毕业论文 智能指纹摇控器设计.doc

毕业设计（论文）题目名称：智能指纹摇控器设计院系名称：电子信息学院班 级：测控032学 号：20030444227学生姓名：李军林指导教师： 常静 2007 年 6 月1摘要本文详细阐述了，利用基于MCS-51体系结构的嵌入式微控制器AT89C2051，进行保险柜配套指纹遥控器设计开发的全过程。其中，在综合论证设计方案之后，重点讨论了基于AT89C2051微控制器的指纹遥控器的硬件设计过程，并给出此系统的软件开发与系统调试的基本思路。作为嵌入式设计的基本特征，本次设计涉及到许多前沿技术的探讨，如红外通信技术，指纹识别技术，嵌入式设计技术等。作为本次设计不可分割的一部分，本文对设计中红外通信的研究与试验进行详尽的阐述，并对嵌入式系统实验与指纹模块的测试作了相应的说明。 关键字：AT89C2051，嵌入式系统，红外通信，指纹识别，指纹遥控器。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 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 for 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 paper 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 Controller . 目录1绪论11.1 国内外同类研究概况综述11.2保险柜指纹遥控器研制的意义12方案论证32.1 系统需求分析32.2方案的比较与确定42.2.1方案设计42.2.2方案分析62.2.2.1 指纹模块的选择72.2.2.2 通信方式的选择72.2.2.3 MCU 的选型82.2.3 设计方案的比较与确定102.2.4 本设计方案的特点112.3 方案的综合论证112.3.1 市场分析112.3.2 技术可行性分析112.3.3 开发环境的分析123 相关技术的实验133.1电视遥控器红外接收实验133.2自制调制型红外通信试验144 硬件设计154.1 总体设计154.2 功能电路的实现154.2.1电源管理电路的设计164.2.2 红外发射与接收电路的设计174.2.3 指纹模块接口电路设计184.2.4 用户接口电路的设计184.2.5 接收端备用存储电路的设计204.2.6 其余辅助功能电路的设计204.3 系统综合电路原理图214.4 实用电路板设计214.4.1 遥控器外型选择214.4.2 人机交互接口的设计214.4.3 电路板图的优化设计215 软件设计225.1需求分析225.2概要设计225.3 详细设计225.3.1 遥控器基本功能的实现225.3.2接收模块程序设计256 调试与测试276.1 指纹遥控器硬件的测试276.2 指纹模块通信的调试与测试276.3 指纹遥控器系统的单机调试与测试286.4 指纹遥控器与嵌入式保险柜的联机调试与测试287 结论298 致谢30参考文献31附录一 红外通信相关试验321 普通电视遥控器红外接收试验322 调制性型红外通信试验33附录二 指纹遥控器电路原理图361 摇控发射电路原理图362 接收电路原理图37附录三 指纹遥控器电路板图：38附录四 指纹遥控器源程序391 摇控发送程序392 接收程序441绪论1.1 国内外同类研究概况综述基于计算机的指纹识别技术已经有了近20年的发展历程。到如今，指纹识别技术已经比较成熟，各项指标都能很好的满足一般用户的基本需求。然而，指纹遥控器的使用还是凤毛麟角。但是，无可否认，指纹遥控器的出现和使用，将使很多使用过程变得简单、安全、可靠、人性化，而且能为用户提供极大的方便。 今天，指纹遥控器已经在某些狭窄的领域有所应用。如有些高级轿车，已经开始采用便携的指纹遥控器来控制车门的开关，以实现轿车的防盗，并为用户的使用提供方便。这一切，无不预示着，使用指纹遥控器将会给用户带来前所未有的好处和方便。 好的东西总是逐渐被大多数用户广泛采用的。指纹遥控器也不例外。现在已经有人提出，希望像电影里面的镜头那样，将指纹遥控的技术应用在保险柜，仓库，门禁等设备或领域中，以便在加强系统安全的同时，使操作过程也变得更加简单、方便和人性化。不难预料，在不久的将来，指纹遥控器将在更为广阔的领域里得到应用。 1.2保险柜指纹遥控器研制的意义保险柜指纹遥控器作为指纹遥控保险柜的一个主要组成部分，要求具 有可靠性高、安全特性好、反应速度快、使用方便简洁等特性，其研制过 程具有涉及知识多，应用技术新等特点。因而，指纹遥控器的研制，具有 特别的意义。首先，指纹遥控保险柜的研制具有良好的市场前景。其良好的市场前 景主要可以从以下几个方面说明：其一，保险柜市场仍在升级，高级保险柜具有比较大的市场。中国经济快速发展，以及中国目前基本国情，使得大量现金被注入市场的同时，不能很快实现无币化交易，这使得高级保险柜仍有较大得市场空间。其二，指纹遥控保险柜具有极高的综合性能，将能更好的满足用户全方位的需求。该指纹遥控保险柜具有较高的可靠性和安全性，较快的反应 速度，并具有易用性等特点，这使得整个系统的综合性能得到了极大的提 高。而市场上，用户正在谋求的就是这种能够满足其全方位需求，综合性 能好的保险柜。其三，该指纹遥控器具有较高的性价比。由于采用嵌入式设计，使得 在保证系统高性能的同时，较大程度的降低了制造成本与用户的使用成本。 仅从以上几个方面就可以看出，保险柜指纹遥控器的研制确实具有良好的市场前景。指纹遥控器的研制过程更多的体现在对嵌入式设计开发的探索与尝试 上。嵌入式系统公认已有 30 多年发展历程，然而，嵌入式系统如此受关注 仍然是近两年的事。究其原因，是因为当今社会，嵌入式系统在对社会工 具性能的提高上具有前所未有的优越性，并已经、或将要主导我们的生产 生活方式。然而，嵌入式设计的基本特点决定着嵌入式设计具有知识面杂而广、 应用技术专而新的基本特征，从这一方面讲，嵌入式设计通常是一个非常 艰难的过程。如何快速有效的进行嵌入式设计与开发，是众多嵌入式系统 的从事者共同关注的焦点。本课题中研究与开发的指纹遥控器，仅作为嵌入式系统设计的一次具 体探索与尝试。无论结果如何，都将具有深远的意义。2方案论证2.1 系统需求分析指纹遥控器控制系统，包括指纹遥控器与嵌入式控制器两个子系统。本课题通过对指纹遥控器的工作原理的了解，以达到对不同领域该产品的应用开发及对嵌入式系统设计探讨。系统通过内嵌的控制器接收指纹遥控器的命令来实现控制， 这就对指纹遥控器有相应的要求：系统的性能必须非常可靠，确保实现对被控系统的准确控制；系统要求有极高的安全特性，防窜改、防窃听、防 伪造。此外，作为遥控器，还有相关的要求：功耗低，便于电池供电；实时 性强，便于处理突发事件；人机界面好，便于操作；体积小，便于使用和 携带；成本低，便于规模化生产和市场开拓。鉴于这些基本需求，采用嵌入式设计，将能从根本上实现系统的高性能，低功耗，小体积。在芯片的选型上，尽量采用表贴元件，以实现系统 在功耗和体积上的要求。整个指纹遥控器的设计可以采用嵌入式系统设计的基本流程进行展 开。其中，嵌入式系统设计的基本流程如下图 2.2.1：系统需求分析体系结构设计硬件设计软件设计执行装置设计系统集成系统测试产品图2.1.1、设计流程图在本课题的具体设计中，重点在硬件设计与软件设计两个方面。从硬件角度看，指纹遥控器的系统框图如图2.1.2所示。 嵌入式微处理器系统无线收发模块指纹传感器指纹功能模块用户使用接口图2.1.2、硬件设计思路从软件设计角度看，指纹遥控器系统的设计思路如图2.1.3所示。 开始系统初始化指纹模块初始化用户输入检测相应处理状态字检测YN 图2.1.3 软件设计思路2.2方案的比较与确定2.2.1方案设计依据系统的初步要求，对指纹摇控器系统有三种设计思路：方案一，指纹摇控器端只负责把指纹信号和按键信号发送到接收端，然后由接收端的嵌入式微处理器系统对指纹信号进行用户的识别和相应的按键操作。因此可以设计出使用硬件编码和解码芯片，如VD5026和VD5027来实现摇控按键的编码产生，再通过发送装置发送到接收端。方案二，在指纹摇控器端，直接利用微处理器芯片对指纹信号进行识别，和产生按键编码，指纹信号具有高优先级，只有通过指纹验证后才能对按键编码进行操作。后面接收端只负责开关信号的操作。方案三，在摇控端和接收端都嵌入微处理器芯片，且接收端会先存入有合法权限的用户指纹密码。当摇控端的用户通过验证并进行操作时，接收端将接收到的用户指纹信息与存储器里的合法用户指纹信息进行比较，只有通过验证才能使用门控功能。根据以上的设计思路至少可以有以下几种可行的设计方案，分别如图 2.2.1，图 2.2.2，图 2.2.3。信号调制硬件编码发生器按键电路载波发生器指纹模块发射模块 (a)按键功能执行电路嵌入式微处理器接收装置执行功能显示电路EEPROM指纹存储电路(b)图2.2.1 方案一 (a) 发射模块(b) 接收模块嵌入式微处理器发射装置指纹识别模块按键指示电路EEPROM指纹存储电路按键电路(c)按键功能执行电路执行电路功能分配接收装置执行功能显示电路(d)图2.2.2 方案二 (c) 发射模块(d) 接收模块嵌入式微处理器按键电路指纹识别模块发射装置按键指示电路(e)按键功能执行电路嵌入式微处理器接收装置执行功能显示电路EEPROM指纹存储电路 (f)图2.2.3、方案三 (e) 发射模块(f) 接收模块2.2.2方案分析以上几种不同的设计方案，其不同点主要是系统的信号获得方式与处理方面。在方案一中把系统主要部分放在了接收端。这样摇控端可以随时发送信号，但是否为合法用户的信号，就要经过接收端的用户识别之后再先进相应的操作。这种方法可以防止其他的摇控器作出的干扰，但因摇控端是便携式设备，这种方法较为耗电。方案二的设计把系统的主要部分放在摇控器一端。只有当摇控器上的用户指纹识别系统通过之后方能对摇控器进行操作，并以此对接收端的进行控制。这种方法虽然减少了摇控系统对不合法用户信号进行开放式发射的耗电缺点。但因为接收端完全信任摇控信号的信息，只要摇控器能发出信号，后端接收器就不再进行识别就直接执行相应的功能。此时如果摇控器偶然间发生信号跳变的话，系统就会执行动作，因此会给系统带来一定的风险。方案三把处理器同时嵌入到摇控器和接收器中，在摇控端用户通过了权限之后方能对系统进行操作。而接收端在收到信号后，也会对用户权限的指纹信号进行再识别，只有通过了方能执行相应的功能，这样就可以避免了摇控的问题而系统会有错误的动作了。经以上方案比较分析我选择了方案三。在方案确定之后就要对器件进行选型，不同的MCU、无线通信方式和指纹识别模块的选型都是一个值得关注的问题。因为，不同的器件模块往往性能差别比较大，还可能需要不同的软硬件支持与不同的设计结构。因此，方案的比较与确定后，应该集中在 MCU、无线通信方式、以及指纹识别模块等的选型上，这些也是方案的核心所在。2.2.2.1 指纹模块的选择指纹识别技术是生物识别技术中的一种，也是其中技术比较成熟、效 果最为可靠的一种。当今，指纹采集主要基于三种不同的技术基础：基于光学录入，基于 晶片录入，基于超声波录入。而基于晶片录入的指纹识别技术又可以分为基于生物电容、基于生物电感等几个类型。基于不同指纹识别技术的指纹 识别模块在功能、效果、以及开发难度上存在着差异，这也是市场上指纹识别模块价格迥异的根本原因。 在本系统中，指纹识别是用户身份识别的主要途径，选择何种指纹识别模块，直接影响着本系统的综合性能，特别是系统的安全性能。考虑之后，我们选择了基于生物电感晶片录入技术的活体指纹识别， 由杭州中正公司推出的 SM-2B 指纹识别模块。选择这种模块至少有以下优 点：基于生物电感的晶片录入技术已经比较成熟，灵敏度高，识别效果好， 而且指纹识别速度快；基于活体指纹识别技术，拥有更高的识别效果和安 全特性；此指纹识别模块的默认认假率只有 0.01%，拒真率只有 1%，而且 认假率和拒真率宽范围内可调。2.2.2.2 通信方式的选择要更好的实现遥控的功能，选择哪种无线通信方式显的至关重要。综 合比较了红外线通信、无线电通信、蓝牙通信等几种方案，结合本系统的 应用特点，我们最终优选了红外通信作为本系统的无线通信方式。之所以优选了红外通信方式，可以从以下几个方面谈： 通信速率上，红外通信有其自身的优势。早在IrDA 协会成立的第二年，IrDA1.0 协议就已在串口上实现了最高速率达 115.2kbps的红外通信速率；随后的 IrDA1.1 版协议，就能够实现 4Mbps 的通信速率；而依照最新发布的 IrDA1.4 协议，则可以实现高达16Mbps的红外通信。蓝牙技术，描述了传输速率达1Mbps 的通信方案；通用无线电通信通信速率往往较低。 可靠性上，红外通信有着得天独厚的长处。蓝牙通信因为采用了跳 频技术，并采用了复杂的协议作保障，因而传输的可靠性比较高。但是， 蓝牙通信归根结底仍是一种无线电通信，在苛刻的环境内，仍可能受到电 磁干扰。 安全性上，红外通信也占据了有利的优势。红外通信以防窃听著称，只在理论上存在窃听的可能。蓝牙技术设计成：在有效的范围内，任何运行中蓝牙产品均可以自动实现相互之间的连接。通用无线电通信是一种广泛采用的技术。鉴于此，采用红外通信有利于增强系统的安全性。 在通信的有效距离上：红外通信最短，大都在 10m 的范围之内，利用专门的装置进行大功率的发射的情况下，也可以实现近 200m 的直线 无线通信，但实现相当困难；蓝牙通信次之，通常可以实现几十米之内的 有效通信距离，并且中间可以有障碍物，在功率适当加大的情况下，可以实现100m200m 的有效通信距离；通用无线电通信距离较远，通信的有效距离随发射功率与通信频率改变。本系统中，红外通信已经能够满足系统通信距离的需求。 功耗上，红外通信最低。用于红外通信的红外发光管，工作功率大都不到 0.2W；而蓝牙通信的需求功率普遍要高于这个值；通用无线电功率 要求大多较高。 体积上，红外通信只需要两个发光二极管大小的发射管与接收管，辅助简单的电路即可。2.2.2.3 MCU 的选型在嵌入式设计中，首先应该确定是应该选择哪种MCU.采用不同的MCU，将决定着开发环境和开发工具、以及开发平台的异同。同时,MCU往往也直接或间接的影响着系统的设计结构与模式。因此，MCU的选型与 确定在嵌入式开发中具有举足轻重的地位。在嵌入式系统设计倍受关注的今天，已经有很多嵌入式微处理器可供 选择。其中有：最流行、最普遍的 8 位单片机（如 MCS-51 系列），功能强大的 Power PC嵌入式微处理器，综合性能突出的AVR 系列嵌入式微控制器，性能稳定可靠的68HC0X 系列嵌入式微控制器，以及 PIC 系列嵌入式控制器，TMS320C2000/5000 系列数字信号处理器；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系列嵌入式微处理器，电源效率高、功能强、应用越来越广泛的 32位 ARM 系列嵌入式微处理器等。究竟选择哪种嵌入式 MCU，并不是没有考究的。要选择一款合适的嵌入式 MCU 往往从以下几个方面来综合考虑：首先，选嵌入式MCU的位数，通常位数高低的选择一般根据 MCU 所需要处理数据的速度和数据量的大小决定；其次选嵌入式 MCU 的技术支持，是否有便于设计和调试的集成开发环境，是不是有比较好的调试方法及调试工具；再者选嵌入式 MCU 的集成外设，能否最大限度的减少周围接口电路的复杂性；此外，还应该注意选 MCU 的生命力与以后的发展空间等。综合考虑之后，由于我们的红外数据对传输速度的数据量的要求都不是太高所以决定选择基于 MCS51 系列结构的嵌入式 MCU。MCS51系列单片机指令是面向硬件的代码效率高，运行速度快，综合性能强；Intel公司自1976年推出8位单片机之后，至今不过20多年的时间，他们的产品就遍及世界各地，销售居各复单片机生产公司之首。它们取处这样的成果是因为它们始终坚持超大规模集成电路工艺技术与用户的需求紧密结合在一起，也就是随着集成电路工艺的发展，不断革新自己的产品，使其集成度更高、性能更优异，同时又根据用户需求研制各种高性能的产品。例如MCS-51系列中8052/8032是分别把8051/8031的片内RAM和ROM增大一倍，同时把16位计数器增为3个，这些改进型产品一方面是根据当时集成电路的工艺水平，但主要还是采纳用户反馈的信息加以研制的。使芯片集成各种富有特色、性能突出的外设，提高系统的综合性能，从而普遍具有较高的性能价格比；MCS-51 提供开放的设计平台，这样，其他公司或个人可以根据 MCS-51的特点设计出各种 MCS-51 的支持系统，这包括各种开发环境，调试、测试工具，实用文档等；此外，基于MCS-51体系结构的嵌入式微处理器普遍具有较低的价格和高性能。 在基于 MCS-51 体系结构的嵌入式 MCU 中，我们优选了Atmal的8位FlashAT89系列的AT89C2051嵌入式微处理器。这款嵌入式微处理器在国内拥有较好的技术支持。AT89C2051(图2.2.4)是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory），高性能CMOS8位微处理器，而且只有20只引脚，体积小，便于使用和携带。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位MCU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图2.2.4 AT89C20512.2.3 设计方案的比较与确定通过比较，我们优选了如图 2.2.5 的方案：8位嵌入式微处理器AT89C2051红外发射装置指纹识别模块按键指示电路按键电路(e)按键功能执行电路8位嵌入式微处理器AT89C2051红外接收装置执行功能显示电路EEPROM指纹存储电路(f)图2.2.5方案三 (e) 发射模块(f) 接收模块在本指纹遥控器设计方案中：采用基于生物电感的活体指纹识别模块，利用基于 MCS-51 体系结构的嵌入式微处理器，综合嵌入式设计技术，通过红 外通信的方式，实现对保险柜控制器的控制。并以此实现系统的高性能,小体积，与低功耗。2.2.4 本设计方案的特点之所以选择本方案，是因为采用这种方案设计出来的指纹遥控器，将具有非常突出的特性：可靠性高。由于采用嵌入式设计，并采用红外通信作为系统的无线通信方式，使得系统具有极高的安全特性的同时，也具有极强的可靠性。安全性好。由于采用了基于活体指纹识别技术的指纹模块，使得系统具有更高的安全特性；这是采用干指纹所不能比拟的。此外，采用红外通信作为无线通信方式，使得系统的安全性能得到加强。功耗低。采用基于电源效率高的MCS51 体系结构的微控制器，将使系统具有超低的功耗成为可能。人机界面友好。由于普遍采用了基于表贴的芯片，并结合了嵌入式设计的特点，使得本系统具有小巧的体积与人性化的用户接口。2.3 方案的综合论证2.3.1 市场分析本系统采用嵌入式设计，在保证系统综合性能的前提下，极大的降低了系统的制造成本以及用户的使用成本，这将大大提高整个系统的性 能价格比，使得本系统拥有广泛的市场前景。2.3.2 技术可行性分析本设计方案的关键技术主要有：嵌入式设计，指纹识别，红外通信。 嵌入式设计引起社会的极大关注虽只是近两年的事，但其广泛认可的发展 历史，已近 33 年。30 多年来，嵌入式设计已经积累了许多宝贵的经验和资料，并成功研制出了种类繁多的嵌入式产品，这些都给嵌入式设计提供了 宝贵的资源。此外，这些年来，市场上已经出现各式各样的性能杰出、运 行可靠的嵌入式微处理器以及周围电路接口，给嵌入式开发提供了广泛选 型的空间。指纹识别技术是生物识别中发展较早的技术之一，目前在技术上已经 比较成熟。本方案中优选的杭州中正科技有限公司的 SM-2B 系列指纹识别模块，认假率和拒真率都非常低，且运行速度快，完全可以满足本系统设计的指标需要。本方案采用指纹模块进行二次开发，将能在一定程度上降低因直接开发所带来的难度，特别是能很好缩短设计开发周期。对于红外通信技术，目前已经比较成熟。以 IrDA 为代表的红外数据通信协会，已经研究出了可靠性好、通信速率高的红外通信技术，这些技术 将给本系统的设计提供极有价值的参考。此外，市场上已经可以很方便的 买到各式各样的、用于红外通信的红外发射管和接收管，而且廉价，可靠。以上分析可知，本方案在技术上不存在不可逾越的障碍。2.3.3 开发环境的分析开发环境上，已经有很多针对 MCS51的性能强大的集成开发环境，如KT900 与 WAVE，支持最新的Keil C51软件等。利用它们开发基于 MCS51的应用程序乃至系统程序，具有开发周期短，代码效率高等优点。而且，在调试测试手段上，MCS51的版本通常都可以在WAVE Lab2000P系列单片机仿真实验系统调试支持；使得调试测试有法可依。因此，选择基于MCS51体系结构的微处理器，在开发环境与调试测试手段上完全可行。通过以上多方面的综合论证，可以看出，本设计方案无论是在市场效益上，还是在技术条件、开发环境的支持上，均是可行性的。3 相关技术的实验嵌入式系统的设计以涉及知识杂而广，技术新而专为其基本特征。因此，在嵌入式设计中，必要的试验是难免的；同时，这也是设计开发顺利进行的基本保障。 在本课题的设计中，将要涉及的主要试验包括：红外通信系列试验，嵌入式系统的应用与试验，指纹模块测试试验。 3.1电视遥控器红外接收实验 为了更好的体会红外通信的机理，把握红外通信的关键，我们首先做了电视遥控器红外接收试验。(要了解更详细的实验内容及实验程序，可参考附录一)，试验电路如图3.1.1所示。 a通用红外电视摇控器 b 与电脑相连的接收电路图3.1.1通用红外电视摇控器实验电路试验结论：通过电视遥控器的红外接收试验可知，在通用遥控器9m、60°的范围以内，红外接收电路能够收到红外信号；在有效的范围内，在遥控器发送红外命令时，红外接收电路的红外接收管输出端在PC上位机上能看到有电平变化。 3.2自制调制型红外通信试验 为了实现长距离、高速率的红外通信，我们利用调制解调的机制，做了基于VD5026产生编码信号再利用555定时器产生38KHz调制的红外通信。(要了解更详细的试验内容，可参考附录一)，试验电路图3.2.1所示。 图3.2.1红外调制发射电路试验结论：本次红外试验实现真正意义上的红外通信；通过调制型的红外通信试验可知，利用红外发光管与带解调的红外接收管，运用调制解调的机制，可以实现10m以内的连续数据传输；辅助必要的硬件机制，能够实现可靠的红外通信；红外通信的有效距离与红外数据传输速率、发射管的发射功率、以及单次数据传输时间长短有密切关系；传输速率越低，通信距离越远；单次传输时间越短，则通信距离越远，传输速率越高；通过将长串数据分段简写式传输的方式，可以实现的红外通信的距离越远，数据传输速率越高。 总之，调制可以实现比无调制方式综合性能好得多的红外通信，主要体现在通信的距离更远，数据传输的速率更高，性能更稳定，为本课题的红外通信设计提供了相应的依据。 4 硬件设计计算机系统中，硬件被看作基础，软件被识为灵魂。如果脱离了硬件系统，软件将无所依托，不能运行。由于嵌入式系统具有软硬件可裁减的基本特征，在嵌入式系统中，硬件系统的基础地位尤其突出：硬件系统的确定，直接决定着软件的编写；在嵌入式设计中，要求硬件工程师要有软件设计的思想，就是强调嵌入式设计中硬件与软件的密切相关性。对于指纹遥控器来说，硬件设计的主体是硬件电路的设计。 4.1 总体设计 指纹遥控器要能够实现以下几个基本功能：利用指纹模块识别用户身份，让合法的用户能够进行相应的操作；通过用户的密码进一步确认用户身份，从而让合法的用户能够进行相应的控制操作；能够给用户提供相关的输入接口，并能给用户操作及用户所处的状态给予相应的指示；能够让合法的用户以红外通信的方式向保险柜控制器发送“开门”等高级命令。此外，遥控器的设计还要注意以下几个方面要求：要求系统具有高的可靠性和安全性；要求系统用电池供电，功耗尽量低；要求系统具有小巧的体积，并具有容易操作的界面。 基于MCS-51系列的8位微处理器，通用性能一般都比较出众，能够实现系统要求的控制功能。鉴于上面的要求，设计的系统应包括：电源管理电路，系统时钟电路，指纹模块接口，用户接口包括键盘输入电路与显示指示电路，备用存储电路，红外发射电路，调试接口等。 4.2 功能电路的实现 系统硬件结构确定之后，如何实现各个功能模块电路，成为硬件设计的核心内容。要实现同样的功能，采用不同的电路和模式，其效果并不是完全相同的。如图4.2.1 。按键功能执行电路8位嵌入式微处理器AT89C2051红外接收装置执行功能显示电路EEPROM指纹存储电路(e)8位嵌入式微处理器AT89C2051红外发射装置指纹识别模块按键指示电路按键电路电源管理电路(f)图4.2.1、方案三 (f) 发射模块(e) 接收模块4.2.1电源管理电路的设计 电源需求分析 在指纹遥控器系统中，主要用电设置有：嵌入式微控制器，指纹识别模块（包括功能模块与指纹传感器），红外发射管，其它辅助功能电路等。这些电路或新片需要用到的电源电压均可以用5.0V这一个电压等级，具体需求如下： ·嵌入式微控制器AT89C2051：工作电压为2.7-6V，IO端口：P1和P3口的输出缓冲器可提供20mA的灌电流负载。（P1.0和P1.1需要外接上拉电阻。），最大功率P1.5W； ·指纹识别模块SM-2B：工作电压，5.0V±5%；工作电流，100mA；峰值电流，150mA； ·红外发射管：正向电流，100mA；正向峰值电流，200mA，消耗功率，P210mW； 电源管理电路的实现 图中经电源输入后，经限流电阻R1、整流二极管D1和稳压管Z1提供基本恒定的电压。实际电源管理电路的实现，还应该综合考虑系统的电源功耗上的要求。指纹遥控器的电源管理电路如图4.2.2所示。 图4.2.2 电源管理电路4.2.2 红外发射与接收电路的设计 红外发射电路考虑到通信距离和实际应用，设计基于UART的红外通信的红外发射电路。我们之所以选择基于通用UART红外通信，是因为可以利用通用UART成熟的硬件机制，实现红外数据通信。这种设计模式实际上是红外通信原理与串口通信机制的有机结合。实践证明，这种红外通信模式是可行可靠的。基于通用UART的可靠性设计的电路如图4.2.3所示，图中P3.5为38KHz载波频率输出端，TXD为串口发送口。 图4.2.3 红外发射电路红外接收电路图4.2.4红外接收电路图4.2.4方案使用一体化红外接收器TL0038，集红外接收和放大于一体，不需任何外接元件，就能完成从红外接收到输出与TTL电平兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样。TL0038是黑色环氧聚光透镜，滤除了可见光的干扰。内含红外线PIN接收管、选频放大器和解调器。 当红外线发射器发出的信号经空间传送到TL0038时，它内部的PIN红外线接收管将红外线转换为电信号，该信号经选频放大、解调后由1脚输出与TTL电平兼容的电信号，该信号可以直接送入微处理器进行处理。TL0038的输出波形如图4.2.5所示。当接收到频带内的红外信号时，TL0038接收器会输出低电平，否则数据高电平，从而“将时断时续”的红外信号解调成原来的连续方波信号。 图4.2.5 (a) 已调制红外信号 (b) TL0038输出信号4.2.3 指纹模块接口电路设计 在本方案中，采用的指纹模块为串行传送方式，为了便于电源的管理，我们优选了基于89C2051的中断口INT0作为输入口的UART的通信机制，进行指纹模块的接口设计。整个指纹识别模块的接口如图4.2.6所示。 图4.2.6 指纹接口电路4.2.4 用户接口电路的设计 用户接口包括用户的输入和系统的可观察输出的。在本系统中，主要指用户键盘输入与系统相关指示显示。这是人机交互的平台，在嵌入式系统特别重要。 用户按键电路考虑到用户的需要，同时考虑系统的体积限制，我们设计了“关门”、“开门”、以及两个备用功能选择键。电路设计如图4.2.7所示。图4.2.7 用户按键电路接收显示电路接收电路的显示输出是利用发光二极管来模拟的，当在用户按键电路电路按下相应的按键后，在显示电路中经接收端的89C2051解码后会有相应端口的按键指示灯显示，再经软件定义按键相应属性，就可以得到相应的功能。图4.2.8接收显示电路。图4.2.8 接收显示电路4.2.5 接收端备用存储电路的设计 为了获得用户最有效的信息，并将之用于系统的识别与控制，我们为系统添加了备用基于IIC的EEPROM存储电路。这样的好处有：便于保存指纹遥控的单机序列号，用于控制系统对遥控器的操作给予准确的记录；便于保存用户的密码信息，进一步加强系统的保密性；便于系统的功能扩展与升级。基于IIC的EEPROM的存储电路如图4.2.9。 图4.2.9存储电路4.2.6 其余辅助功能电路的设计 在本系统中，其余辅助功能电路主要指系统时钟电路与系统复位控制电路。这些是系统的必要组成部分，是系统正常工作的前提条件。 考虑到系统的工作特征，我们采用了10.592MHz的晶振进行时钟电路的设计，如图4.2.10所示。复位电路如图4.2.11所示。 图4.2.10 晶振电路