陈钰闻巨永锋沈佳俊杜凯
%长安大学电子与控制工程学院)
摘 要 针对传统机械锁、卡片钥匙式电子锁及电子密码锁等存在的问题，提出基于单片机的以指纹和
密码共同控制的指纹密码锁，使系统更加安全、便捷和智能化。采用STM32F103ZET6单片机控制指纹模 块，同时与指纹模块进行信息交互，指纹模块正常响应后自动进入指纹识别过程；采用TFTLCD 液晶触摸 屏实现对人体指纹的录入、清除等功能；指纹模块正常识别后，进入密码输入系统，用户根据TFTLCD 液 晶触摸屏的提示使用默认密码、进入管理员界面修改密码及掉电保存密码等功能；当密码输入符合要求 时，电磁锁自动打开，用户可以进入室内或执行其他部件，完成后续功能。
关键词指纹密码锁单片机指纹模块密码输入模块显示模块中图分类号 3463.85+4
文献标识码 B
智能锁具在工厂、军械库、机要室、医院、智
能建筑、银行、宾馆、车场、学校及快递等领域广
泛运用。传统的机械锁、卡片钥匙式电子锁及电
子密码锁等存在一些问题，如机械锁必须使用机
械钥匙开门，卡片钥匙式电子锁需要卡片作为钥
匙开门，而且这两类锁都存在易复制、易被他人
解锁和易丢失的问题；同样，传统电子密码锁也
存在密码容易被盗等缺点。为此，笔者基于 STM32F103ZET6单片机设计了一种以指纹和密
码共同控制的指纹密码锁，将指纹的唯一性和多
样性特征与现代科技相结合，使信息安全、经济
安全、人身安全的保障相较于传统的锁具更加可
靠、多样和便捷。
1总体方案
基于STM32F103ZET6单片机的指纹密码锁
主要由总控制器、指纹模块、密码输入模块、显示
模块、执行机构、声光报警模块、字库存储模块及
其他扩展模块等组成(图1 )。通过总控制器控制
指纹模块，实现指纹的识别；指纹模块实现指纹
的采集和保存功能；密码输入模块实现密码的输 入、修改和保存，达到控制电磁锁的目的；显示模 块用于实时显示设备的工作状态；触摸屏用于实
文章编号 1000-3932 (2021 )03-0283-05
现录取和删除指纹的功能，也可以提醒使用者进
行下一步操作；声光报警模块的主要作用是实现
信号传递；执行机构是电磁锁，通过总控制器对
指纹模块和密码输入模块进行控制，实现电磁锁 的打开与关闭功能；字库存储模块主要指SRAM
和SD 卡，用于液晶显示汉字；其他扩展模块包括
电源、继电器等，起到提供电源、控制电路等作 用。
图1 指纹密码锁组成结构框图
2系统硬件结构
系统硬件结构设计包括电源模块、指纹模
块、4x 4矩阵键盘、显示模块、存储器模块、执行机
构及其他扩展模块等。
基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目(2020JM -255,2020JM -238)。
作者简介：陈钰闻(1996-)，硕士研究生，从事嵌入式系统的开发工作,
*****************
2.1电源模块
电源输入部分采用USB 接口供电，以提高其 适应环境的能力。输入部分为+5），输出部分有 +5、+3.3），其中+5）供系统模块使用,+3.3V 属于
外部扩展，便于系统与其他系统配合，提高本设
计的兼容性与广泛的适应性。该模块采用
AMS1117-3.3芯片，将+5V 转换为+3.3V 。系统电
源模块如图2所示。
图2 系统电源模块
2.2 指纹模块
ATK -AS608是高性能的光学指纹识别模块,
芯片内置DSP 运算单元，集成了指纹识别算法,
能高效快速地采集图像并识别指纹特征⑴。模块 性能稳定、功能完善，兼具指纹采集、指纹登记、
指纹比对及指纹搜索等功能$2%。模块本身配备了
串口、USB 通信等接口，用户不需要研究复杂的 图像处理过程和指纹识别算法，只需按照串口和 USB 通信协议便可控制模块。模块可应用于指纹
锁、各种考勤机、保险箱柜及指纹门禁系统等场
合。
2.3密码输入模块
密码输入模块主要由矩阵键盘组成，矩阵键
盘原理如图3所示。
图3 矩阵键盘原理
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厂「
{~S9—厂
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*
PCO PCI PC2PC3r 12 ，［~~D —
PC4PC5PC6PC7
矩阵键盘是整个系统密码输入的核心部分。 数字 1、2、3、4、5、6、7、8、9、0 分别用按键 S1、S2、
S3、S5、S6、S7、S9、S1O 、S11、S14 表示；S16 为进入
键（密码更改后使用）；S4为退出键；S8为进入管 理员界面按键&S12为模式选择键；S13为取消 键；S15为确认键。
2.4显示模块
为了在系统运行过程中实时显示其工作状
态，并考虑人性化设计要求，本设计加入显示模
块，选用ATK -4.3TFTLCD 电容式触摸屏模块⑶,
将单片机处理后的指纹采集情况和密码输入结
果用于人机交互显示到TFTLCD 液晶显示模块
上。TFTLCD 液晶显示模块如图4所示。
2.5存储器模块
存储器模块主要由SD 卡和SRAM 两部分组 成。SD 卡是基于Flash 的存储卡，支持SPI 和 SDIO 两种模式。主机依次分别访问每个卡，每个
卡的CID
寄存器中已预编程了一个唯一的卡标
FSMCNE4 ]2・4/2・8LCD
£
GND
FSMC NWE3
RESET
5FSMC DI 7
FSMC D39
FSMC D511FSMC D713
FSMC D915
FSMC DU 17FSMCD1319FSMCDI5 21LCD BL 23
VCC 3.32527
TMISO
29r PEN 31TCS
33LCD CS RS
WR/CLK RD RST
DBI DB2DB3
DB4DB5DB6
DB7DB8DB10
DB11DB12
DB13
DB14DB15DB16DB17GND BL VDD3.3
VDD3.3GND GND BL VDD MISO MOSI
T PEN MO T CS
CLK 2 FSMCA10
4 FSMCNOF 6 FSMCD0X FS2K D ：F 10 FSMC 12 FSMC D6 ■
14 F'MC DK 16 FSMC Dl 「「
IX 卜 SMCD12
20 FSMC D14
22
24 VCC 3.3 ■26 二….
2X VCC 5V 一 || —30TMOSI C lll I 10432
"T tsck
GND | 104图4 TFTLCD 液晶显示模块
识号，用以区分不同的卡⑷。
2.6电磁锁
本设计中，考虑到设计本身的意义和自身条
件的限制，决定采用12V 小型电磁锁，该锁结构
简单紧凑%重量轻%体积小且安全可靠，其主要特 性如下：
使用电压 12〜24V (DC )
允许电流 0.8〜1.2A 功耗 9.6〜28.8W 通电动作时间不大于1/
允许连续接通时间不大于10/
2.7其他部件
本设计中，选用STM32F103ZET6单片机作
为总控制器$选用蓝LED 作为电源指示灯，用 红和绿LED 分别表示信号指示灯。指纹输 入%指纹录取和指纹删除过程采用有源蜂鸣器报
警，起到提示的作用，并方便操作$继电器选择
3.3V SONGLE 型$三极管选择8550PNP 型$ 3系统软件
系统软件全部采用模块化设计，整个系统的 控制程序分为主函数%功能函数和驱动函数3部 分$各模块都单独调试，调试无误后再整合在一 起组成整个控制系统软件$程序编辑采用模块化 设计，可方便后期维护，对于代码的优化也有很
大的益处，在整个系统的调试过程中，也可以很
快地修改对应功能的程序$ 指纹模块在总控制器
的控制下进入自动指纹识别状态，在指纹识别成
功的情况下输入密码，如果密码输入正确则电磁
锁打开，否则电磁锁打开失败$
系统运行流程如图5所示，首先由总控制器
判断各模块工作是否正常；然后液晶屏显示虚拟
键盘可进行指纹录取和删除功能，如果不需要则 进入下一步, 如果需要录取或者删除指纹则在触
摸屏上按下“录取”或“删除”键，完成指纹的录取
或者删除过程；之后进入密码输入阶段；最后判 断密码是否修改$其中，指纹模块和密码输入模 块的运行流程如图6所示$
系统上电
图5
系统运行流程
图6 指纹模块和密码输入模块运行流程
在软件编程和程序设计过程中，本设计用
STM32F103ZET6单片机内部基础资源USART2 实现串口控制功能，采用AS608指纹模块与
STM32F103ZET6单片机相连实现指纹的录入，采
用TFTLCD 液晶触摸屏实现人机交互功能，使用
SD 卡的SPI 通信方式实现录入指纹的存储o 本系
统实现了以单片机为总控制器，以光学式指纹识
别模块为指纹采集模块，以矩阵键盘作为密码输
入设备, 采用 TFTLCD 触摸屏进行人机交互界面 的指纹密码锁系统。已经录入指纹的手指识别情
况如图7所示，录取指纹成功和录取指纹失败的 情况如图8所示。
图7 已经录入指纹的手指识别界面
a .录取指纹失败
图8 录取指纹失败和录取指纹成功的界面
4系统调试
在设计过程中，有意识地规避了试验仪设计
存在的缺点，为指纹密码锁整体性能的稳定提供了保证。
按键扫描过程中，按键所要表达的信息并未完全正确表现出来，查看硬件电路图正确后，改变了相应的C语言程序，使得结果符合预期。
在总体程序编写完成以后，通过编译，会发现程序中有错误或者警告。根据提示，完成语法的修改，直到编译没有错误为止。
以PCB功能板为基础进行功能验证时，由于PCB功能板电磁锁设计部分引线接错，使得程序无法在PCB功能板上显示出功能。通过更改PCB 功能板的接线，最终实现了各个功能的显示。
5结束语
基于单片机的指纹密码锁的硬件设计，实现了对各模块的选择、模块的调试、元件的选定、原理图绘制、PCB创建、元器件焊接及板子调试等工作；软件部分通过总控制器对指纹传感器的工作方式进行控制，利用矩阵键盘进行密码的输入调试，实现触摸屏的人机交互，最终利用总控制器对继电器的控制实现了门锁打开功能，但关闭功能还有待改进。需要说明的是，本设计还有改进的空间，可以加入报警模块、非法闯入检测模块和面部识别模块，实现对外来非法进入的报警。本设计应用范围广，可安全、便捷、有效地满足客户需求。
参考文献
[1]Benhammadi F,Bey K B.Password Hardened Fuzzy
Vault for Fingerprint Authentication System[J].Image
and Vision Computing,2014,32(8)：487〜496.
[2]王明秋.智能家居控制系统的设计与实现研究[D].
武汉：华中师范大学,2016.
[3]郭天祥.新概念51单片机C语言教程—
—入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社,
2012.
[4]谢龙汉，鲁力，张桂东.Altium Designer原理图与PCB
设计及仿真[M].北京：电子工业出版社,2019.
(收稿日期：2020-11-18，修回日期：2020-12-31)
Design of Fingerprint Password Locks
CHEN Yu-wen,JU Yong-feng,SHEN Jia-jun,DU Kai
(School of Electronics and Control Engineering,Chang+ an University')
Abstract Considering matters bothering traditional mechanical locks,card key E-locks and electronic coded locks,a fingerprint password lock based a combination of STM32F103ZET6SCM and fingerprint password was proposed which boasts of high safety,convenience and intelligence.In which,the STM32
F103ZET6SCM controls and interacts with the fingerprint module;when the fingerprint module nor
mally responds,it automatically enters the fingerprinting process.The TFTLCD touch screen adopted can realize the entry and removal of human fingerprints.The fingerprint module,after normal recognition,enters password input system;users,according to the prompt of TFTLCD touch screen,employs the default password for the administrator interface changes,saving the password at power-down time.The electromagnetic lock opens when the password is correctly input as required,meanwhile,the user can enter indoor or other parts and complete follow-up functions.
Key words fingerprint password lock,SCM,fingerprint module,password input module,display module
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