基于半导体采集的指纹门锁的设计本科毕业论文.docx
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基于半导体采集的指纹门锁的设计本科毕业论文
基于半导体采集的指纹门锁的设计本科毕业论文
本科毕业论文
论文题目:
基于半导体采集的指纹门锁的设计
作者姓名:
周平
学号:
11205900128
专业班级:
指导老师:
完成时间:
摘 要
本课题主要是以指纹识别技术为基础,利用指纹识别算法,图像处理技术和DSP技术相结合,将验证的可靠指纹识别算法移植到系统上,采用特定的驱动模块进行通讯来控制电子锁的开关(闭合),从而设计了稳定可靠,快速识别的指纹锁。
本文围绕这一相关的理论知识展开了研究,首先我们对指纹识别的硬件进行了原理图的设计制作,画PCB电路板,制作实物PCB,并对其进行焊接和调试,最终完成硬件电路的设计。
其次我们进行软件的设计与实现,我们要设计出可靠的指纹识别算法和设计驱动指纹锁的程序,以此来驱动硬件电路。
本设计主要分为两大块一块就是指纹处理另一块则是门锁的驱动电路,只有把两者现结合起才能完整的实现其功能。
关键词:
DSP指纹锁图像采集指纹处理
Abstract
Thistopicismainlybasedonfingerprintidentificationtechnology,theuseoffingerprintrecognitionalgorithm,combinedimageprocessingtechnologyandDSPtechnology,reliablewillverifythatthefingerprintidentificationalgorithmistransplantedintothesystem,drivenbyaspecificmoduletocommunicatetocontrolelectroniclockswitch(closed),soastodesignastableandreliable,andrapididentificationoffingerprintlock.Thispaperaddressesthetheoreticalknowledgeoftherelatedresearch,firstly,wediscusstheprincipleoffingerprintidentificationofhardwarediagramofthedesign,PCBcircuitboards,makingphysicalPCB,andcarriesontheweldinganddebugging,finallycompletedthedesignofthehardwarecircuit.Secondlywetosoftwaredesignandimplementation,wewanttodesignareliablefingerprintidentificationalgorithmanddesigndriveprogramoffingerprintlock,todrivethehardwarecircuit.Thisdesignismainlydividedintotwolargepiecesofafingerprintisdealingwithanotherpieceofdrivecircuitisthedoorlock,onlycombinebotharenowuptocompletetheimplementationofitsfunctions.
Figure[amount]table[amount]reference[amount]
KeyWords:
DSPFingerprintlockImageacquisitionFingerprintprocessing
Chinesebookscatalog:
目 录
摘 要I
AbstractII
插图或附表清单V
注释说明清单VI
引 言1
第一章绪论2
1.1选题目的与意义2
1.1.1选题目的2
1.1.2选题意义2
1.2国内外研究现状2
1.2.1国内2
1.2.2国外2
1.3研究内容2
第二章系统整体方案设计3
2.1系统总体设计3
2.1.1系统功能描述3
2.1.2系统总体框架3
2.2系统单片机3
2.2.1单片机的选择3
2.2.2芯片的介绍3
2.2.33
第三章系统硬件的设计4
3.1指纹锁驱动电路4
3.1.1整体电路的介绍3
3.1.2子电路的介绍3
3.1指纹锁电路4
2.2.2芯片的介绍3
2.2.2芯片的介绍3
第四章5
4.15
结 论6
参考文献7
附录A[单击此处键入附录题名]9
后记或致谢10
作者简介11
Contents
Abstract…………………………………………………………………………I
Introduction……………………………………………………………………1
Chapter1………………………………………………………………………2
conclusion………………………………………………………………………7
reference………………………………………………………………………9
appendixA………………………………………………………………………11
postscriptorcompliment………………………………………………………13
resumeoftutor…………………………………………………………………11
resumeofauthor………………………………………………………………11
插图或附表清单
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图的清单应有序号、图题、和页码。
表的清单应有序号、表题和页码。
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注释说明清单
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论文中符号、标志、缩略词、首字母缩写、计量单位、名词、术语的注释说明,如需汇集,可置于此页。
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引 言
随着人们生活水平的提高,如何实现家庭防盗这一问题也变的尤其的突出,传统的机械锁由于其构造的简单,安全性能低,被撬的事件屡见不鲜,而且钥匙易于被复制,难以形成有效的保护。
电子类锁由于其保密性高,使用灵活性好,安全系数高,受到了广大用户的喜爱,拥有广大的市场需求。
锁是置于可启闭的器物上用以关住某个确定的空间范围或某种器具的必须以钥匙或暗码打开的扣件。
锁具发展到现在已有若干年的历史了,人们对它的结构、机理也研究得很透彻,因此,不用钥匙就能打开的方法和工具也层出不穷。
现代人类文明社会里,由于社会中各种矛盾冲突十分剧烈,人们的思想道德观念,价值观念,文化修养水平等差异,群众中良莠不齐,善良的人们能够自觉规范自已的行为,“非礼不为”,虽无钥匙亦不会乱闯。
然而,那些毫无道德观念的盗贼却想方设法利用高科技手段撬门开锁,使广大居民防不胜防。
为什么会出现这种情况呢?
因为传统锁具都存在致命的弱点:
第一、锁芯采用常见的铜、铝、锌等材料,抵抗不了强力破坏;
第二、锁具制作工艺,技术落后,无法阻止技术手段的开启。
目前,市场上很多国内外的锁具,实际上都不具备真正的防盗功能。
在惯偷面前,两根钢丝或几件简单的工具就可以把这些锁打开,有的惯偷甚至公开扬言:
“没有我打不开的锁。
”其实,不是他们多高明,而是一般锁具技术原理太过简单。
面对这一残酷的现状,新时代提出了锁具必须革命的迫切的要求,这样电子锁具就进入了大家的视野。
第一章绪论
1.1选题目的与意义
1.1.1选题目的
随着计算机与信息技术的不断发展,生物特征识别技术的研究受到了广泛的关注和探讨。
由于传统的用户身份识别已经不能满足人们的需求,为了保证人们的信息安全,国家陆续出台了一些相关政策与法规,使得安全性高的生物识别技术的相关指数得到详细的规定。
《中华人民共和国计算机信息系统安全保护条例》、《信息系统安全等级保护测评准则》、《计算机信息系统安全等级保护》、《信息系统安全等级保护基本要求》等文件中明确规定计算机信息系统必须能够鉴定用户身份,实现安全等级保护。
加上每个人的指纹具有唯一性且终身不变,
因此指纹识别是代替传统身份识别手段的最安全、最可靠、最方便的方法之一。
尽管在此技术上已有多种成型产品,但是因为指纹图的噪声、皮肤弹性的非线性等因素,以及许多文献都因商业利益而未经公开,所以要在国内实现理想的指纹自动识别系统依然是一个很艰难的研究任务。
并且指纹锁具有它特有的一些优势:
可靠性:
采用独特的容错技术,即使指纹有破坏,即指纹不全或指纹随时间有自然的变化时也不影响正确识别。
快捷性:
大多数系统鉴别时间仅需1-3秒,登陆注册一个新客户只需一分钟的时间。
灵活性:
一个指纹信息的代码可以压缩到几十个字节到几百个字节,因此可以存放在一个磁条上或者一张二维条码卡上或者IC卡上,甚至几个指纹代码可以放在一张智能卡上。
当然,
成千上万的代码可以存放在本地或网络化数据库中,这样,代码可经网络迅速传输。
因而可以灵活的构成多种系统,即可以独立使用或集成到一个大范围的出入口控制或者安全管理系统,如证卡存档识别系统中。
可接受性:
一个因素是目前的系统具有高性能;另一个因素是目前的系统设计已考虑到人类工程学设计,因而易被多数用户接受。
安全性:
所有个人代码都经过了特殊加密。
通过所存储的代码不可能复原源指纹,彻底避免了指纹冒用。
因此,即使证卡丢失,也不存在安全问题。
方便性:
目前出现的各种指纹识别系统一般外观设计精巧、结实,采用了精密独特的光电系统,具有全屏液晶提示,备有多种安装模式。
兼容性:
可以与现有的各类系统兼容,可实现全自动化的识别。
实时性:
可实现完整的跟踪、实时报警功能。
1.1.2选题意义
在网络化时代的今天,我们每个人都拥有大量的认证密码,比如开机密码、邮箱密码、银行密码、论坛登陆密码等等;并配备了各种钥匙,如门锁钥匙,汽车钥匙,保险柜钥匙等。
这些都是传统的安全系统所采用的方式,随着社会的发展,其安全性越来越脆弱。
而我们的生活随时都需要进行个人身份的确认和权限的认定,尤其是在信息社会,人们对于安全性的要求越来越高,同时希望认证的方式简单快速。
为了解决这一问题,人们把目光转向了生物识别技术,希望能借助人体的生理特征或行为动作来进行身份识别。
这样您可以不必携带大串钥匙,也不用费心去记各种密码。
另外,生物特征具有唯一性,不可复制性,例如指纹,有学者推论:
以全球60亿人口计算,300年内都不会有两个相同的指纹出现。
以电子商务、电子银行的安全认证为例,目前在电子商务中他人会假冒当事人的身份,如果通过生物特征进行论证,就可有效防止此类事件的发生。
另外,网络、数据库和关键文件等的安全控制,机密计算机的登陆认证,银行ATM、POS终端等的安全认证,蜂窝电话,PDA的使用认证等等,都离不开可靠安全的生物特征识别。
可见,生物特征识别不但有可观的经济效益,还有不可估量的国家信息安全效益。
长期以来,验证身份的方法是验证该人是否持有有效的信物,如照片、密码、钥匙、磁卡和IC卡等。
从本质上来说,这种方法验证的是该人持有的某种“物”,而不是验证该人本身。
只要“物”的有效性得到确认,则持有该“物”的人的身份也就随之得到确认。
这种以“物”认人的办法存在的漏洞是显而易见的:
“物”的丢失会导致合法的人无法被认证,以及各种信物容易被伪造、破译。
网络环境下,密码作为身份识别的标志已被广泛采用。
但是密码容易被遗忘,也有被人窃取的可能,已不能满足人们的需要。
人们逐渐把目光转向了生物特征识别技术。
生物特征识别技术是为了进行身份验证而采用自动化技术测量其身体特征或个人行为特点,并将这些特征或特点与数据库的模板数据进行比较,完成认证的一种解决方案,被评为21世纪十大高科技之一。
生物特征识别是目前最为方便和安全的识别技术,并且生物特征识别产品均借助于计算机技术实现,容易与安全、监控、管理系统整合,实现自动化管理。
1997年比尔·盖茨曾这样预言:
“生物识别技术即利用人的生理特征,如指纹、虹膜等来识别个人的身份,将成为未来几年IT产业的重要革新”。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内
在我国,指纹识别技术从2000年以后,开始步入快速成长期。
众多胸怀宏图的企业和个人,开始为这项看似神秘的前沿技术而勤耕不辍。
近些年随着指纹传感技术和计算机技术的发展成熟,以电场式(真皮感应)指纹传感器为主的指纹识别技术的发展和应用逐步得到了重视,在指纹识别软硬件技术不断改进和发展日趋成熟的基础上,扩大指纹技术的适用范围和应用市场领域成为了当今指纹技术研究的重点。
目前普遍采用的脱机式指纹识别系统硬件结构是由指纹传感器、指纹识别模块、外围控制电路组成的。
指纹识别模块中多采用DSP作为处理芯片,外部还扩展了许多存储器和外围设备,存在着体积难以进一步减小、制作调试工艺复杂、造价高等问题,这些问题直接限制了指纹识别技术在指纹汽车锁、指纹枪械、指纹掌上或笔记本电脑、手机等要求嵌入式应用的广阔领域,极大地影响了这项技术地普及和推广。
1.2.1国外
(1)指纹识别的起源:
指纹身份识别是最古老的防伪技术,现在与计算机技术相结合,已成为身份识别的重要手段。
对指纹的研究,最开始属于生物遗传学的研究范畴,同时也是人类学研究的课题之一。
指纹作为皮肤纹理学研究的三大对象之一,在中国的学术研究领域也有近百年的历史。
中国是世界上公认最早应用指纹识别技术的国家。
公元前7000年到6000年以前,在古叙利亚和中国,指纹作为身份鉴别已经开始使用。
考古发现,一些粘土陶器上留有陶艺匠人清晰可见的指纹图案。
(2)指纹识别的研究与发展历程:
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性:
没有人的指纹是完全相同的(惟一性);指纹的样式终生不变(稳定性)。
这个研究成果使得指纹在刑事侦查中得以正式应用。
1823年,珀金杰(J.Purkinie)首次将指纹纹形分成了9类;1858年,赫谢尔(W.Herschel)规定与官方定契约必须捺指纹;1880年,福尔茨(HenryFauld)发表了指纹认证的论文,第一次科学地提出了指纹的个体性和惟一性。
指纹惟一性的发现,使得指纹作为一种更为有效的鉴别方法而得到采用。
1889年,亨利(E.R.Henry)在总结前人研究成果的基础上,提出了基于指纹细节特征识别(Minutia-Based)的理论,并提出了用指纹识别来进行确定罪犯身份的设想,从而奠定了现代指纹学的基础。
直到一个多世纪后的今天,采用Minutia-Based的指纹识别算法仍是主流。
1892年,英国的弗朗西斯盖尔顿(FrancisGalton)对指纹进行了广泛的研究,写了《Fingerprint》一书,向世人介绍了用于单个指纹分类的细节特征,首次系统地阐述了指纹学,完善地建立了一整套指纹识别的方法,并且用于刑事侦察中对犯罪嫌疑人的甄别和鉴定。
20世纪60年代,由于计算机可以有效地处理图形图像,人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。
FBI开始了指纹的自动识别。
自动指纹识别系统的研究和应用陆续在许多国家展开。
70年代,美国政府派ScandiaLabs调查各种生物特征识别技术,结论是指纹识别是最具潜力和准确率最高的识别技术,这一调查使得大批研发工作集中到指纹识别算法和系统集成上来。
80年代,个人电脑和光学扫描这两项技术的革新与发展,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它领域中得以应用。
90年代后期,低价位取像设备的引入及其飞速发展,以及可靠的比对算法的研究发展,为个人身份识别应用的发展提供了舞台,也为指纹识别算法提出了新的挑战和要求。
最近几年,指纹识别技术从警用走向民用,从专用走向公用,逐渐成为人们关注的前沿高科技之一,已成为当前国内外学术界和商业界研究和开发的热点之一。
微软公司推出了可单独操作的指纹辨认器;IBM也开始出售附有指纹辨认器的手提电脑;韩国LG电子公司推出的一种手机,底座附有硅晶片,用户只有把手指在底座抹一下才能启动手机。
1.3研究内容
本课题主要是以指纹识别技术为基础,利用指纹识别算法,图像处理技术和DSP技术相结合,将验证的可靠指纹识别算法移植到系统上,采用特定的驱动模块进行通讯来控制电子锁的开关(闭合),从而设计了稳定可靠,快速识别的指纹锁。
本文围绕这一相关的理论知识展开了研究,首先我们对指纹识别的硬件进行了原理图的设计制作,画PCB电路板,制作实物PCB,并对其进行焊接和调试,最终完成硬件电路的设计。
其次我们进行软件的设计与实现,我们要设计出可靠的指纹识别算法和设计驱动指纹锁的程序,以此来驱动硬件电路。
本设计主要分为两大块一块就是指纹处理另一块则是门锁的驱动电路,只有把两者现结合起来才能完整的实现其功能。
本课题需要解决的问题:
(1)指纹锁硬件的整体设计与实现。
其中包括指纹算法模块和控制电路的硬件驱动。
(2)采集指纹图像的实现。
(3)输入的指纹与录入指纹库进行对比的程序实现。
(4)指纹锁硬件驱动电路的设计。
(5)程序的移植。
本文是基于DSP指纹锁的研究,通过指纹采集器采集到的指纹数据与指纹库里的数据进行对比若不同既不通过,若相同者则传递一个高信号给驱动电路,当驱动电路得到高信号时,说明指纹验证成功可以去开门。
我们设计了一段延时,在一段时间内人没有手动的去推开门,门锁又会成闭合状态,此时需要人从新去验证指纹,我们通过在门上安装一个干簧管来判断人是否去推开了门。
第二章系统整体方案设计
2.1系统总体设计
2.1.1系统功能描述
研究方法:
本课题设计的是基于半导体采集的指纹门锁的设计,通过指纹信号来控制门锁的开关,可靠性强,安全性能高,速度快,非常的方便,在实际运用中有着很好的应用前景。
技术路线:
本文是基于DSP指纹锁的研究,通过指纹采集器采集到的指纹数据与指纹库里的数据进行对比来实现门锁的开关。
实验方案:
本课题主要是以指纹识别技术为基础,利用指纹识别算法,图像处理技术和DSP技术相结合,将验证的可靠指纹识别算法移植到系统上,采用特定的驱动模块进行通讯来控制电子锁的开关(闭合),从而设计了稳定可靠,快速识别的指纹锁。
本文围绕这一相关的理论知识展开了研究,首先我们对指纹识别的硬件进行了原理图的设计制作,画PCB电路板,制作实物PCB,并对其进行焊接和调试,最终完成硬件电路的设计。
其次我们进行软件的设计与实现,我们要设计出可靠的指纹识别算法和设计驱动指纹锁的程序,以此来驱动硬件电路。
2.1.2系统总体框架
驱动电路模块框图:
2.2系统单片机
2.2.1单片机的选择
单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域广泛应用。
从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的300M的高速单片机。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机硬件特性:
1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128KB容量的ROM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。
2、系统结构简单,使用方便,实现模块化;
3、单片机可靠性高,可工作到10^6~10^7小时无故障;
4、处理功能强,速度快。
5、低电压,低功耗,便于生产便携式产品
6、控制功能强
7、环境适应能力强。
本课题中我们选用的是STC系列的单片机。
STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好,抗干扰强.
单片机工作的三个条件分别是电源、时钟晶振、复位。
当单片机不能正常工作时,我们首先就要检查这三个条件,用电压表或者万用表检测他的电源和接地脚,检测两个引脚之间的电压是不是5V左右;对于时钟晶体振荡有没有正常工作,我们最好用示波器进行检测,看能否检测到相应频率的正弦波脉冲;复位检测比较简单,单片机的复位电平一般是高电平复位,单片机在接通电源的时候一般复位引脚上会出现5V左右的高电平,另外在按下复位按键时,复位引脚上也会出现高电平,用一般的电压表或者万用表都可以进行检测[2]
2.2.2芯片的介绍
本课题我们选用的是STC12C5204AD芯片作为指纹锁驱动电路的核心芯片,我们用的是16引脚的,这样我们可以最大化的利用该芯片的引脚。
芯片引脚图如图所示:
图2.2.2STC12C5204AD引脚图
在驱动电路里该芯片的1引脚我们用来接复位电路的,2、3引脚是串口我们用来接指纹模块信号的输入,4、5引脚用来接晶振电路,8引脚接地,10引脚接干簧管输入,13引脚接发光二极管(此二极管是用来判断是否有指纹信号进入),14引脚接另一个发光二极管(此二极管是用来判断是否录入指纹),15引脚是用来接电磁锁的,16引脚接电源VCC
。
STC12C5204AD系列主要性能:
●高速:
1个时钟/机器周期,增强型8051内核,速度比普通8051快8~12倍;
●宽电压:
5.5~3.3V;
●增加第二复位功能脚;
●增加外部掉电检测电路(P1.2),可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM(正常工作时无需操作EEPROM);
●外部低压掉电检测(P1.2/EX_LVD;)
●低功耗设计:
空闲模式,掉电模式(可由外部中断唤醒);
●工作频率:
0~35MHz,相当于普通8051:
0~420MHz;
●时钟:
外部晶体或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用户程序时设置;
●4K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上;
●256字节片内RAM数据存储器;
●芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上;
●ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器;
●8通道,8位高速ADC,速度可达30万次/秒,2路PWM还可当2路D/A使用;
●4个16位定时器,兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器;
●可编程时钟输出功能
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