頁共43頁1緒論1.1研究背景及意義隨著科技的不斷進(jìn)步，指紋識(shí)別技術(shù)作為一種高效的、安全的生物特征識(shí)別方式，在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。儲(chǔ)物柜的出現(xiàn)極大地便利了人們的日常生活。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)柜存在著構(gòu)造簡單、安全性較低、操作不方便等不足。目前，通過利用指紋識(shí)別技術(shù)取代傳統(tǒng)的條形碼識(shí)別方式，儲(chǔ)物柜的安全性得到了極大提升REF_Ref24114\r\h[1]，用戶的財(cái)產(chǎn)安全也得到有效保護(hù)，同時(shí)也避免了紙張資源的浪費(fèi)，還可以將其應(yīng)用于觀光景點(diǎn)、車站、機(jī)場等公共場所，將行李、重要物品或購物袋等進(jìn)行儲(chǔ)存，從而降低隨身攜帶的重量，提高出行的便利性和舒適性。從安全性的角度來看，電子存物柜采用了指紋識(shí)別認(rèn)證方法，實(shí)現(xiàn)了對存儲(chǔ)物品安全性能的保證REF_Ref24193\r\h[2]。從提高地方形象的角度來看，電子存物柜是一種智能裝置，它能提高超市、景區(qū)、車站等場所的形象。總而言之，電子存物柜的使用，為用戶提供方便、安全、智能化的存儲(chǔ)服務(wù)，以滿足人們的需要。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀指紋儲(chǔ)物柜的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀呈現(xiàn)出積極的發(fā)展趨勢。在國內(nèi)，生物識(shí)別技術(shù)正日益成熟并廣泛應(yīng)用，指紋儲(chǔ)物柜的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。越來越多的企業(yè)單位、公共場所和私人領(lǐng)域開始采用指紋儲(chǔ)物柜，以提高安全性和便利性。同時(shí)，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在不斷加強(qiáng)指紋儲(chǔ)物柜的技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新，推動(dòng)其性能不斷提升。指紋識(shí)別技術(shù)最早由美國的斯多林格（Stoelting）公司于20世紀(jì)60年代研發(fā)。直到近年來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，許多公司和國家都在進(jìn)行指紋識(shí)別技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。其中，日本的NEC公司在1980年代至1990年代初期發(fā)明了指紋識(shí)別技術(shù)將其應(yīng)用與安全門禁、手機(jī)解鎖等，近幾年結(jié)合了面部、指紋、虹膜等多種生物信息進(jìn)行驗(yàn)證；美國的DigitaiPersona公司在2023年推出了在餐廳使用指紋識(shí)別技術(shù)。這在一定程度上推動(dòng)了指紋識(shí)別技術(shù)的普及和發(fā)展。在研究方向上，國內(nèi)外的研究者主要關(guān)注于提高指紋識(shí)別的準(zhǔn)確度和速度，以及增強(qiáng)儲(chǔ)物柜的安全性能和用戶體驗(yàn)。例如，通過優(yōu)化指紋識(shí)別算法、提高識(shí)別精度和速度，以及采用更加安全可靠的鎖具和防護(hù)機(jī)制，來增強(qiáng)指紋儲(chǔ)物柜的安全性能。同時(shí)，通過改進(jìn)儲(chǔ)物柜的外觀設(shè)計(jì)、增加智能化功能等方式，來提升用戶體驗(yàn)和便捷性?？傮w來說，指紋儲(chǔ)物柜的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，隨著科技的日新月異和適用領(lǐng)域的日益拓寬，其未來的發(fā)展展現(xiàn)出無限的可能性。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)要求指紋識(shí)別廣泛應(yīng)用于日常生活、旅游景點(diǎn)、車站、住宅等多種場合，用以提升個(gè)人信息的安全性。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)出一款存物柜模擬裝置。該存物柜模擬裝置具有較高的安全性，方便性，成本低廉等特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）該設(shè)備具備指紋存儲(chǔ)和驗(yàn)證功能，能迅速實(shí)現(xiàn)解鎖操作，為用戶提供便捷的使用體驗(yàn)。（2）除了指紋解鎖，設(shè)備還支持設(shè)置6位數(shù)字密碼作為備用解鎖方式。（3）指紋密碼功能具備穩(wěn)定的掉電保護(hù)機(jī)制，確保用戶在修改指紋密碼后，即使遭遇設(shè)備斷電，修改的內(nèi)容也能得以保存。當(dāng)設(shè)備重新通電時(shí)，指紋密碼將保持用戶最新的設(shè)定狀態(tài)，無需重新設(shè)置。2.2總體設(shè)計(jì)方案選用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，相較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，展現(xiàn)出許多顯著優(yōu)勢。其中最為突出的是其內(nèi)置的4KEEPROM存儲(chǔ)功能，這一特性使得在電源中斷后，STC89C52能夠直接調(diào)用其內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，無需額外連接外部存儲(chǔ)芯片，從而簡化了電路設(shè)計(jì)，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。利用AS608指紋識(shí)別模塊，其內(nèi)部可以迅速地收集和辨認(rèn)指紋。采用LCD12864液晶顯示屏。該模塊以其多樣化的接口配置和直觀易用的操作指令脫穎而出，為用戶提供友好且便捷的操作體驗(yàn)。采用專門的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT24C02來增強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。其具有低功耗，高可靠性，寫入速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備。該模塊中的水平線條與垂直線條并不是在它們的交點(diǎn)處直接相連，而是巧妙地借助按鍵作為連接媒介，實(shí)現(xiàn)彼此之間的連通，從而產(chǎn)生出了多個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)了對單片機(jī)I/O口的有效利用。采用蜂鳴器設(shè)備，用于識(shí)別錯(cuò)誤時(shí)的報(bào)警。本設(shè)計(jì)選用了STC89C52作為核心控制單元，巧妙地融入了LCD12864液晶顯示技術(shù)，目的是實(shí)時(shí)展現(xiàn)詳細(xì)的操作過程與直觀的提示信息，為用戶提供直觀的交互體驗(yàn)。此外，設(shè)計(jì)中融入了指紋識(shí)別技術(shù)，用戶可通過設(shè)定的管理密碼輕松添加或刪除指紋信息，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的安全設(shè)置。存物柜模擬裝置的密碼等關(guān)鍵信息則被安全地存儲(chǔ)在AT24C02中，確保數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。對于解鎖、密碼修改等操作，采用了矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，用戶可方便地通過鍵盤輸入指令，完成相關(guān)操作。本設(shè)計(jì)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1主控芯片3.1.1STC89C52的概述STC89C52是STC公司精心打造的一款基于低功耗CMOS技術(shù)，擁有8位數(shù)據(jù)處理能力的單片機(jī)，展現(xiàn)出了出色的數(shù)據(jù)處理效率。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、非常有效的解決方案REF_Ref24291\r\h[3]。在特性方面，STC89C52表現(xiàn)尤為突出，其512字節(jié)的RAM內(nèi)存為程序的順暢運(yùn)行提供了有力保障；同時(shí)，其32位的I/O口設(shè)計(jì)，提供了豐富的接口選擇；看門狗定時(shí)器，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；內(nèi)置的4KBEEPROM，進(jìn)一步擴(kuò)展了存儲(chǔ)能力；此外，STC89C52的性能也達(dá)到了很高的水準(zhǔn)。它的最高運(yùn)行頻率可達(dá)35MHz，能夠滿足各種高速處理需求。同時(shí)，它還提供了6T/12T可選的時(shí)序，使得開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行速度。STC89C52芯片實(shí)物圖如圖3.1所示。圖3.1STC89C52芯片實(shí)物圖3.1.2STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)首先，電源對于任何電子產(chǎn)品來說都是至關(guān)重要的，它提供了設(shè)備正常運(yùn)行所需的能量。在本設(shè)計(jì)中，STC89C52單片機(jī)作為核心部件，其穩(wěn)定工作依賴于穩(wěn)定的電源供應(yīng)?？紤]到STC89C52單片機(jī)的工作電壓限制范圍落在4.5V-5.5V之內(nèi)，借助USB電源線進(jìn)行電力供給成為了本次研究的最佳選擇。通過接插手機(jī)充電器或是5V的行動(dòng)電源，可實(shí)現(xiàn)電力供給。其次，晶振電路在STC89C52單片機(jī)中扮演著重要的角色。它是一個(gè)精密的協(xié)同系統(tǒng)，由晶體振蕩器和放大器共同構(gòu)成。在電路中，晶體振蕩器是核心部件，它內(nèi)部集成了晶體管和共振電容，用于產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。然后通過放大器將信號放大以供單片機(jī)使用。此外，晶振的頻率選擇也顯得尤為關(guān)鍵。它可以在1.2MHz到12MHz的范圍內(nèi)任選。但需要注意的是，頻率越高，功耗也會(huì)相應(yīng)增加REF_Ref24356\r\h[4]。在本設(shè)計(jì)中，為了確保通訊的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，選用了11.0592MHz的晶振。圖3.2時(shí)鐘電路最后一個(gè)不可缺少的電路是復(fù)位電路，其由上電時(shí)的自動(dòng)復(fù)位功能和手動(dòng)開關(guān)復(fù)位功能兩部分構(gòu)成。如圖3.3，系統(tǒng)啟動(dòng)初期，由于電容的電壓特性，即其電壓無法立即發(fā)生改變，使得電容的負(fù)極與復(fù)位端（reset端）建立了連接關(guān)系。這一連接讓電阻上的電壓完全積累疊加，并導(dǎo)致原本的電平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，就可以?shí)現(xiàn)對單片機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)位。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時(shí)候電路實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的效果REF_Ref6748\r\h[5]。STC89C52單片機(jī)完整的最小系統(tǒng)電路圖如圖3.4所示。圖3.3復(fù)位電路圖3.4最小系統(tǒng)電路圖3.2指紋模塊在本設(shè)計(jì)中，采用串口通信協(xié)議作為單片機(jī)與AS608指紋模塊間通信方式的選擇，在使整體設(shè)計(jì)流程簡化的同時(shí)，還具備了輕松控制指紋采集、識(shí)別、刪除和添加等操作的便捷性。使得整個(gè)系統(tǒng)更加便捷、高效。3.2.1AS608的概述AS608指紋識(shí)別器是一款技術(shù)領(lǐng)先的先進(jìn)設(shè)備，其核心部件是指紋傳感器，通過其完成指紋識(shí)別任務(wù)。此外，該識(shí)別器加裝了性能優(yōu)異的數(shù)字信號處理器以及FLASH等多種要素，從而實(shí)現(xiàn)了處理指紋，提取指紋，模塊匹配等功能。這些功能共同保證了設(shè)備的準(zhǔn)確性和高效性，使其在各種應(yīng)用場景中都能發(fā)揮出色的性能。AS608芯片實(shí)物圖如圖3.5所示。圖3.5AS608芯片實(shí)物圖AS608指紋傳感器采用串口的方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以只需要將指紋模塊接入到單片機(jī)串口引腳上，通過串口就可以進(jìn)行控制指紋傳感器了REF_Ref25016\r\h[6]。由于指紋傳感器穩(wěn)定運(yùn)作所需的電壓為3.3V，而單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓為5V，故在兩者間引入了D4和D5二極管，用以降低電壓至指紋傳感器可接受的范圍內(nèi)，從而確保傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，將指紋傳感器的接收數(shù)據(jù)引腳（RXD）連接至單片機(jī)P3.1，發(fā)送數(shù)據(jù)引腳（TXD）連接至單片機(jī)P3.0。原理圖如圖3.6所示。圖3.6單片機(jī)與AS608連接電路3.3顯示模塊LCD12864的顯示分辨率為128×64，并內(nèi)置了8192個(gè)16×16點(diǎn)的漢字，以及128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集REF_Ref24559\r\h[7]。通過利用該模塊提供的豐富接口選擇和直觀易用的操作指令，能夠便捷地構(gòu)建出全中文的人機(jī)交互圖形界面。此模塊不僅能夠清晰地展現(xiàn)8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，而且具備圖形顯示功能，為用戶提供了豐富的視覺體驗(yàn)。雖然LCD12864液晶顯示的功能強(qiáng)大，但是顯示的內(nèi)容偏大造成了顯示空間的浪費(fèi)和成本高REF_Ref24621\r\h[8]。3.3.1LCD12864的概述LCD12864是一款液晶顯示模塊，它提供了多樣化的接口選擇，包含4位/8位并行接口、2線串行接口以及3線串行接口，從而能夠輕松實(shí)現(xiàn)與各類系統(tǒng)的靈活對接。在顯示性能方面，LCD12864憑借其128×64的高分辨率，能夠細(xì)膩地展示圖像和文字。同時(shí)，其內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)漢字和128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集，使其優(yōu)于同類型的圖形液晶模塊。低電壓、低功耗的顯著特點(diǎn)REF_Ref19833\r\h[9]。LCD12864液晶顯示屏實(shí)物圖如圖3.7所示。圖3.7LCD12864液晶顯示屏實(shí)物圖3.3.2LCD12864的工作原理LCD12864顯示塊，作為一款點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，廣泛應(yīng)用于信息的直觀展現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)由128列與64行的液晶顯示點(diǎn)陣組成，每個(gè)點(diǎn)陣點(diǎn)都與一個(gè)二進(jìn)制數(shù)精準(zhǔn)匹配。其中，二進(jìn)制數(shù)0代表該點(diǎn)處于不顯示狀態(tài)（即熄滅），而1則代表該點(diǎn)處于顯示狀態(tài)（即亮起）。通過這種方式，LCD12864顯示塊能夠精準(zhǔn)地控制每一個(gè)顯示點(diǎn)的亮滅，從而呈現(xiàn)出清晰、準(zhǔn)確的圖像和文字信息。為啟用這些顯示點(diǎn)，其狀態(tài)會(huì)被存儲(chǔ)在一個(gè)專門的RAM中。由于多數(shù)液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)電路是由一片行驅(qū)動(dòng)器和兩片列驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，所以12864液晶屏實(shí)際上是由左右兩塊獨(dú)立的64×64液晶屏拼接而成，每半屏有一個(gè)512×8bits顯示數(shù)據(jù)RAMREF_Ref24784\r\h[10]。LCD12864操作時(shí)序圖如圖3.8所示。圖3.8LCD12864操作時(shí)序圖D0-D7連接單片機(jī)P2.0-P2.7引腳，RS連接單片機(jī)的P3.5引腳，R/W連接單片機(jī)P3.4，E連接單片機(jī)P3.3。LCD12864原理圖如圖3.9所示。圖3.9LCD12864原理電路圖3.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3.4.1AT24C02AT24C02芯片是一種串行CMOSE2PROM存儲(chǔ)元件，具有2K比特的存儲(chǔ)容量，內(nèi)置256個(gè)8比特字節(jié)數(shù)組成。在通過I2C總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和操作時(shí)能夠發(fā)揮其較高的性能。同時(shí)，該芯片還提供了一個(gè)獨(dú)立的寫保護(hù)功能，以確保數(shù)據(jù)的安全和可靠性。AT24C02芯片實(shí)物圖如圖3.10所示。AT24C02引腳功能說明如表3.1。圖3.10AT24C02芯片實(shí)物圖表3.1AT24C02引腳功能說明引腳名稱功能1~3A0、A1、A2懸空時(shí)默認(rèn)值為0。三個(gè)地址輸入腳(A0、A1、A2)可懸空或連接到GND4GND接電源地5SDA雙向串行數(shù)據(jù)/地址端，用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收6SCL串行時(shí)鐘輸入管腳，用于器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí)鐘7WPWP接電源，只能讀；WP接地，既能讀也能寫8 VCC 接+1.8V~6.0V電源3.4.2AT24C02工作原理AT24C02芯片具備2Kb的存儲(chǔ)空間，這些存儲(chǔ)內(nèi)容被分布在32個(gè)頁面中，每個(gè)頁面包含8字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此整體容量為256字節(jié)。在操作上，該芯片提供了兩種既靈活又高效的尋址機(jī)制：一種是針對整個(gè)芯片的尋址方式，另一種則是針對芯片內(nèi)部子地址的尋址方式。芯片尋址:AT24C02芯片的基礎(chǔ)地址固定為1010，其地址控制字的構(gòu)建遵循一套特定的規(guī)則：起始于固定的1010，隨后是可編程的地址選擇位A2、A1、A0，以及決定讀寫操作的R/W控制位。其中，A2、A1、A0是可編程地址選擇位，R/W則是芯片的讀寫控制位，當(dāng)該位為0時(shí)，表示進(jìn)行寫操作，為1時(shí)表示進(jìn)行讀操作REF_Ref24849\r\h[11]。片內(nèi)子地址尋址:芯片尋址可對內(nèi)部256B中的任一個(gè)進(jìn)行讀/寫操作，其尋址范圍為00~FF，共256個(gè)尋址單位REF_Ref24709\r\h[12]。AT24C02讀/寫操作時(shí)序圖如圖3.11所示。圖3.11AT24C02讀/寫時(shí)序圖SCL引腳作為串行時(shí)鐘的輸入端口，與單片機(jī)的P0.2引腳相連，其主要職責(zé)是輸出時(shí)鐘信號，用以確保數(shù)據(jù)傳輸過程的同步性。而SDA引腳是雙向串行數(shù)據(jù)/地址的角色，它與單片機(jī)的P0.1引腳相接，它負(fù)責(zé)在時(shí)鐘信號的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸和地址的識(shí)別。具體的電路圖如圖3.12所示。圖3.12AT24C02電路圖3.5矩陣鍵盤模塊矩陣鍵盤作為一種輸入設(shè)備，其核心運(yùn)作機(jī)制在于按鍵的掃描與辨識(shí)。矩陣鍵盤通過將按鍵的兩端分別接到行線和列線上，然后將每一條行線和列線連接到單片機(jī)上REF_Ref2274\r\h[13]，通過程序算法進(jìn)行讀取按下的是哪一個(gè)按鍵按下，相比于獨(dú)立式鍵盤節(jié)省了很多I/O口。行列掃描原理：當(dāng)未觸發(fā)按鍵時(shí)，所有輸入端均呈現(xiàn)高電平或低電平狀態(tài)。一旦有按鍵被按下，它所在的行線和列線會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)致輸入線的狀態(tài)改變，這個(gè)變化會(huì)被轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行傳輸。通過讀取這些輸入線的狀態(tài)，確定按鍵狀態(tài)。按鍵按下檢測：當(dāng)用戶按下鍵盤上的某個(gè)按鍵時(shí)，該按鍵會(huì)觸發(fā)所在列與行之間的電路連接，形成一個(gè)閉合的電路環(huán)路?？刂破鲿?huì)檢測到該電路連接，從而確定哪個(gè)按鍵被按下。矩陣鍵盤實(shí)物圖如圖3.13所示。圖3.13矩陣鍵盤實(shí)物圖本設(shè)計(jì)用到4×4的矩陣鍵盤，其行線分別接到P1.0-P1.3，列線接到P1.4-P1.7。每個(gè)按鍵對應(yīng)電路圖功能為：矩陣鍵盤KEY2-KEY4為數(shù)字鍵1-3，KEY6-KEY8為數(shù)字鍵4-6，KEY10-KEY12為數(shù)字鍵7-9，KEY15為數(shù)字鍵0，KEY5代表進(jìn)入管理界面，KEY9和KEY13分別表示上一項(xiàng)和下一項(xiàng)，KEY14為退格按鈕，KEY16為確定按鈕，KEY17為返回。圖3.14矩陣鍵盤電路圖3.6報(bào)警電路在本次設(shè)計(jì)中，選用了電壓為5V的電磁式有源蜂鳴器作為報(bào)警提示裝置。然而，基于這類蜂鳴器通常具有較大的工作電流，不能直接依賴單片機(jī)的I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O口往往無法承受如此大的電流負(fù)載。因此，采用了三極管開關(guān)電路作為中間驅(qū)動(dòng)裝置，它能夠有效地控制并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的工作，確保在需要報(bào)警提示時(shí)，蜂鳴器能夠正常、穩(wěn)定地發(fā)出聲音，同時(shí)避免了因電流過大而對單片機(jī)造成潛在損害的風(fēng)險(xiǎn)。蜂鳴器實(shí)物圖如圖3.15所示。圖3.15蜂鳴器實(shí)物圖考慮到性能，在本設(shè)計(jì)選用了PNP型的8550三極管作為電路的核心組件，三極管的基極通過一個(gè)阻值為1K的電阻與單片機(jī)的I/O端口連接。當(dāng)單片機(jī)I/O端口發(fā)出低電平信號時(shí)，該信號會(huì)促使三極管導(dǎo)通，從而激活蜂鳴器并發(fā)出聲音。然而，當(dāng)I/O端口輸出高電平信號時(shí)，三極管會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而使蜂鳴器停止發(fā)聲。這種電路設(shè)計(jì)有效地控制蜂鳴器的工作狀態(tài)，既實(shí)現(xiàn)了對蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，又避免了因直接驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致的電流過大的問題。蜂鳴器電路如圖3.16所示。圖3.16蜂鳴器電路3.7驅(qū)動(dòng)電路在本設(shè)計(jì)中，三極管的基極通過連接單片機(jī)的P3.6引腳，構(gòu)建了一個(gè)控制接口，實(shí)現(xiàn)了對三極管的精確控制。此外，三極管的發(fā)射極與繼電器線圈的一端相連，從而實(shí)現(xiàn)了對繼電器的控制。繼電器線圈的另一端直接接地，構(gòu)成完整的電路回路。除了上述的基本連接外，還在繼電器的兩端并聯(lián)了一個(gè)二極管。這一設(shè)計(jì)的目的是為了吸收和消除繼電器線圈在斷電時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢REF_Ref27504\r\h[14]。若這種反向電動(dòng)勢不加以處理，會(huì)產(chǎn)生反向電勢擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，對電路的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。圖3.17為HK4100F繼電器的實(shí)物圖。圖3.17HK4100F繼電器實(shí)物圖圖3.19所示，繼電器CN2上標(biāo)注的三個(gè)數(shù)字標(biāo)號1、2、3，分別代表其三個(gè)輸出接線端子的標(biāo)識(shí)。具體來說，1號端子與繼電器的常開觸點(diǎn)相連，表示在繼電器未激活時(shí)，該觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)；而2號端子則與繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)相連，這個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)會(huì)隨繼電器的狀態(tài)變化而移動(dòng)。另外，3號端子連接的是繼電器的常閉觸點(diǎn)，即在繼電器未激活時(shí)，該觸點(diǎn)保持閉合狀態(tài)。當(dāng)繼電器被激活吸合時(shí)，2號與3號端子之間的連接，相當(dāng)于開關(guān)閉合，形成通路。圖3.18繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖3.19繼電器輸出4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)指紋識(shí)別原理是基于每個(gè)人指紋的獨(dú)特性，通過采集、提取和比對指紋圖像中的特征點(diǎn)，以識(shí)別和驗(yàn)證個(gè)體身份REF_Ref27504\r\h[16]。指紋識(shí)別的過程主要是指紋采集，指紋預(yù)處理，特征提取，特征對比與匹配，結(jié)果輸出。具體過程如圖4.1所示。圖4.1指紋識(shí)別過程圖在程序啟動(dòng)時(shí)，首先要對單片機(jī)及其相關(guān)外設(shè)進(jìn)行初始化，這是為了確保它們能夠按照設(shè)定的方式正常工作。一旦初始化步驟完成，程序?qū)⑦M(jìn)入一個(gè)持續(xù)的循環(huán)模式。若未設(shè)置這樣的循環(huán)機(jī)制，程序?qū)H執(zhí)行一次便終止，無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控與響應(yīng)。具體流程圖如下4.2所示。圖4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖4.2存儲(chǔ)指紋程序通過串口通信協(xié)議，當(dāng)AS608指紋模塊啟動(dòng)指紋搜索時(shí)，用戶會(huì)發(fā)送采集指紋的命令，隨后模塊會(huì)捕獲并返回相應(yīng)的指紋信息。之后判斷指紋信息是否采集完成，若沒有采集完成，則重新采集；若采集完成，則存儲(chǔ)指紋，以此確保整個(gè)過程的準(zhǔn)確性和高效性。指紋識(shí)別程序流程圖如4.3所示。圖4.3存儲(chǔ)指紋流程圖4.3查找指紋程序通過串口通信協(xié)議，當(dāng)AS608指紋模塊啟動(dòng)指紋搜索時(shí)，模塊會(huì)進(jìn)行查找指紋，隨后會(huì)判斷指紋是否存在。確定指紋存在后，用戶會(huì)發(fā)送指紋匹配指令，以進(jìn)行指紋信息的對比。若對比結(jié)果符合預(yù)設(shè)條件，則顯示狀態(tài)為指紋解鎖且黃燈亮；反之，則顯示狀態(tài)為無效指紋且紅燈亮。查找指紋程序流程圖如4.4所示。圖4.4查找指紋流程圖4.4顯示程序LCD12864液晶顯示的工作程序是，首先，將需要通過發(fā)送特定的命令來設(shè)定待顯示內(nèi)容的起始地址。隨后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行必要的判斷操作。函數(shù)LCD12864_display_string(ucharx，uchary，uchar

s)負(fù)責(zé)在液晶顯示屏上展示一個(gè)字符數(shù)組。當(dāng)這個(gè)函數(shù)執(zhí)行時(shí)，它會(huì)自動(dòng)地遞增顯示地址，以便在第一個(gè)內(nèi)容展示完成后，自動(dòng)地繼續(xù)顯示后續(xù)內(nèi)容。函數(shù)的參數(shù)中，x和y用于指定字符在液晶顯示屏上的精確位置，而s則指向了待顯示的字符數(shù)組。這種設(shè)計(jì)使得字符的展示過程更加流暢和自動(dòng)化。顯示程序流程圖如4.5所示。圖4.5顯示程序流程圖4.5報(bào)警程序蜂鳴器的工作程序是，當(dāng)單片機(jī)P3.7為低電平時(shí)，會(huì)激活蜂鳴器報(bào)警并持續(xù)20m后結(jié)束報(bào)警；反之，則進(jìn)入循環(huán)。圖4.6是報(bào)警電路流程圖。圖4.6報(bào)警程序流程圖4.6按鍵程序具體的矩陣鍵盤在程序上的檢測方法如下(1)首先，將鍵盤的所有行線P1.0至P1.3設(shè)置為低電平狀態(tài)。然后，逐一檢測列線P1.4至P1.7的電平狀態(tài)。如果在檢測過程中，發(fā)現(xiàn)某一列線出現(xiàn)了低電平，就表明在這一列中的四個(gè)按鍵中至少有一個(gè)被按下了；如果經(jīng)過檢測后，所有的列線都保持高電平狀態(tài)，就表面沒有按鍵被按下。這種檢測方式確保了按鍵狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，避免了漏檢或誤檢的可能性。(2)在確認(rèn)有按鍵被按下后，為了精確判斷具體是哪一個(gè)按鍵被按下。具體操作如下：逐一將四個(gè)行線P1.0至P1.3分別置為低電平狀態(tài)，其余未操作的行線則保持高電平。這樣做的目的是單獨(dú)激活每一行，以檢測與哪一列相交處的按鍵被按下。若在某一行線為低電平的同時(shí)，列線也為低電平，就可以判斷此行列相交點(diǎn)處的按鍵被按下。矩陣鍵盤檢測程序流程圖如4.7所示。圖4.7按鍵程序流程圖5系統(tǒng)測試結(jié)果及分析評估一個(gè)系統(tǒng)是否能夠滿足特定功能需求，系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)不容忽視。系統(tǒng)測試在確保系統(tǒng)的功能完備性和性能達(dá)標(biāo)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷，需要進(jìn)行反復(fù)多次的測試，并從測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)潛在的問題部分。隨后，需要在出現(xiàn)缺陷的環(huán)節(jié)上進(jìn)行改進(jìn)，才能夠顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。5.1軟件測試運(yùn)用KEIL這一強(qiáng)大的綜合開發(fā)環(huán)境（IDE）進(jìn)行軟件編寫，在完成編寫后，KEIL可以生成一個(gè).HEX文件，該文件包含可供單片機(jī)執(zhí)行的機(jī)器碼。隨后，借助CH340下載器這一工具，將生成的.HEX文件下載到單片機(jī)中。這樣，單片機(jī)就能夠按照編寫的程序來運(yùn)行了。針對發(fā)現(xiàn)的問題，不斷反復(fù)修改和調(diào)試程序，直到它能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。5.1.1軟件測試中出現(xiàn)的問題及解決方法在系統(tǒng)軟件調(diào)試過程中遇到的難題：LCD12864顯示出現(xiàn)花屏：該顯示屏具備雙重顯示功能，包括字庫顯示和繪圖顯示。在顯示字庫內(nèi)容時(shí)，繪圖內(nèi)容會(huì)被自動(dòng)清除，反之，在顯示繪圖時(shí)，字庫內(nèi)容同樣會(huì)被自動(dòng)清除。然而，在實(shí)際操作中，發(fā)現(xiàn)并非如此。解決方法：程序在進(jìn)行字庫顯示操作之前，會(huì)首先清除之前繪圖顯示的內(nèi)容；反之亦然。這一操作有效地避免了兩種顯示內(nèi)容互相干擾，從而成功解決了花屏問題。矩陣鍵盤的按鍵讀取方法困難：在程序的設(shè)計(jì)中，需要對按鍵配賦予其相應(yīng)的功能，則此流程可能會(huì)增加出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率，增加調(diào)試所需的時(shí)間。而且，此種方法在鍵值數(shù)量快速增加的情況下會(huì)導(dǎo)致效率急劇降低。解決方法：首先，初始化將行線設(shè)為低電平狀態(tài)，同時(shí)將列線設(shè)為高電平狀態(tài)，以此，判斷鍵盤上是否有按鍵被按下。其次，為了確定被按下按鍵的具體位置，需要進(jìn)一步執(zhí)行精準(zhǔn)的定位操作。一旦檢測到行線中某處電平變?yōu)榈碗娖剑阒鹦袡z查各列線的電平狀態(tài)。若在某列線上檢測到低電平信號，那么該列線與對應(yīng)行線的交叉點(diǎn)即為被按下按鍵的具體位置。5.2硬件測試硬件模塊作為整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性與可靠性對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。然而，由于各種因素，硬件部分往往是出錯(cuò)概率較高的環(huán)節(jié)。元器件的損壞或性能不佳，都可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)功能無法實(shí)現(xiàn)或表現(xiàn)不佳。因此，在硬件調(diào)試的過程中，必須遵循以下幾點(diǎn)：（1）首先要嚴(yán)格檢測各個(gè)硬件型號的選擇，確保它們完全符合設(shè)計(jì)要求。在這一過程中，應(yīng)該仔細(xì)檢查每個(gè)元器件的耐壓值，防止因電壓過高而導(dǎo)致的元器件損壞現(xiàn)象。這樣做不僅能保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，也能有效延長元器件的使用壽命。（2）對系統(tǒng)焊接的引腳進(jìn)行檢查，在發(fā)現(xiàn)引腳出現(xiàn)松動(dòng)，虛焊等情況下加以固定。確保引腳連接的正確性，避免出現(xiàn)器件引腳插反引起電路短路造成期間損壞。（3）在完成所有模塊的焊接工作后，驗(yàn)證這些模塊是否能夠協(xié)同工作，以滿足本設(shè)計(jì)的預(yù)期功能需求。（4）在完成對單個(gè)模塊的檢測后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行整體的組裝工作，檢查整體模塊存儲(chǔ)及識(shí)別的準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性以及兼容性等方面。5.3測試結(jié)果及分析功能測試結(jié)果如圖5.1所示。單片機(jī)共存儲(chǔ)20個(gè)指紋，其編號為001-020，若超過020則顯示無效指紋；大拇指成功注冊指紋，下次開鎖時(shí)可以成功識(shí)別；食指注冊指紋無效或沒有注冊指紋，將會(huì)匹配失敗。當(dāng)指紋傳感器無法準(zhǔn)確識(shí)別指紋時(shí)也可用密碼強(qiáng)行開鎖。該系統(tǒng)可完成指紋錄入和識(shí)別。為了驗(yàn)證準(zhǔn)確率，選取了存物注冊時(shí)手指干凈，取物時(shí)手指干凈，手指沾筆墨和手指沾有印泥三種情況對識(shí)別率準(zhǔn)確度分析。表5.1表示在存儲(chǔ)的20個(gè)指紋中隨便選取5個(gè)指紋，在取物時(shí)手指干凈的狀態(tài)下，識(shí)別情況的分析；表5.2表示在存儲(chǔ)的20個(gè)指紋中隨便選取5個(gè)指紋，在取物時(shí)手指沾有筆墨的狀態(tài)下，識(shí)別情況的分析；表5.3表示在存儲(chǔ)的20個(gè)指紋中隨便選取5個(gè)指紋，在取物時(shí)手指沾有印泥的狀態(tài)下，識(shí)別情況的分析。從三個(gè)表中得出，其存物柜模擬裝置的識(shí)別率較高。圖5.1為功能測試，其中圖（a）為001狀態(tài)下的指紋解鎖，圖（b）為020狀態(tài)下的指紋解鎖，圖（c）為指紋損失時(shí)，密碼強(qiáng)制解鎖狀態(tài)，圖（d）為指紋識(shí)別無效狀態(tài)，圖（e）為手指沾筆墨狀態(tài)下的指紋解鎖，圖（f）為手指沾印泥狀態(tài)下的指紋解鎖。表5.1錄入手指干凈指紋編號錄入情況識(shí)別情況001錄入是003錄入是005錄入是019錄入是020錄入是表5.2錄入手指沾筆墨指紋編號錄入情況識(shí)別情況001錄入否003錄入是005錄入是019錄入否020錄入是表5.3錄入指紋沾印泥指紋編號錄入情況識(shí)別情況001錄入否003錄入是005錄入否019錄入是020錄入是圖（a）001狀態(tài)解鎖圖（b）020狀態(tài)解鎖圖(c)密碼強(qiáng)制解鎖圖（d）指紋識(shí)別無效圖（e）沾筆墨狀態(tài)圖（f）沾印泥狀態(tài) 圖5.1功能測試6總結(jié)本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了通過指紋識(shí)別技術(shù)來開啟儲(chǔ)物柜箱門的功能。用戶只需要將自己的手指輕輕按壓在指紋識(shí)別器上，系統(tǒng)便能迅速驗(yàn)證身份，自動(dòng)開啟箱門。意味著用戶無論是要存放物品還是取出物品，都不再需要攜帶繁瑣的鑰匙或記憶復(fù)雜的密碼。這種設(shè)計(jì)不僅簡化了操作流程，更大大提高了用戶的使用便捷性。除了便捷的指紋解鎖方式，還為用戶提供了備用的6位數(shù)字密碼進(jìn)行強(qiáng)行解鎖功能。在特殊情況下，如指紋識(shí)別失敗或指紋受損，用戶就可以通過輸入預(yù)設(shè)的6位數(shù)字密碼來強(qiáng)行解鎖儲(chǔ)物柜。