1、 畢業設計（論文）題目名稱：智能指紋搖控器設計院系名稱：電子信息學院班 級：測控032學 號：20030444227學生姓名： 指導教師： 1摘要本文詳細闡述了，利用基于mcs-51體系結構的嵌入式微控制器at89c2051，進行保險柜配套指紋遙控器設計開發的全過程。其中，在綜合論證設計方案之后，重點討論了基于at89c2051微控制器的指紋遙控器的硬件設計過程，并給出此系統的軟件開發與系統調試的基本思路。作為嵌入式設計的基本特征，本次設計涉及到許多前沿技術的探討，如紅外通信技術，指紋識別技術，嵌入式設計技術等。作為本次設計不可分割的一部分，本文對設計中紅外通信的研究與試驗進行詳盡的闡述，并對

2、嵌入式系統實驗與指紋模塊的測試作了相應的說明。 關鍵字：at89c2051，嵌入式系統，紅外通信，指紋識別，指紋遙控器。abstractthis paper is detailed to expatiate the whole process that making use of the embedding microcontroller of mcs-51， which according to the structure of the at89c2051 system, how to design and develop a fingerprint remote controller of

3、 the safe kit. among it, after synthesizing argument design project, the point discussed the process that how to design the hardware of the fingerprint remote controller by using the lpc210x microcontroller. at the same time，it is showed that the basic thinking of that, how to develop the software f

4、or the system and how to debug the system. as an embedded system design, the design of this time involves much front technic , such as the infrared communication technique, the fingerprint identifies technique, the embedded system technique, and so on. as an indivisible part of this design, this pap

5、er shows all on the infrared communication technique researching with experiment, and describes the experiment of embedded system and the test of fingerprint module. keywords: mcs-51,at89c2051, embedded system, ifrared communication technique, fingerprint identifies technique, fingerprint remote con

6、troller . 目錄1緒論11.1 國內外同類研究概況綜述11.2保險柜指紋遙控器研制的意義12方案論證32.1 系統需求分析32.2方案的比較與確定42.2.1方案設計42.2.2方案分析62.2.2.1 指紋模塊的選擇72.2.2.2 通信方式的選擇72.2.2.3 mcu 的選型82.2.3 設計方案的比較與確定102.2.4 本設計方案的特點112.3 方案的綜合論證112.3.1 市場分析112.3.2 技術可行性分析112.3.3 開發環境的分析123 相關技術的實驗133.1電視遙控器紅外接收實驗133.2自制調制型紅外通信試驗144 硬件設計154.1 總體設計154.2

7、功能電路的實現154.2.1電源管理電路的設計164.2.2 紅外發射與接收電路的設計174.2.3 指紋模塊接口電路設計184.2.4 用戶接口電路的設計184.2.5 接收端備用存儲電路的設計204.2.6 其余輔助功能電路的設計204.3 系統綜合電路原理圖214.4 實用電路板設計214.4.1 遙控器外型選擇214.4.2 人機交互接口的設計214.4.3 電路板圖的優化設計215 軟件設計225.1需求分析225.2概要設計225.3 詳細設計225.3.1 遙控器基本功能的實現225.3.2接收模塊程序設計256 調試與測試276.1 指紋遙控器硬件的測試276.2 指紋模塊通信

8、的調試與測試276.3 指紋遙控器系統的單機調試與測試286.4 指紋遙控器與嵌入式保險柜的聯機調試與測試287 結論298 致謝30參考文獻31附錄一 紅外通信相關試驗321 普通電視遙控器紅外接收試驗322 調制性型紅外通信試驗33附錄二 指紋遙控器電路原理圖361 搖控發射電路原理圖362 接收電路原理圖37附錄三 指紋遙控器電路板圖：38附錄四 指紋遙控器源程序391 搖控發送程序392 接收程序441緒論1.1 國內外同類研究概況綜述基于計算機的指紋識別技術已經有了近20年的發展歷程。到如今，指紋識別技術已經比較成熟，各項指標都能很好的滿足一般用戶的基本需求。然而，指紋遙控器的使用還

9、是鳳毛麟角。但是，無可否認，指紋遙控器的出現和使用，將使很多使用過程變得簡單、安全、可靠、人性化，而且能為用戶提供極大的方便。 今天，指紋遙控器已經在某些狹窄的領域有所應用。如有些高級轎車，已經開始采用便攜的指紋遙控器來控制車門的開關，以實現轎車的防盜，并為用戶的使用提供方便。這一切，無不預示著，使用指紋遙控器將會給用戶帶來前所未有的好處和方便。 好的東西總是逐漸被大多數用戶廣泛采用的。指紋遙控器也不例外。現在已經有人提出，希望像電影里面的鏡頭那樣，將指紋遙控的技術應用在保險柜，倉庫，門禁等設備或領域中，以便在加強系統安全的同時，使操作過程也變得更加簡單、方便和人性化。不難預料，在不久的將來，

10、指紋遙控器將在更為廣闊的領域里得到應用。 1.2保險柜指紋遙控器研制的意義保險柜指紋遙控器作為指紋遙控保險柜的一個主要組成部分，要求具 有可靠性高、安全特性好、反應速度快、使用方便簡潔等特性，其研制過 程具有涉及知識多，應用技術新等特點。因而，指紋遙控器的研制，具有 特別的意義。首先，指紋遙控保險柜的研制具有良好的市場前景。其良好的市場前 景主要可以從以下幾個方面說明：其一，保險柜市場仍在升級，高級保險柜具有比較大的市場。中國經濟快速發展，以及中國目前基本國情，使得大量現金被注入市場的同時，不能很快實現無幣化交易，這使得高級保險柜仍有較大得市場空間。其二，指紋遙控保險柜具有極高的綜合性能，將能

11、更好的滿足用戶全方位的需求。該指紋遙控保險柜具有較高的可靠性和安全性，較快的反應 速度，并具有易用性等特點，這使得整個系統的綜合性能得到了極大的提 高。而市場上，用戶正在謀求的就是這種能夠滿足其全方位需求，綜合性 能好的保險柜。其三，該指紋遙控器具有較高的性價比。由于采用嵌入式設計，使得 在保證系統高性能的同時，較大程度的降低了制造成本與用戶的使用成本。 僅從以上幾個方面就可以看出，保險柜指紋遙控器的研制確實具有良好的市場前景。指紋遙控器的研制過程更多的體現在對嵌入式設計開發的探索與嘗試 上。嵌入式系統公認已有 30 多年發展歷程，然而，嵌入式系統如此受關注 仍然是近兩年的事。究其原因，是因為

12、當今社會，嵌入式系統在對社會工 具性能的提高上具有前所未有的優越性，并已經、或將要主導我們的生產 生活方式。然而，嵌入式設計的基本特點決定著嵌入式設計具有知識面雜而廣、 應用技術專而新的基本特征，從這一方面講，嵌入式設計通常是一個非常 艱難的過程。如何快速有效的進行嵌入式設計與開發，是眾多嵌入式系統 的從事者共同關注的焦點。本課題中研究與開發的指紋遙控器，僅作為嵌入式系統設計的一次具 體探索與嘗試。無論結果如何，都將具有深遠的意義。2方案論證2.1 系統需求分析指紋遙控器控制系統，包括指紋遙控器與嵌入式控制器兩個子系統。本課題通過對指紋遙控器的工作原理的了解，以達到對不同領域該產品的應用開發及

13、對嵌入式系統設計探討。系統通過內嵌的控制器接收指紋遙控器的命令來實現控制， 這就對指紋遙控器有相應的要求：系統的性能必須非常可靠，確保實現對被控系統的準確控制；系統要求有極高的安全特性，防竄改、防竊聽、防 偽造。此外，作為遙控器，還有相關的要求：功耗低，便于電池供電；實時 性強，便于處理突發事件；人機界面好，便于操作；體積小，便于使用和 攜帶；成本低，便于規模化生產和市場開拓。鑒于這些基本需求，采用嵌入式設計，將能從根本上實現系統的高性能，低功耗，小體積。在芯片的選型上，盡量采用表貼元件，以實現系統 在功耗和體積上的要求。整個指紋遙控器的設計可以采用嵌入式系統設計的基本流程進行展 開。其中，嵌

14、入式系統設計的基本流程如下圖 2.2.1：系統需求分析體系結構設計硬件設計軟件設計執行裝置設計系統集成系統測試產品圖2.1.1、設計流程圖在本課題的具體設計中，重點在硬件設計與軟件設計兩個方面。從硬件角度看，指紋遙控器的系統框圖如圖2.1.2所示。 嵌入式微處理器系統無線收發模塊指紋傳感器指紋功能模塊用戶使用接口圖2.1.2、硬件設計思路從軟件設計角度看，指紋遙控器系統的設計思路如圖2.1.3所示。 開始系統初始化指紋模塊初始化用戶輸入檢測相應處理狀態字檢測yn 圖2.1.3 軟件設計思路2.2方案的比較與確定2.2.1方案設計依據系統的初步要求，對指紋搖控器系統有三種設計思路：方案一，指紋搖

15、控器端只負責把指紋信號和按鍵信號發送到接收端，然后由接收端的嵌入式微處理器系統對指紋信號進行用戶的識別和相應的按鍵操作。因此可以設計出使用硬件編碼和解碼芯片，如vd5026和vd5027來實現搖控按鍵的編碼產生，再通過發送裝置發送到接收端。方案二，在指紋搖控器端，直接利用微處理器芯片對指紋信號進行識別，和產生按鍵編碼，指紋信號具有高優先級，只有通過指紋驗證后才能對按鍵編碼進行操作。后面接收端只負責開關信號的操作。方案三，在搖控端和接收端都嵌入微處理器芯片，且接收端會先存入有合法權限的用戶指紋密碼。當搖控端的用戶通過驗證并進行操作時，接收端將接收到的用戶指紋信息與存儲器里的合法用戶指紋信息進行比

16、較，只有通過驗證才能使用門控功能。根據以上的設計思路至少可以有以下幾種可行的設計方案，分別如圖 2.2.1，圖 2.2.2，圖 2.2.3。信號調制硬件編碼發生器按鍵電路載波發生器指紋模塊發射模塊 (a)按鍵功能執行電路嵌入式微處理器接收裝置執行功能顯示電路eeprom指紋存儲電路(b)圖2.2.1 方案一 (a) 發射模塊(b) 接收模塊嵌入式微處理器發射裝置指紋識別模塊按鍵指示電路eeprom指紋存儲電路按鍵電路(c)按鍵功能執行電路執行電路功能分配接收裝置執行功能顯示電路(d)圖2.2.2 方案二 (c) 發射模塊(d) 接收模塊嵌入式微處理器按鍵電路指紋識別模塊發射裝置按鍵指示電路(e

17、)按鍵功能執行電路嵌入式微處理器接收裝置執行功能顯示電路eeprom指紋存儲電路 (f)圖2.2.3、方案三 (e) 發射模塊(f) 接收模塊2.2.2方案分析以上幾種不同的設計方案，其不同點主要是系統的信號獲得方式與處理方面。在方案一中把系統主要部分放在了接收端。這樣搖控端可以隨時發送信號，但是否為合法用戶的信號，就要經過接收端的用戶識別之后再先進相應的操作。這種方法可以防止其他的搖控器作出的干擾，但因搖控端是便攜式設備，這種方法較為耗電。方案二的設計把系統的主要部分放在搖控器一端。只有當搖控器上的用戶指紋識別系統通過之后方能對搖控器進行操作，并以此對接收端的進行控制。這種方法雖然減少了搖控

18、系統對不合法用戶信號進行開放式發射的耗電缺點。但因為接收端完全信任搖控信號的信息，只要搖控器能發出信號，后端接收器就不再進行識別就直接執行相應的功能。此時如果搖控器偶然間發生信號跳變的話，系統就會執行動作，因此會給系統帶來一定的風險。方案三把處理器同時嵌入到搖控器和接收器中，在搖控端用戶通過了權限之后方能對系統進行操作。而接收端在收到信號后，也會對用戶權限的指紋信號進行再識別，只有通過了方能執行相應的功能，這樣就可以避免了搖控的問題而系統會有錯誤的動作了。經以上方案比較分析我選擇了方案三。在方案確定之后就要對器件進行選型，不同的mcu、無線通信方式和指紋識別模塊的選型都是一個值得關注的問題。因

19、為，不同的器件模塊往往性能差別比較大，還可能需要不同的軟硬件支持與不同的設計結構。因此，方案的比較與確定后，應該集中在 mcu、無線通信方式、以及指紋識別模塊等的選型上，這些也是方案的核心所在。2.2.2.1 指紋模塊的選擇指紋識別技術是生物識別技術中的一種，也是其中技術比較成熟、效 果最為可靠的一種。當今，指紋采集主要基于三種不同的技術基礎：基于光學錄入，基于 晶片錄入，基于超聲波錄入。而基于晶片錄入的指紋識別技術又可以分為基于生物電容、基于生物電感等幾個類型。基于不同指紋識別技術的指紋 識別模塊在功能、效果、以及開發難度上存在著差異，這也是市場上指紋識別模塊價格迥異的根本原因。 在本系統中

20、，指紋識別是用戶身份識別的主要途徑，選擇何種指紋識別模塊，直接影響著本系統的綜合性能，特別是系統的安全性能。考慮之后，我們選擇了基于生物電感晶片錄入技術的活體指紋識別， 由杭州中正公司推出的 sm-2b 指紋識別模塊。選擇這種模塊至少有以下優 點：基于生物電感的晶片錄入技術已經比較成熟，靈敏度高，識別效果好， 而且指紋識別速度快；基于活體指紋識別技術，擁有更高的識別效果和安 全特性；此指紋識別模塊的默認認假率只有 0.01%，拒真率只有 1%，而且 認假率和拒真率寬范圍內可調。2.2.2.2 通信方式的選擇要更好的實現遙控的功能，選擇哪種無線通信方式顯的至關重要。綜 合比較了紅外線通信、無線電

21、通信、藍牙通信等幾種方案，結合本系統的 應用特點，我們最終優選了紅外通信作為本系統的無線通信方式。之所以優選了紅外通信方式，可以從以下幾個方面談： 通信速率上，紅外通信有其自身的優勢。早在irda 協會成立的第二年，irda1.0 協議就已在串口上實現了最高速率達 115.2kbps的紅外通信速率；隨后的 irda1.1 版協議，就能夠實現 4mbps 的通信速率；而依照最新發布的 irda1.4 協議，則可以實現高達16mbps的紅外通信。藍牙技術，描述了傳輸速率達1mbps 的通信方案；通用無線電通信通信速率往往較低。 可靠性上，紅外通信有著得天獨厚的長處。藍牙通信因為采用了跳 頻技術，并

22、采用了復雜的協議作保障，因而傳輸的可靠性比較高。但是， 藍牙通信歸根結底仍是一種無線電通信，在苛刻的環境內，仍可能受到電 磁干擾。 安全性上，紅外通信也占據了有利的優勢。紅外通信以防竊聽著稱，只在理論上存在竊聽的可能。藍牙技術設計成：在有效的范圍內，任何運行中藍牙產品均可以自動實現相互之間的連接。通用無線電通信是一種廣泛采用的技術。鑒于此，采用紅外通信有利于增強系統的安全性。 在通信的有效距離上：紅外通信最短，大都在 10m 的范圍之內，利用專門的裝置進行大功率的發射的情況下，也可以實現近 200m 的直線 無線通信，但實現相當困難；藍牙通信次之，通常可以實現幾十米之內的 有效通信距離，并且中

23、間可以有障礙物，在功率適當加大的情況下，可以實現100m200m 的有效通信距離；通用無線電通信距離較遠，通信的有效距離隨發射功率與通信頻率改變。本系統中，紅外通信已經能夠滿足系統通信距離的需求。 功耗上，紅外通信最低。用于紅外通信的紅外發光管，工作功率大都不到 0.2w；而藍牙通信的需求功率普遍要高于這個值；通用無線電功率 要求大多較高。 體積上，紅外通信只需要兩個發光二極管大小的發射管與接收管，輔助簡單的電路即可。2.2.2.3 mcu 的選型在嵌入式設計中，首先應該確定是應該選擇哪種mcu.采用不同的mcu，將決定著開發環境和開發工具、以及開發平臺的異同。同時,mcu往往也直接或間接的影

24、響著系統的設計結構與模式。因此，mcu的選型與 確定在嵌入式開發中具有舉足輕重的地位。在嵌入式系統設計倍受關注的今天，已經有很多嵌入式微處理器可供 選擇。其中有：最流行、最普遍的 8 位單片機（如 mcs-51 系列），功能強大的 power pc嵌入式微處理器，綜合性能突出的avr 系列嵌入式微控制器，性能穩定可靠的68hc0x 系列嵌入式微控制器，以及 pic 系列嵌入式控制器，tms320c2000/5000 系列數字信號處理器；16 位mcs-96 系列嵌入式微控制器，16位68hc16系列嵌入式微控制器；功能卓越的32位386ex系列嵌入式微處理器，電源效率高、功能強、應用越來越廣泛

25、的 32位 arm 系列嵌入式微處理器等。究竟選擇哪種嵌入式 mcu，并不是沒有考究的。要選擇一款合適的嵌入式 mcu 往往從以下幾個方面來綜合考慮：首先，選嵌入式mcu的位數，通常位數高低的選擇一般根據 mcu 所需要處理數據的速度和數據量的大小決定；其次選嵌入式 mcu 的技術支持，是否有便于設計和調試的集成開發環境，是不是有比較好的調試方法及調試工具；再者選嵌入式 mcu 的集成外設，能否最大限度的減少周圍接口電路的復雜性；此外，還應該注意選 mcu 的生命力與以后的發展空間等。綜合考慮之后，由于我們的紅外數據對傳輸速度的數據量的要求都不是太高所以決定選擇基于 mcs51 系列結構的嵌入

26、式 mcu。mcs51系列單片機指令是面向硬件的代碼效率高，運行速度快，綜合性能強；intel公司自1976年推出8位單片機之后，至今不過20多年的時間，他們的產品就遍及世界各地，銷售居各復單片機生產公司之首。它們取處這樣的成果是因為它們始終堅持超大規模集成電路工藝技術與用戶的需求緊密結合在一起，也就是隨著集成電路工藝的發展，不斷革新自己的產品，使其集成度更高、性能更優異，同時又根據用戶需求研制各種高性能的產品。例如mcs-51系列中8052/8032是分別把8051/8031的片內ram和rom增大一倍，同時把16位計數器增為3個，這些改進型產品一方面是根據當時集成電路的工藝水平，但主要還是

27、采納用戶反饋的信息加以研制的。使芯片集成各種富有特色、性能突出的外設，提高系統的綜合性能，從而普遍具有較高的性能價格比；mcs-51 提供開放的設計平臺，這樣，其他公司或個人可以根據 mcs-51的特點設計出各種 mcs-51 的支持系統，這包括各種開發環境，調試、測試工具，實用文檔等；此外，基于mcs-51體系結構的嵌入式微處理器普遍具有較低的價格和高性能。 在基于 mcs-51 體系結構的嵌入式 mcu 中，我們優選了atmal的8位flashat89系列的at89c2051嵌入式微處理器。這款嵌入式微處理器在國內擁有較好的技術支持。at89c2051(圖2.2.4)是一種帶2k字節閃爍可

28、編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory），高性能cmos8位微處理器，而且只有20只引腳，體積小，便于使用和攜帶。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位mcu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖2.2.4 at89c20512.2.3 設計方案的比較與確定通過比較，我們優選了如圖 2.2.5 的方案：8位嵌入式微處理器at89c205

29、1紅外發射裝置指紋識別模塊按鍵指示電路按鍵電路(e)按鍵功能執行電路8位嵌入式微處理器at89c2051紅外接收裝置執行功能顯示電路eeprom指紋存儲電路(f)圖2.2.5方案三 (e) 發射模塊(f) 接收模塊在本指紋遙控器設計方案中：采用基于生物電感的活體指紋識別模塊，利用基于 mcs-51 體系結構的嵌入式微處理器，綜合嵌入式設計技術，通過紅 外通信的方式，實現對保險柜控制器的控制。并以此實現系統的高性能,小體積，與低功耗。2.2.4 本設計方案的特點之所以選擇本方案，是因為采用這種方案設計出來的指紋遙控器，將具有非常突出的特性：可靠性高。由于采用嵌入式設計，并采用紅外通信作為系統的無

30、線通信方式，使得系統具有極高的安全特性的同時，也具有極強的可靠性。安全性好。由于采用了基于活體指紋識別技術的指紋模塊，使得系統具有更高的安全特性；這是采用干指紋所不能比擬的。此外，采用紅外通信作為無線通信方式，使得系統的安全性能得到加強。功耗低。采用基于電源效率高的mcs51 體系結構的微控制器，將使系統具有超低的功耗成為可能。人機界面友好。由于普遍采用了基于表貼的芯片，并結合了嵌入式設計的特點，使得本系統具有小巧的體積與人性化的用戶接口。2.3 方案的綜合論證2.3.1 市場分析本系統采用嵌入式設計，在保證系統綜合性能的前提下，極大的降低了系統的制造成本以及用戶的使用成本，這將大大提高整個系

31、統的性 能價格比，使得本系統擁有廣泛的市場前景。2.3.2 技術可行性分析本設計方案的關鍵技術主要有：嵌入式設計，指紋識別，紅外通信。 嵌入式設計引起社會的極大關注雖只是近兩年的事，但其廣泛認可的發展 歷史，已近 33 年。30 多年來，嵌入式設計已經積累了許多寶貴的經驗和資料，并成功研制出了種類繁多的嵌入式產品，這些都給嵌入式設計提供了 寶貴的資源。此外，這些年來，市場上已經出現各式各樣的性能杰出、運 行可靠的嵌入式微處理器以及周圍電路接口，給嵌入式開發提供了廣泛選 型的空間。指紋識別技術是生物識別中發展較早的技術之一，目前在技術上已經 比較成熟。本方案中優選的杭州中正科技有限公司的 sm-

32、2b 系列指紋識別模塊，認假率和拒真率都非常低，且運行速度快，完全可以滿足本系統設計的指標需要。本方案采用指紋模塊進行二次開發，將能在一定程度上降低因直接開發所帶來的難度，特別是能很好縮短設計開發周期。對于紅外通信技術，目前已經比較成熟。以 irda 為代表的紅外數據通信協會，已經研究出了可靠性好、通信速率高的紅外通信技術，這些技術 將給本系統的設計提供極有價值的參考。此外，市場上已經可以很方便的 買到各式各樣的、用于紅外通信的紅外發射管和接收管，而且廉價，可靠。以上分析可知，本方案在技術上不存在不可逾越的障礙。2.3.3 開發環境的分析開發環境上，已經有很多針對 mcs51的性能強大的集成開

33、發環境，如kt900 與 wave，支持最新的keil c51軟件等。利用它們開發基于 mcs51的應用程序乃至系統程序，具有開發周期短，代碼效率高等優點。而且，在調試測試手段上，mcs51的版本通常都可以在wave lab2000p系列單片機仿真實驗系統調試支持；使得調試測試有法可依。因此，選擇基于mcs51體系結構的微處理器，在開發環境與調試測試手段上完全可行。通過以上多方面的綜合論證，可以看出，本設計方案無論是在市場效益上，還是在技術條件、開發環境的支持上，均是可行性的。3 相關技術的實驗嵌入式系統的設計以涉及知識雜而廣，技術新而專為其基本特征。因此，在嵌入式設計中，必要的試驗是難免的；

34、同時，這也是設計開發順利進行的基本保障。 在本課題的設計中，將要涉及的主要試驗包括：紅外通信系列試驗，嵌入式系統的應用與試驗，指紋模塊測試試驗。 3.1電視遙控器紅外接收實驗 為了更好的體會紅外通信的機理，把握紅外通信的關鍵，我們首先做了電視遙控器紅外接收試驗。(要了解更詳細的實驗內容及實驗程序，可參考附錄一)，試驗電路如圖3.1.1所示。 a通用紅外電視搖控器 b 與電腦相連的接收電路圖3.1.1通用紅外電視搖控器實驗電路試驗結論：通過電視遙控器的紅外接收試驗可知，在通用遙控器9m、60的范圍以內，紅外接收電路能夠收到紅外信號；在有效的范圍內，在遙控器發送紅外命令時，紅外接收電路的紅外接收管

35、輸出端在pc上位機上能看到有電平變化。 3.2自制調制型紅外通信試驗 為了實現長距離、高速率的紅外通信，我們利用調制解調的機制，做了基于vd5026產生編碼信號再利用555定時器產生38khz調制的紅外通信。(要了解更詳細的試驗內容，可參考附錄一)，試驗電路圖3.2.1所示。 圖3.2.1紅外調制發射電路試驗結論：本次紅外試驗實現真正意義上的紅外通信；通過調制型的紅外通信試驗可知，利用紅外發光管與帶解調的紅外接收管，運用調制解調的機制，可以實現10m以內的連續數據傳輸；輔助必要的硬件機制，能夠實現可靠的紅外通信；紅外通信的有效距離與紅外數據傳輸速率、發射管的發射功率、以及單次數據傳輸時間長短有

36、密切關系；傳輸速率越低，通信距離越遠；單次傳輸時間越短，則通信距離越遠，傳輸速率越高；通過將長串數據分段簡寫式傳輸的方式，可以實現的紅外通信的距離越遠，數據傳輸速率越高。 總之，調制可以實現比無調制方式綜合性能好得多的紅外通信，主要體現在通信的距離更遠，數據傳輸的速率更高，性能更穩定，為本課題的紅外通信設計提供了相應的依據。 4 硬件設計計算機系統中，硬件被看作基礎，軟件被識為靈魂。如果脫離了硬件系統，軟件將無所依托，不能運行。由于嵌入式系統具有軟硬件可裁減的基本特征，在嵌入式系統中，硬件系統的基礎地位尤其突出：硬件系統的確定，直接決定著軟件的編寫；在嵌入式設計中，要求硬件工程師要有軟件設計的

37、思想，就是強調嵌入式設計中硬件與軟件的密切相關性。對于指紋遙控器來說，硬件設計的主體是硬件電路的設計。 4.1 總體設計 指紋遙控器要能夠實現以下幾個基本功能：利用指紋模塊識別用戶身份，讓合法的用戶能夠進行相應的操作；通過用戶的密碼進一步確認用戶身份，從而讓合法的用戶能夠進行相應的控制操作；能夠給用戶提供相關的輸入接口，并能給用戶操作及用戶所處的狀態給予相應的指示；能夠讓合法的用戶以紅外通信的方式向保險柜控制器發送“開門”等高級命令。此外，遙控器的設計還要注意以下幾個方面要求：要求系統具有高的可靠性和安全性；要求系統用電池供電，功耗盡量低；要求系統具有小巧的體積，并具有容易操作的界面。 基于m

38、cs-51系列的8位微處理器，通用性能一般都比較出眾，能夠實現系統要求的控制功能。鑒于上面的要求，設計的系統應包括：電源管理電路，系統時鐘電路，指紋模塊接口，用戶接口包括鍵盤輸入電路與顯示指示電路，備用存儲電路，紅外發射電路，調試接口等。 4.2 功能電路的實現 系統硬件結構確定之后，如何實現各個功能模塊電路，成為硬件設計的核心內容。要實現同樣的功能，采用不同的電路和模式，其效果并不是完全相同的。如圖4.2.1 。按鍵功能執行電路8位嵌入式微處理器at89c2051紅外接收裝置執行功能顯示電路eeprom指紋存儲電路(e)8位嵌入式微處理器at89c2051紅外發射裝置指紋識別模塊按鍵指示電路

39、按鍵電路電源管理電路(f)圖4.2.1、方案三 (f) 發射模塊(e) 接收模塊4.2.1電源管理電路的設計 電源需求分析 在指紋遙控器系統中，主要用電設置有：嵌入式微控制器，指紋識別模塊（包括功能模塊與指紋傳感器），紅外發射管，其它輔助功能電路等。這些電路或新片需要用到的電源電壓均可以用5.0v這一個電壓等級，具體需求如下： 嵌入式微控制器at89c2051：工作電壓為2.7-6v，io端口：p1和p3口的輸出緩沖器可提供20ma的灌電流負載。（p1.0和p1.1需要外接上拉電阻。），最大功率p1.5w； 指紋識別模塊sm-2b：工作電壓，5.0v5%；工作電流，100ma；峰值電流，150

40、ma； 紅外發射管：正向電流，100ma；正向峰值電流，200ma，消耗功率，p210mw； 電源管理電路的實現 圖中經電源輸入后，經限流電阻r1、整流二極管d1和穩壓管z1提供基本恒定的電壓。實際電源管理電路的實現，還應該綜合考慮系統的電源功耗上的要求。指紋遙控器的電源管理電路如圖4.2.2所示。 圖4.2.2 電源管理電路4.2.2 紅外發射與接收電路的設計 紅外發射電路考慮到通信距離和實際應用，設計基于uart的紅外通信的紅外發射電路。我們之所以選擇基于通用uart紅外通信，是因為可以利用通用uart成熟的硬件機制，實現紅外數據通信。這種設計模式實際上是紅外通信原理與串口通信機制的有機結

41、合。實踐證明，這種紅外通信模式是可行可靠的。基于通用uart的可靠性設計的電路如圖4.2.3所示，圖中p3.5為38khz載波頻率輸出端，txd為串口發送口。 圖4.2.3 紅外發射電路紅外接收電路圖4.2.4紅外接收電路圖4.2.4方案使用一體化紅外接收器tl0038，集紅外接收和放大于一體，不需任何外接元件，就能完成從紅外接收到輸出與ttl電平兼容的所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣。tl0038是黑色環氧聚光透鏡，濾除了可見光的干擾。內含紅外線pin接收管、選頻放大器和解調器。 當紅外線發射器發出的信號經空間傳送到tl0038時，它內部的pin紅外線接收管將紅外線轉換為電信號，該

42、信號經選頻放大、解調后由1腳輸出與ttl電平兼容的電信號，該信號可以直接送入微處理器進行處理。tl0038的輸出波形如圖4.2.5所示。當接收到頻帶內的紅外信號時，tl0038接收器會輸出低電平，否則數據高電平，從而“將時斷時續”的紅外信號解調成原來的連續方波信號。 圖4.2.5 (a) 已調制紅外信號 (b) tl0038輸出信號4.2.3 指紋模塊接口電路設計 在本方案中，采用的指紋模塊為串行傳送方式，為了便于電源的管理，我們優選了基于89c2051的中斷口int0作為輸入口的uart的通信機制，進行指紋模塊的接口設計。整個指紋識別模塊的接口如圖4.2.6所示。 圖4.2.6 指紋接口電路

43、4.2.4 用戶接口電路的設計 用戶接口包括用戶的輸入和系統的可觀察輸出的。在本系統中，主要指用戶鍵盤輸入與系統相關指示顯示。這是人機交互的平臺，在嵌入式系統特別重要。 用戶按鍵電路考慮到用戶的需要，同時考慮系統的體積限制，我們設計了“關門”、“開門”、以及兩個備用功能選擇鍵。電路設計如圖4.2.7所示。圖4.2.7 用戶按鍵電路接收顯示電路接收電路的顯示輸出是利用發光二極管來模擬的，當在用戶按鍵電路電路按下相應的按鍵后，在顯示電路中經接收端的89c2051解碼后會有相應端口的按鍵指示燈顯示，再經軟件定義按鍵相應屬性，就可以得到相應的功能。圖4.2.8接收顯示電路。圖4.2.8 接收顯示電路4

44、.2.5 接收端備用存儲電路的設計 為了獲得用戶最有效的信息，并將之用于系統的識別與控制，我們為系統添加了備用基于iic的eeprom存儲電路。這樣的好處有：便于保存指紋遙控的單機序列號，用于控制系統對遙控器的操作給予準確的記錄；便于保存用戶的密碼信息，進一步加強系統的保密性；便于系統的功能擴展與升級。基于iic的eeprom的存儲電路如圖4.2.9。 圖4.2.9存儲電路4.2.6 其余輔助功能電路的設計 在本系統中，其余輔助功能電路主要指系統時鐘電路與系統復位控制電路。這些是系統的必要組成部分，是系統正常工作的前提條件。 考慮到系統的工作特征，我們采用了10.592mhz的晶振進行時鐘電路

45、的設計，如圖4.2.10所示。復位電路如圖4.2.11所示。 圖4.2.10 晶振電路圖4.2.11 復位電路4.3 系統綜合電路原理圖 系統綜合原理圖參照附錄二。 4.4 實用電路板設計 實用電路板的設計包括指紋遙控器的外型選擇，人機交互接口的設計與板型的確定，電路板的優化設計等幾個部分。 4.4.1 遙控器外型選擇 指紋遙控器外型設計應該遵循以下幾個原則：要便于用戶使用，要便于生產，利于成本控制。 依據這幾個根本原則，我們決定：依照市場上隨處可以買到的普通電視遙控器，設計指紋遙控器的板型。這樣的好處是：使用廣泛的普通電視遙控器，已經受到用戶使用的檢驗，并證明是方便易用的，采取與之相同的外型

46、設計，使用戶更容易接受與和使用；采用這種外型設計，可以借用普通電視遙控器的外殼，節省模具開銷，簡化設計難度，降低設計成本（可以借用的包括外封裝與導電橡膠）。 4.4.2 人機交互接口的設計 人機交互接口是指紋遙控器的重要組成部分。人機交互接口設計的是否成功，直接決定著是否易于使用，直至決定著開發是否成功。因此，人機交互接口的設置應該在電路板元件擺放的最前邊，以便設計出便于使用的人機交互接口。 在指紋遙控器的具體應用當中，人機交互接口包括用戶按鍵輸入，用戶指紋輸入，遙控器狀態指示等。根據具體需要，設置好人機交互接口的電路板原始圖樣如附錄三。 4.4.3 電路板圖的優化設計 電路板圖設計得是否合理

47、，質量是否可靠，直接決定著生產出來的指紋遙控器的質量和運行的可靠性。protel99se提供了板圖設計功能，包括自動布線和器件自動擺放功能。事實上，器件自動擺放功能是達不到要求的，因此，實際操作時應采用“人工擺放元件人工預布線自動布線人工細調”的設計流程，一步一步制作出符合要求的電路板。電路板圖參考附錄三。 5 軟件設計 5.1需求分析 軟件的設計，要求準確無誤的實現指紋遙控器的控制功能，并要求系統具有高的可靠性、快的反應速度、以及低的系統功耗。 控制功能主要包括：系統的復位，用戶指紋的登錄，用戶指紋的比對，模板的生成與提取，模板的刪除，鍵盤的輸入控制，用戶密碼的生成、比對、和修改，開門控制指

48、令的生成與發送，關門及緊急關門命令的生成與發送，系統狀態的指示等。輔助功能主要包括：自動退出控制，超時低功耗控制，系統頻率的優化等。 5.2概要設計 依據軟件的基本需求，軟件系統的框圖如圖5.2所示。開始系統初始化指紋模塊初始化用戶輸入檢測相應處理狀態字檢測yn 圖5.2、軟件設計框圖5.3 詳細設計 5.3.1 遙控器基本功能的實現 指紋遙控器的基本控制功能包括：復位控制、鍵盤的輸入控制、狀態指示電路、緊急關門控制、指紋登錄控制、指紋的搜索與比對、開門控制、自動退出，以及指紋模板的生成與提取、指紋模板的刪除等。指紋的識別與指紋登錄設計 指紋搜索與比對是對已登錄過的用戶的身份識別過程。程序設計

49、成：只有用戶成功登錄過，才可能通過搜索與比對的過程，確認用戶身份確實指紋的登錄即指用戶的注冊。一旦用戶登錄成功，那么這個用戶將被認為是合法的用戶，可以使用指紋遙控器對保險柜發送一些高級命令，如“開門”；直到這個用戶的登錄信息即模板被刪除，該用戶將不再允許使用高級命令。登錄的過程，其實是用戶指紋信息模板生成、存儲的過程，也就是用戶注冊的過程。沒有成功登錄的用戶，將設計成不允許使用高級命令。指紋登錄設計成：第一使用遙控器的用戶通過使用遙控器出廠密碼直接進入超級用戶狀態，并允許錄入自己若干枚指紋信息作為超級用戶指紋；以后需要登錄的用戶必須通過超級指紋及相應的密碼驗證，成為超級用戶之后，才允許登錄新的

50、指紋信息。一個指紋遙控器只有一個超級用戶模板。為了保證保險柜系統的安全特性，建議一個遙控器只登錄一個用戶的若干枚指紋。（在這只設置了兩個用戶）。datacode: jnb p3.2,$ ; 等待地址碼第一位的高電平信號 lcall delay2 ;高電平開始后用3.6時間判斷信號此時的高低電平狀態 mov c,p3.2 ; 將p3.2引腳此時的電平狀態0或1存入c中 jnc again1 ; 如果為0就跳轉到 again1 lcall delay3 ; 檢測到高電平1的話延時1毫秒等待脈沖高電平結束again1: mov a,r1 ; 將r1中地址的給a rrc a mov r1,a djnz

51、 r3,datacode ; 指紋檢測完畢進入用戶選擇 mov a,70hcjne a,#01h,t1 ；是否用戶1？是打開控制程序，否則轉到用戶2setb ex1sjmp exit1t1:cjne a,#02h,exit1 ；是否用戶2？是打開控制程序，否則退出setb ex1 ；給出15秒用戶控制時間mov 30h,#80h mov r4,#255 mov r5,#255exit1: setb ea pop psw pop acc reti紅外發射軟件設計 指紋遙控器正是通過紅外通信的方式才與主機取得聯系的。紅外通信的可靠性在這里顯得更加重要。紅外發送程序設計如下： mov a,p1 ；當

52、用戶通過驗證后，讀入用戶操代碼 anl a ,#3chmov sbuf,a；通過串口發送用戶的操作代碼 jnb ti,$ clr ti cjne a,#3ch,ag ;檢查直到沒有按鍵按下exit: setb ex1 pop psw pop acc reti 自動退出的設計 自動退出設計成：當用戶身份被系統確認并在一定時間之內沒有操作指紋遙控器時，在用戶沒有安全退出的情況下，系統自動退出當前用戶狀態，以確保用戶身份安全。 loop:；在用戶正確進入之后等待15秒 djnz r5,$y2:djnz r4 ,loop djnz 30h, y2；如果15秒之后就自動退出 clr p1.7；控制燈滅 clr p1.2 ；退出時關門 cl