AAA基于单片机的指纹识别电子密码锁的毕业设计初稿 - 图文(2)

2 整体设计方案

2.1 系统总体设计

2.1.1 系统功能描述

本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送出去。它利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。主要功能就是用液晶显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果.采集指纹图像之前，指纹模块必须要检测手指是否放在采集窗口上，所以就要有录入指纹这一项功能。简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将比对的数据显示在液晶屏幕上.本系统拥有一次最多录入三个指纹的能力。

该系统的主要功能有以下几个方面：

1．录入指纹：系统预先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集用户指纹的特征信息。

2．合成指纹模板并存储：通过光电转换后，将指纹特征值和对应的 ID 号存储到存储器中。上位机只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置。

3．搜索指纹库比对指纹：当有指纹录入时，模块会响应上位机指令搜索指纹库比对指纹，同时液晶显示比对结果，继电器动作、发光二极管亮。 2.1.2 系统总体框架

系统的总体框架是指根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成一个完整的系统。在系统的整体方案确定之前,先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。通过查阅大量的文献资料、综合分析考虑 。主控芯片选用Atmeg16单片机。系统总体框图如图2-1所示：

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指纹模块 AT MEG16 4个独立按键 以及继电器和指示灯 单片机 LCD

图 2-1 系统总体框图

系统主要由MCU、液晶屏、指纹模块组成. 系统的工作方式主要是，当检测到有按键按下时先由MCU通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储、比对。然后，根据所得的数据对其它接口器件，如液晶屏、继电器进行响应操作。

2.2 系统核心部件单片机

2.2.1 单片机的选择

单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从

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前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

单片机经过1、2、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：

1．多功能

单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器---看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。

有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以MEG16为核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等，LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。

2．高效率和高性能

为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM（FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。

由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如C语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。

AVR 内核单片机具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。ATmega16L 有如下特点：

.16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)； .512字节EEPROM，1K 字节SRAM； .32 个通用I/O 口线；

.32 个通用工作寄存器；

.用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程； .三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)； .片内/外中断，片内经过标定的RC 振荡器；

.可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口；

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.8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC； .具有片内振荡器的可编程看门狗定时器； .一个SPI 串行端口；

.四通道PWM，两路8位，两路16位；

.六个可以通过软件进行选择的省电模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式；

.速度等级：0 - 8 MHz； .工作电压：2.7 - 5.5V；

.工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；

.掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；

.在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；

.ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声；

.Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；

扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。

通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内，ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

下面是基于八位AVR单片机芯片ATMEGA16的主控系统方案： 2.2.2 ATMEG16单片机的介绍

ATMEG 16的管脚说明如图2-2所示：

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12345678141516171819202191213PB0(XCK/T0)PB1(T1)PB2(INT2/AIN0)PB3(OC0/AIN1)PB4(SS)PB5(MOSI)PB6(MISO)PB7(SCK)PD0(RXD)PD1(TXD)PD2(INT0)PD3(INT1)PD4(OC1B)PD5(OC1A)PD6(ICP1)PD7(OC2)RESETPA0(ADC0)PA1(ADC1)PA2(ADC2)PA3(ADC3)PA4(ADC4)PA5(ADC5)PA6(ADC6)PA7(ADC7)PC0(SCL)PC1(SDA)PC2(TCK)PC3(TMS)PC4(TDO)PC5(TDI)PC6(TOSC1)PC7(TOSC2)40393837363534332223242526272829VCCXTAL2XTAL1AVCCAREFGND1030321131GNDMEG16图2-2 DIP封装 ATMEG 16单片机引脚结构图

1． VCC为数字电路的电源，GND为地。

2． 端口A（PA7-PA0）作为A/D转换器的模拟输入端，是8位双向I/O口，具有编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。

3． 端口B（PB7-PB0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。

4． 端口C（PC7-PC0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TD1）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。

5． 端口D（PD7-PD0）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统始终还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。

6． RESET为复位输入引脚，持续时间超过最小门限时间的低电平将引起复位。 7． XTAL1为晶振反相放大器的输入端和内部时钟操作电路的输入端。

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