基于51單片機(jī)的指紋密碼鎖設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1設(shè)計(jì)背景及內(nèi)容...........................................................................................................1

1.1設(shè)計(jì)背景............................................................................................................1

1.2產(chǎn)品功能分析....................................................................................................1

2設(shè)計(jì)方案遴選...............................................................................................................2

2.1單片機(jī)的選擇....................................................................................................2

2.2產(chǎn)品框圖設(shè)計(jì)....................................................................................................4

3產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).......................................................................................................4

4產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)...............................................................................................................5

4.1STC89C51RC單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)..................................................................5

4.2按鍵電路設(shè)計(jì).....................................................................................................6

4.3外部晶振電路設(shè)計(jì).............................................................................................7

4.4復(fù)位電路設(shè)計(jì).....................................................................................................7

4.5指紋模塊電路設(shè)計(jì).............................................................................................8

5產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)...............................................................................................................8

5.1HC-06藍(lán)牙特點(diǎn).................................................................................................8

5.2主程序流程圖.....................................................................................................9

5.3產(chǎn)品程序軟件清單...........................................................................................10

6產(chǎn)品使用說明..............................................................................................................10

6.1產(chǎn)品裝配圖.......................................................................................................11

附錄.................................................................................................................................12

附錄1元器件清單.............................................................................................12

附錄2電路原理圖.............................................................................................13

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖............................................................................................14

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖.............................................................................................15

附錄5主程序代碼.............................................................................................16

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)指紋密碼鎖設(shè)計(jì)與制作

1設(shè)計(jì)背景及內(nèi)容

1.1設(shè)計(jì)背景

指紋密碼鎖，隨著科技的發(fā)展越來越普及。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械鎖和電子密

碼鎖，指紋密碼鎖無需攜帶鑰匙或記住面積繁瑣的密碼，只需輕觸即可開鎖，

解決了傳統(tǒng)鎖的許多麻煩。因此本文基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種指紋密碼鎖，以

滿足現(xiàn)代安全性、便利性的要求。

本鎖采用了51單片機(jī)作為控制中心，并且整個(gè)鎖只有三個(gè)按鍵：開鎖，添

加指紋和刪除指紋。通過程序的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以下特點(diǎn)：

1.用戶不需要記住密碼或攜帶鑰匙：使用指紋識(shí)別技術(shù)，用戶只需將手

指輕輕一按即可開鎖，無需記住密碼或攜帶鑰匙，非常方便。

2.多種安全模式：在程序中增加指紋添加和刪除功能，可以方便地管理

用戶信息以及確保安全性。同時(shí)還可以增加密碼等多種開鎖方式，從而提高了

產(chǎn)品的安全性和靈活性。

3.多種指紋儲(chǔ)存方式：為了保證準(zhǔn)確性和安全性，我們將人的每個(gè)指紋

等同于一串?dāng)?shù)字。用戶可以在程序中選擇指紋存儲(chǔ)位置，將指紋信息儲(chǔ)存在指

定的位置中，以方便管理。

4.多種紅外避障方案：本產(chǎn)品還增加了多種紅外避障技術(shù)，如光電開關(guān)、

人體感應(yīng)、聲波雷達(dá)等，來確保任何異常情況下都能準(zhǔn)確進(jìn)行識(shí)別。

整個(gè)指紋密碼鎖的設(shè)計(jì)滿足了現(xiàn)代安全性、便利性的要求。讓用戶可以更

加輕松、快捷地打開門鎖。通過該產(chǎn)品，不僅能夠滿足普通家庭日常的需要，

也可用于商業(yè)場(chǎng)所、辦公場(chǎng)所等，對(duì)于實(shí)現(xiàn)人性化管理和保護(hù)財(cái)產(chǎn)安全都具有

積極的意義。

1.2產(chǎn)品功能分析

指紋密碼鎖是一種智能式的門禁管理設(shè)備，通過指紋識(shí)別技術(shù)以及程序的

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)開門、添加擁有指紋的人員信息等多種功能。

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1.指紋識(shí)別功能：本指紋密碼鎖首要功能是指紋識(shí)別，用戶將手指放在指

紋傳感器上，通過指紋采集模塊和程序處理，實(shí)現(xiàn)識(shí)別用戶的指紋信息，從而

完成開鎖操作。由于每個(gè)人的指紋信息是唯一的，因此本產(chǎn)品能夠?qū)Σ煌脩?/p>

的指紋信息進(jìn)行識(shí)別，并將指定用戶的指紋信息加密儲(chǔ)存。

2.安全存儲(chǔ)與管理功能：基于51單片機(jī)的指紋密碼鎖可以存儲(chǔ)多個(gè)指紋，

用戶可通過按鍵進(jìn)行添加或刪除已有的指紋信息，在增加指紋時(shí)還可通過程序

選擇指紋儲(chǔ)存位置，統(tǒng)一管理所有注冊(cè)指紋信息。這個(gè)過程中，程序?qū)?duì)指紋

信息進(jìn)行加密處理，增加安全性。

3.紅外避障功能：本指紋密碼鎖還具備紅外避障功能，比如光電開關(guān)、人

體感應(yīng)、聲波雷達(dá)等多種技術(shù)。在用戶開鎖的時(shí)候，系統(tǒng)將檢測(cè)用戶是否逾期、

存在異常開鎖等操作。在檢測(cè)到異常情況時(shí)，系統(tǒng)還將通過聲音等方式對(duì)用戶

進(jìn)行提示，以強(qiáng)化安全性防護(hù)。

4.多種開鎖方式：除了指紋識(shí)別之外，還增加了多種開鎖方式，比如密碼，

智能卡或手機(jī)開門等多種方式，用戶可通過程序管理這些信息，支持多種操作

模式，以方便不同場(chǎng)所的應(yīng)用。

綜上，基于51單片機(jī)的指紋密碼鎖實(shí)現(xiàn)了智能、便捷、安全的的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

在普通住宅、公寓、別墅、辦公室、金融、醫(yī)療、政府等地都有廣泛應(yīng)用。其

設(shè)計(jì)可以自由通行，合理管理，提高了安全性和靈活性的同時(shí)，也節(jié)省了人力

的成本，減輕了人員管理的負(fù)擔(dān)。

2設(shè)計(jì)方案遴選

2.1單片機(jī)的選擇

AT89C51和AT89C52是兩款非常常見的單片機(jī)芯片，由Atmel公司（美國恩

智浦子公司）研發(fā)，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、工控設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域。兩

者在架構(gòu)和性能方面略有區(qū)別，下面將對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)的比較分析。

1.架構(gòu)

AT89C51和AT89C52都是基于MCS-51單片機(jī)架構(gòu)的芯片，MCS-51是一種經(jīng)

典架構(gòu)的8位微控制器，具有強(qiáng)大的功能和靈活的擴(kuò)展性。具有4KB的可編程ROM

和128Bytes的RAM。MCS-51經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、通

訊設(shè)備、音視頻設(shè)備以及各種嵌入式系統(tǒng)。

AT89C51是一種低功耗高性能的單片機(jī)，它以8位的ALU為核心，整合了

ROM，RAM，I/O端口，計(jì)數(shù)器等模塊，同時(shí)支持兩種串口，使得該芯片具有多種

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功能的應(yīng)用場(chǎng)景。

AT89C52采用的是8位高速8T51RD2核心，具有12MHz的高時(shí)鐘速度和1KB

的程序存儲(chǔ)器RAM和256B的RAM。該芯片還呈現(xiàn)出新的特性，包括沒有用于外部

晶體振蕩的定時(shí)器、新的工作模式和其他增強(qiáng)功能，可以滿足更高性能的應(yīng)用

需求。

2.存儲(chǔ)器

AT89C51芯片具有4KB的Flash存儲(chǔ)器和128字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器。由于Flash

是一種非易失性存儲(chǔ)器，可以將代碼存儲(chǔ)到其中，即使沒有電源，F(xiàn)lash中的程

序也不會(huì)消失，具有相對(duì)穩(wěn)定性。

AT89C52芯片擁有的存儲(chǔ)器非常類似，但具有更多的Flash存儲(chǔ)器，達(dá)到

8KB，RAM存儲(chǔ)器也增加到256B。性能實(shí)現(xiàn)得更好，數(shù)據(jù)存取速度更快。

3.速度

AT89C51的主頻速度為12MHz，AT89系列則主頻最高可達(dá)24MHz，AT89C52

型號(hào)主頻也為12MHz，芯片處理速度更快。但最高運(yùn)行速度取決于晶體的選擇，

即在設(shè)計(jì)之初需要仔細(xì)考慮所需的速度。

4.電源管理

AT89C52芯片具有電源管理模塊，可實(shí)現(xiàn)睡眠、喚醒、掉電保護(hù)等功能，大

大延長(zhǎng)了芯片電池壽命?？稍谥悄芗揖討?yīng)用場(chǎng)景下，比較節(jié)省能源。

5.適用場(chǎng)景

AT89C51是一款多功能低功耗單片機(jī)，特別適合用于實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用或者基

礎(chǔ)的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。比如，溫度計(jì)、定時(shí)器、電子鐘等嵌入式系統(tǒng)。

AT89C52則在AT89C51基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了性能和內(nèi)存，適用于需要高性能、

容量和速度的應(yīng)用場(chǎng)景，比如工業(yè)控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和智能家居等。

6.成本

在成本方面，AT89C52芯片的價(jià)格相對(duì)AT89C51略微高一些，但由于AT89C52

的處理速度更快、擁有睡眠和喚醒功能等多項(xiàng)特性，具備更高的性價(jià)比。

綜上，AT89C51和AT89C52都屬于可靠的單片機(jī)芯片，兩種芯片分別適用于

不同的應(yīng)用場(chǎng)景。需要在應(yīng)用需求、性能、成本等方面進(jìn)行權(quán)衡和分析，選擇

最適合的芯片。

兩種單片機(jī)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但AT89C51的優(yōu)點(diǎn)最突出的就是其認(rèn)知普及

率高，由于是N多年來教科書推薦的案例入門型單片機(jī)，提到51基本上就是指

的這種單片機(jī)，由于普及率高其累積的各種資料也是在眾多單片機(jī)中名列前茅

且最易獲得的，因此選用AT89C51單片機(jī)。

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2.2產(chǎn)品框圖設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)指紋密碼鎖的系統(tǒng)框圖主要由以下幾個(gè)部分組成：

1.指紋采集模塊：由指紋傳感器和AD采樣電路組成，用于檢測(cè)用戶放置在

指紋傳感器上的指紋，并將指紋信息采集成電信號(hào)，通過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸

出。

2.單片機(jī)主控模塊：由AT89C51單片機(jī)芯片、外圍的晶振、串口通訊模塊、

存儲(chǔ)器、LCD屏幕等組件構(gòu)成，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的文件管理、指紋識(shí)別、遙控等。

3.存儲(chǔ)器模塊：內(nèi)部集成一定的存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存用戶的指紋信息和開門記

錄等數(shù)據(jù)，采用EEPROM或Flash等芯片進(jìn)行存儲(chǔ)。

4.顯示輸出模塊：由LCD液晶顯示屏、蜂鳴器和LED組成，用于顯示用戶信

息、狀態(tài)提示、報(bào)警信息等。

5.電源管理模塊：由升壓電路、穩(wěn)壓電路、斷電存儲(chǔ)器等組成，負(fù)責(zé)穩(wěn)定

輸出電壓和電流，以及在斷電情況下保持儲(chǔ)存器數(shù)據(jù)的完整性。

6.鎖體控制模塊：由繼電器、電磁鎖、紅外避障等部件構(gòu)成，控制鎖體的

開啟與關(guān)閉，在用戶輸入正確密碼或指紋信息后，控制鎖體解鎖。

以上是基于51單片機(jī)指紋密碼鎖的系統(tǒng)框圖簡(jiǎn)介，針對(duì)不同的應(yīng)用需求和

場(chǎng)景，還可以增加其他功能組件進(jìn)行擴(kuò)展或調(diào)整。

圖2.1系統(tǒng)框圖

3產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

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[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語；

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范。

4產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

由STC89C51RC單片機(jī)所組成的系統(tǒng)，其中包括指紋采集模塊、矩陣按鍵、LED

顯示器模塊。實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別成功開鎖功能，指紋識(shí)別成功，指示燈亮，繼電器

動(dòng)作開鎖，人員可以進(jìn)入；指紋識(shí)別不成功，指示燈不亮，繼電器不動(dòng)作，人

員不可以進(jìn)入。

4.1STC89C51RC單片機(jī)核心電路設(shè)計(jì)

51系列的單片機(jī)執(zhí)行速率快(最高時(shí)鐘頻率為90MHz)，功耗低，在系統(tǒng)、

在應(yīng)用可編程,不占用用戶的資源。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，選擇STC89C52RC

單片機(jī)做為本設(shè)計(jì)的單片機(jī)使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS

8位單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：4k字節(jié)的閃存片內(nèi)程

序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32個(gè)外部輸入和輸出口，2個(gè)全雙工串行通

信口，看門狗電路，5個(gè)中斷源，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，片內(nèi)震蕩和時(shí)

鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。

圖4.1STC89C51單片機(jī)核心電路原理圖

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4.2按鍵電路設(shè)計(jì)

按鍵也是一種電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)接通僅需按下按鍵，斷開連接僅需松開

按鍵，輕觸按鍵內(nèi)部中金屬彈片受力彈動(dòng)觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)接通斷開功能，本設(shè)計(jì)中

這三個(gè)按鍵是最重要的部分控制著整個(gè)產(chǎn)品。

圖4.2STC89C51單片機(jī)按鍵電路原理圖

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圖4.3STC89C51單片機(jī)按鍵電路程序流程圖

4.3外部晶振電路設(shè)計(jì)

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，

便于各部分保持同步，沒有晶振，這些微處理芯片將無法工作。有些通訊系統(tǒng)

的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。

圖4.4STC89C51單片機(jī)外部晶振電路原理圖

4.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路是一種用來使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備，它的操作原理與

計(jì)算器有著異曲同工之妙，只是啟動(dòng)原理和手段有所不同。復(fù)位電路，就是利

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用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣，以便回到原

始狀態(tài)，重新進(jìn)行計(jì)算。

圖4.5STC89C51單片機(jī)復(fù)位電路原理圖

4.5指紋模塊電路設(shè)計(jì)

指紋模塊是指紋鎖的核心部件，用來完成指紋的采集和指紋的識(shí)別的模塊。

指紋模塊主要由指紋采集模塊、指紋識(shí)別模塊和擴(kuò)展功能模塊（如鎖具驅(qū)動(dòng)模

塊）組成。

圖4.6STC89C51單片機(jī)復(fù)位電路原理圖

5產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

5.1HC-06藍(lán)牙特點(diǎn)

考慮到藍(lán)牙具有低功耗、信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)。我們進(jìn)行指紋模塊的操是通過單

片機(jī)的串口發(fā)送與接收命令完成的。我們先通過串口給指紋模塊發(fā)送命令，然

后等待指紋模塊傳回?cái)?shù)據(jù)。再通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，從而判斷命令有沒

有執(zhí)行。

用到的HC-06藍(lán)牙串口通信模塊，是基于BluetoothSpecification

V2.0帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM，調(diào)制方式

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是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-85dBm，板載PCB天線，

可以實(shí)現(xiàn)10米距離通信。

5.2主程序流程圖

圖5.1STC89C51主程序流程圖

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5.3產(chǎn)品程序軟件清單

圖5.2STC89C51產(chǎn)品程序軟件清單圖

6產(chǎn)品使用說明

通過指紋識(shí)別成功開鎖功能，指紋識(shí)別成功，指示燈亮，繼電器動(dòng)作開鎖，

人員可以進(jìn)入；指紋識(shí)別不成功，指示燈不亮，繼電器不動(dòng)作，人員不可以進(jìn)

入，在管理員模式下還可以實(shí)現(xiàn)指紋的錄入、指紋的刪除、緊急開鎖及密碼修

改功能，其中刪除指紋可以實(shí)現(xiàn)刪除指定指紋號(hào)的指紋，并用LCD12864液晶顯

示器進(jìn)行顯示相關(guān)操作步驟。當(dāng)錄入和識(shí)別指紋時(shí)，LCD12864液晶顯示器上會(huì)

顯示對(duì)應(yīng)的指紋編號(hào)及相關(guān)提示信息。

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6.1產(chǎn)品裝配圖

圖6.1STC89C51產(chǎn)品裝配圖

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附錄

附錄1元器件清單

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附錄2電路原理圖

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附錄3PCB設(shè)計(jì)圖

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附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖

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附錄5主程序代碼

#include<reg52.h>

#include<intrins.h>

#include"24C0x.h"

//#include"mytype.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

/********************************************************************

*描述:該文件實(shí)現(xiàn)對(duì)24C02的操作。

確認(rèn)試驗(yàn)是否成功：電源上電后，數(shù)碼管的值在遞增，觀察值。

關(guān)閉電源，待幾秒后上電，

數(shù)碼管顯示的值會(huì)從斷電錢的那個(gè)值開始顯示。

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********************************************************************

***/

/********************************************************************

*名稱:flash()

*功能:延時(shí),時(shí)間為2個(gè)NOP，大概為2US

*輸入:無

*輸出:無

********************************************************************

***/

voidflash(void)

{

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

}

/********************************************************************

*名稱:x24c02_init()

*功能:24c02初始化子程序

*輸入:無

*輸出:無

********************************************************************

***/

voidx24c02_init(void)

{

scl=1;

flash();

sda=1;

flash();

}

/********************************************************************

*名稱:start(void)

*功能:啟動(dòng)I2C總線

*輸入:無

*輸出:無

********************************************************************

***/

voidstart(void)

{

scl=1;

flash();

17

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sda=1;

flash();

sda=0;

flash();

scl=0;

flash();

}

/********************************************************************

*名稱:stop()

*功能:停止I2C總線

*輸入:無

*輸出:無

********************************************************************

***/

voidstop()

{

scl=0;

flash();

sda=0;

flash();

scl=1;

flash();

sda=1;

flash();

}

/********************************************************************

*名稱:writex()

*功能:寫一個(gè)字節(jié)

*輸入:j（需要寫入的值）

*輸出:無

********************************************************************

***/

voidwritex(ucharj)

{

uchari,temp;

temp=j;

for(i=0;i<8;i++)

{

scl=0;

flash();

sda=(bit)(temp&0x80);

18

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

flash();

scl=1;

flash();

temp=temp<<1;

}

scl=0;

flash();

}

/********************************************************************

*名稱:readx()

*功能:讀一個(gè)字節(jié)

*輸入:無

*輸出:讀出的值

********************************************************************

***/

ucharreadx(void)

{

uchari,j,k=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

scl=0;

flash();