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南京工程学院

毕业设计开题报告

课题名称：基于单片机的指纹密码锁设计

姓名：毛仲义

班级：电科技121

指导教师：刘勤

所在系部：计算机工程学院

专业名称：电子信息科学与技术

南京工程学院

2016年3月1日

说明

1．根据南京工程学院《毕业设计(论文)工作管理规定》，学生必须撰写

《毕业设计（论文）开题报告》，由指导教师签署意见、教研室审查，系教学

主任批准后实施。

2．开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据

材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者

不得参加答辩。

3．毕业设计开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字

表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现

缩写词，须注出全称。

4．本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不

少于2000字，没有经过整理归纳，缺乏个人见解仅仅从网上下载材料拼凑而

成的开题报告按不合格论。

5．开题报告检查原则上在第2～4周完成，各系完成毕业设计开题检查

后，应写一份开题情况总结报告。

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名毛仲义学号专业电子信息科学与技术

指导教师姓名刘勤职称讲师所在系部计算机工程学院

课题来源自拟课题课题类型工程设计

课题名称基于单片机的指纹密码锁设计

毕业设计的内

容和意义?

一.毕业设计的内容

本课题以单片机为核心采用C语言来开发一指纹电子密码锁。

系统拟在AltiumDesigner9开发平台上设计原理图，并绘制PCB并制成单片

机开发板，然后根据原理图将相关元器件焊接到开发板上。软件部分在Keil

uVision4开发平台上进行相关代码的编写和调试。然后利用串口助手工具将代码

下载到开发板进行运行，观察硬件各模块是否可以正常运行。以及测试结果是否能

够满足需求，便于及时调整设计。

课题的主要任务是设计出一个可以录入指纹，并可对录入指纹进行匹配比较，

如果正确即可开锁，同时设计系统也支持键盘输入解锁的系统。

二.毕业设计的意义

在日常的生活和工作中,住宅、物业、单位、银行的财产以及一些重要的资料的

安全都会选择用加锁的办法来保证其安全。但使用传统的机械锁，需要携带多把钥

匙，而且一旦丢失、被盗或遗忘，不仅配置相当麻烦，而且可能被他人复制冒用，造

成极大的安全隐患，甚至财产损失。

现代社会对安全的认证方式标准是简单、快捷和高效。生物特征识别技术具有不

易遗忘、防伪性能好、随时随地可用等优点比之传统的方法更安全、方便和保密。

本次毕业设计采用的便是其中的指纹识别技术。

除此之外，此次毕业设计需要熟练掌握单片机技术和软件编程方面的知识，

之前学习的知识都是碎片化的，没有作为一个系统来考虑系统中各个模块如何部署，

如何分工协作，所以毕业设计过程也是一个知识融合，系统化的过程，这会为本人日

后的学习和工作打下良好基础。

文献综述

一．实际应用方面的价值

随着人们生活的节奏越来越快，人们对处理日常生活和工作中事情的效率要求

也越来越高。显然当人们带着各种各样的身份识别的证件、卡、密码和钥匙出入各种

场合时，显然是相当麻烦的，而且还面临着证件伪造、卡片遗失、密码泄露等等的危

险。随着科学技术的发展，生物特征识别技术逐渐受到人们的青睐，其中由于指纹识

别具有使用方便，价格低廉而且安全系数极高而在现代生活和工作中的应用已越来越

普遍，如单位考勤、驾校打卡、手机解锁、移动支付等酷炫技术都离不开指纹传感器

的贡献。

二．国内外的研究现状

随着社会的进步和科学技术的发展，逐渐兴起的数字密码锁，IC卡进入人们的视

野，较之传统的物理机械锁，安全系数有所提高，但依然存在密码遗忘、遗失、泄露

及上述的缺陷，不再能满足人们需求。人们对安全性能要求越来越高，但对安全的认

证方式的要求却变得越来越简单、快捷以及高效。

人类的生物特征通常具有唯一性、可测量、可识别、可验证、遗传性及终身不变

等特点，因此生物特征识别技术具有不易遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身

“携带”和随时随地可用等优点而受到人们的青睐。比之传统的方法更安全、方便和

保密。

目前生物特征有手形、指纹、脸形、虹膜、手指静脉等，基于这些特征，发展出

了手形识别、指纹识别、面部识别、虹膜识别等多种生物识别技术。早在1997年比

尔.盖茨就曾预言：“生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个

人的身份，将成为未来几年IT产业的重要革新”，并且有专家曾做过推论，若全球以

60亿人口计算，300年内都不会有两个相同的指纹出现。所以，毋庸置疑指纹密码锁

的安全性能还是相当高的。

虽然我国在手指静脉、虹膜、视网膜等生物特征识别领域要比国外的晚一点，但

指纹识别技术却差不多和国外是同一时期开始的，所以无论在技术研究还是在市场上

相关产品的普及都丝毫不比国外差。

一般来讲，指纹识别的原理基本上包括指纹采集、指纹特征提取、指纹特征匹配

三大部分。其实指纹是比较复杂的，许多开发指纹识别的公司并不直接存储指纹图

像，而是将采集到的图像进行数字化，来表示指纹图形的。

在应用方面，比较前沿的国内像华为的Mate系列、三星、vivo、乐视、酷派等手

机都有通过识别指纹来解锁的功能。国外的近日有苹果公司的ApplePay，在2月18

日正式进入中国后，吸引了众多眼球，迅疾在全球多个国家掀起一股ApplePay热

潮。但在技术方面归根结底还是通过手机上的指纹传感器采集用户数据准确匹配后来

完成免接触支付功能的。

三．相关技术与研发基础

在本系统中使用的编程开发语言是一门通用计算机编程语言-C语言，因其具有良

好的跨平台性能，可以在许多硬件平台上进行编译运行而得到了广泛的应用，成为大

多数人学习编程的经典入门编程语言。

由于C语言具可以直接访问硬件地址，对硬件进行操作的特性，使得代码的运行

效率极高，因而在靠近底层的开发中成了首选的编程语言，如驱动，内核等，也正因

为C语言具有这种低级语言的特点，而一度引发人们关于C语言到底属于高级语言还

是低级语言的争议。

但是C语言同时还有指针，结构体，丰富的数据类型、运算符，结构化的语句和

极强的表达力，而更多的是高级语言的特性，所以不妨认为它是高级语言中的低级语

言。本次设计在KeiluVision4开发平台上进行，使用C语言来进行各个模块的函数

代码的编写，编译和调试工作，可以正常运行后，使用串口助手工具下载到单片机开

发板。

硬件设计部分主要采用单片机作为控制器，因为单片机技术已经相当成熟，性能

良好且稳定，功耗低，价格便宜，而且可供参考的文献资料较多，完全可以满足本次

毕业设计的需求，因此本系统选用单片机来开发，不仅可以实现需求，同时也降低了

成本。

单片机作为作为一个广泛使用的微控制器，和许多的处理器一样基本由运算器，

控制器和寄存器三个部分组成，运算器对数据进行处理，控制器进行分工协调，而寄

存器作为高速缓存可以大大提高处理器从内存抓取数据的速度，进而提高数据处理能

力。现在市场上许多加强版的单片机性能不容小觑，加大了RAM空间，有的甚至可以

可以移植操作系统，因此完全可以满足我们大多数的开发需求。

本次设计中比较重要的模块便是指纹传感器了，指纹识别技术的概念已经比较普

遍，简单来说，是通过比较指纹上不同的细节特征点来进行身份的鉴别。这些细节特

征点主要是手指上凹凸不平的纹路的起点、终点、结合点和分叉点等。这就好像每个

人手上都有一个独一无二的“迷宫”，而每个迷宫的起点、终点、拐点都不同，正是

这些不同的“特征点”决定了我们每个人身份的唯一性。

目前，传感器的指纹采集技术主要分为两种：光学识别、半导体识别。光学识别

是通过光学发射器发射的光线射在手指上后再反射回机器来获取数据，并与资料库对

比看是否一致，光学识别只能到达皮肤表层，所以准确度受到手指是否干净的影响。

半导体中的电容传感器使用交替命令的并排列和传感器电板，交替板的形式是两

个电容板，以及板指纹的山谷和山脊成为板之间的电介质。两者之间的恒量电介质的

传感器检测变化来生成指纹图像。

指纹传感器采集好图像之后，使用指纹算法来实现指纹特征的提取、匹配、计算

之后的特征点就是指纹模板库，每次都会把连个指纹的模板进行匹配，计算他们的相

似度，来确定是不是同一个指纹。

四.主要参考文献

[01]廖雷．C语言程序设计基础[M]．北京：高等教育出版社，2012

[02]孙育才．MCS-51系列单片机及其应用[M]．南京：东南大学出版社，2012

[03][美]StephenPrata．CPrimerPlus[M]．北京：人民邮电出版社，2012

[04][美]PeterVanDerLinden．ExpertCProgramming[M]．北京：人民邮电出版

社，2008.02.

[05][美]．PointersOnC[M]．北京：人民邮电出版社，2008.04.

[06]蔡振江.单片机原理及应用[M]．北京：电力工业出版社．2008:176-208

[07]谢宜仁.单片机实用技术问答[M].北京：人民邮电出版社?,?2002?

[08]李全,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].?高等教育出版社,2004.1

[09][美]ColinKeogh,PRINTBIOMETRICLOCK[J].2003

[10]戴佳,苗龙,陈斌.51单片机应用系统开发典型实例[M].?中国电力出版社,2005.9

[11]陈明荧.8051单片机课程设计[M].清华大学出版社,2003.9

研究内容

本系统以片机为核心，扩展了电源电路，晶振电路，复位电路作为最小系统板，

保证单片机可以正常启动，同时又扩展了显示电路，报警电路，矩阵按键电路，指纹

传感器电路等，构成整个系统的基本框架，系统框图如图1所示：

图1系统框图

1．系统硬件设计

本次设计的硬件部分主要单片机为核心，同时多个模块相互协作来共同实现功

能。

1）单片机最小系统

复位、电源、晶振电路被称为单片机正常工作的三要素。

复位电路的基本功能是：单片机在上电启动时都需要进行复位，对CPU和各个模

块的硬件进行初始化，使其从初始状态进行运行。如果在运行过程中程序运行错误导

致需要引导单片机从重新开始运行时可以使用复位的方式来达到。常用的复位方式有

高电平复位和低电平复位，在本次设计中使用高电平复位方式，即正常工作时复位引

脚为低电平，按下复位按键时，复位脚为高电平。采用阻容式复位，和一个独立的按

键来完成设计，连接方便，成本低廉。

电源电路为整个电路提供动力，采用+5v直流电压来给电路供电，要求电源纹波

小，电压恒定，所以主要的设计任务就是设计电源的滤波电路来减小纹波，以及电源

电压上电或断电的一瞬间对整个电路造成较大的冲击，本次设计使用电容的通直流阻

交流的特性来完成电源电路的滤波电路设计。

晶振是整个单片机的心脏，晶振在单片机系统中为单片机运行提供时钟源，任何

指令的执行都必须依靠时钟源的存在，所以为所有的操作提供了一个统一的节拍，这

个节拍便是晶振的频率，本次设计会使用两个小电容和一个晶振来完成晶振电路的设

计。

2）报警电路模块设计

报警电路使用的LED灯，LED其实就是一个二极管，利用它单向导电性设计的报警

电路，同时还引入了蜂鸣器，配合LED达到声光报警的效果。旨在提醒输入的用户密

码错误，如果连续输入错误次数大于3次，将触发报警电路。

3）显示电路模块设计

显示电路使用LCD显示屏，提醒用户输入密码，提示密码输入是否正确等信息来

提供一个良好的用户交互体验，本次设计具体使用1602还是12864液晶屏会根据后续

单片机

晶振电路

电源电路

复位电路

显示电路

按键电路

指纹传感器

报警电路

设计需要做调整。

4）按键输入电路设计

按键电路使用4*4的矩阵键盘，来完成密码的输入。密码的输入通过按键的按下

来完成，而单片机要采集键盘是否按下则需要通过扫描的方式来完成。扫面方式有行

列扫描和中断扫描，本次设计便使用中断扫描，只有在按键按下时才进行扫描，平时

去处理其他程序，所以中断扫描可以有效节省cpu资源。除此之外，还要考虑到干

扰，即一个按键是否是有效的被按下，按下持续的时间长短以及按下后是否松开等，

有个消抖的优化设计，但是这个优化本次设计放在软件部分来实现，即软件消抖。

5）指纹模块设计

指纹模块会在单片机开发板上留出接口，接口的设计必需严格依照指纹模块的引

脚及输出的信号来设计，不同指纹模块的接口都有存在差异，目前指纹模块的型号还

尚未确定，所以具体的实现方案会根据需要来动态调整。

2．系统软件设计

软件部分必须也进行模块化设计，而不能将所有函数写在一个文件里。建立一个

工程，每个模块单独作为一个文件，这样每个模块代码单独编译测试，及时调试

bug，这样在对整个工程进编译时容易定位到问题所在，更多的考虑模块的调用，逻

辑结构方面存在的缺陷，而不是去解决一大堆语法，拼写等等方面的错误。提高开发

的效率。

本软件设计的基本流程如图2所示。

图2软件设计的基本流程图

研究计划

第1周（2.22～2.28）：

查阅资料，学习KeiluVision4开发平台和技术

第2周（2.29～3.6）：

对功能需求进行分析,硬件功能模块划分及软件代码设计

第3周（3.7～3.13）：

撰写并提交毕业设计开题报告、英文资料翻译

第4周（3.14～3.20）：

进行功能模块的详细设计

第5周（3.21～3.27）：

完成原理图的设计，PCB的绘制并进行焊接

第6周（3.28～4.3）：

对每个模块的功能进行测试

第7周（4.4～4.10）：

进行各功能模块的编码，期中检查

第8周（4.11～4.17）：

将每个模块组装成一个完整的工程实现相应的功能

第9周（4.18～4.24）：

硬件相关模块的改进，进行综合调试运行

第10周（4.25～5.1）：

下载代码观察硬件执行效果，进行相应的调试

第11周（5.2～5.8）：

对运行中发现的问题进行调整

第12周（5.9～5.15）：

完成硬件设计和软件开发，编辑用户使用帮助文档，撰写毕业设计（论文）

第13周（5.16～5.22）：

修改毕业设计（论文），交评阅老师评阅

第14周（5.23～5.29）：

修改毕业设计（论文），提交毕业设计（论文），查重

第15周（5.30～6.5）：

制作论文PPT；毕业设计（论文）答辩

特色与创新

本系统是指纹密码锁，顾名思义就是通过指纹来解锁，但是特殊情况下，如指纹

受伤，或者手指蜕皮，或者有污渍不干净时是不能解锁的。为了解决这个问题本系统

引入了键盘解锁作为一个备用解锁方式以备不时之需。

指导教师

意见

指导教师签名：

2016年3月8日

教研室审查意见：

教研室主任

2016年3月9日

附：与课题内容相关的外文资料翻译不少于2000字，参考文献不少于10种。