基于单片机的电子密码锁设计与实现

1绪论 1.1研究背景在科技飞速发展的今天，各种智能装置不断涌现。随着“智能家居”、“互联网+”、“物联网”等新理念的出现，我们的日常生活也在发生着变化，我们对我们所使用的各种电子产品的便利程度也在不断提高。电子密码锁是整个家庭的安全保障和实体大门，它直接关系到整个家庭的安全和使用者的感受[1]。该锁是一种新型的基于单一的机械构造的防盗锁，通过增加嵌入的电子装置，能够对人体内的各种信号如人体信号和数字信号进行鉴别和确认。采用了嵌入式模块，使得电子密码锁在操作和管理上更加数字化和智能化。让使用者既可以在保证安全的前提下，又可以充分感受到智能装置带来的高效率和方便。伴随着科技的进步，各种智能终端在我们周围的应用也变得更加广泛[2]。但因其昂贵的价格和未完善的工艺，使得其在初期仅限于某些特定的场合使用。在人员密集的酒店、公租房和写字楼等人员密集的地方，由于用户的不断变化，使得常规的机器钥匙的管理变得更加困难，同时也存在着易被盗用等安全风险。尽管可以从原理上从根本上解决这个问题，但是这种方法存在着造价昂贵、易操作性不强的缺点，而智能化的电子锁在这一问题上有着巨大的优势。这种智能门锁不需要采用普通的机械钥匙，而是采用一种独特的生物特征，比如指纹，或者是一种容易替换和维修的电子信号，这种方法能够有效地提升管理人员对用户数据的管理和维护的效率[3]。尽管它具有很多优点，但是在发展的早期，因为种种因素，它还没有普及到一般的家庭。首先就是使用者的看法，在最初的时候，使用者对于各种电器的安全与可靠一直抱有疑虑，而电子密码锁这种对安全性有着极高需求的电器，自然会遭到更多的消费者的质疑。其次，在开发的早期，各种费用都很高，零售价要上千甚至几万，明显超过了一般消费者的经济承受能力。第四，早期的智能门锁还存在着一些不够完美的问题，比如管理和维修的繁杂，以及使用的功能比较简单等等。若能解决目前在开发过程中出现的一些问题，将会为一般用户提供更好的操作体验。所以，一款既安全又方便，价格又便宜，操作简便的智能电子锁就显得非常重要[4]。1.2研究意义采用单片计算机进行身份鉴别的电子密码锁是一项非常有价值的课题。首先，由于技术的不断发展，对安全的要求也在不断提高，尤其是在家庭，办公室等地方，更是如此。传统的机械式锁存在着安全性差和易被破解的缺陷，而电子密码锁由于其高安全性、高的警报、较强的安全性和较高的安全性，有着巨大的市场需求量[5]。其次，通过对电子加密技术的研究，可以有效地提升工作人员的工作质量，从而提升工作的效率。利用该电子密码锁，可以达到一种智能的安保管理，不需要随身带着钥匙，也不需要害怕忘记密码，能够在任何时间、任何地点对门锁、开锁等操作，极大地提升了我们的生活的方便与高效。第三，设计了一种以MCU为核心的电子加密锁，它具有成本低，设计简单，易于实现的特点。目前广泛使用的单片机，由于其功能强大，价格便宜，能够完成较为繁琐的数据处理与控制。对其进行程序设计，使其具有较强的安全性能和较高的安全性能[6]。总之，采用MCU进行身份鉴别的电子密码锁是一种非常有价值的产品，能够很好地适应人们在安全性、便利性和经济效益方面的需要，有着广阔的市场推广价值。1.3国内外发展现状由于经济与技术较为成熟，电子密码锁在欧美日韩等发达国家已经有了一定的发展。根据阿里巴巴集团标准化部出品的《2019中国智能门锁发展与应用白皮书》统计，韩国以80%的市场渗透率位居全球第一，日本和欧美各国紧随其后，中国由于起步较晚目前市场渗透率还比较低。另外各国智能门锁的主要结构也有所不同，西方发达国家的电子密码锁主要是以电机直接控制锁舌的全自动电子锁为主，甚至有些型号的电子密码锁抛弃了传统的门把手，直接将锁嵌入到门内[7]。而中国的电子密码锁则主要是以需要下拉门把手来进行开锁的半自动电子锁为主，这种电子密码锁往往也可以带动传统防盗锁的所独有的天地钩，在提升了安全性的同时也符合中国的实际国情[8]。图1-1智能家居组成图智能门锁作为进入家庭的第一道关卡，最有可能成为智能家居应用的触发和链接产品。用户在入户时首先要通过电子密码锁进行身份验证，由此开始启动整个智能家居系统。随后用户信息会传导到智能家居系统中的其他设备，并使其产生相应的动作。智能家居的组成结构如图1-1所示，能与智能门锁直接联动的就有智能门铃、智能探头等多种设备，间接联动的更是有智能开关、室内监控摄像头、智能电源等大量的智能家居应用终端[9]。随着智能门锁行业的发展与进步，必将对正处在发展初期的智能家居这一行业产生巨大地推动与促进作用。电子密码锁在中国零售市场于2016年正式进入爆发式增长阶段，根据天猫、网易家居等联合发布的《2018中国电子密码锁消费白皮书》显示，电子密码锁在主要的一、二线城市的市场渗透率已经在10%左右，正处于跨越“创新扩散理论”中“鸿沟区”的前夜[10]。一旦突破13.5%这个鸿沟区，中国电子密码锁的零售市场必将迎来新一轮的发展高潮，专家预计到2020年中国电子密码锁的渗透率将会达到19.75%，总体销量将会突破3200万套。近年来电子密码锁的需求与供给概况如图1-2所示。图1-2电子密码锁需求与供给发展概况图从上个世纪30年代初期的第一代电子加密技术问世以来，经过三个发展时期。首先是在早期的开发阶段，以商务宾馆为代表的公共场所的使用。目前主要采用的是单用途电子锁或磁卡电子锁，不利于家用。其次，在一段时期后，增加了一些生物特征的认证方法，如指纹认证，使之更具实际意义。但是目前的很多核心技术如指纹识别等尚不完善，使得它的生产成本很高。由于成本问题，这款手机很难普及到一般的家庭，也就是那些住在高档住宅区的人才能买得起。而到了这个时候，由于各种科技的进步，整个系统的价格已经降低到了能够让一般的家用电脑都能承受的地步。随着近几年，随着移动互联网行业的飞速发展，物联网、智能家居等新理念层出不穷，使得电子锁能够与智能电话等终端设备进行交互，获得了很多实际应用的新功能。到目前为止，电子锁的功能比较简单，应用范围也比较有限，已经演变成了具有多种复杂功能的电子密码锁[11]。由于其较为成熟的经济与工艺，目前已经在欧美日韩等发达的国家中取得了较大的进展。根据阿里巴巴标准部门《2019中国智能门锁发展与应用白皮书》，韩国占据了全球第一的位置，占据了80%的市场份额，日本和欧美紧随其后，中国由于起步晚，在中国的份额还没有达到很高的水平。另外，各国的智能锁也各不相同，比如欧美，采用的就是通过电机来对钥匙的舌部进行操控，也有些样式的则是舍弃了传统的门把手，将它嵌入到了汽车的内部。中国的大部分锁具，都是半自动的，需要打开门把手，然后再用一般锁具上的天钩，在增加安全性的同时，也符合中国的实际状况[12]。1.4验证技术方法本文从两个角度对电子密码锁进行了研究。首先介绍了系统的软件设计和硬件的设计。软件的设计分为两部分。一方面，该算法能够对输入进行关联的辨识，实现对信息的高效集成；最后的解析结果可以被有效地用来进行后续的辨识与比对，从而节约了大量的时间。二是对比法。该系统在获得所需的数据之后，会与已存的数据进行比对，如果发现了对应的数据，则会自动进行解锁。该系统的设计包含了很多的功能。请移除你的资讯，并修改你的密码。等等，但是这些函数一般都很容易执行，所以我们把注意力集中在确定和比较处理上。该系统的硬件设计主要有以下几个部分。首先，就是把不同的硬件连接起来。最简便的方法就是将51微控制器与相应的电路进行有效的联接，使其能够进行数据的采集和传输。第二部分为数据采集模块的实现。其基本思路是将采集器与识别模块相连，并将其与MCU对应的接口相连，实现对信号的识别。电信号最后，本论文还提出一种非锁定电路，当侦测到记忆体中含有资讯时，可进行开锁动作[13]。身份识别是一种最早的、在计算机上使用最多、使用最为广泛的一种方式。在过去，这种方法大多是在犯罪侦查体系中使用的。今天，人们在生活、工作、学习等方面所使用的身份识别技术并未发生太大的变化。科技对人们的信息生活产生了积极的影响。由于利用了生物识别技术，所以在实际应用中得到了广泛的应用。这仅仅是表皮的一小块，但是里面有很多的数据和资讯。手指上的线在形状、断点和交叉点上都存在着巨大的差异，所以我们把他们叫做“功能数据”。据医疗研究者们所说，每块指头上的“功能数据”各不相同，但同一时刻却又是独一无二、不变的。通过这种方式，你可以匹配到每一个用户，然后通过现在的能力和以前的能力来对比他们的拥有者[15]。1.5指纹锁技术与产品现状20世纪初，指纹锁出现在军用领域，随后指纹技术得到了进一步的发展，并在国防、司法、刑事侦查等方面得到了越来越多的应用，因此在军用方面得到了越来越多的应用。它是一种家庭、安全用品，正在逐步进入我们的视线。在2005年，美国引进了中国的指纹锁。那时，美国的高级指纹锁品牌Digier和全球500强的英格索兰在这一领域占据着绝对的优势。其中，最核心的就是指纹注册与对齐算法。目前，指纹识别技术已相对成熟。国产的指纹锁通常是500-560；正确率为0.01%，误检率为0.001%。当前，我国的指纹锁产品有很多，其中包括指纹门禁控制器，指纹锁，指纹保险箱等。比如中控的Monarch系列指纹锁，支持指纹比对，密码比对，身份证比对，小米资费卡比对，使用USB通信，可以收集X00型指纹，识别时间在2S以内，解析度500dpi。判定比率0.0001，该电源采用4节AA电池，4.2伏至6伏的操作电压；沉阳电子有限公司发布了一款以DSP为核心的软核指纹锁，内嵌64KBSRAM，对比指标：FRR<1FAR<0.01，比对时间<1.5秒；A010-SN型佛山市思格锁业股份有限公司出品的A010-SN型指纹锁，5个管理员指纹，135个正常使用者指纹，可设定10个临时使用者指纹，比对时间小于1.25，使用4节AA电池，6V工作电压。在中国，美国，日本，欧盟，韩国，澳大利亚，在这方面，国外比中国更先起步，在技术上也远远领先。在美国，由于受到美国FBI中心指纹档案部门对指纹鉴定技术的长期宣传，FBI首先发起了这项研究。美国在指纹识别领域占有领先地位，在指纹识别领域占有领先地位，占有超过70%的市场份额，同时也占据了全球80%的芯片生产商的市场份额。在日本，研发指纹辨识晶片是一种有利条件。日本NEC，日本富士，佳能，ALPS等公司已经研制和生产了各种各样的指纹识别芯片。日本的产品在整个产业链中占有举足轻重的位置，也是指纹识别领域的两大关键环节。相对于国外，国内的指纹锁在指纹信号的接受与分析方面还不够稳定，反应速度达不到国际先进水平，马达连接的技术也不够先进，开锁的反应速度和精度都远远达不到要求。近几年来，马达的故障率普遍降低，反应速度也有了很大的提高，总体技术水平已经逐渐逼近了国际水准。1.6识别的特征该系统以人体生理学、几何学等为基础，采用多种先进的传感技术对其进行数字化处理。具体步骤为：利用采集模块（如AS608）采集原始图样，并对图样进行预处理，得到更为清晰的图样。其次，利用特征抽取算法产生具有代表性的特征量。特征值比较法的基本原则就是依据模式识别的原则，将事物的共性与个性加以比较、比较。在输入模板与要检验的对象之间进行匹配。1.7系统功能要求该电子密码锁控制系统需要实现以下核心功能：通过密码或指纹验证的方式实现门锁的解锁和锁定操作，为使用者提供安全可靠的访问控制。支持多个用户的密码和指纹信息的录入、存储、修改和删除，以方便管理和维护。为了提高安全性，当密码或指纹验证错误次数超过一定阈值时，系统将发出报警提示，并在一段时间内禁止继续尝试，防止蛮力攻击。1.8系统设计方案针对上述系统功能要求，设计了一套完整的解决方案，该方案的核心是采用STC89C52单片机作为系统的控制中心，并围绕它整合了包括指纹识别模块、显示模块、数据存储模块、按键输入模块和报警模块在内的多个硬件组件，通过软硬件的协同工作来实现预期功能。AS608指纹识别模块负责采集用户的指纹图像、提取特征值并与事先存储的指纹库进行匹配，为系统提供生物特征识别能力。LCD12864显示模块用于为用户呈现系统界面、操作提示和状态信息，与4*4矩阵按键模块共同构成人机交互接口。AT24C02数据存储模块则负责存储用户密码、指纹特征值以及系统配置参数等重要数据。最后，蜂鸣器模块在密码或指纹验证失败时发出报警声响，提高系统的安全性。上述各个硬件模块都与STC89C52单片机连接，并由单片机的软件程序统一协调和控制。软件部分的设计将涉及单片机程序开发、指纹识别通信协议、LCD显示驱动、按键检测、数据读写存储等多个方面。我们将在后续环节对软件架构和具体实现进行深入设计和开发。图1-3系统框图2系统的硬件设计2.1模块选型模块选型是系统设计的重要环节，直接关系到系统的整体性能、可靠性和成本。本节将对本设计中的单片机模块、指纹识别模块和显示模块进行选型分析，并说明选择理由。2.1.1单片机模块的选型方案一：STC89C52STC89C52是一款基于8051内核的传统单片机，工作电压5V，8位CPU，12MHz最高主频。它有64KB系统可编程存储器、256字节数据RAM、4个8位通用IO口、2个16位定时器、5个中断源等丰富资源，可以很好地满足本系统的需求。51单片机体系结构成熟，开发工具链和样例程序非常完善，降低了开发难度。此外，该单片机芯片价格低廉，有利于控制整体系统成本。方案二：STM32F103STM32F103属于32位ARMCortex-M3内核的高性能单片机，工作电压3.3V，主频高达72MHz，存储空间和外设资源都比51单片机丰富得多，运算能力和数据处理能力极为强大。然而，相比之下，它的价格昂贵，而且软件开发和硬件移植的复杂度也大大增加，需要重新开发或者移植底层驱动库、中间件等，使得开发周期较长。综合考虑性能、价格、开发周期和开发难度等因素，本设计选择STC89C52单片机方案。虽然相较于STM32性能偏低，但已经足以满足本系统的需求，同时极大地降低了开发难度和成本，有利于产品的快速推进和商业化应用。当然，对于更复杂的系统而言，STM32可能是更好的选择。2.1.2指纹识别模块的选型方案一：AS608AS608是一款专业的指纹识别模块，集成了指纹传感器、算法芯片和存储器。它支持指纹图像采集、图像处理、特征值提取和匹配搜索等全部指纹识别功能，形成了功能齐全的一体化解决方案。AS608模块只需通过串口与主控制器通信，即可发送指令进行指纹注册、删除、验证等操作，无需单片机实现复杂的识别算法，使用非常简便。方案二：FPC1011FPC1011是一款指纹传感器芯片，虽然成本较低，但需要配合单片机和相应的算法库才能实现完整的指纹识别功能。这不仅极大增加了软件开发的工作量，而且还会占用较多的单片机资源，对系统的实时性和稳定性也有一定影响。鉴于AS608模块已经集成了全部所需功能，无需单片机编写复杂算法，并且功耗低、稳定性高、抗干扰能力强，因此本设计采用AS608作为指纹识别模块。2.1.3显示模块的选型方案一：LCD12864LCD12864是一款128*64分辨率的点阵液晶显示模块，显示区域大、分辨率高，可以显示文字、图标和简单图形，为用户界面的美化和优化提供了很大空间。该模块采用并口驱动方式，与单片机的接口简单，驱动程序容易实现。方案二：LCD1602LCD1602是一款基于HD44780驱动的字符液晶显示模块，只能显示2行16列的字符，显示内容单一且面积有限，不利于实现丰富的用户界面。考虑到本系统对显示内容和界面效果的需求，LCD12864模块是更加合适的选择。相比字符液晶，它不仅显示区域更大，还可以通过图形界面优化人机交互体验，是系统的理想显示载体。因此，本设计采用LCD12864作为显示模块。2.2单元模块设计2.2.1STC89C52单片机STC89C52作为本系统的控制核心，与其他各模块紧密连接，对它们进行操作管理。硬件设计时，我们将STC89C52的并行端口P2.5与LCD12864显示模块的数据总线相连，用于向显示器传送显示数据；将P2.6和P2.7口与LCD12864的指令总线相连，用于发送显示控制命令。同时，P1.0-P1.7口的部分管脚连接到4*4矩阵键盘的行线和列线，通过行列扫描检测按键动作和密码输入。与此同时，我们也合理利用了STC89C52的串行通信接口。其中，P1口的TXD和RXD管脚分别与AS608指纹识别模块的串行接口相连，用于发送指令和数据，实现指纹注册、删除、匹配等操作。I2C总线的SDA和SCL管脚则连接到AT24C02存储芯片，用于读写用户密码、指纹特征值和系统配置参数等重要数据。硬件设计还需要考虑系统的其他要求。比如，为实现报警功能，我们将预留一个IO管脚用于驱动蜂鸣器模块。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，电路布局时需要合理分区，使AS608等易受干扰的模块远离其他部件，并采取必要的屏蔽措施。我们还将为单片机的复位电路、时钟电路等进行精心设计，以确保其稳定可靠运行。图2-1STC89C52单片机2.2.2AT24C02数据存储模块AT24C02是一款2KB容量的EEPROM存储芯片，采用I2C总线方式与STC89C52单片机相连。I2C是一种简单、高效的串行通信方式，只需两根数据线SDA和SCL即可实现主机与从机之间的数据传输。在具体硬件设计时，我们将单片机的SDA和SCL管脚直接与AT24C02模块的对应管脚相连。同时，为了确保正确的通信地址，我们还需要根据实际情况对AT24C02的A0-A2地址管脚进行适当地接地或上拉电阻的设置。此外，该EEPROM芯片的电源引脚需要连接5V电源，并在电源线上加入滤波电容以抑制工作噪声。AT24C02具有掉电数据保护功能，无需备用电池即可在断电情况下保持数据不丢失。这一特性使其非常适合用于存储系统的用户信息和配置参数等长期保存数据。当然，在实际应用过程中，我们也会采取额外的数据备份和容错措施，以防数据损坏或丢失。图2-2AT24C02数据存储模块2.2.3AS608指纹识别模块AS608是一款专业的指纹识别模块，采用串行通信方式与STC89C52单片机相连。我们将单片机的TXD发送引脚与AS608的RXD接收引脚相连，同时将单片机RXD接收引脚与AS608的TXD发送引脚相连，以实现双向串行数据通信。AS608模块需要5V直流电源供电，因此我们还需要在电路中设计一个稳压环节，将系统电源转换为5V直流电压输出。同时，我们也会加入适当的电容滤波，以抑制电源纹波对模块运行的影响。AS608在指纹采集过程中会产生一定的电磁干扰，可能会影响系统其他部件的正常工作。因此，在硬件布局时，我们会特意将这一模块安排在远离单片机和其他关键模块的位置，并采取必要的屏蔽和抗干扰措施，确保整个系统的电磁兼容性。图2-3AS608指纹识别模块2.2.4LCD12864显示模块LCD12864显示模块采用并口方式与单片机连接。具体来说，我们将单片机的P2.5口作为LCD12864的8位数据总线，用于向显示器传输显示数据；同时将P2.6和P2.7口作为指令和控制总线，发送像读写控制、光标设置、显示开关等各种命令。除了数据和指令接口之外，LCD12864还需要接入电源电压Vcc和对比度调节电压Vee。Vcc可直接连到5V电源，而Vee则需要通过一个可调节的电位器获得合适电压，以获得最佳的显示清晰度和对比度效果。我们还将为LCD12864显示屏设计背光电路。背光亮度可通过串联一个电位器调节，以适应不同环境的使用需求。同时，我们也会采用专门的背光散热设计，避免长期工作时LCD显示模块过热而影响使用寿命。硬件布局时，我们将合理安排LCD12864的位置，使其显示面尽量远离AS608等会产生干扰的模块，并采取必要的屏蔽措施，避免显示画面被干扰而影响可读性。图2-4LCD12864显示模块2.2.5矩阵按键模块系统采用4*4的矩阵键盘作为密码输入和部分控制操作的人机交互界面。在硬件设计上，矩阵键盘的行线和列线通过8根单独的IO线与单片机的P1.0-P1.7口相连。矩阵键盘的工作原理是，单片机通过P1口的部分IO线拉高键盘的某一行线路，同时通过其余IO线检测列线的电平状态。只有在行线和列线的交叉处存在按键按下时，对应的列线才会被拉低，从而实现了对按键状态的检测。我们将采用抗干扰性强、人机工程学设计合理的高品质矩阵键盘。每个按键下面都将加入硅胶按键垫，以提供良好的手感，延长使用寿命。图2-5矩阵按键模块2.2.6蜂鸣器模块蜂鸣器模块的作用是在密码或指纹验证出错时发出声音报警，提醒用户并警示潜在的安全风险。硬件设计时，我们选择了一款额定电压5V、声音压力级较高的有源蜂鸣器。蜂鸣器的正极将直接连接到单片机的一个IO口，该IO口在需要报警时将输出高电平，否则保持低电平。为了获得足够的驱动电流和声压级，我们在蜂鸣器的供电回路中加入了一个放大环节，该放大环节由一个NPN三极管组成，它的基极来自单片机IO口，集电极连接5V电源，发射极则与蜂鸣器的正极相连。我们还会在蜂鸣器电路中并联一个二极管，用于吸收蜂鸣器断电时产生的反向感生电压，防止对单片机IO口和驱动电路造成损坏。同时，我们也将在蜂鸣器供电回路中串联一个限流电阻，以限制峰值电流并延长使用寿命。蜂鸣器工作时会产生一定的声波振动，如果其放置位置不当，可能会影响AS608指纹识别模块等对振动敏感部件的正常工作。因此，在布局时我们将特意将蜂鸣器安装在远离这些模块的位置，并加装减振垫，以最大限度地降低噪音干扰。为了使报警声音能够被使用者及时有效地听到，我们也将合理布置蜂鸣器的安装位置和朝向，使其能够较好地辐射到使用区域。必要时，我们还可以在声音出口处加装一个小型喇叭形状的话筒，起到聚焦和增强的作用。图2-6蜂鸣器模块2.2.7电磁锁模块本系统采用一个5V的低功耗继电器控制电磁锁的锁定和解锁。电磁锁是利用电磁铁的吸合力对门锁进行控制的一种无钥匙安全锁具，广泛应用于各类门禁系统中。硬件设计时，我们选用一款耐高压、高载波的继电器，它的线圈两端将直接与单片机的一个IO口相连。当该IO口输出高电平时，继电器线圈就会通电并吸合，从而控制常开触点的闭合或者常闭触点的断开，进而改变电磁锁的通断状态。常开触点将与电磁锁的直流电源正极相连，而负极则直接接地。这样，当继电器断开时，电磁锁处于通电状态，门就处于锁定状态；反之，当继电器吸合闭合时，电磁锁断电，门就被解锁了。为了提高系统的抗干扰能力，我们会选用一款具有抗振动、抗冲击性能的电磁锁产品，并在电磁锁通电回路中串联一个无源蜂鸣圈，以抑制瞬间冲击电流。同时，在继电器触点两端也会并联一个续流二极管，用于吸收断开时产生的反向感生电压，防止损坏继电器触点。针对继电器控制电路采取适当的屏蔽和隔离措施，避免其工作时产生的高频干扰对系统其他模块产生影响。另一方面，为了确保电磁锁在断电情况下的安全性，我们会在锁体中装入一个小型备用电池，确保断电时仍能维持锁定状态。通过上述硬件设计，该电磁锁模块能够可靠高效地对门禁进行控制，并与系统其他模块协同工作，实现便捷安全的门禁解锁功能。在软件上，我们也会编写相应的驱动程序对该模块进行精准控制。图2-7电磁锁模块

3系统的软件设计以单片机为核心的电子密码锁，主要完成三个功能：存储、校验、历史存贮，并通过对影像的获取与识别，记录查询等功能。储存区的功能就是为使用者储存某些样板。校验主要是对已确认过的，核对它与储存在晶片中的模版是否一致，并相应地对电子锁进行控制，做好历史记录。储存区纪录查询是用来储存历史资料查询的。所以，整个系统的软件程序都是以这三种函数为中心进行的，而三种函数之间的转换则是由矩阵小键盘进行的。3.1锁主程序设计软件设计是整个电子密码锁系统得以正常运行的核心所在，需要对各模块的工作原理、协作流程和算法逻辑进行深入分析和规划。我们将采用模块化编程和分层设计的思路，有利于代码复用和后期维护。单片机主程序负责完成系统的初始化工作、任务调度以及各模块间的协调控制。在程序框架设计上，我们将采用状态机的设计思路，不同的系统状态对应不同的子程序流程，例如密码验证状态、指纹识别状态、参数设置状态等，状态之间可以相互切换和转移。指纹识别模块的软件设计需要实现与AS608的串行通信协议，能够根据不同的命令字，发送相应的指令完成指纹采集、注册、删除、匹配、存储等多种操作。该模块与数据存储模块紧密配合，将用户指纹数据保存到EEPROM中，也可以从中读取指纹库进行比对验证。LCD12864显示模块的软件驱动设计需要实现对LCD的初始化、清屏、设置光标位置、显示开关控制等基本功能。在此基础之上，我们需要编写字符/字符串显示、图形绘制、图标显示等更高级的图形界面函数，用于构建丰富的用户操作界面和状态显示界面。蜂鸣器报警模块和数据存储管理模块的软件实现。蜂鸣器模块根据密码或指纹验证错误的情况决定是否发出报警声响，并提供了报警时长和报警模式设置等功能。数据管理模块则负责对存储在EEPROM中的所有数据进行读写、更新和擦除等操作管理。通过软硬件的紧密配合，这些模块将有机结合并协同工作，逐步实现预期的系统功能。图3-1显示了主要标识代码锁定程序。图3-1主程序设计框图3.2按键识别及处理按键函数子流程图如图3-2所示；作为用户本地手动输入的入口，按键子程序需要时刻扫描各按键的状态，一旦发现有按键按下，就需立即处理用户的操作指令。首先通过软件对多个按键端口线设置上拉电阻，当无按键按下时，对应端口为高电平。然后周期性轮询扫描这些端口口线的状态，一旦发现有端口由高电平转为低电平，即判断有按键被按下，从而确定是哪个按键被按下。图3-2按键识别程序3.3显示模块的程序设计在基于单片机的密码锁系统中，液晶显示器（LCD）是用户交互和输出反馈的关键组件。LC312864是一种常见的12864分辨率的点阵LCD，它扮演着重要的角色，为用户提供直观的视觉指示和引导。当系统启动时，LC312864会显示一条简短的欢迎信息，提示用户输入密码。用户通过按键输入密码，每输入一个数字，LC312864就会显示一个占位符（如*），以保护隐私和安全性。如果输入错误，它会显示"密码错误"的信息，并重新等待用户输入。如果密码正确，LC312864会显示"密码正确"的提示，并等待几秒钟。接下来，它会提示用户选择操作模式，比如开锁或关锁。根据用户的选择，它会相应地显示"已开锁"或"已关锁"的消息，并可能显示一些其他信息，如锁定状态或温度等。在整个过程中，LC312864不仅向用户反馈输入状态和操作结果，还可以显示一些有用的提示信息，如密码输入超时警告或电池电量不足警告。它的显示清晰度和对比度对于确保良好的用户体验至关重要。LC312864还可以显示一些附加功能的界面，如菜单选项或设置界面。通过按键操作，用户可以浏览不同的菜单项，LC312864则会实时显示相应的选项和说明。这种交互方式不仅使用户能够轻松控制和定制系统，还增强了整体操作体验的流畅性和友好性。图3-3显示模块流程4系统的测试4.1软件调试4.1.1单片机模块软件调试单片机模块作为整个系统的控制核心，其软件调试尤为关键。首先，我们进行了程序的初始化和中断配置，确保单片机能够正确地响应各种外部事件。随后，通过仿真器和调试软件对单片机的寄存器、内存空间进行监控，验证程序的逻辑流程是否符合预期。针对可能存在的死锁、延时过长等问题，我们进行了专门的优化处理，比如调整中断优先级、优化代码执行路径等。此外，还通过反复运行测试程序，验证单片机在不同状态下的稳定性和可靠性。4.1.2指纹识别模块软件调试指纹识别模块是电子密码锁系统的关键部分之一，其软件调试主要包括与单片机的通信测试、指纹识别算法验证等。在通信测试方面，我们通过发送特定指令，检查模块是否能够正确响应并返回预期数据，确保通信链路的稳定性和可靠性。对于指纹识别算法，我们利用标准指纹库进行了大量测试，以验证算法的准确性和识别速度。针对识别过程中可能出现的误识、拒识等问题，我们进行了算法参数的调整和优化，以提高识别性能。4.1.3显示模块软件调试显示模块负责向用户呈现系统状态和操作提示，其软件调试主要聚焦于显示效果和人机交互界面的优化。首先，我们对显示模块的驱动程序进行了详细测试，确保文字、图标等显示内容正确无误。随后，针对用户界面的布局和操作流程进行了优化调整，使操作更加便捷直观。此外，还考虑了不同光线条件下的显示效果问题，通过调整对比度、背光亮度等参数，确保在各种环境下都能提供良好的视觉体验。4.1.4按键模块软件调试按键模块是用户与系统交互的重要接口之一，其软件调试主要关注按键响应的准确性和可靠性。首先，我们对按键的扫描算法进行了测试和优化，确保系统能够实时准确地检测到按键动作。随后，针对不同按键组合和功能键进行了详细测试，验证其是否能够正确触发相应的操作指令。此外，还考虑到了按键抖动、误触等问题，通过软件滤波和去抖算法进行处理，提高按键输入的准确性。4.1.5数据存储模块软件调试数据存储模块负责存储用户信息、系统配置等重要数据，其软件调试主要聚焦于数据的读写准确性和存储安全性。首先，我们对数据存储模块的驱动程序进行了详细测试，确保数据能够正确无误地写入和读取。随后，通过模拟各种异常情况（如电源突然断电、非法访问等），验证数据存储的安全性和可靠性。此外，还对数据备份和恢复机制进行了测试和优化，确保在系统故障或数据丢失时能够快速恢复数据。综上所述，软件调试是电子密码锁系统设计与实现过程中不可或缺的环节。通过对各个模块的软件调试和优化处理，我们确保了系统的稳定性、可靠性和用户体验的优化。同时，也为后续的产品化开发和市场推广奠定了坚实的基础。4.2硬件调试在功能测试的基础上，我们需要检查系统中各模块间的电路连接和信号传输是否正确、可靠。首先是电压电流测试，我们将使用万用表、示波器等测量仪器，检查各关键节点的电压电流是否满足设计要求。对于模拟信号电路，我们还将使用示波器观察波形，检查是否存在失真、过冲、滞后等缺陷。其次是信号通路测试，我们将通过逻辑分析仪等工具，检查模块间的控制线、数据线以及串行通信线的时序、状态等，判断是否存在通信异常，如数据丢失、错码等。我们还将重点测试系统的抗干扰能力。我们将使用专业的电磁场发生器，在不同工作频率下对系统施加高强度的射频、觉振动等干扰，检查系统的抗干扰性能。如果发现异常，将针对性地加强电路的屏蔽、滤波等抗干扰设计。4.3实物展示经过反复的设计、调试和优化，我们终于将这款基于STC89C52的电子密码锁控制系统设计方案组装了实物样机。机身正面布置有LCD12864显示屏、4x4矩阵键盘和指纹识别区，方便用户进行密码和指纹验证操作。未来，我们将进一步优化该电子密码锁系统的功能和性能，持续打造高品质的智能门禁控制系统，让安全无忧与便利并存，具体的情况如下图所示：图4-1开锁成功如图4-1所示，本系统可以通过按键输入密码，如果密码输入成功，则会在显示屏提示开门成功的界面。图4-2第一次密码错误如图4-2所示，此时通过按键输入密码，但是输入的是错误的密码，显示屏会呈现密码错误的界面。图4-3第二次密码错误如图4-3所示，此时再次通过按键输入密码，依然输入的是错误的密码，显示屏会再次呈现密码错误的界面。图4-4第三次密码错误如图4-4所示，此时再次通过按键输入密码，依然输入的是错误的密码，显示屏会提示系统锁死，并进入60s倒计时。图4-5增加指纹如图4-5所示，本系统设有指纹识别模块，通过指纹识别模块可以进行指纹的录入，如图此时正在进行指纹录入。图4-6指纹开锁如图4-6所示，在录入了正确的指纹以后，通过指纹