README.md · 海南大学-刘伟/指纹开门

# 宿舍指纹开门

> 原文：https://jswyll.com/note/fingerprint_opendoor/

## 效果展示

![](figures/fingerprintVerifyOK.gif "指纹匹配，开门成功")
指纹匹配，开门成功

![](figures/fingerprintVerifyFail.gif "指纹不匹配，不开门")
指纹不匹配，不开门

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## 控制方案

![](figures/control_plan.png "控制方案")

1. <span style="color:#FF7F50">单片机向指纹模块发送指令，控制模块执行相应操作；</span>

2. 单片机读取指纹模块返回的结果码，判断按下的指纹与录入过的指纹是否匹配；

3. 如果匹配则驱动电机开门，否则不动作。

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## 硬件选择

- 指纹模块。指纹识别算法较为复杂、困难，选择集成了各功能的指纹模块可以大大减少开发周期，我们只需通过UART协议向模块发送手册制定的指令即可。由于光学式指纹模块的背光需要常亮，这里采用了电容式指纹模块：深圳市三能智控电子科技有限公司的ID1016C指纹模块，￥51，链接： [https://m.tb.cn/h.VyfWAZe?sm=4e567d](https://m.tb.cn/h.VyfWAZe?sm=4e567d)

- 开门驱动。对于如下图的锁，牵引把手即可开门。使用舵机来驱动开门，成本约￥15，链接：[【淘宝】https://m.tb.cn/h.fpYlFGd?tk=01NW2ghNvCz「MG995 MG996R 金属标准舵机数码数字机器人13KG舵机180度 360度」](https://m.tb.cn/h.fpYlFGd?tk=01NW2ghNvCz)。
![](figures/door.png "舵机开门")

- 单片机。STC的单片机代码通用，本设计只需要一对UART（串口）和一个普通IO口，为了缩小电路板面积，选择STC15W204S，成本￥1~3。

- 电源接口。用一个输出5V的USB接口，用当下流行的Type-C接口供电到电路板；同时Type-C也可以接到电脑上进行调试、下载程序。

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## 电路板绘制

使用立创EDA绘制，原理图及PCB见：[https://oshwhub.com/jswy/opendoor-fingerprint](https://oshwhub.com/jswy/opendoor-fingerprint)

### Type-C母座

整个电路由Type-C供电，在电路板上画一个16引脚的Type-C母座。其中`CC1`、`CC2`、`SUB1`、`SUB2`引脚没有使用到，可以悬空处理，这里直接在封装将这几个引脚去掉。`DP1/DP2`、`DN1/DN2`分别是USB的`D+`、`D-`信号.

![](figures/typec_power.png "Type-C母座电路")

### USB转串口

电脑的USB信号和单片机的串口信号是不一样的，使用小巧的CH340E芯片进行转换

![](figures/usb2ttl.png "USB转串口电路")

### 复位电路

STC单片机下载程序时需要将电源断电然后重新上电，这里使用按键+MOS管控制电源的通断。（由于断电时串口仍需正常工作，所以USB转串口的电源直接接自USB。）

![](figures/power_control.png "复位电路")

### 稳压电路

单片机和指纹模块的工作电压是3.3V，使用AMS1117-3.3芯片将USB电源的5V转为3.3V

![](figures/power_3v3.png "稳压电路")

### 舵机接口

舵机的电源是5\~6V，舵机自带母头的杜邦线+延长的公对公杜邦线，所以预留一个3PIN的排母接口

![](figures/steer_pin.png "舵机排针接口")

### 单片机

除了3.3V以外，TXD、RXD接指纹模块，再加一个普通IO口接舵机PWM控制引脚

![](figures/mcu.png "单片机电路")

### 指纹模块接口

指纹模块有6PIN 1.0mm间距的排线，留出4个洞。

![](figures/20220319175704.png "指纹模块接口")

### 3D预览

画完PCB后在立创EDA打开3D预览：

![](figures/3d_preview.png "电路板3D预览")

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### 接线

指纹模块红线开始、白线结束, 分别为模块的GND、RX、TX、VIN、IRQ、VCC

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## 程序设计

- 单片机与指纹模块UART通信。查看卖家提供的模块手册知，模块默认波特率为115200bps，每次控制命令发26字节（以0x55AA开头），返回26字节应答码（以0xAA55开头），其它各字节含义见手册。

- 判断有无手指按下。直接发送26个字节"\x55\xAA\x00\x00\x21\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x20\x01"（\x表示16进制转义），返回的第11个字节的值为1则表示有手指按下。循环发送该指令可以检测有无手指按下，如果有才进行后续操作，否则继续轮询。

- 指纹是否匹配判断。发送26个字节"\x55\xAA\x00\x00\x63\x00\x06\x00\x00\x00\x01\x00\xC8\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x31\x02"来验证，返回的第7个字节等于5表示指纹与录入过的匹配，第11个字节表示匹配的指纹编号。

- 驱动开门。由舵机控制原理可知，PWM的控制周期为20ms，高电平持续的时间为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5分别对应舵机转到0、90、180、270、360度的位置。根据实际安装位置，经过调试后选取0.5\~1.3ms的控制范围对应门的关、开。设置定时器的中断周期为10微秒，每次中断计数变量加1，则PWM阈值50和130分别对应0.5和1.3ms。为了避免累积误差，下载程序时使用12.000MHz主频。

```c
/** @brief 定时器计数、PWM值 */
int T0_count, pwm = 50;

/**
 * @brief 定时器0初始化，设置每10微秒产生中断
 */
void Timer0Init(void) // 10微秒@12.000MHz
{
    AUXR |= 0x80; //定时器时钟1T模式
    TMOD &= 0xF0; //设置定时器模式
    TL0 = 0x88;   //设置定时初值
    TH0 = 0xFF;   //设置定时初值
    TF0 = 0;      //清除TF0标志
    TR0 = 1;      //定时器0开始计时
    ET0 = 1;
}

/**
 * @brief 定时器中断，用于产生PWM
 */
void T0_IRQHandler() interrupt 1
{
    if (T0_count < pwm)
        door = 1;
    else
        door = 0;

if (++T0_count == 2000)
        T0_count = 0;
}
```

开门是舵机PWM值从50变为130，为了避免瞬间阻力过大导致电路欠压，从而致使单片机复位，打舵时平滑过渡到130：

```c
/**
 * @brief 开门。绿灯亮，PWM驱动舵机开门
 */
void open_door(void)
{
    int i = 0;

send_cmd(CMD_LED_GREEN_ON);

/* 平滑打舵 */
    for (i = 0; i < 130; i += 3)
    {
        pwm = 50 + i;
        delay_ms(1);
    }
    delay_ms(800);
    pwm = 50;
}
```

- 录入新指纹。由于指纹比对时返回的第11个字节表示匹配的指纹编号，我们可以根据自己录入的其中一个或者某个范围的编号来“定义”谁是管理员，当检测管理员的指纹时，将后续按下的几个指纹作为新录入的指纹。

使用Keil C51编译代码，使用STC-ISP软件下载程序到单片机。

---

## 完整源代码

```c
/*
 * Copyright (c) 2019-2021, jswy
 *
 * SPDX-License-Identifier: LGPL-3.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2019-03-01     jswy         the first version
 */

/**
 * @brief 相关寄存器
 */
#include <reg52.h>
#include "intrins.h"
sfr AUXR = 0x8E;
sfr T2H = 0xD6;
sfr T2L = 0xD7;
sbit door = P3 ^ 3;

/**
 * @brief 指纹模块控制命令
 */
typedef enum
{
    CMD_LED_RED_ON,         /**< 亮红灯 */
    CMD_LED_GREEN_ON,       /**< 亮绿灯 */
    CMD_LED_YELLOW_ON,      /**< 亮黄灯 */
    CMD_LED_ALL_OFF,        /**< 熄灭所有灯 */
    CMD_FINGER_DETECT,      /**< 检测有无手指按下 */
    CMD_GET_IMAGE,          /**< 从指纹模块采集指纹数据 */
    CMD_SEARCH_FINGERPRINT, /**< 验证是否匹配已录入的指纹 */
    CMD_GET_EMPTY_ID,       /**< 获取未录入指纹的第一个编号 */
    CMD_GENERATE_0,         /**< 暂存录入的第一次指纹 */
    CMD_GENERATE_1,         /**< 暂存录入的第二次指纹 */
    CMD_GENERATE_2,         /**< 暂存录入的第三次指纹 */
    CMD_MERGE_CHAR,         /**< 合并录入的三次指纹特征 */
    CMD_STORE_CHAR          /**< 存储合并后的指纹 */
} Command_t;

/**
 * @brief 控制命令数据，和前面的枚举一一对应
 */
code unsigned char cmd_data[][26] =
    {
        "\x55\xAA\x00\x00\x24\x00\x04\x00\x03\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x2C\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x24\x00\x04\x00\x03\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x2B\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x24\x00\x04\x00\x03\x03\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x2D\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x24\x00\x04\x00\x03\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x2A\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x21\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x20\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x20\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x1F\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x63\x00\x06\x00\x00\x00\x01\x00\x50\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\xB9\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x45\x00\x04\x00\x01\x00\x50\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x99\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x60\x00\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x61\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x60\x00\x02\x00\x01\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x62\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x60\x00\x02\x00\x02\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x63\x01",
        "\x55\xAA\x00\x00\x61\x00\x03\x00\x00\x00\x03\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x66\x01",
};

/** @brief 接收缓冲区，接收字符个数，已录入过指纹个数 */
unsigned char recv_buff[26], recv_count, empty_number;

/** @brief 定时器计数、PWM值 */
int T0_count, pwm = 50;

/**
 * @brief 软件延时1毫秒
 *
 * @note  仅适用于STC15Fxx/STC15Lxx/STC15Wxx系列单片机，其它系列请使用STC-ISP软件生成，
 *         方法参见: @ref https://jswyll.com/MCU51.html#软件延时代码生成
 */
void Delay1ms(void)
{
    unsigned char i, j;

i = 12;
    j = 169;
    do
    {
        while (--j)
            ;
    } while (--i);
}

/**
 * @brief 软件延时n毫秒
 *
 * @note  仅适用于STC15Fxx/STC15Lxx/STC15Wxx系列单片机，其它系列请使用STC-ISP软件生成，
 *         参见 @ref https://jswyll.com/MCU51.html#软件延时代码生成
 */
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    while (ms--)
        Delay1ms();
}

/**
 * @brief 串口初始化，波特率115200bps，启用中断
 *
 * @note  使用STC-ISP软件生成，
 *        参见 @ref https://jswyll.com/MCU51.html#波特率代码生成；
 *        对于STC15W204S单片机，只有定时器0和定时器2，请勿使用定时器1产生波特率
 */
void UartInit() // 115200bps@12.000MHz
{
    SCON = 0x50;  // 8位数据,可变波特率
    AUXR |= 0x01; //串口1选择定时器2为波特率发生器
    AUXR |= 0x04; //定时器2时钟为Fosc,即1T
    T2L = 0xE6;   //设定定时初值
    T2H = 0xFF;   //设定定时初值
    AUXR |= 0x10; //启动定时器2
    ES = 1;       //打开串口发送/接收中断
}

/**
 * @brief  从串口1以阻塞方式发送一个字节
 *
 * @param  ch 待发送字符
 */
void uart_putchar(unsigned char ch)
{
    SBUF = ch;
    while (TI == 0)
        ;
    TI = 0;
}

/**
 * @brief  从串口1以阻塞方式发送字符数组
 *
 * @param  tx_data 待发送字符数组
 * @param  num 需要发送的字符个数
 */
void uart_puts(unsigned char *tx_data, unsigned char num)
{
    unsigned char i = 0;
    while (i++ < num)
    {
        uart_putchar(*tx_data++);
    }
}

/**
 * @brief  根据枚举值的不同发送不同的指令给指纹模块
 *
 * @param  cmd 指定命令 @ref Command_t
 */
void send_cmd(Command_t cmd)
{
    switch (cmd)
    {
    case CMD_STORE_CHAR:
    {
        /* 根据指纹模块通讯协议，以录入编号计算检验和 */
        unsigned int sum = 0x143 + empty_number;
        uart_puts("\x55\xAA\x00\x00\x40\x00\x04\x00", 8);
        uart_putchar(empty_number);
        uart_puts("\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00", 15);
        uart_putchar(sum);
        uart_putchar(sum >> 8);
        break;
    }

default:
        uart_puts(cmd_data[cmd], 26);
        break;
    }

/* 等待指纹模块返回26个字节应答数据（中断接收） */
    while (recv_count < 26)
        ;
    recv_count = 0;
}

/**
 * @brief  阻塞等待指纹模块上有手指按下
 */
void waitForFingerTouch()
{
    /* 应答码第11个字节为1表示有手指按下 */
    do
    {
        send_cmd(CMD_FINGER_DETECT);
    } while (recv_buff[10] != 1);

/* 从指纹模块采集指纹数据 */
    send_cmd(CMD_GET_IMAGE);
}

/**
 * @brief UART1中断处理
 */
void UART1_IRQHandler() interrupt 4
{
    if (RI)
    {
        RI = 0;
        if (SBUF == 0xAA)
        {
            recv_count = 0;
        }
        recv_buff[recv_count++] = SBUF;
    }
}

/**
 * @brief 定时器中断，用于产生PWM
 */
void T0_IRQHandler() interrupt 1
{
    if (T0_count < pwm)
        door = 1;
    else
        door = 0;

if (++T0_count == 2000)
        T0_count = 0;
}

/**
 * @brief 开门。绿灯亮，PWM驱动舵机开门
 */
void open_door(void)
{
    int i = 0;

send_cmd(CMD_LED_GREEN_ON);

/* 平滑打舵 */
    for (i = 0; i < 130; i += 3)
    {
        pwm = 50 + i;
        delay_ms(1);
    }
    delay_ms(800);
    pwm = 50;
}

/**
 * @brief 程序入口
 */
void main()
{
    P3M0 = 0xff;
    P3M1 = 0x00;

door = 1;
    Timer0Init();
    UartInit();
    EA = 1;

pwm = 50;
    while (1)
    {
        /* 指示灯灭, 阻塞等待指纹模块上有手指按下 */
        send_cmd(CMD_LED_ALL_OFF);
        do
        {
            send_cmd(CMD_GET_IMAGE);
        } while (recv_buff[8] != 0x00);

/* 生成指纹特征并验证是否匹配已录入的指纹 */
        send_cmd(CMD_GENERATE_0);
        send_cmd(CMD_SEARCH_FINGERPRINT);
        if (recv_buff[6] == 0x05 && recv_buff[10] > 0)
        {
            /* 如果匹配的是已录入的编号1（管理员），录入新指纹 */
            if (recv_buff[10] == 1)
            {
                /* 获取第一个未被注册的编号 */
                send_cmd(CMD_GET_EMPTY_ID);
                empty_number = recv_buff[10];

/* 连续采集3次 */
                send_cmd(CMD_LED_YELLOW_ON); //亮黄灯，等待手指按下
                delay_ms(500);               //延时，避免录入的第一个是管理员未弹起的手指
                waitForFingerTouch();        //调用采集指纹函数
                send_cmd(CMD_GENERATE_0);    //暂存录入的第一次指纹
                send_cmd(CMD_LED_ALL_OFF);   //灭灯，提示手指移开
                delay_ms(500);               //等待手指移开

send_cmd(CMD_LED_YELLOW_ON);
                waitForFingerTouch();
                send_cmd(CMD_GENERATE_1);
                send_cmd(CMD_LED_ALL_OFF);
                delay_ms(500);

send_cmd(CMD_LED_YELLOW_ON);
                waitForFingerTouch();
                send_cmd(CMD_GENERATE_2);
                send_cmd(CMD_LED_ALL_OFF);

/* 合成三次录入的指纹特征并存储 */
                send_cmd(CMD_MERGE_CHAR);
                send_cmd(CMD_STORE_CHAR);
            }

/* 绿灯亮，表示指纹匹配或者指纹录入完成，控制继电器开门 */
            open_door();
        }
        else
        {
            /* 指纹数据和录入过的都不匹配，亮红灯 */
            send_cmd(CMD_LED_RED_ON);

/* 延时再作匹配判断，避免短时间触发判断两次同样的指纹 */
            delay_ms(500);
        }
    }
}
```

---

## 注意事项

STC15W204S只有T0和T2定时器, 不能用T1产生波特率

---

## 代码开源仓库地址

[https://gitee.com/jswyll_com/fingerprint-open-the-door](https://gitee.com/jswyll_com/fingerprint-open-the-door)

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