基于指纹识别的门禁系统设计

李龙，陈飞凤，岳梅，张婧婧（通讯作者）

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

现实生活中人们总是有各种钥匙和门禁卡，一不小心就会忘记携带或丢失，从而造成了不必要的麻烦，影响人们正常的生活。国内从2000年左右就开始了基于指纹识别的门禁系统的研究[1]，现如今5G通信技术的逐步成熟和物联网的快速发展为基于指纹识别的门禁系统提供了良好的平台，使基于指纹识别的门禁系统得以推广应用。每个人的指纹特征都是惟一的，指纹的纹路、交叉点、断点各不相同且具有稳定性。对比市面上现有指纹识别的门禁系统[2]后，本项目利用了指纹唯一性的特征设计了一个基于指纹识别的门禁系统。系统先进行指纹信息的采集、录入和储存，通过单片机将采集的用户指纹与预先录入的指纹对比来验证用户的真实身份。基于指纹识别的门禁系统利用人体本身手指的指纹作为开门的钥匙，根据输入指纹是否特性匹配来判断是否开门，它提高了门禁系统的安全性，也为用户带来了极大的便利和更加人性化的体验。

1 总体设计

■1.1 功能描述

系统有两种工作模式：（1）用户访问模式；（2）管理员模式。在用户访问模式下，用户在使用本系统时，进行指纹采集和录入，指纹匹配成功后，在面板区域可显示状态的LED指示灯亮起，然后会听见“嗒”的一声，此时继电器会模仿门禁把锁打开。反之，非授权用户按下手指，系统采集到指纹，指纹数据库中没有与之相匹配的指纹模板，则蜂鸣器报警，门禁不打开，未经授权的用户就不能进入。在管理员模式下，可以进行如指纹录入、指纹删除，紧急打开门禁和修改管理员登陆密码之类的操作。

系统的开锁方式有两种：指纹开锁和键盘开锁。这两种开锁方式都可以打开门锁，也可以设置键盘输入正确和指纹识别都成功后系统再打开开锁。

■1.2 系统框架设计

系统框架图如图1 所示。

图1 指纹识别门禁系统框架图

2 系统硬件设计

本系统由STC89C52 最小单片机模块、4×4 矩阵按键模块、AS608 指纹模块、LCD12864 液晶显示模块、系统供电模块、AT24C02 芯片储存模块、继电器模块、蜂鸣器报警模块 8个模块构成。STC89C52单片机是系统的控制核心，它协同调用各个功能模块，从而达到控制整个门禁系统正常工作的目的。指纹模块和键盘模块之间通过串行通信进行数据的传输和接收，并在液晶显示器的提示下进行用户操作，从而达到打开门禁系统的目的。在系统硬件中，指纹模块主要用于人体指纹的收集、录入和识别；24C02 芯片储存模块用于密码的储存；LCD12864 主要用来用户操作显示和提示功能；4×4 矩阵按键用来实现各项功能指令的操作和发送。系统仿真电路图如图2所示。

■2.1 STC89C52单片机模块

系统采用了STC89C52单片机作为主控芯片，它协同调用各个功能模块，从而达到控制整个门禁系统正常工作的目的。STC89C52是一款低功耗、高性能、抗干扰能力强的单片机。它具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构，全双工串行口，看门狗定时器。

图2 指纹识别门禁系统电路原理图

■2.2 4×4矩阵按键模块

本系统的按键外观设计如图3所示。该系统功能键盘，从下往上的10个数字按键用于密码输入或者是其它系统选项卡的选择；“＊”号键则是“返回”功能；“#”号键代表“确认”功能；“A”则是在初始界面时，按下此按键，可访问“管理员界面”。

图3 4×4按键功能示意图

该4×4矩阵按键键盘的接线如图2所示。单片机的“P1.4-1.7”IO口，采用4条并列的行线进行连接，4条并列的列线则接在“P1.0-1.3”IO口上，这样就增加了单片机IO口的利用率。单片机根据每个键盘开关高低电平的变化来判断按键是否按下。

■2.3 LCD12864 液晶显示模块

液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程驱动等其它显示方式无法比拟的优点，不仅可以显示数字、字符，还可以显示各种图形、曲线、及汉字，并且可实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。本系统采用了LCD12864 液晶显示器作为人机交互界面，其接线如图2 所示。

■2.4 AT24C02芯片储存模块

系统采用了AT24C02 芯片实现密码存储，如图2所示。AT24C02是一个2K位串行CMOS EEPROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个8字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02是运用IIC总线技术的非易失性 EEPROM存储设备，可以在上次运行后的下一次运行中调用的芯片。其工作电压为 1.8-6V。

■2.5 AS608 指纹模块

系统的指纹模块采用了ALIENTEK 发布的高性能光学指纹识别芯片AS608，主要实现用户指纹的录入和识别。该芯片具有内置的指纹识别算法，可以更快更有效地识别指纹。

AS608实物图如图4所示。

■2.6 继电器模块

系统选用了继电器来模拟门禁开锁状态，可更加直观的观察系统的运行状态。继电器模拟门禁开锁电路如图2所示。

图4 AS608实物图

■2.7 蜂鸣器报警模块

本系统采用了蜂鸣器进行报警。当用户的指纹信息匹配失败时，系统会禁止未经授权的用户访问，蜂鸣器鸣响发出警报。蜂鸣器报警电路如图2所示。

图5 主程序流程图

图6 系统调试实物图

3 系统软件设计

软件编程环境采用KeilC51编译器集成开发环境μVision4作为C语言的开发环境。软件程序开发采用了自顶向下的模块化设计，即分别编写指纹识别模块程序、按键程序和LCD12864 液晶显示程序。

在单片机上电之后，主程序即开始初始化，同时进行键盘按键检测和 LCD 初始化工作，检测到按下的按键后再调用其它子程序。系统的主程序流程图如图5所示。

4 系统调试

将源程序编译、下载好之后，开始调试系统，验证系统的可行性和可靠性。系统调试画面如图6所示。

经简单调试后，系统能实现基本功能，且系统运转比较稳定。该指纹识别门禁系统主要实现了指纹录入、指纹识别、指纹删除、指纹开锁、键盘开锁、LCD显示、非法用户进入系统报警等功能。本系统相对于其他生物识别的门禁设计来说，成本较低、功耗较低、操作简单便捷。本系统后继也可进一步实现的扩展功能有：可在系统中增添“访问日志”功能来管理访客人员。