)別的模塊及其應(yīng)用產(chǎn)品，用于保險(xiǎn)箱、實(shí)驗(yàn)室、樓道的身份確認(rèn)等。同是由于對(duì)舒適性以及成本的要求，磁卡鎖的發(fā)展也非常的迅速。磁卡是一種磁記錄介質(zhì)卡片。它由高強(qiáng)度、耐高溫的塑料或紙質(zhì)涂覆塑料制成,能防潮、耐磨且有一定的柔韌性，攜帶方便、使用較為穩(wěn)定可靠。通常，磁卡的一面印刷有說明提示性信息，如插卡方向；另一面則有磁層或磁條，具有23個(gè)磁道以記錄有關(guān)信息數(shù)據(jù)。磁條的特點(diǎn)是：1. 數(shù)據(jù)可讀寫，即具有現(xiàn)場改變數(shù)據(jù)的能力；2. 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)一般能滿足需要；3. 使用方便、成本低廉。這些優(yōu)點(diǎn)使得磁卡的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如信用卡、銀行ATM卡、會(huì)員卡、現(xiàn)金卡（如電話磁卡）、機(jī)票、公共汽車票、自動(dòng)售貨IC卡等。隨著新技術(shù)的發(fā)展，安全性能較差的磁卡有逐步被取代的趨勢(shì)，但是，現(xiàn)有條件下，社會(huì)上仍然存在大量的磁卡設(shè)備，再加上磁卡技術(shù)的成熟和低成本，在短期內(nèi)，磁卡技術(shù)仍然會(huì)在許多領(lǐng)域應(yīng)用。單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出端口 （I/0）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。在單片機(jī)沒有出現(xiàn)之前我們只能使用復(fù)雜的模擬電路來進(jìn)行線路的連接，這樣不僅體積巨大，成本較高給我的生產(chǎn)生活帶來的極大的不便。而單片機(jī)給我們的各領(lǐng)域都帶來的巨大的變化，現(xiàn)在從飛機(jī)大炮到電子產(chǎn)品都離不開單片機(jī)，這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。同樣本次設(shè)計(jì)同樣要采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用80C51單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合外圍器件，組成電子控制系統(tǒng)，用戶想要打開鎖，必先通過指紋識(shí)別模塊對(duì)指紋進(jìn)行采集比對(duì)，若指紋比對(duì)正確則開鎖，否則不予開啟。同樣的也必須擁有通行磁卡才可以開鎖。然后通過輸入密碼進(jìn)行開鎖，和對(duì)密碼信息進(jìn)行修改。由于門鎖的開啟是由指紋信息來確定，而個(gè)人的指紋信息是獨(dú)一無二的，一般難以被盜與仿制，因此我相信我們所設(shè)計(jì)的磁卡指紋防盜鎖的安全性是有保證的。同時(shí)由于磁卡的舒適性和低成本使得我們所設(shè)計(jì)的磁卡指紋防盜鎖的應(yīng)用范圍有所增加。而且我們擁有三種開鎖方式，對(duì)于我們生活工作中的正常的使用有更大的安全性和適用性。指紋識(shí)別技術(shù)是目前最成熟且價(jià)格便宜的生物特征識(shí)別技術(shù)。目前來說指紋識(shí)別的技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，我們不僅在門禁、考勤系統(tǒng)中可以看到指紋識(shí)別技術(shù)的身影，市場上有了更多指紋識(shí)別的應(yīng)用：如筆記本電腦、手機(jī)、汽車、銀行支付都可應(yīng)用指紋識(shí)別的技術(shù)。指紋其實(shí)是比較復(fù)雜的。與人工處理不同，許多生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋圖像。多年來在各個(gè)公司及其研究機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了許多數(shù)字化的算法（美國有關(guān)法律認(rèn)為，指紋圖像屬于個(gè)人隱私，因此不能直接存儲(chǔ)指紋圖像。但指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。與人工處理不同，一般的生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋的圖像，而是使用不同的數(shù)字化算法在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無二、可測量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約5~7個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測量的特征，這足以說明指紋識(shí)別是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。 指紋識(shí)別技術(shù)是生物特征識(shí)別技術(shù)中最成熟的一類，但是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）價(jià)格昂貴，極大地限制了它的應(yīng)用，使得它們只能應(yīng)用在銀行、公安等特殊部門。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體傳感器的出現(xiàn)，指紋識(shí)別系統(tǒng)的價(jià)格也不斷下降，使得過去高高在上的指紋識(shí)別技術(shù)，終于走入了市場廣大的普通民用領(lǐng)域，下面是一些AFIS應(yīng)用的例子。在很多企業(yè)中往往需要進(jìn)行考勤，傳統(tǒng)的考勤方式基本上有兩種，一種是卡片形式的，另一種是IC卡形式,但這兩種考勤方式都無法杜絕代人打卡的現(xiàn)象，使考勤失去了意義。如果利用指紋作為個(gè)人身份的標(biāo)識(shí)，以此來進(jìn)行考勤，則可以很好地避免代人打卡這種現(xiàn)象，并且也方便了員工考勤，考勤時(shí)不需要任何卡片，只需將手指放在指紋采集儀上，幾秒鐘就能輕輕松松地完成考勤。在居民樓、智能大廈和賓館中往往需要門禁系統(tǒng)來限制沒有權(quán)限的人進(jìn)入。如果采用傳統(tǒng)的鑰匙＋鎖的方式，因?yàn)檫M(jìn)入的人比較多，并且一些人只在一段時(shí)間內(nèi)有權(quán)限，這樣鑰匙很容易被人復(fù)制，并且攜帶也不方便，還容易丟失，這都給用戶帶來了一些額外的負(fù)擔(dān)；如果采用IC卡，也存在這樣的問題。如果采用指紋門禁系統(tǒng)，則可以方便地解決以上問題。以賓館為例，我們可以對(duì)每位顧客在他/她登記的時(shí)候?yàn)槠洳杉讣y模板，使其在登記住宿期間能有權(quán)限打開其登記的房間的門，期滿后即可注銷其指紋模板，他/她就沒有權(quán)限再使用該房間了。對(duì)賓館來說，不用擔(dān)心鑰匙被復(fù)制或丟失而給后來的顧客造成損失。對(duì)顧客來說，他/她也不用擔(dān)心丟失鑰匙或卡片而帶來一些不必要的麻煩，也不要攜帶一些額外的東西。在日常生活中我們能看到各種各樣的鎖，現(xiàn)有的機(jī)械鎖卻已經(jīng)不能滿足某些部門的安全性要求，如銀行的金庫等。如果采用指紋加密，將會(huì)大大提高金庫的安全性。并且可以采用多個(gè)人的指紋進(jìn)行加密，然后安排這些人不在同一天上班，當(dāng)需要時(shí)再召集他們來開鎖，這樣不僅可以使小偷難以得逞，而且劫匪對(duì)其也無可奈何。 Windows本身提供了一定的安全機(jī)制，前面我們已經(jīng)提及其存在的問題，如果利用指紋來進(jìn)行加密，其安全性將大大提高，并且極大地方便了用戶，用戶不需要手工輸入密碼，只需將手指放在采集儀上，不到一秒鐘即可通過驗(yàn)證（合法用戶）?？v覽全球諸多指紋識(shí)別事件：出入關(guān)按指紋、開門按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤時(shí)按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進(jìn)行分工、打手機(jī)按指紋、上電腦按指紋等等新現(xiàn)象層出不窮，指紋識(shí)別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)，指紋識(shí)別技術(shù)在全球范圍內(nèi)已經(jīng)徹底拉開了“指紋時(shí)代”的巨幕。指紋行業(yè)是一個(gè)新興的行業(yè)，本身具有很高的科技含量，相對(duì)利潤高發(fā)展前景廣闊。樂榮集團(tuán)預(yù)測：只要有人的地方，就一定離不開指紋識(shí)別技術(shù)?！吧钪讣y化”是人們不可置身于外的生活現(xiàn)實(shí)。21世紀(jì)的人類生活，凡涉及到身份識(shí)別的電子產(chǎn)品，都必將全面指紋化。因此，指紋化產(chǎn)品呈現(xiàn)出廣闊的市場開發(fā)前景和巨大的利潤空間。 磁卡識(shí)別技術(shù)磁卡是利用磁性載體記錄英文與數(shù)字信息，用來標(biāo)識(shí)身份或其它用途的卡片。1. 記錄原理記錄磁頭由內(nèi)有空隙的環(huán)形鐵芯和繞在鐵芯上的線圈構(gòu)成。磁卡是由一定材料的片基和均勻地涂布在片磁卡刷卡器上面的微粒磁性材料制成的。在記錄時(shí)，磁卡的磁性面以一定的速度移動(dòng)，或記錄磁頭以一定的速度移動(dòng)，并分別和記錄磁頭的空隙或磁性面相接觸。磁頭的線圈一旦通上電流，空隙處就產(chǎn)生與電流成比例的磁場，于是磁卡與空隙接觸部分的磁性體就被磁化。如果記錄信號(hào)電流隨時(shí)間而變化，則當(dāng)磁卡上的磁性體通過空隙時(shí)（因?yàn)榇趴ɑ虼蓬^是移動(dòng)的），便隨著電流的變化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，離開空隙的磁卡磁性層就留下相應(yīng)于電流變化的剩磁。如果電流信號(hào)（或者說磁場強(qiáng)度）按正弦規(guī)律變化，那么磁卡上的剩余磁通也同樣按正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流為正時(shí)，就引起一個(gè)從左到右（從 N 到 S）的磁極性；當(dāng)電流反向時(shí)，磁極性也跟著反向。其最后結(jié)果可以看作磁卡上從 N 到 S 再返回到 N 的一個(gè)波長，也可以看作是同極性相接的兩塊磁棒。這是在某種程度上簡化的結(jié)果，然而，必須記住的是，剩磁 Br 是按正弦變化的。當(dāng)信號(hào)電流最大時(shí)，縱向磁通密度也達(dá)到最大。記錄信號(hào)就以正弦變化的剩磁形式記錄，貯存在磁卡上。2. 工作原理磁卡上面剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 在磁卡工作過程中起著決定性的作用。磁卡以一定的速度通過裝有線圈的工作磁頭，磁卡的外部磁力線切割線圈，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而傳輸了被記錄的信號(hào)。當(dāng)然，也要求在磁卡工作中被記錄信號(hào)有較寬的頻率響應(yīng)、較小的失真和較高的輸出電平。一根很細(xì)的金屬直線可以作為一個(gè)簡單的重放設(shè)備。金屬直線與磁卡緊貼，方向垂直于磁卡運(yùn)行方向，磁卡運(yùn)行時(shí)，金屬直線切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與切割的磁力線成正比。當(dāng)磁卡的運(yùn)行速度保持不變時(shí)，金屬直線的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁卡表面剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，而導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可由下式表示：e=BrWv 式中 Br代表表面剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度；磁條磁卡裱磁機(jī)W代表記錄道跡的寬度；v代表重放時(shí)磁卡的運(yùn)行速度。在 Br=2πf/vφrmcos2πft 的情況下，綜合 Br 和 e 的關(guān)系式，得到 e=2πfWφrmcos2πft 。 當(dāng)然，用一根金屬線作磁卡工作設(shè)備，由于輸出很小，故而是不實(shí)用的。而磁頭是用高導(dǎo)磁系數(shù)的軟磁材料制成的鐵芯，上面纏有繞組線圈，磁頭前面有一條很窄的縫隙，這時(shí)進(jìn)入工作磁頭的磁卡磁通量而言，可以看作是兩個(gè)并聯(lián)的有效磁阻，即空隙的磁阻和磁頭鐵芯的磁阻。因?yàn)榭障兜挠行Т抛柽h(yuǎn)大于工作磁頭鐵芯的磁阻，所以磁卡上磁通量的絕大部分輸入到磁頭鐵芯，并與工作磁頭上線圈繞組發(fā)生交連，因而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，在這種情況下，單根金屬線得到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式完全適用于環(huán)形磁卡工作磁頭，只是比例系數(shù)不同而已。設(shè) N 為線圈的匝數(shù)， m 為與工作磁頭鐵芯的大小和磁性有關(guān)的系數(shù)，則環(huán)形工作磁頭繞組中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：e=2πfWmNφrmcos2πft因?yàn)樵诠ぷ鞔爬@組中所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)正比于磁通的變化率，即電動(dòng)勢(shì) e ∝ By ∝ 頻率 f 。在記錄時(shí) i=Isinwt ，縱向剩磁密度 Bx ∝ i （傳遞曲線的直線部分），所以， Bx=K1Isinwt 。由于 By ∝ dbx/dt,e ∝ By ，所以， e=K2Iwcoswt 。這里的 K2 取決于工作磁頭的效率、匝數(shù)、磁帶材料等。這些公式還表明：輸出電壓正比記錄電流；輸出電壓正比于信號(hào)頻率；輸出電壓得到 90176。的相應(yīng)變化（即由正弦項(xiàng)改變到余弦項(xiàng)）。磁卡的使用已經(jīng)有很長的歷史了。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，因此它的發(fā)展得到了很多世界知名公司，特別各國政府部門幾十年的鼎立支持，使得磁卡的應(yīng)用非常普及，遍布國民生活的方方面面。一種快速發(fā)展的應(yīng)用是在政府福利服務(wù)中使用磁卡來批準(zhǔn)和支付福利金、食品卡和其它服務(wù)。另一項(xiàng)發(fā)展中的應(yīng)用是存儲(chǔ)傾向價(jià)值的卡片。這種卡片是事先付款的，在卡中編碼一定的貨幣價(jià)值，用戶使用它來購買商品或服務(wù)?？ㄆ膬r(jià)值在每次使用時(shí)得到磁性銷減。兩種理想的應(yīng)用正在流行起來，一是電話卡，一是多次使用的交通票證。其它應(yīng)用包括學(xué)生就餐證、橋梁、通道和道路的過路費(fèi)、多次使用的交通票證、錄影帶出租證、自動(dòng)售貨機(jī)、帶有一定價(jià)值的駕駛證，可以用來購買商品或服務(wù)。每年有100多億張磁卡在各種應(yīng)用中使用，而應(yīng)用的范圍在不斷擴(kuò)大中。 磁卡技術(shù)的限制因素是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間長短受磁性粒子極性的耐久性限制。另外，磁卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性一般較低，如磁卡不小心接觸磁性物質(zhì)就可能造成數(shù)據(jù)的丟失或混亂，要提高磁卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性能，就必須采用另外的相關(guān)技術(shù)，增加成本。隨著新技術(shù)的發(fā)展，安全性能較差的磁卡有逐步被取代的趨勢(shì)，現(xiàn)有條件下，社會(huì)上仍然存在大量的磁卡設(shè)備，再加上磁卡技術(shù)的成熟和低成本，磁卡技術(shù)仍然會(huì)在許多領(lǐng)域應(yīng)用。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案密碼鎖功能如下：1. 在指紋不匹配之前鎖死鍵盤，不允許輸入密碼。2. 在磁卡不匹配之前鎖死鍵盤，不允許輸入密碼。3. 密碼忘記是可重置密碼，強(qiáng)行將密碼更換為原始密碼。4. 密碼輸錯(cuò)可按取消鍵，重新輸入。5. 密碼輸入正確，正確指示等