一款指紋識別式打卡系統硬件電路設計

田興元　張華

摘 要：為改變公司考核手段，降低考核人員的工作難度，提高效率，該文設計了一款基于指紋識別技術的考核系統。該文主要涉及了硬件電路設計，采用MSP430單片機為控制部件，設計了電源電路、指紋輸入模塊、顯示及語音提示電路等，軟件部分采用iar軟件進行編譯。試驗結果表明，該系統能夠通過指紋識別實現人員考核。

關鍵詞：考勤 指紋識別 MSP430 語音播報

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0099-03

公司對員工考核有多種方式，包括年終考核，季度考核，日?？己说?。目前已經和某公司合作，對研發部員工進行了打卡考核，但這種方式由于費用等問題，不太適合對其他員工。而其他員工的日?？己?，目前采用的是人工檢查方法，工作量大，效果不佳，執行難度大，因此，急需引進或開發一種智能化，且易于考核的系統。該系統應該具有以下基本功能：每個員工具有唯一識別代碼或者唯一識別符號；每天上班之后，無法打卡，下班之前，無法打卡；未打卡員工名單可被記錄下；系統能夠記錄足夠量的員工數，可增加或刪除員工數目。

指紋指手指末端正面皮膚上凸凹不平產生紋線，指紋細節特征點是指紋線的起點、結合點、分叉點和終點指紋是人體獨一無二，有終身不變的特征，掃描速度快，使用方便，指紋采集頭今后更加小型化，價格會更加低廉。指紋識別技術過去應用于刑偵系統，逐漸走向民用市場[1-2]。常用的指紋采集器有光學式、硅芯片式、超聲波式。光學指紋采集器是最早的，也是最為普遍的。硅芯片式出現于20世紀90年代末[3]。

1 系統功能及框圖設計

公司除研發部員工外，主要需要日?？己说膯T工包括工程部、測試部等，不考慮車間工人，日?？己藛T工人數在100人以內，常見的指紋識別模塊都能滿足基本要求，考慮可擴展性及單位考核人數需求，需選取指紋識別模塊的內存存儲大于200，最好能達到500個存儲值以上。（見圖1）

打卡系統功能應包括存儲指紋、讀取指紋、打卡關閉、打卡打開以及指紋的添加和刪除等基本功能，除此之外，還應該包含顯示打卡人的姓名、部門、語音提示打卡成功、鍵盤輸入等。鍵盤部分負責信息的輸入，控制指紋模塊信息輸入和輸出，供電部分主要提供系統的不同電源需求。

2 電路模塊選擇和設計

2.1 指紋識別模塊選擇

指紋識別模塊是系統的輸入部分，其精度和識別速率影響到使用時的快速和準確性，此設計中選擇一款性能較高的指紋模塊，而不進行單獨設計。指紋識別中、指紋庫、指紋采集、指紋識別、指紋比對，都是一個較為復雜的環節，需要用到圖像識別、處理等技術，并且指紋識別技術已經趨向成熟，單獨設計一款識別系統不見得比現有的識別模塊更有優勢。指紋識別模塊種類繁多，此設計采用Arduino模塊，原因在于：模塊使用方便，只要帶有串口的單片機都可以使用，包括常見的51系統、msp430、avr單片機、pic、嵌入式單片機等；模塊自身采用光學指紋傳感器、高速dsp處理器以及超大容量的falsh芯片；指紋錄入時間小于0.5 s；工作電流小于65 mA；存儲量達1 000枚；搜索時間小于1 s；認假率為0.001%；工作溫度在-20℃至+60℃之間；優勢明顯，完全符號公司對模塊的要求。

2.2 控制單元

此設計主要面向公司的指紋打卡系統，功能比較簡單，只需要調用串口模塊，能夠按鍵操作，能夠顯示字符和語音提示等基本功能，一般來說，8051系列單片機已經能夠滿足這些基本要求，考慮到8051單片機自身的處理速度和容量等限制，對于系統響應及存儲上存在一定限制，且此系統必須考慮未來升級的可能性，因此系統控制中心必須選擇功能強大的單片機，可選單片機包括msp430、stm32、avr等系列單片機，綜合考慮，此系統采用MSP430系列單片機[4]。根據MSP430使用手冊說明，該單片機工作，除了基本供電之外，還必須在單片機外圍配備基本的電阻、電容等元件，實現芯片上電啟動、復位等基本功能，根據芯片使用說明，配置單片機最小系統如圖2所示。

2.3 供電電源電路設計

系統控制中心單片機取用的是直流電壓，而供電系統一般是從三相電上直接獲取，取電方式是購置一款交直流轉換器，已經有成熟產品，可將220V交流電變化成直流5 V、12 V等，考慮通用性，選擇一款5 V電源，給系統供電，其中交流電及其轉換電路一直處于供電狀態，除非公司停電。另，所選單片機的電壓需要3.3 V，而指紋識別和顯示模塊取電方式可以從單片機獲得，也可以從直流電源獲得，因此系統保留5 V直流電壓端口，另外需要一個3.3 V直流電壓，該電壓可從5 V直流電獲得。市面上，已經有許多直流電壓升壓和降壓模塊，此設計中采用降壓芯片AMS1117-3.3，根據該模塊的使用說明，只需要在輸入端口、輸出端口加載一個電容，大小為0.1μF，輸出端即可得到穩定電壓，如圖3所示。

2.4 指令輸入模塊

對指紋識別模塊的操作一般可用符號鍵盤，小鍵盤或按鍵組合鍵盤以及觸摸屏等控制，考慮到此系統實際操作中，一般只有技術人員接觸到鍵盤并設置，考慮開發成本及功能實現難以程度，此系統采用常規按鍵控制模式。對指紋識別模塊進行操作，根據使用說明，一般可通過串口對其進行間接控制，在單片機外圍接入一個鍵盤模塊即可，系統具有刪除指紋、添加指紋、啟動系統、關閉系統、顯示和語音播報等功能，因此鍵盤模塊可采用按鍵實現，分別設計一個啟動按鈕、停止按鈕，用于控制系統的整體開啟和關閉；設計一個功能鍵，用于選擇添加指紋還是刪除指紋，并復用向上、向下翻頁功能；設計一個功能鍵，用于確定剛剛選擇的功能以及返回上層菜單功能。根據系統功能，只要4個普通按鍵即可，如圖4所示。

2.5 顯示模塊及語音播報模塊

當員工按下指紋時，系統必須給打卡員工一個反饋，此系統考慮采用語音及圖片顯示雙模式，頻幕主要顯示員工的姓名、部門和身份識別號碼等信息；語音一般提示“打卡成功”或者“歡迎上班”， “下班平安”或者“感謝您為本公司做出貢獻”等語句[5]?？紤]到人的視覺效果及感受，顯示屏選擇7寸屏，型號為群創AT070TN92，該屏采用鍍厚金插針，不易氧化，穩定性能好，并具有觸摸功能，盡管此系統暫不采用觸摸式，但考慮系統升級的可能性，在屏幕選取上保留了升級余地，該彩屏的驅動模塊采用是的RA8875芯片，驅動芯片及彩屏已經被連接成一體，實物圖背面連接如圖5所示。

語音模塊選擇的是ISD1820模塊，該模塊具有8～20 s單段錄音時間，考慮本設備僅僅供于短暫語音提示功能，時長已經足夠，且該芯片為成熟芯片，僅需要在外圍添加一些控制按鈕及輸入咪頭和輸出喇叭即可，大大降低系統的設計難度，咪頭和喇叭選取常規型號即可。雙排直插式芯片如圖6所示。

3 調試

此設計采用的是IAR軟件進行編譯，有單片機自帶的JTAG下載口，下載到FLASH存儲器里， IAR軟件可通過JTAG接口讀取單片機內信息，實時監測單片機上運行的程序，實現在線仿真。IAR采用結構化、模塊化設計方法，每個模塊完成一個特定功能，主要由初始化程序、主程序、子程序等組成，通過軟件編程實現系統的數據處理、存儲、顯示等操作。

調試中，先檢查模塊及主板連線，接著測試各個子程序，通過LED燈的亮滅來確認是否成功，如果有錯誤，則進行相應的程序修改，最后下載到硬件電路上進行觀察驗證。

4 結語

文章采用以MSP430為核心，設計出各硬件電路，為公司考核做好硬件準備。通過設計，解決了公司考核的難題，用智能化的手段代替了人工繁瑣的考核方式。此方案和實踐的探索也可為其他同類公司或單位提供一種有益的嘗試。

參考文獻

[1] 王崇文，李見為，鄭治偉，等.一種基于點模式匹配的指紋識別方法[J].重慶大學學報：自然科學版，2002，25（6）：27-31.

[2] 夏文忠.指紋識別在普通話考試系統中的應用[J].電腦知識與技術，2015，11（17）.

[3] 黃果.基于指紋識別技術的網絡考勤系統設計[J].福建電腦， 2015，31（9）：123.

[4] 楊平，王威.MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術，2008，27（12）：48-50.

[5] 王虎升，李金環，袁憲鋒，等.基于STM32的嵌入式語音播報系統的設計[J].北京聯合大學學報：自然科學版，2011，25（3）：11-15.