基于单片机的指纹识别系统设计硬件

第1章绪论1.1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：①广泛性，每个人都有自己的指纹，很普遍。②唯一性，人与人之间的指纹是不同，可以作为身份的识别。③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。FingerprintIdentificationSystem）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。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2章指纹识别基本原理2.1指纹学的基本知识2.1.1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：指头表面凹凸纹线。指印：指头凹凸纹线与承受客体接触时留下的痕迹。脊线：是手指上的特殊的皮肤花纹的隆线。谷线：两个脊线之间低陷的部分。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。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。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（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图3基本纹路图案2.2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。2.32.3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，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’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：①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。②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。③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。④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3章指纹识别系统硬件设计3.1相关器件介绍3.1.1STC12C5A60S2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8051CPU，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；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55mA；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，PowerDown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)；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，可再用定时器或定时器或PCA软件实现多串口；.19STC12C5A60S2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-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接164/165/59574HC（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5STC12C5A60S2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。图6STC12C5A60S2内部结构框图3.1.2指纹识别模块FM-180FM-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性能参数表序号序号指标项目技术参数测试条件1供电电压DC3.6—6.0V2正常工作电压120mA3峰值电流150mA4指纹录入时间<1.0s51:1比对时间<1.0s特征提取+指纹比对61:900搜索时间<2s7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512bytes11外部接口UART表2FM-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156KBRAM，96KBROM，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引脚功能表引脚引脚号名称类型功能描述1VCCIN电源正输入端（颜色：红）2TXDOUT串行数据输出。TTL逻辑电平。（颜色：绿）3RXDIN串行数据输入。TTL逻辑电平。（颜色：白）4GND—信号地。内部与电源地连接。（颜色：黑）表3引脚功能44RS(CS）H/LRS=“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/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR6E(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/LH：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412864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功能描述基于单片机的指纹识别系统是由STC12C5A60S2MCU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。该系统的控制核心是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功能更加强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3.6.1单片机和 FM180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PC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，而多芯信号线的总负载电容不能超过2500PF，所以RS-232C的信号传输距离为十几米。2．RS-232C接口功能特性及连接使用9针或25针的连接器将RS-232C串行口的信号传送到其他通讯设备，连接器各信号线定义及功能如表5。9针连接器功能表管脚编管脚编号信号名称方向含义1DCD输入数据载波检测2RXD输入数据接收端3TXD输出数据发送端4DTR输出数据终端准备就绪（计算机）5SG输入信号地6DSR输入数据设备准备就绪7RTS输出请求发送（计算机要求数据）8CTS输入清除发送（MODEM准备接收数据）9RI输入响铃指示表5串行口引脚定义表单片机与传感器或单片机与计算机之间直接使用RS-232C通讯标准进行串行通讯时，信号在通讯过程之中可能会被全部或部分使用。最简单的通讯仅需TXD及RXD及SG最基本的信号线完成，其他的握手信号可以做适当处理或直接悬空。3.7硬件电路设计根据图和方案三的设计思路，指纹识别系统采用STC12C5A60S2作为主控芯片，FM—180指纹模块，配合其他外电路，其硬件结构框图如图10所示：图10指纹识别系统结构框图工作过程：通过按键选择FM—180工作状态，有指纹录入，指纹比对，清除指纹库三种状态分别对应3个按键，系统上电后选择工作模式；单片机则发出对应的指令给FM—180，FM—180接收到对应的指令后进行相应的操作，然后把操作提示或者操作的结果返给单片机做出显示，同时蜂鸣器发出相应的不同的声音给予提醒。电源选择DC5V供电。根据上述设计思路，画出具体的电路原理图和PCBPCB图，详见附录。3.7.1最小系统电路所谓的系统就是可以独立实现某些特定功能的一个产品。单片的最小系统，或者称为最小应用系统，是指利用单片自身的资源，用最少的辅助元件组成一个可以工作的系统。一个单片机，配其必需的外围电路包括电源，复位，晶振，然后有一个简单的启动程序，即构成单片机最小系统。电路图如图11：图11复位电路如图所示，单片供5V电源，正常工作的时候单片的复位端管脚为低电平，当复位端的管脚持续2个机器周期的高电平时，单片机就复位。而按键的时间肯定超过2个机器周期2ms。所以当按键S1按下时单片机复位。3.7.2功能选择电路该模块实现对指纹录入，指纹比对，指纹清除的功能选择，工作过程是，单片机检测到有相对的按键按下时，进入相应的工作的模式。即是当检测到P3.2,P3.3,P3..4管脚为低时认为键被按下。图12按键电路3.7.3模式指示灯图13指示灯因为液晶要实时的显示指纹识别的过程，所以工作模式是由2个指示灯来完成指示，通过软件编写其亮的方式和组合来指示各种工作状态。3.7.3液晶显示驱动电路根据前面介绍的液晶12864，设计出液晶驱动电路如图所示，其中V0端口是亮度调节，由于液晶的该管脚被损坏所以该管脚就悬空处理。是亮度调节，由于液晶的该管脚被损坏所以该管脚就悬空处理。图14液晶驱动电路3.7.4蜂鸣器驱动电路蜂鸣器采用的是有源蜂鸣器，蜂鸣器起到提醒报警作用，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。驱动电路如图15所示：图15蜂鸣器驱动电路在不需要鸣叫的时候Q1的E极为高，B极为高，三极管没有导