基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院通信與信息工程學(xué)院　陳　贊　陳　燕　李　楊

基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院通信與信息工程學(xué)院陳贊陳燕李楊

本文概述了基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，并分析指紋模塊。應(yīng)用STC89C52指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的指紋識(shí)別硬件電路，形成一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和指紋模塊之間的串口通信。通過(guò)操作獨(dú)立式鍵盤按鍵；向指紋模塊的DSP芯片發(fā)送相應(yīng)指令；從而執(zhí)行添加用戶、刪除指定用戶、刪除全部用戶、認(rèn)證用戶；以及管理用戶權(quán)限等功能。

生物識(shí)別技術(shù)；指紋識(shí)別；串口通信；單片機(jī)

0　引言

如今，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在讓社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)；也讓傳統(tǒng)的安全管理系統(tǒng)受到威脅。此外，基于指紋識(shí)別的員工考勤系統(tǒng)能夠徹底解決代打卡問(wèn)題，由此，提高了考勤數(shù)據(jù)的真實(shí)性，便于管理。鑒于此，我們萌生了研究指紋簽到系統(tǒng)的想法，并寫此文簡(jiǎn)述指紋簽到系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

采用STC89C52為系統(tǒng)的主控芯片，單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)主要涉及到外部晶振電路、復(fù)位電路、電源電路、按鍵控制電路以及指紋模塊電路的設(shè)計(jì)。

2　硬件設(shè)計(jì)

STC89C52（主控芯片），片內(nèi)具有12k字節(jié)的Flash閃速存儲(chǔ)器、1024字節(jié)的內(nèi)部RAM以及2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷向量，32個(gè)I/O口線，同時(shí)片內(nèi)置有一個(gè)全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。

圖1　STC89C52引腳圖

2.1外部晶振電路的設(shè)計(jì)

由于STC89C52內(nèi)部的高增益反相放大器能夠構(gòu)成振蕩器，所以通過(guò)XTAL1，ATAL2外部接上一片作為反饋元件的晶體，與C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，使其構(gòu)成自激振蕩器，具體的接法如圖2所示。

圖2　外部晶振電路

圖3　復(fù)位電路

在本次項(xiàng)目中，我們選用11.0592MHZ的晶振，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為了避免找不到信號(hào)，晶振不能離單片機(jī)太遠(yuǎn)。

2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的自動(dòng)復(fù)位電路如圖3所示。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端加上兩個(gè)機(jī)器周期及以上的高電平，就能使單片機(jī)有效復(fù)位。

2.3電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的5V電源主要采用兩種方法，第一是直接用9V電池然后通過(guò)一個(gè)變壓電路，利用7805將轉(zhuǎn)化成5V供單片機(jī)和液晶顯示部分使用；其二是用220V通過(guò)變壓器等將其轉(zhuǎn)化成5V。

兩種方法都可以，但是由于第一種方法便于攜帶、而且成本相對(duì)較低所以我們選用第一種方案。

圖4　電源電路

2.4按鍵電路設(shè)計(jì)

多數(shù)情況下，我們利用高低電平反應(yīng)按鍵的閉合與斷開(kāi)，即高電平表示斷開(kāi)，低電平表示閉合。由于實(shí)際操作中存在干擾信號(hào)，并且要確保CPU對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，所以我們應(yīng)當(dāng)采取措施以消除電平抖動(dòng)。由于本系統(tǒng)中按鍵較多，可采用軟件消抖。

本次將鍵盤設(shè)計(jì)成4*4矩陣形式鍵盤，共16個(gè)按鍵，其中包括10個(gè)數(shù)字鍵，1個(gè)確認(rèn)鍵，1個(gè)消除鍵，1個(gè)簽到鍵，1個(gè)時(shí)間修改鍵，1個(gè)指紋錄入鍵，1個(gè)指紋刪除鍵。

2.5指紋模塊電路

指紋模塊主要是里面的DSP芯片，加上外面的CMOS芯片。CMOS芯片主要是對(duì)指紋進(jìn)行采集，生成指紋特征。具體的工作過(guò)程是：掃描指紋（錄入圖像）、生成特征、合成模板（建立一個(gè)指紋庫(kù)文件，成功錄入一個(gè)指紋）。指紋模塊電路如圖7所示：

圖5　指紋模塊電路

指紋模塊就是“照一次相”，指紋模塊里面的CMOS芯片采集一次指紋信息，然后進(jìn)行模糊處理生成0和1兩種記錄信息，存入指紋模塊的FLASH芯片里面。

當(dāng)切換到識(shí)別模式的時(shí)候，指紋模塊就會(huì)先讓CMOS芯片采集一次指紋，然后和FLASH芯片的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。看是不是存在，如果存在就能返回是幾號(hào)指紋。這樣我們就能通過(guò)單片機(jī)或者電腦進(jìn)行指紋識(shí)別與登記了。

3　指紋模塊分析

我們進(jìn)行指紋模塊的操作是通過(guò)單片機(jī)的串口發(fā)送與接收命令完成的。我們先通過(guò)串口給指紋模塊發(fā)送命令，然后等待指紋模塊傳回?cái)?shù)據(jù)。再通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，從而判斷命令有沒(méi)有執(zhí)行。指紋模塊的算法是自帶的，所以我們只需要從指紋模塊的用戶手冊(cè)當(dāng)中選取相關(guān)的命令進(jìn)行組合。PS_GetImage命令旨在探測(cè)用戶手指，探測(cè)到后錄入指紋圖像存于ImageBuffer。再由PS_GenChar命令將ImageBuffer中的原始圖像生成指紋特征文件存于CharBuffer1或者CharBuffer2中，繼而PS_RegModel命令會(huì)將CharBuffer1與CharBuffer2中的特征文件合并生成模版，結(jié)果存于CharBuffer1與CharBuffer2。將CharBuffer1或者CharBuffer2中的模版文件存到PageID號(hào)flash數(shù)據(jù)庫(kù)位置時(shí)執(zhí)行PS_StoreChar命令。即生成指紋模塊大致需要進(jìn)行如下四個(gè)命令：錄入圖像（PS_GetImage）、生成特征（PS_GenChar）、合成指紋模塊（PS_RegModel）、存儲(chǔ)指紋模版（PS_StoreChar）。經(jīng)過(guò)這四個(gè)步驟與命令，我們就錄入了一個(gè)指紋，重復(fù)以上步驟，我們可以再錄入其它指紋。

4　項(xiàng)目成果

經(jīng)過(guò)一年的實(shí)踐，基于單片機(jī)的指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制工作已基本完成。完成了該系統(tǒng)從方案選擇，器件挑選、原理圖設(shè)計(jì)、板圖設(shè)計(jì)到元器件焊接、軟件及硬件調(diào)試等所有工作。能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能：通過(guò)指紋采集模塊采集考勤者的指紋，比對(duì)、識(shí)別后通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理，確保錄入指紋的唯一性，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)考勤數(shù)據(jù)的一鍵刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文研究的是基于單片機(jī)的指紋簽到考勤模塊的設(shè)計(jì)，從實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)，說(shuō)明了選擇指紋模塊這一領(lǐng)域的重要意義，然后介紹了其模塊的一些基本特性，并根據(jù)多種算法進(jìn)行研究實(shí)現(xiàn)。其次是本文的硬件電路設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)用了模塊式的設(shè)計(jì)方法，所以硬件電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單。最后是本文的軟件設(shè)計(jì)部分，優(yōu)先考慮C語(yǔ)言，從整體考慮，再進(jìn)行分支設(shè)計(jì)。由于時(shí)間的限制，沒(méi)有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

［1］龍占超，蔡超.一種新的指紋細(xì)化算法［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007（03）.

［2］于秀霞.指紋識(shí)別技術(shù)在身份認(rèn)證系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代情報(bào)，2005（05）.

［3］彭曙蓉，王耀南.一種基于指紋識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)考勤系統(tǒng)［J］.長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（02）.

［4］薛亞許，陳金玉.學(xué)校指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011（01）.

陳贊（1995—），江蘇東臺(tái)人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院。

陳燕（1993—），江蘇南京人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院。

李楊（1994—），江蘇徐州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院。

項(xiàng)目來(lái)源：2015年江蘇省大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目省級(jí)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201513989019X）。