基于51单片机的指纹电子密码锁的设计与实现分析

朱彦龙，房新荷

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460）

0 引言

在指纹电子密码锁的设计过程中，指纹录入过程较为简单，可通过触摸屏的应用让系统录入或者识别指纹，但是如何将指纹转变成能够供系统识别的数字信号就需要被深入思考。当前实现这一步操作的方式为在触摸屏下设置指纹识别模块，在该模块的应用中能够将录入的指纹信息进行对比，当发现获取的指纹与存储的指纹相同时可执行相关操作，系统将执行开锁操作。

1 基于51单片机的指纹电子密码锁整体设计思路

指纹电子密码锁的整体设计思路包括两方面内容，其一为软件设计内容，其二为硬件设计内容。对于软件设计，又包括两个内容，一方面为能够通过执行相关对输入的指纹进行识别，并将指纹信息进行有效整合，最后将经过分析的指纹进行有效存储，供后续的指纹识别和对比过程应用[1]。另一方面为指纹对比过程，当系统获取指纹信息后，与系统中存储的指纹信息进行比较，当发现能够适配的信息后，系统将自动执行开锁操作，另外在系统的设计中，还包括指纹信息清除、密码修改等多种功能，但是这些功能通常实现起来较为简单，所以研究重点为指纹识别和对比过程。

硬件设计内容包括多个方面，首先为各类硬件设施的连接，其中最根本的内容为将51单片机与相关电路进行有效连接，让单片机能够获取指纹信息和发出控制信号。其次为指纹信息获取系统的设计，该过程的主要设计思路为将指纹采集器与指纹识别模块相连，指纹识别模块与单片机中的相关端口进行连接，从而让单片机能够识别已经转变为电信号的指纹信息[2]。最后为开锁电路设计，当单片机发现存储系统中含有该指纹信息时，可以执行开锁操作。

2 基于51单片机的指纹电子密码锁软件部分设计

2.1 指纹存储程序设计

在整个系统的设计中，指纹的有效存储将发挥重要作用，而在整个系统的运行过程中，会由指纹扫描装置和指纹识别模块完成对指纹信息的整合与分析过程，在指纹存储程序的设计中，主要工作为对这些指纹信息进行存储，所以这部分的工作内容为数据库建设[3]。当前已经开发出了多种数据库技术，但是这些技术有不同的运行原理和运行效率，而在指纹电子密码锁数据库的设计中，指纹对比程序需要能够快速调用数据库中的指纹信息，所以在数据库设计中，需要选择能够快速响应的数据调用过程的数据库类型。

2.2 指纹对比程序设计

指纹对比程序运行中，系统需要能够对数据库中的相关信息进行调用，所以在该系统的设计中，需要建成与数据库的关联关系。在整个系统的运行中，能够通过相关硬件设施的应用对指纹信息进行扫描和分析，由电路将获取的信息输入到单片机中，单片机中的指纹对比程序将会对该指纹信息进行记录，同时与数据库中的相关信息进行比较，当发现系统的数据库中存在相关指纹信息时，系统可自动执行开锁操作[4]。在整个对比程度的设计中，可对指纹进行分区处理，在程度运行中将这些指纹区域和指纹的重要信息进行逐步全面分析，提升指纹识别的精准性。

2.3 其余程序设计

其余方面的程序设计包括报警系统、指纹密码清除、指纹密码修改等多种内容，对于报警系统来说，需要与指纹对比程序进行全面融合，当程序在运行中发现输入的指纹信息未能与数据库中的指纹信息适配时，单片机的程序自动转入报警模式，即由该部分程序控制系统的运行状态，让报警电路处于运行状态，让相关人员能够对无法提供正确指纹信息的人员进行检查[5]。对于指纹密码清除和修改功能来说，这两种功能的实现程序较为简单，在整体的程序设置中可以通过写入相关指令完成这两项操作。

3 基于51单片机的指纹电子密码锁硬件部分设计

3.1 51单片机相关电路设计

在电子密码锁的运行过程中，需要保证整个系统有很高的运行稳定性，这就要求需要对51单片机设置相关控制电路，让其能够稳定运行，设置的电路为复位电路和时钟电路。时钟电路的工作内容向系统中提供脉冲电路，要保证电子密码锁能够快速响应和运行，需要保证脉冲电路有很高的运行频率，可以说时钟电路提供的频率越高，则整个系统的响应速度越快，但是运行频率不能过高，原因在于频率过高时系统的稳定性会下降。在本文的设计中，最终在XTAL1和XYAL2引脚外分别连接晶振和电容，最终在整个电路中形成谐振电路[6]。

复位电路的作用为防止在发生外界环境干扰的情况下程序跑飞问题，此时通过复位按钮能够让程序从头开始运行，在复位电路的设计中，在单片机的复位引脚上接入电阻与电容，从而实现上位复电，在电路运行过程中，系统中的电容放电，使RST电路处于高电平状态，从而让单片机成功复位。

3.2 指纹识别电路设计

在指纹识别电路的设计中，将应用指纹扫描设备与指纹识别模块进行连接，指纹扫描设备当前已经开发出了多种形式，在指纹扫描设备完成扫描后将信息传递到指纹识别模块中。指纹识别模块对指纹中的相关信息进行模糊处理，经过模糊处理的指纹信息将会全面应用0和1信号表示，此时可以视为完成整个指纹扫描工作。后续的工作包括两个内容，其一为将扫描后的指纹信息输入到整个系统中的存储芯片中，实现对指纹的有效存储，其二为进行指纹信息对比，在这两个过程的实现中，都需要通过电力进行信息传送，并与软件进行结合，实现对指纹的有效识别[7]。

3.3 键盘电路设计

在当前的指纹密码电子锁中通常还会设置密码按键系统，以对指纹密码进行修改以及清除，为了能够降低系统的运算量，所以本文采用矩阵键盘进行系统建设。这种键盘的电路结构为4个行电路与4个列电路，当相关按键被按下时，该按键对应的电路处于低电平状态，单片机可以通过对线路中电平情况的检测和分析了解按键的被按下情况，从而确定键盘的被操作状态。需要注意的是，在系统的设计中需要提高按键系统的抗干扰能力，在本文的设计中，通过设置相关程序的方式让单片机能够有效识别按键系统的震动状态，最终效果为只有安全被安全按下时单片机才能够执行相关程序和操作，极大提升了整个系统的抗干扰性。

3.4 密码存储电路设计

密码存储包括两方面内容，其一为上文中提到的指纹信息，对于这种情况，需要将密码信息进行整合，经过相关程序的处理后将指纹信息输入到系统的存储芯片中即可。由于电子密码锁中会设置键盘，通过键盘完成大量操作，所以在系统的设计中需要建设针对这一点的密码存储电路。当系统处于密码存储状态时，用户可以按下自身想要设置的密码，此时由单片机对用户按下的数字进行分析，实现对用户密码的精确识别，同时在处于密码存储状态时，系统将自动调用密码存储程序和数据库程序，从而将用户设置的密码存储到数据库中[8]。

3.5 开锁电路设计

开锁电路的最重要构件为锁头处的继电器，指纹电子密码锁的控制内容只是继电器的运行状态。在该部分电路的设计中，继电器的活动构件需要设置独立电源，并且该电源的电压需要较大，从而能够对锁头进行有效吸附，而在继电器的控制线圈工作中，继电器的控制信号要与控制线圈相连，当单片机中的程序查找到对应的指纹信息时，单片机发出相应的控制信号，使继电器控制线圈中产生电流，实现对继电器中触点的有效吸引。需要注意的是，单片机发出的控制信号强度很小，不能让继电器控制线圈产生满足设备运行要求的磁感强度，所以在电路系统的设计过程中，需要设置信号放大器，从而让单片机中产生的控制信号能够正常合理控制开锁电路的运行状态[9]。

4 结论

综上所述，在指纹电子密码锁的设计过程中，可以应用51单片机实现对系统运行状态的有效控制。在系统的具体设计中，主要包括两个工作内容，一方面为软件系统设计，包括数据库架设、指纹对比程序设计等。另一方面为硬件系统设计，包括开锁电路、键盘电路、密码存储电路、51单片机的相关小型电路和指纹识别电路，通过这种硬软件结合的方式让系统发挥应有功能。