单片机课程设计张聪聪.docx

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单片机课程设计张聪聪

《单片机原理及接口技术》

论文题目基于单片机的指纹

识别系统设计

姓名

学号

学院电气工程学院

专业班级2009级通信工程1班

目录

题目：

基于单片机的指纹识别系统设计................................................3

摘要............................................................................................................3

关键词........................................................................................................3

1绪论.........................................................................................................4

2指纹识别简介.........................................................................................4

2.1指纹识别的历史.............................................................................4

2.2指纹识别的原理.............................................................................5

2.3指纹识别的应用.............................................................................6

2.4指纹识别的发展前景.....................................................................7

3系统设计总体方案.................................................................................7

3.1系统功能描述.................................................................................8

3.2系统总体框架.................................................................................8

4指纹识别系统的软件设计.....................................................................9

4.1指纹识别的总体特征和局部特征.................................................9

4.2指纹识别系统的流程....................................................................10

4.3指纹识别系统串行口工作方式....................................................11

5指纹识别系统的硬件设计....................................................................12

5.1指纹识别系统硬件结构概述........................................................12

5.2指纹识别功能描述........................................................................12

5.3指纹识别系统工作原理及硬件特性............................................15

5.4指纹识别系统硬件电路设计........................................................16

5.5指纹识别系统电源电路设计........................................................16

6单片机主程序流程设计........................................................................17

7心得体会................................................................................................19

8参考文献................................................................................................20

基于单片机的指纹识别系统设计

专业：

通信工程姓名：

摘要随着时代的发展，社会越来越需要高效、可靠的身份识别系统。

传统的个人身份鉴别手段如钥匙、口令、密码、身份证件，甚至IC卡等识别方式，由于它们具有可假冒、可伪造、可盗用、可破译的弱点，已不能完全满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。

随着识别技术的不断成熟和计算机技术的飞速发展，各种基于人体生理特征的身份识别系统如：

指纹、手掌、声音、视网膜、瞳孔和面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来。

目前，从实用的角度看，指纹识别技术是优于其它生物识别技术的身份鉴别方法。

关键词指纹识别；单片机；图像处理

1.绪论

在今天的工作生活看来，很多的场合都需要身份的认证，而传统的基于标志的身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些力不从心。

那么我们应该怎样保护自己的隐私不被泄露呢？

现在，科技的发展让我们认识了生物识别技术。

将生物识别技术应用于笔记本、门锁等方面，可以对文件、财产起保护作用，并且可以进行身份识别。

生物识别技术是依据人的体貌、声音等生物特征进行身份验证的科学解决方案，现有的生物识别技术大致上包括指纹识别技术、掌纹识别技术、视网膜识别技术、虹膜识别技术、面相识别技术、声音识别技术和笔迹识别技术等。

指纹识别技术是众多生物识别技术中的一种，相对于其它身份认证技术，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性。

指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。

现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。

另外，匹配算法可靠性也不断提高，指纹识别技术己非常实用。

2指纹识别简介

2.1指纹识别的历史

19世纪初，科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另一个是指纹纹脊的式样终生不改变。

这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。

主要代表性的事件有：

1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。

20世纪60年代，由于计算机可以有效的处理图形，人们开始着手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（AutomatedFingerprintIdentificationSystem）在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。

20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替IC卡。

现在（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。

2.2指纹识别的原理

指纹识别技术的原理和其它生物识别技术的原理相似。

它是利用人体的指纹特征对个体身份进行区分和鉴定。

在所有的生物识别技术中指纹识别技术是目前最为成熟，也被应用最广的生物识别技术。

这主要因为指纹采用的过程对人们来讲非常简单，指纹识别的准确率高的原因。

严格来讲，指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。

指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图案。

由于指纹的嵴和峪的几何特征不同，主要表现为嵴是突起的，峪是凹下的，所以在接触到光线时，其反射光的强度也就不同。

在接触到平面时，其在平面上形成的压力也就不同。

另一方面，由于指纹的嵴和峪的生理特征不同，主要表现为：

嵴和峪的温度不同，其导电性也不同，其对波长的反馈也就不同。

通过这些几何的、生理的特性的不同，把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。

指纹特征分析的原理是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的原理。

其分析的对象包括纹形特征和特征点的分布、类型，以及一组或多组特征点之间的平面几何关系。

特征点的平面几何关系表现为某个特征点之间的距离等，或者某三个或更多特征点之间组成的多边形的几何特性。

不论是特征点的单体特征，还是特征点的组合特征都是指纹特征的组成部分。

把这些指纹特征用数字模板的形式表示出来，就实现了一个指纹特征分析的过程。

把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。

指纹特征值匹配原理是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对匹配。

匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的。

匹配运算不是对两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配。

2.3指纹识别的应用

指纹识别技术是最早的通过计算机实现的身份识别手段，它是应用最为广泛的生物特征识别技术。

过去，它主要应用于刑侦系统。

近几年来，它逐渐走向市场更为广泛的民用市场。

指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，指纹考勤机、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹投票、指纹保护电脑、等等生活中和工作中的新现象已广为人知，其应用相当广泛，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。

指纹识别技术是目前国际公认的应用广泛、价格低廉、易用性高的生物认证技术。

指纹只是人体皮肤的小部分，但是它却蕴涵了大量的信息。

这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作"特征"。

医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和永久性。

因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的真实身份。

2.4指纹识别的发展前景

指纹行业是一个新兴的行业，本身具有很高的科技含量，相对利润高发展前景广阔。

经专家预计，指纹产品将是未来IT产业新的增长点：

利润率最高、发展潜力最大。

据不完全统计，2004年指纹类产品平均利润率就已经为385%，指纹产品行业是各行业及投资者最好的选择目标。

于是，世界顶尖的指纹识别技术得到了全球范围内的高度重视，指纹识别技术的应用如火如荼地迅速发展起来。

目前，国内已经有不少企业在参与指纹识别技术的开发和应用。

指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，例如：

指纹考勤、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹接送幼儿等等生活和工作的新现象已广为人知，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。

3.系统设计总体方案

3.1系统功能描述

本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。

该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送出去。

它利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。

主要功能就是用液晶显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果.采集指纹图像之前，指纹模块必须要检测手指是否放在采集窗口上，所以就要有录入指纹这一项功能。

简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将比对的数据显示在液晶屏幕上.本系统拥有一次最多录入三个指纹的能力。

该系统的主要功能有以下几个方面：

1．录入指纹：

系统预先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集用户指纹的特征信息。

2．合成指纹模板并存储：

通过光电转换后，将指纹特征值和对应的ID号存储到存储器中。

上位机只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置。

3．搜索指纹库比对指纹：

当有指纹录入时，模块会响应上位机指令搜索指纹库比对指纹，同时液晶显示比对结果，继电器动作、发光二极管亮。

3.2系统总体框架

系统的总体框架是指根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成一个完整的系统。

在系统的整体方案确定之前,先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。

通过查阅大量的文献资料、综合分析考虑。

4.指纹识别系统的软件设计

4.1指纹识别的总体特征和局部特征

总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。

包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。

纹形根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类——环型（loop，又称斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。

模式区就是指纹上包括了总体特征的区域，在此区域可以分辨出指纹是属于哪一种类型的。

指纹识别算法有时只使用模式区的数据，有时则使用所取得的完整指纹。

核心点位于指纹纹路的渐进中心，在读取指纹和比对指纹时作为参考点。

许多算法是基于核心点的，即只能处理和识别具有核心点的指纹。

三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点，或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。

三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。

纹数是指模式区内指纹纹路的数量。

在计算指纹的纹路时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。

局部特征是指指纹上节点的特征，这些具有某种特征的节点称为细节特征或特征点。

两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的细节特征，却不可能完全相同。

指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或转折。

这些断点、分叉点和转折点就称为"特征点"，就是这些特征点提供了指纹惟一性的确认信息，其中最典型的是终结点和分叉点，其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。

特征点的参数包括：

方向（节点可以朝着一定的方向）、曲率（描述纹路方向改变的速度）、位置（节点的位置通过x/y坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的）。

4.2指纹识别系统的流程

指纹识别系统核心技术流程如图所示：

指纹识别系统核心技术流程图

指纹识别系统主要集中在对指纹仪的操作以及使用人员信息登记、数据库管理、记录查询等功能的编程。

开发工具采用VisualC++6.0。

在利用VC开发程序之前应先安装FDU2000指纹仪的SDK。

对SDK的有效应用分为两种：

隐式链接和显示链接两种方式。

在本系统中采用的是隐式链接，将SDK安装目录下的相应的动态库文件（P1mDll.dll文件）拷入系统目录或其它系统可以找到的目录中，同时将Lib目录下的导入库文件（P1mD11.lib文件）加入工程设置的“Link一General一Object/librarymodule”栏中以及将Inc目录下的头文件P1mD11.h加入工程的头文件中，并在*.cpp文件中包含相应头文件即可。

接下来就可以开始编写应用程序的代码了。

4.3指纹识别系统串行口工作方式

SM0SM1

工作方式

说明

波特率

00

方式0

同步移位寄存器

fosc/12

01

方式1

10位异步收发器

由定时器控制

10

方式2

11位异步收发器

fosc/32或fosc/64

11

方式3

11位异步收发器

由定时器控制

串行口工作方式

8051单片机的串行口是一个可同时接受数据和发送数据全双工的接口，该串行口可以设定四种工作方式：

移位寄存器（方式0）8位数据UART方式（方式1）9位数据波特率固定UART方式（方式2）9位数据位波特率可变UART方式（方式3）。

8051串行通讯的方式选择、接受和发送控制以及串行口的状态标志等均由特殊功能寄存器完成。

对它初始化编程只需用两个控制字分别写入特殊功能寄存器SCON（98H）和电源控制寄存器PCON（87H）中即可。

5.指纹识别系统的硬件设计

5.1指纹识别系统硬件结构概述

指纹识别系统主要包括：

单片机最小系统、指纹采集部分、串口通信电路、外部存储部分、开关按钮，供电系统组成。

其结构框图如图所示。

指纹识别系统单片机采用8051单片机，它是整个控制器的核心部件。

MAX232作为接口芯片用于实现指纹传感器串口的RS-232信号与8051串行口的TTL信号的相互转换。

电源部分包括DC+5V及保护电路。

系统结构框图

5.2指纹识别功能描述

基于单片机8051的指纹识别系统是由8051处理器、68128RAM和EEPROM芯片等构成，具有指纹录入、图像处理、指纹对比、搜索和模版储存等功能的智能型模块。

它通过与之相配套的指纹传感器，可构成一个独立的指纹识别系统，或作为一个完整的外部设备。

该系统控制的核心是单片机8051，因为通过比较DSP芯片，处理速度较快和存储量较大，但性价比较低。

而选取单片机8051主要原因是功耗低、可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，128x8bit内部RAM，能满足设计要求。

指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块。

通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰，再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。

软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。

通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

指纹图像获取：

通过专门的指纹采集仪可以采集活体指纹图像。

目前，指纹采集仪主要有活体光学式、电容式和压感式。

对于分辨率和采集面积等技术指标，公安行业已经形成了国际和国内标准，但其他还缺少统一标准。

根据采集指纹面积大体可以分为滚动捺印指纹和平面捺印指纹，公安行业普遍采用滚动捺印指纹。

另外，也可以通过扫描仪、数字相机等获取指纹图像。

指纹图像压缩：

大容量的指纹数据库必须经过压缩后存储，以减少存储空间。

主要方法包括JPEG、WSQ、EZW等。

指纹图像处理：

包括指纹区域检测、图像质量判断、方向图和频率估计、图像增强、指纹图像二值化和细化等。

纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。

纹形从属于型，以中心线的形状定名。

我国十指纹分析法将指纹分为三大类型，九种形态。

一般，指纹自动识别系统将指纹分为弓形纹（弧形纹、帐形纹）、箕形纹（左箕、右箕）

斗形纹和杂形纹等。

指纹形态

指纹形态和细节特征提取：

指纹形态特征包括中心（上、下）和三角点（左、右）等，指纹的细节特征点主要包括纹线的起点、终点、结合点和分叉点。

指纹比对：

可以根据指纹的纹形进行粗匹配，进而利用指纹形态和细节特征进行精确匹配，给出两枚指纹的相似性得分。

根据应用的不同，对指纹的相似性得分进行排序或给出是否为同一指纹的判决结果。

5.3指纹识别系统工作原理及硬件特性

工作原理：

当指纹传感器收到指纹信息，将通过串口给单片机发送命令，单片机同意并接收相应的信息，指纹传感器采集的指纹转换成RGB格式，并且数据传输到单片机，单片机通过存储在EEPROM中的固化程序执行大量的模式识别和图像处理相关计算，当用户的指纹被确认，单片机将命令执行机构动作，开关开。

硬件特性：

80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），主要差别就在于芯片的制造工艺上。

80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。

8051系列单片机采用的是HMOS工艺：

高速度、高密度；

80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：

高速度、高密度、低功耗；也就是说80C51单片机是一种低功耗单片机。

指纹识别系统工作原理图

5.4指纹识别系统硬件电路设计

本系统采用8051作为指纹识别系统的核心处理器，使用单片机内部的4K程序存储器，接+5V电源。

复位电路则采用简单RC复位电路，同时又可与一些需要复位的外围电路相连，达到复位与单片机同步。

/EA/Vpp为访问内部或外部程序存储器的选择信号.由于8051单片机有4K的内部程序存储器，又外接了128Kx8的EEPROM存储器，故该引脚必须接+5V高电平./PSEN为外部程序存储器读选通控制信号.此电路中无扩展程序存储器.故该脚悬空.

串口通信接口设计采用MAX232实现TTL与RS-232的转换，实现与计算机通信。

5.5指纹识别系统电源电路设计

当指纹识别系统工作时，需要+5V电源，为了使整个系统结构紧凑，在本设计中，将220v交流电源到+5V直流电的转换电路和识别控制器集成在一块电路板上，其中的电路原理图如图

当220V通过变压器后，得到10伏电源Vi，在电路的输入端与公共地之间，加上经整流后的不稳定直流电压Vi，在输出端便能得到固定的输出电压。

为了改善纹波特性，在输入端外接电容，一般

取值为0.33uF，并紧接在稳压块的输入端；在输出端连接电容

，这样可以改善输出电压的纹波特性，一般

选为0.1uF。

输入电压

的选择依据是：

式中：

——稳压块允许的最大输入电压；

——稳压块的输出电压；

2V——稳压块输入与输出之间的最小压差。

在输入、输出之间外接二极管D1，可以起到输出端路保护作用，防止输出短路时负载电容向7805放电。

6.单片机主程序流程设计

N

Y

单片机的主程序流程图

单片机主程序如下：

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0023H

AJMPRECE

ORG0040H

MAIN：

MOVSP，#60H

MOVSCON，#50H；串口初始化

MOVTMOD，#20H

MOVTH1，#0F3H

MOVTL1，#0F3H

MOVPCON，#00H；设置波特率

SETBTR1；启动定时器1

SETBEA；开放中断

SETBES；开放串行中断

L3：

CLR00H

CLR01H

CLR02H

CLR03H

CLR04H

MOVR6，#00H

MOV