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　　随着科技和经济水平的不断进步，人们的生活水平也在逐渐提高，安全意识也随之渐渐提高，特

　　别是在家庭，私人场所中，对于门禁的安全和隐私性也是十分重要的。因此对于新的智能门禁的设计

　　本文根据门禁的工作特性设计一种智能门禁系统，采用STM32单片机作为主控系统；配置光学指

　　纹识别模块。具有指纹识别功能，配置光学指纹识别模块ATK-AS608；若录入的指纹正确，则驱动电

　　机动作；若指纹不正确，会启动蜂鸣器报警功能；通过按键可以进行不同界面的切换，包括“录入指

　　纹”界面、“输入指纹开门”界面以及返回界面，采用LCD12864进行门禁系统的个性化显示。可以

　　本文设计的是基于STM32的智能门禁系统，具有指纹识别功能，采用LCD进行门禁系统页面的显

　　示，通过系统的硬件电路和软件设计，并最终通过调试实现其功能，极大的提高门禁系统的安全性，

　　为人们的生活带来了便利，给以后的工程应用提供了一定的参考价值。关键词：STM32；智能门禁；

　　随着人们生活水平的提高，门禁锁具这个不可缺少的必需用具也给生活带来了很多烦恼。每个人

　　都有过丢钥匙或者忘记钥匙的经历,每天都要为提醒自己放好钥匙而用脑,一大串钥匙对想轻便的人来

　　而从目前已有的门禁锁具的控制方式来看，存在着一定的安全隐患,钥匙、密码和磁卡容易复制、窃

　　取；IC卡的安全性较高,但也容易丢失。因此,现在人们心目中的门禁锁具必须具有方便、安全、美观

　　等特点，特别是在家庭，私人场所中，对于门禁的安全和隐私性也是十分重要的。因此对于新的智能

　　生物识别技术是最近比较炙手可热的身份识别技术，在许多场合都受到广泛的应用，如打卡器、

　　门禁系统，采用生物识别技术具有安全、可靠、便捷的特点，在嵌入式技术中得到应用到指纹识别当

　　基于单片机的智能门禁系统具有开发简单、实现方便、更加智能的特点，受到了许多开发者的青

　　睐，采用不同读写器进行识别功能的实现方法可以使得门禁系统更加的个性化，可以用不同的方式实

　　现门禁的解锁功能的实现，并且可以进行界面的显示功能，满足了智能化门禁控制的要求。

　　本文设计的是基于STM32的智能门禁系统，本系统是根据指纹采集，识别模块开发出的指纹识别

　　电子密码锁系统。该系统使用一个搜索手指指纹模块，一旦搜索到手指，立即采集手指指纹图像，并

　　且将所收集的图像以数据形式发送。它利用人类指纹各向异性和不变性，为用户提供加密。只需把你

　　系统主要功能是通过液晶显示屏显示出了各个过程和指纹对比结果。采集指纹图像之前，指纹模

　　块必须检测是否在传感器表面上出现手指，所以应该有这种指纹录入的功能。主要可以实现通过指纹

　　识别解锁的功能，若指纹不正确，会启动报警功能，从而可以极大的提高门禁系统的安全性，为人们

　　门禁最早是从原始社会就开始使用了，不过那时人们只是将木插将门锁上，用来保护自己的私有

　　财产。后来，随着社会和科技的不断发展，人们开始研究出了锁具，此后便极大提高了门禁的安全性。

　　门禁的改进史可以从汉朝的三皇锁，一直发展到英国十八世纪的叶片锁，锁具技术越来越先进，也使

　　一直发展到上世纪七十年代，智能门锁开始被研发出来，也使得锁具开始走向智能化，并且随着

　　越来越多的识别技术在工程中被应用，使得门禁系统换代十分频繁。目前，常用的锁具可以通过指纹、

　　生物识别技术在传统安防系统面临尴尬的时候，给人们带来了希望，并且在今后一个很长的历史

　　时期都将是缓解了安防压力的有力保障，生物识别技术主要包括指纹识别、人脸识别、掌形识别、指

　　静脉识别、红膜识别、视网膜识别、声音识别等，由于各种生物识别技术的差异，只有基于指纹识别

　　技术的产品有希望在近几年大规模的投入民用的市场，因此指纹识别产品将是世界各国在生物识别技

　　国外发达国家很早就开始了对于智能门禁的相关研发，到现在已经发展出了许多成熟的技术，并

　　且被广泛用于各种门禁场合中。比如德国西门子、美国西屋、英国集包等厂家，使得门禁技术开始呈

　　我国由于相关技术比较落后，目前在研发智能门禁方面的技术还比较落后，但是也投入了大量的

　　人力和物力，主要的国内厂家有门吉利、捷顺和北京青云等。目前我国的智能门禁系统还处于发展阶

　　段，市场需求还是很大，对门禁的可靠性、安全性、可扩展性要求也在不断增加，因此对于智能门禁

　　但是必须指出的是指纹科技产业作为新兴的高科技智能产业，其技术上存在难以逾越的高度，迄

　　今为止，全球指纹科技产品也刚刚处于起步阶段，国内市场上还没有产生真正意义上的指纹科技产品

　　强势品牌，目前在中国市场上已经有一些指纹锁厂家进入市场开发阶段，如杭州锦江科技、新加坡玺

　　玛克、深圳爱迪尔和长春鸿达等，但这些公司的全国性业务还没有完全做开，一般的指纹锁厂家都是

　　目前世界上指纹锁主要以德国与韩国为代表，无论是在技术还是工艺方面都占据着优势。

　　而国内的岭南锁系主要是做组合安装，自主技术和工艺水平偏低。国外的指纹锁品牌借助北京奥

　　运会登陆中国，强势的占据了指纹锁的高端市场，而国内技术和工艺偏低的指纹锁产品只是艰难的占

　　据着低端市场，因此和国外品牌的利润相比相距甚远，传统的门锁需要新一代的锁来更替，在这样巨

　　大的市场需求下，国内许多企业纷纷研制开发指纹安防产品，然而经过最初几年的市场突围，指纹锁

　　却一直没有大规模的普及应用。众多厂家倒在了市场引导阶段，成为指纹锁市场开拓大军的先烈。而

　　目前来看，智能门禁解锁技术是一种必然的发展趋势，它将极大的提高人们生活的便捷性和安

　　性。智能门禁技术发展至今已经有了许多理论基础，但是还是存在一些实际问题，比如成本较高，标

　　准混乱，控制没有足够稳定的问题，因此接下来的工作还需要考虑到降低成本，提高用户体验，让智

　　本文要求设计一款智能门禁系统，采用STM32作为主控芯片，可以实现通过指纹识别开门的功能，

　　通过电机模拟开门动作；若指纹不正确则会启动报警功能，从而可以极大的提高门禁系统的安全性。

　　本文的主要研究内容分为两个大的模块，一个模块是关于单片机的使用，另一个模块是对于外围

　　硬件电路的开发。主要研究方法可以通过网上查阅资料、查看开发板资料、咨询老师和同学等。研究

　　过程为：首先研究单片机的使用，了解单片机相关的接口和功能，如何对其搭建外部电路，主要是芯

　　根据网上查询的资料学智能门禁所需的相关外部硬件电路的知识，如指纹识别模块等，分析需要

　　提取的数据，并建立相应的数学模型；对系统的程序部分进行编译，实现指纹解锁的功能，本文的主

　　其他的外围器件，比如指纹识别模块、LCD液晶显示模块、电机控制模块等，可以网上的相关资

　　料进行练习，在掌握了基本的说明资料之后，就可以根据本文实际需要涉及到的硬件电路进行搭建，

　　并进行编程，每个部分根据模块进行，完成一个模块之后再进行下一个模块，不要急于求快，把一个

　　本次设计主要应用实证研究法，依据现今已有的基础理论结合实践所需，提出设计方案，利用科

　　学器件和设备，在无其他不可抗力影响的条件下，通过有目的、有计划的操作，根据查阅的资料，亲

　　自设计开发出一款可操作的智能门禁系统。再通过观察、记录获得其实验资料，进行有效且合理的调

　　本文的主要目的是设计智能门禁系统，首先给出了课题的相关背景，然后对系统的相关原理进行

　　了分析，给出了具体的设计方案，针对系统整体的硬件电路和软件程序进行了设计，并最终通过调试

　　第1章：绪论，本章主要是针对课题研究的相关背景作为介绍，对其发展现状进行了研究，并给

　　第2章：系统相关原理及元件，本章主要根据智能门禁的相关原理和设计思路，进行相关元件介

　　第3章：系统硬件设计，本章主要是针对系统的硬件电路进行详细设计，并给出各个模块的电路原理

　　第4章：系统软件设计，本章是设计系统的软件程序部分，对系统的相关程序进行了编译，并给

　　第5章:系统调试与分析，本章根据系统硬件电路进行实物搭建，并写入程序，进行整体调试，根

　　门禁系统是在传统的门锁基础上发展而来的，即将软件和硬件结合起来，实现控制门锁动作。随

　　着微控制器技术的不断发展，智能门锁技术也发生了翻天覆地的变化，集成了多种生物识别功能，也

　　智能门禁系统的功能是通过不同的识别方式完成门禁的解锁，提高设备的安全性，在智能门禁系

　　统中，一般是由主控制器、读卡模块、指纹模块、电机控制模块和门控开关等组成的，系统结构图如

　　主控制器：作为主要的控制系统，主要是采集用户指纹、IC卡、密码等信息，然后将信息通过单

　　电控锁：进行开关门的处理，由主控制器进行管理，内部为步进电机，采用电机驱动模块完成驱动功

　　指纹指的是人类手指末端的指腹上凹凸不平纹理，不同的人指纹是不相同的，可以增强人类与物

　　体接触的摩擦力，具有唯一性和永久性，并且随着人体年龄和体型的变化，指纹也不会发生改变，因

　　此采用其进行门锁识别是十分安全可靠的。目前进行指纹采集的技术主要有：光学设备、超声波扫描、

　　对于指纹密码锁，在门禁系统的指纹门禁上的指纹识别区域存在一个电容传感器，当我们用手指

　　按在这个区域时电容传感器会根据指纹的凹凸不平与半导体电容感应颗粒形成电容值的大小不同。当

　　指纹门禁感应中所形成的这种电容值的大小不同判断指纹凹凸的位置，当手指接触门禁系统指纹识别

　　区域，因为凹凸的不同从而形成不同的电容值，然后利用放电电流进行放电。因为放电速度也不同，

　　根据这种放电速度的快慢形成指纹图像的数据。门禁系统内部在得到指纹图像数据后，传输到计算机

　　上世纪70年代末的时期最早有了单片机雏形，其发展的过程有三个阶段分别是SAM、MCU和SOC，

　　单片机的发展石嵌入式系统开始独立发展走向新阶段，单片机技术在科研人员的努力下不断进步，我

　　们生活的各个地方可能都存在着单片机，单片机也使得我们的工作和生活变得十分的便捷。

　　方案一：采用51单片机，其性能比较简单，但是芯片内部不能产生PWM脉冲电路，不适于控制要

　　方案二：采用STM32单片机，芯片内部具备AD转换功能，自带PWM脉冲电路，具有控制精度高，

　　根据分析，本文最终选取的单片机为STM32单片机，其主频最高可达72MHZ，完全能够满足控制

　　部集成了多路ADC控制器，具有多个I/O口，完全满足各种控制系统的场合，故在51单片机和32单

　　STM32单片机是一种新的基于ARM内核的32位的MCU系列，其上集成了32-512KB的Flash存储器，

　　用于数据和程序的存储，并且具有最多112个快速I/O口，多达11个定时器，13个通讯端口，完

　　满足系统的使用。其基本组成与一般单片机的组成原理相同，是由存储器、微处理器、输入输出模块

　　STM32单片机封装的形式有很多，包括36引脚、48引脚、64引脚等等，设计时需考虑到系统实际

　　量，满足系统的输入/输出的端口资源，并且各种功能的模块都具备，端口大多是复用口，具有多重

　　的功能，所有的端口都具有通用I/O口的功能。本文选择的单片机型号为：STM32F103RCT6，共有64

　　PA口可以作为输入/输出口，共具有8位，其内部为漏极开路，一般可以作为地址/总线使用，在

　　“1”即可用作输出口；PB口、PC口也可以复用为输入/输出口，在单片机内部引脚部分采用了上拉电

　　对于单片机的I/O口，均是可以复用的，在其外部链接一定的外部电路，即可实现相应的控制作

　　门禁系统在进行身份验证时，需要采集用户的指纹到系统中，然后再对采集到的指纹图像进行相

　　断出指纹是否来自于同一个用户，确定是否进行门禁开启动作，因此需要使用指纹模块实现其功能，

　　根据资料查询，本文选取指纹模块的型号为：ATK-AS608光学指纹识别。

　　ATK-AS608指纹识别模块内置DSP运算单元，集成了指纹识别的算法，可以高效采集指纹并进行

　　识别，工作电压为3.3V，工作电流40mA，波特率为9600Hz，指纹可存数量为300个，并且模块内部

　　配置了串口、USB通讯接口，在使用时只需要通过简单的串口/USB通讯连接即可进行控制，使用十分

　　电机作为门禁的动作模块，选择合适的电机类型会影响最终结果精度，对于电机的选择有以下两种方

　　方案一：直流电机；直流电机只需要接通正负极即可工作，但是其转动的圈数以及角度难以控制，

　　即便使用PWM波来对其进行减速，想要精准控制也很难做到，并且会增加程序的复杂性；

　　方案二：步进电机；步进电机能精确的控制其转动的圈数和角度；虽然会占用更多的IO口，但是

　　相对于直流电机的难以控制和对程序的复杂性增加，加上该设计使用的IO口数量并不多所以步进电

　　本系统需要进行人机界面的设计，在选取人机界面时，考虑到需要显示文字，主要有以下两种设计方

　　方案一：使用LCD1602字符型液晶，该款液晶屏普遍在设计中用到，但在此次设计中所需要的显

　　示功能较多，对于这款显示器就显得太小，所需显示的内容不足显然它不能满足设计需求。LCD1602

　　方案二：使用LCD12864字符型液晶，该款液晶屏显示的字符远超过1602显示器，并且还有一个

　　优点就是这款显示器的接口连接灵活，指令操作简单明了。LCD12864字符型液晶如图所示。

　　本章首先说明了智能门禁的相关工作原理，然后根据设计原理，对系统硬件部分进行了器件选择，

　　分析了系统硬件部分的各个模块的选型依据，为后文的硬件电路和软件设计做好了充足的准备工作。

　　根据本文第二章，系统进行了设备硬件部分的选型，因此本章是对系统进行详细设计，首先给出

　　系统的硬件框图，然后对硬件电路部分进行详细的设计，主要是包括主控系统、指纹识别模块、电机

　　本章节首先进行主控系统的设计，完成单片机的最小系统，然后对外部电路进行设计，分模块进

　　行，分别设计指纹识别模块，与单片机连接时通过串口连接；电机控制模块，与单片机的I/O口相连；

　　LCD显示模块，通过单片机的I/O口模拟SPI通讯；按键设置模块，采用独立按键的方式，直接将引

　　脚与单片机I/O口相连即可；蜂鸣器电路，用于报警提示，将模块引脚直接与单片机I/O口相连。接

　　本系统采用STM32作为主控制器芯片，采用keil软件进行编程，开发系统控制程序，完成系统的

　　STM32系列微处理器是由意法半导体ST公司设计，采用高性能的ARMCortex-M332位的RSIC内核，

　　72MHz，内置有高速存储器，有丰富的I/O端口，可实现丰富的控制功能。

　　本文选取的芯片型号为STM32F103RCT6，其是一种32位的微处理器，程序存储容量可达128KB，

　　具有功耗低、功能多的特点，其工作电压是3.3V，总线位，通过外部晶振然后经过PLL锁

　　同时STM32还包括DMA、PWM等外围设备，能够进行相应的A/D转换。

　　在进行控制系统的设计前，首先需要了解到控制器的最小系统，满足单片机工作要求的最小系统，

　　主要包括了晶振电路、复位电路及下载电路，单片机STM32的最小系统如图所示。

　　单片机在工作过程中，需要参考一定的时钟信号，因此需要通过外部晶振产生，本系统采用的是

　　8M的外部晶振作为单片机的时钟输入，并通过2个22pF的电容进行起振，采用PLL锁相环实现9倍

　　由于单片机工作时需要进行重启，因此需要一定的手动复位，其对于单片机的开发也是必不可少

　　的。复位电路一般采用电阻、电容和按键构成，本系统的复位电路如图3.3所示，复位过程为按下按

　　键，即实现复位，这是因为按键按下后，单片机的RST端就会接地，然后电容会进行放电，从而该引

　　脚将置为低电平，若按键没有按下，则会一直给电容充电直达充满，此时电容两端电压为3.3V，因此

　　STM32单片机的下载口可采用多种方式，本文采用的是SWD的下载方式，电路连接比较简单，只

　　需接入电源，然后接入相应的SWDIO和SWCLK引脚即可实现程序下载功能，下载比较稳定，其电路如

　　本文采用的指纹模块为光学指纹识别模块，型号为:ATK-AS608，模块内部配置了串口、USB通讯

　　接口，在使用时只需要通过简单的串口/USB通讯连接即可进行控制，使用十分的方便[13]。本文采用

　　串口的方式进行通讯连接，将模块的RX和TX引脚与单片机的I/O进行反向连接接口，采用单片机的

　　本设计采用步进电机，因为步进电机相对于直流电机更容易控制其旋转的角度，可以提高设计的

　　精准度，同时降低程序的复杂性，步进电机采用单片机P1口进行驱动，在程序中通过循环函数控制

　　电机转动一定的角度，在实际设计过程中，可以根据电控锁的情况，调整电机转动的角度，从而实现

　　系统的显示界面通过LCD12864液晶显示屏[8]对系统需要显示的文字进行在线显示，当单片机检

　　测到按键按下后，控制LCD芯片引脚进行进行读写，实现相应的显示功能。LCD12864显示屏的串行数

　　据与单片机的P2.7口相接，外接+5V电源，15,16,17是数据使能的引脚，进行数据的读取，7到14

　　是数据传输引脚。本系统设计的显示电路采用IO口模拟SPI总线操作，采用串口进行SPI通讯，模块

　　根据图3.6中LCD的显示原理图，显示电路功能是用来实现显示门禁系统的文字。将LCD的控制

　　使能引脚与单片机的I/O连接，引脚DB0~DB7进行数据接收。V0作为对比口用来调节R10来控制调节

　　显示器的光亮。复位引脚RST，PSB控制串并联选择，多数的芯片在买来是并联引脚位置是高电平，

　　不符合我们的设计，我们需要的是低电平，通过RS引脚是进行串并联选择，高电位选择并联低电位

　　硬件部分接收的外部输入信息是单片机系统中实现人机对话与重要信息转换极其重要的一个部分，

　　此设计通过按下不同按键来实现对硬件系统的外部信息输入，这也是单片机电路设计里非常广为人知

　　的一种输入方式。本项目通过按键来进行模式的切换。针对按键的电路形式，可将其分为以下两种方

　　（1）独立式键盘：独立式的按键电路拥有简单的实现方式，具体步骤是把按键连接到

　　单片机的引脚上，状态正常时，线路断开。使用单片机检测按键所接线路的电平，若检

　　测到的电平为低电平，则证明有按键被按下。采用这种按键实现方式电路比较简单，但

　　（2）矩阵式键盘：由行按键和列按键组成，在行与列之间的交叉之处进行电路连接，

　　当单片机检测到有按键按下之后，可以定位到是哪一行哪一列的按键被按下的，从而实

　　本系统仅需要实现不同模式的切换，共用到3个按键，需要用到的按键较少，因此考虑到程序设

　　计的方便，本文采用的是独立按键的方式完成相应的按键操作功能。按键模块的电路图如下图所示：

　　蜂鸣器是一种将音频信号转化为声音信号的电子器件，在家用电器、报警器上使用十分广泛，主

　　要用于提示或报警，根据设计使用的不同，可以进行音乐、蜂鸣、警报的提示声音，对用户有一定的

　　提示作用[12]。本文使用蜂鸣器进行报警，主要是发出报警声提醒用户指纹输入错误。将蜂鸣器输出

　　本章主要是对系统硬件电路部分的设计，首先根据系统的整体设计方案，对系统的各个模块分别

　　设计，并给出了相应的硬件电路原理图，为后文的系统软件程序搭建和整体的系统调试做好了充分的

　　本文设计的智能门禁系统核心采用的是单片机技术开发，因此设计过程中不可缺少相应的开发软

　　件，好的设计不能缺少对应的设计软件，因此设计软件在系统开发里也是极其重要的一部分。找到合

　　本系统使用单片机进行控制系统开发时，是通过C语言的方式实现程序的控制，而机器代码需要

　　经过特定的转换才会成为能被单片机读取的源代码，通常会使用机器编译的方法来转换代码性质，拥

　　有这样功能的机器一般称为编译器。一般采用的编译软件为KeilC51，其拥有极高集成度，流利简洁

　　的操作页面，编译工具数量丰富，库函数所含内容多样的强大功能，广泛用于单片机的开发。本设计

　　单片机代码开发主要采用一家先进的MCU软件开发商开发的软件进行编译单片机代码，该公司代

　　KEIL，拥有极高集成度，流利简洁的操作页面，编译工具数量丰富，库函数所含内容多样

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