基于STC12 單片機的智能指紋考勤系統設計與實現

牛懷崗，林關成，曹靜

（1.渭南師范學院學報編輯部，陜西渭南 714099；2.渭南師范學院計算機學院，陜西渭南 714099）

人事考勤制度是現代企業管理的重要組成部分，其在提高員工的時間觀念和工作效率，改善企業風貌，提升企業形象等方面發揮著重要的作用。傳統的考勤方式主要包括手工簽到、打卡鐘、IC 卡或磁卡考勤等，存在管理效率較低、統計工作復雜以及代簽或代打卡等問題，耗費了大量人力、物力、財力，存在明顯的不足[1-2]。隨著生物特征識別技術的不斷發展，指紋識別技術也日趨成熟，逐漸成為生物特征識別技術中較為流行的一個分支[3-4]。指紋雖然面積不大，但其蘊含的數據信息量卻相當大，在認證和識別時，能夠做到準確高效而且速度較快[5-6]。由于其識別的高度準確性和使用的方便性，指紋識別技術已經被廣泛應用到安防加密、人事考勤等領域，用以研究開發指紋考勤機、指紋考勤系統等產品。

針對傳統考勤方式的缺點，設計了一種基于光學指紋識別技術的考勤系統，通過STC12C5A60S2單片機和指紋識別模塊采集人員考勤信息，利用上位機實時查看人員考勤狀態，實現了現代企業和事業單位的自動考勤和考勤數據的分析處理，系統具有體積小、準確率高、速度快等優點，節約了考勤時間，提高了考勤效率，可有效防止代人打卡、簽到和遲到早退等現象，提升了企事業單位考勤管理的信息化水平。

1 智能指紋考勤系統總體方案設計

1.1 系統功能需求分析

根據企事業單位考勤工作流程，智能指紋考勤系統首先需要通過上位機注冊或者刪除指紋，實現對工號、姓名、部門等人員信息和對應指紋的錄入和保存，然后采用光學指紋模塊，進行指紋識別打卡簽到。系統下位機將識別成功的指紋信息保存后，通過USB 轉TTL 接口將人員的考勤簽到信息發送到上位機，實現與上位機的數據通信與傳輸顯示。系統上位機可設定上、下班時間，保存簽到記錄和人員姓名、打卡時間及打卡狀態等考勤數據信息，還可控制下位機播放音頻文件，進行語音播報提示。同時，通過上位機可根據人員姓名和打卡時間，查詢員工的考勤記錄。如果遇到重名的員工，還可以進行標記區分，打卡時間精確到秒。

1.2 系統方案設計與選型

根據上述系統功能需求，以單片機作為中央處理芯片，智能指紋考勤系統主要由電源供電模塊、按鍵操作模塊、指紋采集與識別模塊、USB 轉TTL 通信模塊和語音播報模塊等組成，系統總體設計方案如圖1 所示。

圖1 系統總體設計方案

1.2.1 單片機選型

MSP430 單片機是16 位高性能單片機，其內部具有精簡指令集，作為一種混合信號處理器，可以根據實際需求把數字電路、模擬電路和微處理器都集成到一個單片機芯片上，外部IO 資源較為豐富，能夠實現高速運算，但是在編程上卻較為復雜。STC12C5A60S2 系列單片機是單時鐘/機器周期(1T)單片機，具有速度高、功耗低和超強抗干擾等特點，指令代碼完全兼容傳統8051 系列單片機，而且運行速度是傳統8051 單片機的8～12 倍，其內部集成MAX810 專用復位電路以及2 路PWM 和8 路高速(250 kB/s)10 位A/D 轉換電路[7]。

通過對比MSP430 單片機與STC12C5A60S2 單片機，它們的處理速度和性能都能夠滿足系統設計要求，但是MSP430 編程復雜。因此，綜合考慮系統功能需求、編程難易程度以及性價比等因素，智能指紋考勤系統選擇STC12C5A60S2 單片機。

1.2.2 語音模塊選型

ISD4004 語音模塊是一款低功耗的錄放音模塊，可以對多段語音信息進行處理，其內置串行通信接口可以與單片機直接相連，但是該模塊的編程較為復雜，且播放音質較低；MY1690-16S 是由串口控制的插卡語音芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼，也可外接U 盤或USB 數據線播放音頻文件。用戶可以存入不同的音頻文件，作為小型的MP3 使用。該模塊連接外置喇叭后語音內容可外放，功率約為3 W，是一款高性價比的語音模塊。

性能對比分析可知，ISD4004 語音模塊編程復雜，且價格偏高；MY1690 語音模塊使用方便，價格低廉。綜合考量制作性價比以及使用便捷性等方面，智能指紋考勤系統選擇MY1690 語音模塊。

2 智能指紋考勤系統硬件電路設計

2.1 主控模塊電路設計

根據總體設計方案要求，系統主控模塊選用STC12C5A60S2 單片機，該型單片機性能穩定、通用性強、成本低廉、功耗低，具有較強的抗干擾能力和較高的可靠性，其指令集完全兼容8051 系列單片機，儲存空間可達61 kB，便于儲存較大的程序[8]。STC12C5A60S2 最小系統包括晶振電路、復位電路和供電電源。晶振電路由一個晶體振蕩器和兩個電容組成，可產生單片機工作時所必需的時鐘頻率信號，時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快，該設計中晶振選用頻率為11.059 2 MHz，電容容量選為30 pF。復位電路由電阻和電容串聯構成，系統上電或按下復位鍵時對電容進行充放電，在電阻上出現電壓，使得單片機復位；松開復位鍵或電容充滿后，電阻上電流和電壓均下降為0，使得單片機進入工作狀態，系統中的傳感器處于確定的初始狀態，并從該初始狀態開始運行。供電電源的工作電壓范圍為3.3～5 V，從直流穩壓電源獲取5 V 直流電壓，按下開關鍵可實現對系統的開啟與關閉。

2.2 按鍵電路設計

該文設計采用兩個獨立按鍵作為考勤打卡按鍵。在打卡前按下開啟鍵打開指紋識別模塊，然后進行指紋識別，識別結束后按下結束鍵關閉指紋識別模塊。獨立按鍵的工作原理：當按鍵被按下后，將拉低對應I/O 端口的電平，此時電路與GND 導通，單片機通過按鍵掃描程序可以讀取所對應I/O 端口的電平狀態[5]。因此，只要通過檢測單片機I/O 端口的電平狀態即可判斷按鍵的開關狀態，從而判斷是哪個按鍵被按下，進而實現相應的按鍵功能。

2.3 語音播報電路設計

該文設計采用MY1690-I2P 語音模塊播報提示音，通過上位機可設定上班時間和下班時間，控制下位機音頻文件的播放，在遲到或早退時如有人打卡，可播報語音提示：“早上好，您已遲到或者您已早退，再見”，實現對考勤結果的提醒。MY1690-I2P 語音模塊通過串口的方式與單片機連接并進行通信，通過讀取模塊中TF 卡所存儲的語音，實現語音信息播報。在與單片機連接的電路中，MY1690 模塊中所用到的引腳為RX 引腳、5V 引腳、GND 引腳以及SK1、SK2 引腳。模塊的RX 引腳為異步串口的輸入引腳，連接單片機的P3.1 口，實現與單片機的數據傳輸；GND 引腳接地，5 V 引腳連接電源，而SK1 和SK2 引腳為外界無源喇叭的連接引腳。MY1690-I2P 語音播報電路如圖2 所示。

圖2 MY1690語音播報電路

2.4 指紋模塊電路設計

系統設計采用ATK-AS608 高性能光學指紋模塊電路，其芯片內置了DSP 運算單元，同時將指紋識別算法集成于模塊內部，可高效快速地采集識別指紋信息。通過串口方式與單片機的電路連接，簡單易用。ATK-AS608 指紋模塊的VCC 端為模塊的電源輸入端，由于ATK-AS608 指紋模塊采用3.3 V 電源供電，而智能指紋考勤系統采用5 V 電源供電，其間需要增加AMS1117 降壓模塊，將系統供電電壓5 V 轉換為指紋模塊電路所需的工作電壓3.3 V，TXD引腳與RXD 引腳分別為串行數據的輸出引腳和輸入引腳，分別連接單片機的數據輸出口P1.2 和數據輸入口P1.3，與單片機之間通過串口的方式實現數據的相互傳輸，單片機通過串口對指紋模塊進行控制[9-10]。VCC 端與GND端連接AMS1117降壓模塊，然后再分別連接系統的電源端和接地端。ATKAS608 指紋模塊電路設計如圖3 所示。

圖3 ATK-AS608指紋模塊電路

2.5 通信電路設計

系統上位機采用Visual Studio 2019 進行開發，目前大多數PC 端無串口，僅有USB 端口，因此，系統與上位機之間采用USB 轉TTL 串口的方式與單片機實現通信。STC125A60S2 單片機具有雙串口，設計中采用CH340 芯片實現USB 轉TTL 接口電路設計，將CH340 芯片的TXD 引腳與RXD 引腳分別連接到單片機的數據輸出口P3.0 和數據輸入口P3.1，通過USB 線連接電腦的USB 接口后即可實現系統與PC端之間的數據傳輸，為指紋模塊的連接和通信電路的設計提供了便利。

3 智能指紋考勤系統軟件設計

智能指紋考勤系統上位機軟件主要由通信模塊和數據查詢模塊等組成。通信模塊主要實現與下位機建立通信、斷開通信、接收數據和發送數據等功能[11]。軟件啟動后將自動掃描上位機PC 可用的通信端口，然后添加到下拉列表框中以供選擇，選擇好相應的通信端口后，點擊“打開”按鈕，軟件便會打開選定的端口與下位機建立通信連接。如果通信端口打開正常，則會顯示串口名稱。數據查詢模塊用于查詢考勤記錄的編號、時間和打卡狀態信息。軟件打開時默認顯示所有歷史數據，如果數據過多，可通過時間段進行查詢。查詢時間段時需要輸入開始時間和結束時間，用鼠標直接點擊輸入框會彈出時間選擇界面，鼠標雙擊后，可以使用鍵盤輸入相應的開始時間和結束時間，通過開始時間和結束時間以數據表格呈現方式快速精準查詢考勤數據[12-13]。

3.1 主程序設計

系統上電后，主程序首先對串口進行初始化，在上位機考勤信息錄入界面輸入個人信息后，通過指紋模塊錄入指紋圖像并存入指紋庫中，完成指紋注冊過程。然后利用按鍵讀取輸入的考勤打卡指紋，調用指紋庫，通過指紋模塊對所輸入的考勤指紋進行識別匹配。如果指紋匹配不成功，警示燈亮一次后蜂鳴器響三聲進行報警，提示重新輸入指紋后識別；若指紋匹配成功，則提示考勤打卡成功，單片機將采集的數據發送到上位機[14-15]。系統主程序設計流程如圖4 所示。

圖4 主程序設計流程

3.2 指紋錄入程序設計

系統初始化后，按下考勤開啟鍵使指紋模塊處于指紋錄入狀態，當指紋模塊采集到指紋圖像信息時，需要兩次錄入指紋才能生成特征指令并存儲到指紋信息庫，其具體運行過程為：指紋模塊內置DSP 單元發送取圖像指令，等待接收應答包。當DSP單元讀取到指紋圖像信息時，發送生成特征指令，等待接收應答包；再次發送取圖像指令及發送生成特征指令，結束判斷后輸入存儲ID，等待接收應答包后完成指紋的錄入。指紋模塊的錄入程序設計流程如圖5所示。

圖5 指紋錄入程序設計流程

3.3 指紋考勤程序設計

系統在進行指紋考勤時，指紋模塊中接收到讀取觸摸感應狀態，指紋模塊內置DSP單元發送讀取圖像指令，等待接收應答包；當DSP 單元讀取到指紋圖像信息時，會生成指紋特征信息并發送特征指令，等待接收應答包后發送搜索指令，在指紋信息庫中提取檢索到的指紋并顯示指紋信息，為后續指紋識別匹配提供數據[16]。指紋考勤程序設計流程如圖6 所示。

圖6 指紋考勤程序設計流程

4 智能指紋考勤系統調試與功能測試

智能考勤系統軟件部分主要由單片機程序和上位機軟件及輔助程序等構成。系統軟件調試主要是對系統各部分功能代碼和性能進行測試。首先，利用Keil μVision 自帶的斷點調試工具對單片機部分的軟件程序及流程進行調試，程序編寫完成后可進入編譯器中檢查代碼編寫是否有錯誤，如果檢查出錯誤可進行更改然后再次編譯程序。如果程序編譯失敗，可進入斷點調試，在斷點調試的工具欄中逐行對程序進行調試。斷點調試完成后，可點擊編譯按鈕對程序重新進行編譯。完成程序調試后即可生成HEX 鏡像文件，將鏡像文件燒錄進單片機即可進行下一步測試。然后，按照系統功能模塊劃分，對上位機程序部分的每項功能逐一進行測試，發現錯誤調整修改，直至全部完成功能和性能測試。

智能考勤系統硬件部分主要由指紋模塊、MY1690 語音模塊、獨立按鍵、5 V 轉3.3 V 電源模塊、ATK-AS608 指紋模塊、AMS1117 降壓模塊以及LED指示燈、三極管、蜂鳴器、電容、電阻等器件連接組成。系統硬件的調試主要是對系統各電路模塊的調試。首先，根據軟件的引腳定義與單片機的IO 端口進行連接，正確區分模塊引腳連接的正負極，確保傳感器的引腳連接無誤。其次，在電路的焊接與連接中，需要確定元器件是否焊接良好，確保不存在虛焊。然后，調試單片機與上位機的通信端口，確保串口選擇正確。最后，對系統進行軟硬件聯合調試，實現預期的設計功能。

5 結束語

該文提出了基于單片機的智能指紋考勤系統的總體設計方案，通過STC12 單片機和指紋識別模塊采集考勤信息，利用上位機實時查看考勤狀態，實現了企事業單位的自動考勤和考勤數據的分析處理。智能考勤系統體積小、準確性高、速度快、節省了考勤時間，提高了考勤效率，可有效防止代人打卡、簽到和遲到早退等現象，提升了企事業單位考勤管理的信息化水平，具有較好的實用推廣價值。