基于单片机的指纹识别系统设计(硬件).doc

1 基于单片机的指纹识别系统设计 硬件 基于单片机的指纹识别系统设计 硬件 摘要摘要 随着科学技术的飞速发展 传统的安全系统的安全性越来越脆弱 自动指 纹识别技术集保密性强 差错率低等优点 已经广泛的应用到需要身份认证的 各种领域 本文简述了指纹和指纹识别系统 并在此基础上重点研究了基于单 片机的指纹识别系统的硬件设计和制作 系统采用的是增强型 51 单片机 STC12C5A60S2 作为主控芯片 而 FM 180 指纹识别模块作为指纹采集和处理的 核心 通过二者的通信完成对指纹的采集 录入 提取特征值 比对等功能 设计表明通过简单的原理能够实现指纹识别相关功能 加深了我们对指纹识别 原理的理解 和对单片机的应用 关键词 关键词 指纹识别 STC12C5A60S2 FM 180 硬件 2 Design being based on Single chip Fingerprint Identification System hardware Abstract With the rapid development of science and technology the safety of traditional security system become more and more weak and the automatic fingerprint recognition technology is superior in confidentiality and error rate Therefore the automatic fingerprint recognition technology has been widely applied to those kinds of area where need identification This article illustrates the fingerprints and fingerprint identification system and on this basis we focus on the hardware design and the fabrication of the fingerprint identification system The System employs the enhanced 51 MCU STC12C5A60S2 as the main control chip and the FM 180 fingerprint module as the core of the fingerprint collection and processing By the communication of MCU and FM 180 it could finish fingerprint s acquisition entry extraction for feature values contrast and so on The design shows the fingerprint identification can be achieved by a simple principle and thus we deepen our comprehension of the principle of fingerprint identification and understand the application of the single chip fingerprint identification system Key Words Fingerprint identification STC12C5A60S2 FM 180 hardware 3 目目 录录 论文总页数 34 页 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 生物识别技术概述 1 1 3 指纹识别技术概述 2 1 4 指纹识别研究现状 3 1 5 论文内容安排 4 第 2 章 指纹识别基本原理 4 2 1 指纹学的基本知识 4 2 1 1 指纹的形成 4 2 1 2 指纹的相关概念 5 2 2 自动指纹识别原理 7 2 3 指纹识别系统 8 2 3 1 指纹采集 8 2 3 2 图像处理 9 2 3 3 特征提取 9 2 3 4 指纹匹配 10 第 3 章 指纹识别系统硬件设计 10 3 1 相关器件介绍 10 3 1 1 STC12C5A60S2 的结构与特点 10 3 1 2 指纹识别模块 FM 180 13 3 1 3 12864 液晶显示器介绍 15 3 2 功能描述 16 3 3 系统硬件概述 17 3 4 方案设计 17 3 6 通讯协议 19 3 6 1 单片机和 FM180 的通信 19 3 6 2 单片机和 PC 机的通信 20 3 7 硬件电路设计 21 4 3 7 1 最小系统电路 22 3 7 2 功能选择电路 22 3 7 3 模式指示灯 23 3 7 3 液晶显示驱动电路 23 3 7 4 蜂鸣器驱动电路 24 3 7 5 串口电路 24 第 4 章 硬件电路制作和调试 26 4 1 绘制 PCB 板 26 4 1 1 布局要求 26 4 1 2 布线要求 26 4 2 制作和调试 26 第 5 章 总 结 27 参考文献 29 致 谢 31 附 录 一 33 附 录 二 34 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 课题的背景和意义课题的背景和意义 随着科学技术的不断发展 我们的生活中常常需要身份确认 信息时代我 们每个人都拥有大量的认证密码 比方说银行密码 开机密码 手机密码 开 机密码等等 而我们大多数人则喜欢采用配备各种钥匙 保险柜 防盗报警等 传统安全系统 社会的进步 促使传统的安全系统越来越脆弱 生物识别技术 开始走进安全系统 指纹识别作为生物识别的一种已经获得了广泛的应用 指 纹特征是人终生不变的特征之一 并且每个人的指纹是不同的 可以说指纹是 一个人身份的标识 指纹含有天然的密码信息 其具有作为密码信息必须具备 的三个重要性质 广泛性 每个人都有自己的指纹 很普遍 唯一性 人与人之间的指纹是不同 可以作为身份的识别 终生不变性 1 非意外事故发生终身不变 指纹识别技术相对于其他识别方法有许多独到之处 具有很高的实用性和 可行性 由于指纹识别技术的广泛应用 人们对它的研究也日趋成熟 所以了 解指纹识原理 懂得如何设计指纹识别系统显得很有必要 由于本系统采用的是单片机作为主控 MCU 所以在实时性 扩展性上受到 了极大的限制 但是也有它自身的突出的优点和意义 那就是以最简单的 处 理数据能低的 MCU 完成了指纹识别系统应该具备功能 这对于我更好的理解 指纹识别原理和单片机结构功能很有帮助 这也是选题的意义所在 1 2 生物识别技术概述生物识别技术概述 所谓生物识别技术 2 就是 通过计算机与光学 声学 生物传感器和生物 统计学原理等高科技手段 利用人体固有的生理特性 如指纹 脸象 红膜等 和行为特征 如笔迹 声音 步态等 来进行个人身份的鉴定 由于人体特征 具有人所固有的不可复制的唯一性 这一生物密钥无法复制 失窃或被遗忘 利用生物识别技术进行身份认定 安全 可靠 准确 目前已经出现了许多生 物识别技术 如指纹识别 手掌几何学识别 3 虹膜识别 3 视网膜识别 3 面部识别 签名识别 声音识别等 但其中一部分技术含量高的生物识别手段 还处于实验阶段 我们相信随着科学技术的飞速进步 将有越来越多的生物识 别技术应用到实际生活中 指纹识别 指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线 纹 线有规律的排列形成不同的纹型 纹线的起点 终点 结合点和分叉点 称为 指纹的细节特征点 指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别 由于每个人的指纹不同 就是同一人的十指之间 指纹也有明显区别 因此指 纹可用于身份鉴定 2 手掌几何学识别 手掌几何学识别就是通过测量使用者的手掌和手指的 物理特征来进行识别 高级的产品还可以识别三维图像 静脉识别静脉识别系统就是首先通过静脉识别仪获得个人静脉分布 图 从静脉分布图依据专用比对算法提取特征值 通过红外线 CMOS 摄像头获取 手指静脉 手掌静脉 手背静脉的图像 将静脉的数字图像存贮在计算机系统 中 将特征值存储 静脉比对时 实时采取静脉图 提取特征值 运用先进的 滤波 图像二值化 细化手段对数字图像提取特征 同存储在主机中静脉特征 值比对 采用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配 从而对个人进行身份鉴定 确认身份 全过程采用非接触式 虹膜识别虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区 域 在红外光下呈现出丰富的纹理信息 如斑点 条纹 细丝 冠状 隐窝等 细节特征 虹膜识别通过对比虹膜图像特征之间的相似性来确定人们的身份 其核心是使用模式识别 图像处理等方法对人眼睛的虹膜特征进行描述和匹配 从而实现自动的个人身份认证 视网膜识别视网膜是眼睛底部的血液细胞层 视网膜扫描是采用低密 度的红外线去捕捉视网膜的独特特征 血液细胞的唯一模式就因此被捕捉下来 视网膜识别的优点就在于它是一种极其固定的生物特征 不可能受到磨损 老 化等影响 因为视网膜是不可见的 故而不会被伪造 1 3 指纹识别技术概述指纹识别技术概述 人手的指纹即为手指皮肤上的花纹 它是人的一种生物特征 该特征具有 独特的性质 在指纹识别技术中的指纹 fingerprint 确切地说应该称作指印 即人手指的按印 如图1 图1 指纹 19世纪初 科学研究发现指纹的两个重要特征 一是两个不同手指的指纹 纹脊不同 二是指纹纹脊的样式终生不变性 1 这一研究发现使得指纹正式在 犯罪鉴别中得以应用 到了20世纪60年代 由于计算机技术的发展 人们开始 研究利用计算机来处理指纹 从那时起自动指纹识别系统AFIS Automated 3 Fingerprint Identification System 在法律方面的研究和应用在许多国家展开 20世 纪80年代 个人电脑 光学采集技术的发展 使他们成为取像的工具 从而使 指纹识别在其他领域得以应用 比如代替IC卡 90年代后期 低价位取像设备 的引入及其飞速发展 可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供 了舞台 21世纪 指纹识别技术已经基本成熟 研究方向也开始转向最求高效 快速的指纹算法 相对于其他身份鉴定技术 指纹识别技术之所以优于其他身份鉴定技术而 被广泛采用的原因是指纹具有以下基本性质 4 1 指纹是独一无二的 两人之间不存在着相同的指纹 2 指纹是相当固定的 不会随年龄 健康状况的变化而改变 3 指纹样本易于采集 难以伪造 便于开发 实用性强 4 每个人十指的指纹皆不相同 可以利用多个指纹构成多重口令 提高系 统的安全性 5 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像 而是由图像提取的关键特 征 使所需存储的信息量减小 而且在实现异地确认时 可以大大减少 网络传输负担 支持网络功能 可以看出 指纹识别技术相对于其他识别方法有许多独到之处 具有很高 的实用性和可行性 因此 指纹识别成为最流行 最方便 最可靠的身份认证 方式 己经在社会生活的诸多方面得到广泛应用 指纹识别技术的应用系统主要有两种 即嵌入式系统和基于PC机的桌面应 用系统 嵌入式系统是一个相对独立的 完整的系统 它不需要连接其他设备 或计算机就可以独立完成其设计的功能 其功能比较单一 如指纹门锁 指纹 考勤终端等 而基于PC机的桌面应用系统则有灵活的系统结构 并且可以多个 系统共享指纹识别设备 可以建立大型的数据库 当然 由于需要连接计算机 才能完成指纹识别的功能 限制了这种系统在许多方面的应用 1 4 指纹识别研究现状指纹识别研究现状 我国在研制指纹自动识别系统方面起步较晚 直到80年代初才开始进行 近几十年来 国内外越来越多的研究机构和人员在对指纹识别的各个关键技术 领域进行研究 越来越多的公司从事指纹身份鉴别产品的开发和销售 就目前 的发展状况来看 自动指纹识别系统已经由大型计算机处理 微机处理发展到 嵌入式处理阶段 国内外众多指纹识别研究机构和公司厂商都已将嵌入式指纹 识别系统作为研究开发的重点 并推出了部分产品 已经体现了当前的一个重 要发展趋势 目前 虽然许多商业机构报告了自己的系统的较低的错误率 但 国内外没有专门检测机构对自动指纹识别系统进行准确 统一 权威的评价 4 并且各个自动指纹识别系统在测试时使用的数据库在容量 指纹质量方面各不 相同 测试方案也差别较大 所以各系统间的可比性差 1 5 论文内容安排论文内容安排 本文以指纹识别系统的指纹识别原理和硬件设计 制作为研究主体 针对 指纹识别系统的硬件设计提出多种设计方案 选择了其中较为可行的方案 并 制作和调试电路板 具体的章节和各章的内容安排如下 第一章 在介绍本论文的课题背景和意义 并简述了生物识别和指纹识别 技术 以及指纹识别研究现状 确定了本文所做的主要工作 第二章 对研究对象 指纹进行了详细的介绍 然后说明了自动指纹识别 系统的原理 第三章 介绍了指纹识别系统的硬件设计 包括设计方案 和相关器件 最后给出设计电路 第四章 阐述了在布局布线时该注意的基本问题 然后描述了在调试阶段 遇到的问题和解决方案 第五章 对这次毕业设计做一个简单的总结 第第 2 章章 指纹识别基本原理指纹识别基本原理 2 1 指纹学的基本知识指纹学的基本知识 2 1 1 指纹的形成指纹的形成 在皮肤发育过程中 虽然表皮 真皮 以及基质层都在共同成长 但柔软 的皮下组织长得比相对坚硬的表皮快 因此会对表皮产生源源不断的上顶压力 迫使长得较慢的表皮向内层组织收缩塌陷 逐渐变弯打皱 以减轻皮下组织施 加给它的压力 如此一来 一方面使劲向上攻 一方面被迫往下撤 导致表皮 长得曲曲弯弯 坑洼不平 形成纹路 这种变弯打皱的过程随着内层组织产生 的上层压力的变化而波动起伏 形成凹凸不平的脊纹或皱褶 直到发育过程中 止 最终定型为至死不变的指纹 指纹分类有 3 种基本类型 斗型 弓型和箕型 是皮下组织对指肚表皮顶 压的方向不同造就了这不同的类型 研究表明 如果某人指头肚高而圆 其指 纹的纹路将是螺旋型 现在 科学家已能够通过模型再现那些较为常见的指纹 也能重复不太复杂的罕见指纹的形成过程 指纹是人类手指末端指腹上由凹凸的皮肤所形成的纹路 指纹能使手在接 5 触物件时增加摩擦力 从而更容易发力及抓紧物件 是人类进化过程式中自然 形成的 依据目测程度 第一类是明显纹 就是目视即可见的纹路 如手沾油漆 血液 墨水等物 品转印而成 通常都是印在指纹卡上成为基本资料 第二类是成型纹 这是指在柔软物质 如手接触压印在蜡烛 黏土上发现 的指纹 第三类是潜伏指纹 这类指纹是经身体自然分泌物如汗液 转移形成的指 纹纹路 目视不易发现 是案发现场中最常见的指纹 潜伏指纹往往是手指先 接触到油脂 汗液或尘埃后 再接触到干净的表面而留下 虽然肉眼无法看到 这些指纹 但是经过特别的方法及使用一些特别的化学试剂加以处理 即能显 现出这些潜伏的指纹 鉴识人员最常接触到的指纹是潜伏纹 如果指纹是留在 金属 塑胶 玻璃 磁砖等非吸水性物品的表面 检验方法就比较容易 通常 可以用粉末法 选择颜色对比大的粉末 撒在物品表面提取出完整的指纹 另 一方法是磁粉法 以微细的铁粉颗粒 用磁铁作为刷子 来回刷扫 显现指纹 如果指纹留在纸张 卡片 皮革 木头等吸水性物品的表面 必须经过化学处 理才能在化验室显形 2 1 2 指纹的相关概念指纹的相关概念 1 指纹 指头表面凹凸纹线 2 指印 指头凹凸纹线与承受客体接触时留下的痕迹 3 脊线 是手指上的特殊的皮肤花纹的隆线 4 谷线 两个脊线之间低陷的部分 5 细节特征 指纹中出现的各种特征 例如最常用的就是脊线端点和 分叉点 6 细节特征点间脊线数 在两个细节特征之间画一条直线 与这条直线 相交的脊线数目 就叫细节特征间脊线数 这些脊线具有平移 旋转不变性 是指纹识别系统中经常利用的一个重要特征 7 中心点 指纹中心点定义为最内层弧状脊线的上顶点 当最内层脊 线的上凸出的部出现分枝点时 将分枝点定义为中心点 当最内层脊线不是弧 状而是一条线时 则脊线的上端点定义为中心点 当这种脊线不是一条 而是 多条时 定义为最左边一条脊线的上端点为中心点 指纹特征可以分为全局特征 局部特征和细微特征 全局特征包括 i 基本纹路图案 基本纹路图案通常分为左箕型 右箕型 斗型 拱型和 尖拱型 如图2 6 1 左箕型 2 右箕型 3 斗型 4 拱型 5 尖拱型 图2 各种类型的指纹 ii 模式区 模式区是指纹图像上包含了总体特征的区域 从模式区 上能够辨出指纹属于那种类型 iii 核心点 核心点位于指纹纹路的渐近中心 它常用作读取指纹和 比对指纹时的参考点 iv 三角点 三角点是指纹图像中三角形纹路区域的中心点 离该点 最近的三条指纹纹线构成一个近似等边三角形 三角点提供了指纹纹路计数和 跟踪的起始位置 核心点和三角点统称为奇异点 v 纹数 作为全局特征 纹数一般是指模式区内指纹纹路的数量 也 有些算法用某两个点之间的纹路数作为指纹特征 比如两个节点之间的纹路数 局部特征包括 i 端点 一条纹路在此终结 ii 分叉点 一条纹路在此分成两条或多条纹路 iii 分歧点 两条平行的纹路在此分开 iv 孤立点 一条特别短的纹路 以至于成为一点 v 短纹 一条较短但不至于成为一点的纹路 vi 环点 一条纹路分成两条后又立即合成一条 这样形成的一个小环称 为环点 vii 桥 两条并行的纹路在此被搭接起来 viii 曲率 纹路方向改变的速度 如图3 7 图3 基本纹路图案 2 2 自动指纹识别原理自动指纹识别原理 指纹是手指末端皮肤上的凹凸不平的纹路 这些纹路的存在不仅增加皮肤 表面的摩擦力 使我们能够拿起物品 而且指纹本身蕴含大量信息 指纹在图 案 端点和交叉点上各不相同的 也就是 特征 这些特征每个人每个手指都 不相同 根据指纹的唯一性和可靠性 我们就把一个人和他的指纹一一对应起 来 通过比对指纹特征和预先保存的指纹特征 就可以验证他的身份 自动指纹识别是通过取像设备采集指纹图像 然后利用计算机技术提取指 纹的特征数据 最后通过匹配算法进行比对识别 自动识别技术主要涉及指纹图像采集 指纹图像预处理 8 特征提取 7 数 据保存 指纹特征值的比对等过程 首先通过指纹采集设备采集到人的指纹图 像 并对原始的图像进行简单的处理 是指纹图像的特征信息更清晰明显 然 后 指纹特征提取算法建立指纹的特征数据 这是不可逆的转换 可以从指纹 图像转换到特征数据 但不可以从特征数据转换到指纹图像 两枚不同的指纹 产生不同的特征数据 特征文件存储从指纹上找到 细节点 也就是指纹脊线 的分叉点或末梢点 有的算法把特征点和方向信息组合产生更多的数据 这些 信息反映了特征点之间的关系 也有的算法处理整个指纹图像 这些数据通常 称为模板 不管他们是怎么组成的 至今仍然没有一种模板的标准 也没有公 布一种抽象的算法 最后通过计算机模糊比较的方法 把两个指纹模板进行比 较 计算他们的相似度 最终得到这两个指纹的匹配结果 8 2 3 指纹识别系统指纹识别系统 一个完整的指纹识别过程可分为 指纹采集 指纹图像的预处理 特征提 取和指纹匹配几部分 6 如图4 图 4 指纹识别过程 2 3 1 指纹采集指纹采集 指纹由图像输入设备转化成数字信息 并将其保存在机器内部的过程 图 像输入设备是指纹识别系统的先导硬件 它具有图像输入和数字化双重功能 目前市场常见的指纹采集可以分为光学式取像设备 电容式取像设备和超声扫 描 光学式取像设备是根据指纹纹理和全反射原理 FTIR 设计的 指纹纹路 有凹凸部分即谷 脊 当光线照在玻璃表面时 由于玻璃表面压有指纹 射到 纹路凹的部分光线发生全反射 反射光线由CCD获得 而射到纹路凸的光线不发 生全反射 由于脊和玻璃表面接触就吸收或者散射到其他地方 这样在CCD上就 形成了指纹图像 而另外一种光学取像设备则是利用微型三棱镜 把他安装在 弹性的平面上 当手指按在上面由于脊谷压力不同 而改变微型棱镜的表面 最后通过棱镜反射出来 电容式取像设备则是由在半导体金属上集合了上万甚至十万个电容传感器 当手指放在它上面时构成了电容传感器的另一面 由于指纹凹凸距离半导体不 同而造成电容值不同 把电容值转化为电压值并记录下来就能得到指纹的灰度 图像 由于传感器容易受到静电干扰 易损坏 不如光学式的经用耐磨 超声波扫描原理是发射超声波到指纹表面即扫描 然后再有接收设备获取 反射回来的信号 由于指纹的谷脊的阻抗不同造成接收回来的能量不同 测量 后就可得到指纹的灰度图像 超声波扫描得到的指纹图像是指纹的真实图像 9 应用起来方面 不受指纹上的油脂和赃物的影响 但是设备价格非常昂贵 下表是各种取像设备的性能比较 取像设备比较表 比较项目光学取像设备 电容时传感器超声波扫描 体积 大 小 中 耐用性 非常耐用容易损坏 一般 成像能力干手指差 但汗多的和稍胀的手 指成像模糊 干手指好 但汗多的和稍胀的手 指不能成像 较好 耗电 较多 较少 较多 成本 低 低很高 表1 各种指纹采集设备比较 2 3 2 图像处理图像处理 在指纹采集的过程中 不可能避免噪声的影响 图像中的断点 叉连很容 易受到噪声的干扰 从而影响指纹特征信息的提取 图像处理的目的就是利用 信号处理技术剔除图像中得各种噪声 把它转化为图像清晰的二值化图像 以 便提取正确的特征信息 一般的图像处理过程是 增强滤波 二值化和细化 10 增强滤波 通过滤波的方法消除指纹图像中的干扰噪声 普通的滤波方法 如低通滤波 边缘增强等对噪声的滤除效果不是很好 因为指纹纹线具有一定 的方向和频率 在频域看来就是纹线频谱处于某一特定的位置和方向上 因此 可以选用带通滤波器 目前主流的图像增强滤波算法都是基于这一原理 二值化 就是把原始的灰度图像转化成只有黑白两种颜色的图像 目前二 值化的方法有两种 固定门限和动态门限 前者整个图像采用一个门限 对输 入图像要求高 要求图像灰度均衡 后者则是根据不同区域选用不同门限 对 输入图像要求不高 细化 10 就是把经过前面处理的指纹图像的脊的宽度降到最小 去除纹线 上的毛刺 从而减少因为毛刺生成的伪交叉点和断点 2 3 3 特征提取特征提取 指纹的特征包括了全局特征和局部细节特征 9 全局特征表述了指纹纹线的 走向 主要表现在奇异点 就是纹线方向变化较大的点 就是三角点和核心点 他们比起细节特征更加稳定可靠 是指纹特征匹配和指纹分类的重要依据 局 部细节特征主要包括了端点和分叉点 目前主要的提取方法分三类 从细化图像上提取 把指纹图像二值化 细化后 分析指纹纹线 骨架 10 上8个相邻的像素点取值来判断细节点的类型和位置 再通过该点和纹线的连线 来计算其方向 从灰度图像上提取 13 在经过增强滤波的灰度图像上 选取起始点 根据 指纹方向却定追踪步长 每前进一段距离 在追踪发向的垂直线段上的灰度投 影确定纹线位置 当遇到端点和分叉点时停止并记录 从二值图像上提取 在二值图像上从上到下 从左到右逆时针检测像素变 化以追踪脊线位置 当像素之间的角度变化大于阀值时则认为遇到了端点或者 分叉点 2 3 4 指纹匹配指纹匹配 目前匹配的方法有 图像相关匹配 纹理特征匹配 纹线匹配和细节点匹 配 12 前二者匹配速度快 对图像要求不高 但是忽略了细节点特征 因此正 确性不高 纹线匹配需要大量的特征信息 因此匹配速度慢 模板容量大 细 节特征匹配充分利用了指纹在细节点上的差异 因此简单准确得到了广泛的应 用 细节点匹配通常把匹配模板和待匹配的细节点集对齐 设定匹配规则 统 计二者对应的细节点相同的个数来衡量他们的相似度 但是这种方法对细节的 位移 旋转 形变较为敏感 细节点匹配的难点有 细节点提取过程中会产生虚假细节点 丢失真细节点 并且细节点的位 置 方向可能有偏差 指纹图像存在平移和旋转 需要寻找参考依据以便特征对齐 指纹采集过程中由于压力不均 造成图像的扭转 拉伸和形变 指纹之间的重合区域小 相同指纹的细节点对应关系难以确定 第第 3 章章 指纹识别系统硬件设计指纹识别系统硬件设计 3 1 相关器件介绍相关器件介绍 3 1 1 STC12C5A60S2 的结构与特点的结构与特点 STC12C5A60S2 单片机是 STC 生产的单时钟 机器周期的单片机 是高速 低 功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度 快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转 换 针对电机控制 强干扰场合 1 增强型 8051 CPU 1T 单时钟 机器周期 指令代码完全兼容传统 8051 2 工作电压 STC12C5A60S2 系列工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 11 4 用户应用程序空间 8K 16K 20K 32K 40K 48K 52K 60K 62K 字节 5 片上集成 1280 字节 RAM 6 通用 I O 口 36 40 44 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传 统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 55 mA 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专 用仿真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 有 EEPROM 功能 STC12C5A62S2 AD PWM 无内部 EEPROM 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 12M 以下时 复位脚可直接 1K 电阻到地 11 外部掉电检测电路 在 P4 6 口有一个低压门槛比较器 5V 单片机为 1 32V 误差为 5 3 3V 单片机为 1 30V 误差为 3 12 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 温漂为 5 到 10 以 内 1 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时 钟 常温下内部 R C 振荡器频率为 5 0V 单片机为 11MHz 15 5MHz 3 3V 单 片机为 8MHz 12MHz 精度要求不高时 可选择使用内部时钟 但因为有制造 误差和温漂 以实际测试为准 13 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定 时器 T0 和 T1 没有定时器 2 但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率 发生器 再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器 14 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P3 4 T0 输出时钟 可由 T1 的溢出 在 P3 5 T1 输出时钟 15 外部中断 I O 口 7 路 传统的下降沿中断或低电平触发中断 并新增支持 上升沿中断的 PCA 模块 Power Down 模式可由外部中断唤醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 CCP0 P1 3 也可通过寄存 器设置到 P4 2 CCP1 P1 4 也可通过寄存器设置到 P4 3 16 PWM 2 路 PCA 可编程计数器阵列 2 路 也可用来当 2 路 D A 使用 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断 上升沿中断 下降沿中断均可分别或同时支 持 12 17 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 转换速度可达 250K S 每秒钟 25 万 次 18 通用全双工异步串行口 UART 由于 STC12 系列是高速的 8051 可再用 定时器或 PCA 软件实现多串口 19 STC12C5A60S2 系列有双串口 后缀有 S2 标志的才有双串口 RxD2 P1 2 可通过寄存器设置到 P4 2 TxD2 P1 3 可通过寄存器设置到 P4 3 20 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 21 封装 PDIP 40 LQFP 44 LQFP 48 I O 口不够时 可用 2 到 3 根普通 I O 口线外接 74HC164 165 595 均可级联 来扩展 I O 口 还可用 A D 做按键扫描来节省 I O 口 或用双 CPU 三线通信 还多了串口 图 5 STC12C5A60S2 管脚图 STC12C5A60S2 单片机的内部结构框图如图 6 所示 STC12C5A60S2 单片 机中包含中央处理器 CPU 程序存储器 Flash 数据存储器 SRAM 定 时 计数器 UART 串口 串口 2 I O 接口 高速 A D 转换 SPI 接口 PCA 看门狗电路及片内 RC 振荡器和晶体振荡电路等模块 STC12C5A60S2 单片机 包含了数据采集和控制中所需要的所有单元模块 可称得上一个片上系统 13 图 6 STC12C5A60S2 内部结构框图 3 1 2 指纹识别模块指纹识别模块 FM 180 FM 180 亮背景光学头指纹识别设备采用光学指纹传感器 由高性能 DSP 处 理器和 FLASH 等芯片构成 具有指纹图像处理 模板提取 模板匹配 指纹搜 索和模板存储等项功能 和同类指纹产品相比 FM 180 指纹识别设备具备下列 特色 指纹适应性强 指纹图像读取过程中 采用自适应参数调节机制 使干湿手指都有较好的 成像质量 适用人群更广泛 价格低廉 设备采用自行开发的光学采集头 成本大幅降低 算法性能优异 FM 180 指纹识别设备算法根据光学头成像原理另行设计 算法对变形 质 量差指纹均有较好的校正和容错性能 简单易用方便扩充 无需具备指纹识别专业知识即可应用 按照 FM 180 指纹识别设备提供的丰 富控制指令 可自行开发出功能强大的指纹识别应用系统 使用方便 14 可直接连在 PC 的 USB 口上使用 无需任何其它转接设备 系统参数 F 180 性能参数表 序号指标项目技术参数测试条件 1 供电电压 DC3 6 6 0V 2 正常工作电压 120mA 3 峰值电流 150mA 4 指纹录入时间 1 0s 5 1 1 比对时间 1 0s 特征提取 指纹比对 6 1 900 搜索时间 2s 7 指纹存储数量最多支持 960 枚 8 认假率 0 001 9 拒真率 1 5 10 指纹模板大小 512bytes 11 外部接口 UART 表 2 FM 180 参数表 该模块采用的是 PS1802 一款高性能通用 DSP 控制器 同时也是一款全功能 的指纹识别系统芯片 SOC 工作主频为 120MHz 峰值运算能力达到 480MIPS 内嵌 156KB RAM 96KB ROM 功耗小于 150mW 120MHz 外部标准接口 模块与用户设备的接口都采用同一个单排插座 针 分体式 为 5 芯 2 0 间距 一体式为 4 芯 1 27 间距 用户无特殊要求时 所提供的用 户接口引线长度为 150mm 模块与用户设备的串行通讯时 接口 J1 引脚定义如 下 FM 180 引脚功能表 表 3 引脚功能 引脚号名称 类型 功能描述 1VCC IN 电源正输入端 颜色 红 2 TXD OUT 串行数据输出 TTL 逻辑电平 颜色 绿 3 RXD IN 串行数据输入 TTL 逻辑电平 颜色 白 4 GND 信号地 内部与电源地连接 颜色 黑 15 图 7 FM 180 实物图 FM 180 在 FLASH 中开辟了一个 512 字节的存储区域作为用户记事本 该记事本逻辑上被分成 16 页 每页 32 字节 上位机可以通过 PS WriteNotepad 指令和 PS ReadNotepad 指令访问任意一页 注意写记事本某 一页的时候 该页 32 字节的内容被整体写入 原来的内容被覆盖 FM 180 是完整的指纹识别模块 不需挂接任何外围部件 模块始终处于从 属地位 Slave mode 主机 Host 需要通过不同的指令让模块完成各种功能 主机的指令 模块的应答以及数据交换都是按照规定格式的数据包来进行的 主机必须按照规定的格式封装要发送的指令或数据 也必须按规定的格式解析 收到的数据包 3 1 3 12864 液晶显示器介绍液晶显示器介绍 12864 液晶显示器 具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 内 部自带中文字库 其显示分辨率为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 该模块接口方式灵活简单 有方便操作的指令 可构成全中文人机交互图形界面 可显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完 成图形显示 而且具有低电源电压功耗小的优点 模块接口说明 液晶管脚功能表 管脚号管脚名称电平管脚功能描述 1VSS0V 电源地 2VCC3 0 5V 电源正 3V0 对比度 亮度 调整 16 4 RS CS H L RS H 表示 DB7 DB0 为显示数据 RS L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 5R W SID H L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被 写到 IR 或 DR 6E SCLKH L 使能信号 7DB0H L 三态数据线 8DB1H L 三态数据线 9DB2H L 三态数据线 10DB3H L 三态数据线 11DB4H L 三态数据线 12DB5H L 三态数据线 13DB6H L 三态数据线 14DB7H L 三态数据线 15PSBH L H 8 位或 4 位并口方式 L 串口方式 见注 释 1 16NC 空脚 17 RESETH L 复位端 低电平有效 见注释 2 18VOUT LCD 驱动电压输出端 19AVDD 背光源正端 5V 见注释 3 20KVSS 背光源负端 见注释 3 表 4 12864 引脚功能 注释 1 如在实际应用中仅使用串口通讯模式 可将 PSB 接固定低电平 也可以将模块上的 J8 和 GND 用焊锡短接 注释 2 模块内部接有上电复位电路 因此在不需要经常复位的场合可将 该端悬空 注释 3 如背光和模块共用一个电源 可以将模块上的 JA JK 用焊锡短 接 3 2 功能描述功能描述 基于单片机的指纹识别系统是由 STC12C5A60S2 MCU 处理器 12864 液晶显 示等器件构成 在无需上位机参与管理的情况下 具有指纹录入 图像处理 指纹对比 搜索和模板储存等功能的智能型模块 通过集成指纹识别模块 可 以构成一个独立的指纹识别系统 完成上述功能 17 该系统的控制核心是 51 系列单片机 STC12C5A60S2 通过与 DSP 比较 虽然 在数据处理方面的能力和存储容量上不及 DSP 但是 51 系列单片机的性价比高 另外就是它的功耗低 在空闲状态时可以通过软件设置成省电模式 空闲状态 时 CPU 暂停工作 中断系统 串口及定时器模块继续工作 通过外围电路实 现了较为复杂的系统功能 3 3 系统硬件概述系统硬件概述 指纹识别系统主要包括 单片机最小系统 指纹采集部分 指纹存储部分 液晶显示部分 蜂鸣器 通信电路 按键和电源组成 其结构框图如图 8 所示 系统中的 MCU 采用增强型 51 单片机 它是整个部件的控制核心 电源采用市场 上市电转 5V 的直流电源 液晶和蜂鸣器作为整个系统对用户的一个反馈 用于 显示结果和指纹识别过程中对用户的操作提示 至于关键的指纹采集和指纹存 储 它的选择直接影响整个系统的效果 下一节将介绍有关于这方面的选择 这里就不做介绍 图 8 系统结构框图 3 4 方案设计方案设计 根据系统硬件结构框图 结合功能要求和手上现有的材料器件 提出了关 于三种实现指纹识别的设计方案 下面将一一为大家介绍 根据设计题目基于 单片机的指纹系统的设计 可知 系统采用的是单片机最为控制器件 对比 DSP FPGA 它具有低功耗 性价比高的优点 而选用 51 系列的 STC12C5A60S2 的原因是我们自己就有款单片机 可节约成本 而且增强型 51 比 AT89S51 功能 18 更加强大 给用户扩展空间大 1 方案一 指纹采集部分是采用指纹考勤机易通 R 58A 的光学采集头 OV7620 由于是 采用的是从废旧指纹考勤机拆解下来的采集头 通过观察 该采集头共有 16 跟 输入输出线 我们在网上找关于该采集头的资料 但是由于该考勤机出产很久 没能找到很详细的资料不能确定每根信号线的作用 后来我们去测试 唯一确 定的是电源线和地线 8 根数据线 剩下的控制信号线 不能确定其作用 由 于采集头是整个指纹采集系统的信息来源 如果连怎样使用它都不知道的话 那么后面的工作将无法展开 所以该方案虽然可以节约成本 但是具体实行难 度颇大 2 方案二 指纹采集的部分是选用富士通的电容式传感器 FPS200 FPS200 是由 256 300 的传感器阵列组成的 支持三种数据传输方式 8 位的系统总线 集成 的全速 USB 和集成的 SPI 可以通过 MODE0 MODE1 的组合方式选择不同的接口 方式 丰富的接口方式方便了指纹传感器的调试和使用 它具有 500DPI 的分辨 率 能进行 AD 转换 通过 FPS200 采集出来的一个指纹大小大概在 75KB 左右 而 51 单片机最多 片外扩展 64KB 当然也可以扩展大于 64KB 的存储空间 那就是占用 51 单片机 的 P1 口作为多余的地址线 这样出现一个问题就是不能同时选中 FPS200 和存 储器件进行数据传输 解决办法是选用 3 片单片组成主从机 其中主机片负责 采集和传输 从机 1 负责存储和处理指纹 从机 2 负责存储处理后的数据 其 结构框图如图 9 图 9 方案三硬件结构框图 工作过程 当有手指按在传感器上时 FPS200 给主机一个中断信号 开始传送经过 AD 转化的指纹数据 接着把接收的数据通过串行通信的方式传送到从机 1 从 机 1 把数据存储在 RAM 中 接着从机 1 就处理指纹数据 最后又把处理后的 指纹数据传给从机 2 写入 SRAM 中固化下来 形成一个指纹数据库 当需要验 证时从机 1 2 通信 比对处理后的指纹是否一样 19 通过分析该方案较为繁琐 其中涉及到多机通信的问题 以及速率传输的 问题 通过理论计算如果采用 51 单片机就仅采集一个指纹就需要耗时 8 秒左右 过程必须保证手指在传感器不能移动 主机传输到从机采用的是串行通信耗时 更是远大于 8 秒 另外由于采集到的是指纹图像 数据量大 单片机处理图像 数据的能力和速度有限 达不到要求 FS200 这片指纹传感器价格相当昂贵 零售价在 300 元以上 综合上述原因 该方案可行性低 3 方案三 指纹采集部分是用的是 FM 180 指纹识别模块 该模块集成了图 8 所示的 指纹采集和指纹存储 并且能够完成指纹特征提取 比对 验证等功能 该模 块使得指纹识别系统变得简单化 并且它的信号线就 4 根 电源线 地线 TXD RXD 使用起来非常方便 工作过程 手指按在模块上时 单片机发送采集 指令 指纹就采集到模块内并存储起来 接下来单片就发送提取指纹特征指令 给模块 由于识别模块内嵌 DSP 所以大大提高了数据处理的能力 经过特征 码处理的模板就可以存储 比对 删除等功能操作 这些操作都是通过单片发 送指令完成的 也就是通过单片机和指纹模块的通信就可以完成指纹识别的功 能 FM 180 该模块的市场价格在 200 元左右 虽然仍然很贵 但是同比市场 上的指纹采集部分的芯片 它的性价比远远大于后者 通过比较上述三种方案 综合考虑各方面因素 我们选择方案三 选择其 原因是其原理简单 能方便的实现 性价比高 3 6 通讯协议通讯协议 3 6 1 单片机和单片机和 FM180 的通信的通信 通信有并行通信和串行通信两种方式 在多微机系统以及现代测控系统中 信息的交换多采用串行通信方式 并行通信通常是将数据字节的各位用多条数 据线同时进行传送 并行通信控制简单 传输速度快 由于传输线较多 长距 离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难 串行通信是将数据字节分 成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送 串行通信的特点 传输线少 长距离传送时成本低 且可以利用电话网等现成的设备 但数据的传送控制比 并行通信复杂 通讯还有同步和异步之分 同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的 直接控制 使双方达到完全同步 此时 传输数据的位之间的距离均为 位间 隔 的整数倍 同时传送的字符间不留间隙 即保持位同步关系 也保持字符 同步关系 发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现 异步通信是以字符 构成的帧 为单位进行传输 字符与字符之间的间隙 时间间隔 是任意的 但每个字符中的各位是以固定的时间传送的 即字符之间是异步的 字符之间 20 不一定有 位间隔 的整数倍的关系 但同一字符内的各位是同步的 各位之 间的距离均为 位间隔 的整数倍 这里 FM 180 和单片的通讯方式是异步串行通信模式 在单片机内部集成了 一个串行通信 I O 部件 UART 支持全双工串行通信 通过编程可以将 8 位字节 数据写入 UART 中 UART 自动将改接的 8 位二进制数变成串行数据 在不同时 刻从 TXD 引脚输出发送 同时对于不同时刻从引脚 RXD 输入的串行数据 UART 自动变换成字节 可以编程读取后进行处理 通过这种方式实现了单片机对 FM 180 的控制 3 6 2 单片机和单片机和 PC 机的通信机的通信 大多数的计算机设备都具有 RS 232C 串行通讯接口 尽管它的性能指标并 非很好 但是 RS 232C 借助与并行通讯口相比更多的寄存器 使用这些寄存器 实现串行数据的传送及 RS 232C 设备之间的握手与流量控制 从而使 RS 232C 串行通讯协议仅需 3 根线便可在两个数字设备之间全双工的传送数据 1 RS 232C 通讯协议 RS 232C 的每个脚线的信号和电平规定采用负逻辑电平 DC 15V 5V 规定为逻辑 1 DC 5V 15V 规定为逻辑 0 DC 5V 5Y 规定为过渡区 单片机的 TTL CMOS 电平与计算机接口或终端的 RS 232C 通讯接口的逻辑电 平不兼容 需要外加电路实现电平转换 通常采用的元器件为 MC1489 MC1488 实现 TTL CMOS 电平与 RS 232C 电平的转换 8 也可采 用 MAX232 芯片实现两对 TTL CMOS 电平与 RS 232C 电平的转换 RS 232C 规定使用 25 针标准连接口 采用 DB 25 型连接器 RS 232C 标准定义了 25 根信号线 但在实际使用时 只需 2 个数据线 6 个控制线 1 个地线共九个信号 因此一些生产厂家对 RS 232C 标准的机械特性进行了简化 使用 9 针标准连接口 即使用 DB 9 型连接器 由于 RS 232C 发送端与接收 端之间的信号传递采用多芯信号线