基于单片机的指纹密码锁设计(1).doc
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1、1. 系统硬件方案本章内容主要介绍系统中常用设备的选择和比较。全面的比较考虑了最适合本次设计的一组方案。1.1 硬件方案的选择在构造硬件配置电源电路之前,建立设计方案的规划方案,并根据每个控制模块的发展选择最适合设计方案的硬件配置,以充分发挥作用。1.1.1 主控芯片的选择方案一:用STC89C52单片机为主板芯片。 STC89C52是由Acer Technology制造的八位CMOS微控制器,具有出色的功耗和出色的性能。它具有一个8k编程容量的片上闪存。 STC89C52单片机的核心是MCS-51内核,指示命令与MCS-51完全兼容,但是单片机升级使集成的板子上具有比传统51单片机更多的功能
2、。例如,其具有4k容量的EEPROM存储,在断电时必须用于存储数据信息时,可以立即使用单片机的内部存储,而无需将数据存储器连接到外部进行存储。 STC89C52单片机具有简单的开发和设计,可移植的程序在线下载以及其较低的成本综合来看,它是非常好的选择。方案二:使用MSP430单片机作为主板芯片。 MSP430微控制器称为混合信号转换器。它可以将数字集成电路,数字电路设计控制模块和微控制器的几种不同功能集成到一个芯片中。 MSP430系列微控制器来自德州仪器(TI)。 1996年,具有指令集RISC的16位的功耗混合信号处理器逐渐投放市场。该系列的微控制器主要是由可充电的电池供电,整合为一个便携
3、式仪器设备。但是,开发设计的难度系数比较大,价格也比较昂贵。因此,它不适用于某些简单的设计方案。方案三:PIC16F877A微控制器用作主板芯片。 PIC16F877A是由Microchip开发和设计的新产品。它属于PICmicro系统软件8位单片机。它具有Flash程序流运行存储器的功能,可以连续读写程序流。但是,工程造价高,难度系数较大。充分考虑了资源的有效利用、成本以及开发和设计的难度,最后决定使用宏晶科技的STC89C52单片机作为主板芯片。1.1.2 指纹模块的选择采用AS608指纹识别模块,AS608指纹识别模块内部含有高速DSP处理能够实现对指纹的采集与识别,单片机与该模块之间采
4、用常见的串口通讯协议,这样使得设计变得简单。通过串口能够控制指纹的采集,识别,删除,添加等操作。1.1.3 显示器件的选择方案一:使用LED数码管显像管动态扫描仪显示。 LED数码管价格适中,更适合显示数据或简单的英文字母。但是,当使用动态扫描器方法与单片机连接时,它占用了CPU的更多I / O端口,并且由于单片机IO端口的输出电流不足,因此需要使用耦合器电路是必需的,并且根据耦合器电路对数字进行操作。在显示管中,还使用了数字显示管来显示更多的内容,该显示内容对于电源电路的电焊焊接机会更有价值,它很容易被错误地焊接。方案二:使用LCD1602液晶的屏幕显示。 LCD1602液晶屏幕也称为LCD
5、1602字符液晶屏幕。 LCD屏幕具有完整的显示功能,并且可以额外显示16 * 2或32个字符,其中可以包括数据,英文字母,标记或自定义标识符。 LCD1602液晶屏幕显示中的每个字符都由5 * 7点矩阵组成。 LCD1602使用并行处理来传输数据,也可以使用串行通信来传输数据。它易于操作,并且与市场上HD44780液晶显示屏的大多数基本操作原理完全一致。方案三:使用LCD12864液晶屏幕显示。具有汉字库的128X64是具有4位/ 8位并行处理,2线和3线串行通信的各种接口标准。显示屏分辨率为12864,并且嵌入了8192个16 * 16点。中国汉字和128个16 * 8点ASCII字段名称
6、。使用灵活的界面标准和控制模块的简单方便的实际操作命令,就可以形成中文的人机交互技术用户界面。它可以显示84行和1616点矩阵汉字以及图形显示。低压功耗是另一个独特的功能。尽管LCD12864 的LCD屏幕具有完整的功能,但是显示内容太大,导致显示室内空间的消耗,并且LCD屏幕的成本增加。最后根据上面的描述,此设计方案显示的内容较丰富,因此使用LCD12864进行显示。1.1.4 数据存储芯片的选择方案一:根据单片机内部EEPROM的应用来进行数据信息的存储。 STC89C5X集成的芯片包含EEPROM功能,STC89C5X EEPROM基于ISP / IAP技术的读写能力,内部FLASH来完
7、成EEPROM。 STC89C5X EEPROM起始和结束的详细地址为0x2000,以512字节为磁道,而EERPOM的大小为2K字节。方案二:使用专业数据信息数据存储AT24C02。 AT24C02是2K位串行通信CMOS E2PROM,内部有256个8位字节。 CATALYST出色的CMOS技术从根本上减少了设备的功能损耗。 AT24C02具有一个16字节的页面写液压缓冲器。该设备根据IIC系统总线插座进行实际操作,并具有专业的写保护功能。综合考虑,在存储数据信息时,单片机内部的EEPROM必须在装载之前擦除所有磁道,这似乎有点不方便。最终决定是使用AT24C02数据存储。1.1.5 人机
8、交互输入器件的选择方案一:使用单独的功能键作为输入设备。单个功能键的每个功能键都与一个功能匹配,并且每个功能键都必须占用一个I / O端口,因此,必须多次检查单片机中有多少个功能键。这样,如果所需功能键的数量较大,则会占用单片机的大量I / O,导致其他设备无法连接,从而降低了功能键的响应率。方案二: 使用矩阵键盘作为输入。矩阵键盘分别在功能键的两侧接收行和列线,然后将每行和列线连接到单片机,并根据程序流程优化算法加载按下哪个功能键。尽管这样做加大程序流程优化算法的难度系数,但可以节省单片机I / O端口的应用。综合上述的描述,最终还是决定采用矩阵键盘作为输入。1.2 系统总体方案根据以上每个
9、控制模块的详细介绍,我们最终选择了STC89C52作为本设计的主板芯片;采用LCD12864液晶显示实时操作内容与提示;同时加入了指纹识别功能,能够通过管理密码进入进行添加和删除指纹信息,AT24C02存储密码锁的登录密码等信息内容;通过矩阵键盘输入诸如打开和更改密码之类的实际操作。本设计的具体的系统方案如下图1.1所示。图1.1 系统方案152. 系统硬件电路设计本章的重点是在此设计方案中详细介绍电源电路各部分的结构设计。根据每个控制模块的功能描述,掌握其原理及其在设计方案中的作用。2.1 STC89C52单片机系统设计2.1.1 STC89C52的概述STC89C52是STC公司生产的一种
10、低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改变使其具有传统51单片机所没有的效果。在单个芯片上,有一个智能的8位CPU和系统内软件可编程控制器Flash,促使STC89C52为许多嵌入式操作系统软件提供了高度灵活且非常合理的解决方案。它具有以下规格:9k字节的Flash,512字节的RAM,32位系统I / O端口,看门狗1定时器,嵌入式4k高清晰度B EEPROM,MAX810延迟电路,3个16位定时器设备/电子设备计数器,4个外部中断,7位空间矢量四级终止结构(与传统的51位5位空间矢量2级终止结构
11、兼容),双工串行接口。另外,STC89X52可以在逻辑上和实践上减少到0Hz静态数据。适用于两种软件选择省电模式。在空闲模式下,CPU停止工作,从而允许RAM,计时器/电子计数器,串行通信和终止再次工作。在断电保护措施下,RAM内容被存储,振荡器被锁定,单片机的所有工作都被终止,直到下一次终止或硬件校准终止为止。最大工作频率为35MHz,可以选择6T / 12T。2.1.2 STC89C52单片机的最小系统单片的最小系统是熟悉且易于理解的,它是可以使单片微机和最少组件一起工作的系统软件。下面详细介绍51单片机系统的基本组件和功能。第一,开关电源对于电子设备是必不可少的。它显示了要运行的系统软件
12、的电能。在此设计中,由于51单片机的工作标准电压在4.5至5.9V之间,因此一切都可以正常工作。使用USB电源插头将充电器插头或5V充电器连接至系统软件以开发电源系统。其次,时钟电路XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器。它们可以使用石英晶体振荡器作为片上振荡器进行配置,或者可以立即由外部数字时钟驱动该器件。在图2.1中使用内部数字时钟模式,即,使用集成ic的内部谐振电路,计时组件(石英谐振器和2个电容器)连接到XTAL1和XTAL2的引脚,内部可以使用振荡器。引起谐振电路。一般而言,晶体振荡器电路可以在1.212MHz,甚至24MHz或更高之间任意选择,但是频率越高,功耗越大。在
13、本实验套件中由于AS608指纹识别模块与单片机直接采用的是串口方式进行通讯,而选用11.0592MHz晶振可以产生9600波特率0%误差,因此使用了11.0592MHz的石英晶体振荡器。与晶体振荡器电路串联的两个电容器的尺寸对振荡频率有轻微的危害,并且可以具有频率调节功能。当使用石英晶体振荡器时,可以在2040pF之间选择电容器(本设计使用30pF)。当使用陶瓷串联谐振器件时,电容器应适当增大,在3050pF的中间。通常,一个30pF的陶瓷电容器就足够了。图2.1 晶振电路此外,复位电路分为:上电自动校准和电源开关校准。图2.2所示的延迟电路包括这两种校准方法。上电时,电容器的两个直流电压无法
14、突变。此时,电容器的负极连接到RESET,所有工作电压都加到电阻上,RESET键为高电平,并且集成ic已校准。当9V开关电源为电容器电池充电时,电阻上的工作电压逐渐降低,最终等于0,并且积分ic都正常工作。校准功能键串联连接在电容器的两侧。当未按下校准功能键时,电源电路将完成开机校准。集成ic正常工作后,按住功能键,使RST引脚成为上拉电阻。才能达到手动校准的实际效果。一般来说,只需在RST引脚上保持一个十米以上的上拉电阻,就可以对微控制器进行合理的校准。图中所示的校准电阻器和电容器是经典值。特定制造时可以用相同大小的电阻器和电容器代替。读者还可以独立地测量RC电池的充电时间,或在办公环境中进
15、行特定而准确的测量,以确保单片机的延迟电路可靠。图2.2 复位电路完整的STC89C52单片机最小系统电路图如图2.3所示。图2.3 STC89C52单片机最小系统2.2 LCD12864液晶显示电路设计2.2.1 LCD12864的概述128X64(带汉字库)是一种4位/ 8位并行处理,2线至3线串行通信以及各种接口标准,并且有一些国家标准的一级和二级简体中文版里面的中文字体。阵列图形液晶屏显示控制模块;它的显示屏分辨率为12864,内嵌8192个16 * 16汉字,以及128个16 * 8点ASCII标识符集。使用该控制模块可以方便地进行操作界面标准而简单方便的实际操作命令可以形成中文的人
16、机交互技术用户界面。它可以显示84行的1616点矩阵汉字,还可以显示图形。低压功耗是另一个独特的功能。将由该控制模块组成的LCD屏幕显示计划与相同类型的图形点矩阵LCD屏幕显示控制模块进行比较。无论硬件配置如何,电源电路结构或显示程序流程都需要更加简单,并且控制模块的价格也比相同的点阵图形LCD模块略低。 LCD12864电路原理图如图2.4所示。图2.4 LCD12864原理图2.2.2 LCD12864的工作原理常用的LCD12864显示块是常用的点矩阵LCD屏幕显示控制模块,它是由128 * 64 LCD屏幕显示点组成的128 * 64行阵列,因此也称为Into 12864变量。每个显示
17、点与二进制数匹配,0表示熄灭,1表示亮。存储该点矩阵信息的内容的RAM被称为显示数据信息存储装置。如果要显示特定的图案或汉字,则是将相应的点阵信息内容加载到匹配的数据存储器中。汉字的图案或点阵信息内容是自己设计的。目前,解决该问题的关键是在显示屏上显示两部分之间的相关性以及存储器中的详细地址。显示点在64 * 64显示屏上的位置由列号(行063)和行号(行063)定义。 512 * 8位RAM中某个数据存储器的详细地址由详细页地址(Xpage,07)和详细列地址(Yaddress,063)定义。每个数据存储器存储八个LCD屏幕点的显示信息内容。因为LCD控制模块的大多数光耦合器电路由行控制器和
18、两个列控制器组成,所以12864显示器实际上是两个单独的64 * 64显示器的一部分,每个半屏都有512 * 8位,指示数据信息内存。上半屏和下半屏光耦合器电路和存储器分别由芯片选择数据信号CS1和CS2选择。(为了简化客户的设计方案,极少数制造商升级了控制模块中的解码器电源电路,因此128 * 64显示屏是一个完整的屏幕,只需要一个片选数据信号即可。)例如,如果12864屏幕的(20,30)部分上的LCD屏幕点被照亮,则由于列详细地址30低于64,所以该点位于屏幕左半部分的第29列中,因此CS1是合理的;行详细地址20除以8,整数为2,余数为4。RAM中页面的详细地址为2,字节数为4。因此,
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