PAGE4 基于單片機的指紋識別系統設計（硬件）摘要隨著科學技術的飛速發展，傳統的安全系統的安全性越來越脆弱，自動指紋識別技術集保密性強、差錯率低等優點，已經廣泛的應用到需要身份認證的各種領域。本文簡述了指紋和指紋識別系統，并在此基礎上重點研究了基于單片機的指紋識別系統的硬件設計和制作。系統采用的是增強型51單片機STC12C5A60S2作為主控芯片，而FM—關鍵詞：指紋識別STC12C5A60S2FM—DesignbeingbasedonSingle-chipFingerprintIdentificationSystem（hardware）AbstractWiththerapiddevelopmentofscienceandtechnology,thesafetyoftraditionalsecuritysystembecomemoreandmoreweakandtheautomaticfingerprintrecognitiontechnologyissuperiorinconfidentialityanderrorrate.Thereforetheautomaticfingerprintrecognitiontechnologyhasbeenwidelyappliedtothosekindsofareawhereneedidentification.Thisarticleillustratesthefingerprintsandfingerprintidentificationsystemandonthisbasis,wefocusonthehardwaredesignandthefabricationofthefingerprintidentificationsystem.TheSystememploystheenhanced51MCUSTC12C5A60S2asthemaincontrolchipandtheFM-180fingerprintmoduleasthecoreofthefingerprintcollectionandprocessing.BythecommunicationofMCUandFM-180,itcouldfinishfingerprint'sacquisition,entry,extractionforfeaturevalues,contrastandsoon.TheKeyWords:FingerprintidentificationSTC12C5A60S2FM-

目錄論文總頁數：34頁TOC\o"1-3"\h\u22332第1章緒論 1203921.1課題的背景和意義 1174511.2生物識別技術概述 199151.3指紋識別技術概述 2292951.4指紋識別研究現狀 3230621.5論文內容安排 45129第2章指紋識別基本原理 4245512.1指紋學的基本知識 4270992.1.1指紋的形成 4131332.1.2指紋的相關概念 5207952.2自動指紋識別原理 7143532.3指紋識別系統 8295352.3.1指紋采集 874182.3.2圖像處理 9196542.3.3特征提取 9148422.3.4指紋匹配 1013642第3章指紋識別系統硬件設計 1042263.1相關器件介紹 1055183.1.1STC12C5A60S2的結構與特點 1019863.1.2指紋識別模塊FM-180 1373753.1.312864液晶顯示器介紹 1529773.2功能描述 1688143.3系統硬件概述 17114353.4方案設計 17308993.6通訊協議 1941773.6.1單片機和FM180的通信 19252243.6.2單片機和PC機的通信 20153933.7硬件電路設計 21113373.7.1最小系統電路 22235333.7.2功能選擇電路 22102023.7.3模式指示燈 23250793.7.3液晶顯示驅動電路 2337443.7.4蜂鳴器驅動電路 2465503.7.5串口電路 248211第4章硬件電路制作和調試 26184204.1繪制PCB板 26189394.1.1布局要求 2650784.1.2布線要求 26203884.2制作和調試 2629838第5章總結 2720353參考文獻 2910627致謝 3117177附錄一 331781附錄二 34PAGE26 第1章緒論1.1課題的背景和意義隨著科學技術的不斷發展，我們的生活中常常需要身份確認。信息時代我們每個人都擁有大量的認證密碼，比方說銀行密碼、開機密碼、手機密碼、開機密碼等等。而我們大多數人則喜歡采用配備各種鑰匙，保險柜，防盜報警等傳統安全系統。社會的進步，促使傳統的安全系統越來越脆弱。生物識別技術開始走進安全系統，指紋識別作為生物識別的一種已經獲得了廣泛的應用。指紋特征是人終生不變的特征之一，并且每個人的指紋是不同的，可以說指紋是一個人身份的標識。指紋含有天然的密碼信息，其具有作為密碼信息必須具備的三個重要性質：①廣泛性，每個人都有自己的指紋，很普遍。②唯一性，人與人之間的指紋是不同，可以作為身份的識別。③終生不變性[1]，非意外事故發生終身不變。指紋識別技術相對于其他識別方法有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。由于指紋識別技術的廣泛應用，人們對它的研究也日趨成熟。所以了解指紋識原理，懂得如何設計指紋識別系統顯得很有必要。由于本系統采用的是單片機作為主控MCU，所以在實時性，擴展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優點和意義，那就是以最簡單的，處理數據能低的MCU完成了指紋識別系統應該具備功能。這對于我更好的理解指紋識別原理和單片機結構功能很有幫助，這也是選題的意義所在。1.2生物識別技術概述所謂生物識別技術[2]就是，通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、紅膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態等）來進行個人身份的鑒定。由于人體特征具有人所固有的不可復制的唯一性，這一生物密鑰無法復制，失竊或被遺忘，利用生物識別技術進行身份認定，安全、可靠、準確。目前已經出現了許多生物識別技術，如指紋識別、手掌幾何學識別[3]、虹膜識別[3]、視網膜識別[3]、面部識別、簽名識別、聲音識別等，但其中一部分技術含量高的生物識別手段還處于實驗階段。我們相信隨著科學技術的飛速進步，將有越來越多的生物識別技術應用到實際生活中。指紋識別指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產生的紋線。紋線有規律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結合點和分叉點，稱為指紋的細節特征點。指紋識別即指通過比較不同指紋的細節特征點來進行鑒別。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區別，因此指紋可用于身份鑒定。手掌幾何學識別手掌幾何學識別就是通過測量使用者的手掌和手指的物理特征來進行識別，高級的產品還可以識別三維圖像。靜脈識別 靜脈識別系統就是首先通過靜脈識別儀獲得個人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據專用比對算法提取特征值，通過紅外線CMOS攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，將靜脈的數字圖像存貯在計算機系統中，將特征值存儲。靜脈比對時，實時采取靜脈圖，提取特征值，運用先進的濾波、圖像二值化、細化手段對數字圖像提取特征，同存儲在主機中靜脈特征值比對，采用復雜的匹配算法對靜脈特征進行匹配，從而對個人進行身份鑒定，確認身份。全過程采用非接觸式。虹膜識別 虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環狀區域，在紅外光下呈現出豐富的紋理信息，如斑點、條紋、細絲、冠狀、隱窩等細節特征。虹膜識別通過對比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份，其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進行描述和匹配，從而實現自動的個人身份認證。視網膜識別 視網膜是眼睛底部的血液細胞層。視網膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網膜的獨特特征，血液細胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網膜識別的優點就在于它是一種極其固定的生物特征，不可能受到磨損，老化等影響，因為視網膜是不可見的，故而不會被偽造。1.3指紋識別技術概述人手的指紋即為手指皮膚上的花紋，它是人的一種生物特征。該特征具有獨特的性質。在指紋識別技術中的指紋(fingerprint)確切地說應該稱作指印，即人手指的按印,如圖1。圖1指紋19世紀初，科學研究發現指紋的兩個重要特征，一是兩個不同手指的指紋紋脊不同，二是指紋紋脊的樣式終生不變性[1]。這一研究發現使得指紋正式在犯罪鑒別中得以應用。到了20世紀60年代，由于計算機技術的發展，人們開始研究利用計算機來處理指紋，從那時起自動指紋識別系統AFIS（AutomatedFingerprintIdentificationSystem）在法律方面的研究和應用在許多國家展開。20世紀80年代，個人電腦、光學采集技術的發展，使他們成為取像的工具，從而使指紋識別在其他領域得以應用，比如代替IC卡。90年代后期，低價位取像設備的引入及其飛速發展，可靠的比對算法的發現為個人身份識別應用的增長提供了舞臺。21世紀，指紋識別技術已經基本成熟，研究方向也開始轉向最求高效，快速的指紋算法。相對于其他身份鑒定技術，指紋識別技術之所以優于其他身份鑒定技術而被廣泛采用的原因是指紋具有以下基本性質[4]：1．指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋：2．指紋是相當固定的，不會隨年齡、健康狀況的變化而改變；3．指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發，實用性強；4．每個人十指的指紋皆不相同，可以利用多個指紋構成多重口令，提高系 統的安全性；5．指紋識別中使用的模板并非最初的指紋圖像，而是由圖像提取的關鍵特 征，使所需存儲的信息量減小，而且在實現異地確認時，可以大大減少 網絡傳輸負擔，支持網絡功能。可以看出，指紋識別技術相對于其他識別方法有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。因此，指紋識別成為最流行、最方便、最可靠的身份認證方式，己經在社會生活的諸多方面得到廣泛應用。指紋識別技術的應用系統主要有兩種，即嵌入式系統和基于PC機的桌面應用系統。嵌入式系統是一個相對獨立的、完整的系統，它不需要連接其他設備或計算機就可以獨立完成其設計的功能，其功能比較單一，如指紋門鎖、指紋考勤終端等。而基于PC機的桌面應用系統則有靈活的系統結構，并且可以多個系統共享指紋識別設備，可以建立大型的數據庫，當然，由于需要連接計算機才能完成指紋識別的功能，限制了這種系統在許多方面的應用。1.4指紋識別研究現狀我國在研制指紋自動識別系統方面起步較晚，直到80年代初才開始進行，近幾十年來，國內外越來越多的研究機構和人員在對指紋識別的各個關鍵技術領域進行研究；越來越多的公司從事指紋身份鑒別產品的開發和銷售。就目前的發展狀況來看，自動指紋識別系統已經由大型計算機處理、微機處理發展到嵌入式處理階段。國內外眾多指紋識別研究機構和公司廠商都已將嵌入式指紋識別系統作為研究開發的重點，并推出了部分產品，已經體現了當前的一個重要發展趨勢。目前，雖然許多商業機構報告了自己的系統的較低的錯誤率，但國內外沒有專門檢測機構對自動指紋識別系統進行準確、統一、權威的評價。并且各個自動指紋識別系統在測試時使用的數據庫在容量、指紋質量方面各不相同，測試方案也差別較大，所以各系統間的可比性差。1.5論文內容安排本文以指紋識別系統的指紋識別原理和硬件設計、制作為研究主體，針對指紋識別系統的硬件設計提出多種設計方案。選擇了其中較為可行的方案，并制作和調試電路板。具體的章節和各章的內容安排如下：第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，并簡述了生物識別和指紋識別技術，以及指紋識別研究現狀，確定了本文所做的主要工作。第二章：對研究對象—指紋進行了詳細的介紹，然后說明了自動指紋識別系統的原理。第三章：介紹了指紋識別系統的硬件設計，包括設計方案，和相關器件，最后給出設計電路。第四章：闡述了在布局布線時該注意的基本問題；然后描述了在調試階段遇到的問題和解決方案。第五章：對這次畢業設計做一個簡單的總結。第2章指紋識別基本原理2.1指紋學的基本知識2.1.1指紋的形成在皮膚發育過程中，雖然表皮、真皮，以及基質層都在共同成長，但柔軟的皮下組織長得比相對堅硬的表皮快，因此會對表皮產生源源不斷的上頂壓力，迫使長得較慢的表皮向內層組織收縮塌陷，逐漸變彎打皺，以減輕皮下組織施加給它的壓力。如此一來，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導致表皮長得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。這種變彎打皺的過程隨著內層組織產生的上層壓力的變化而波動起伏，形成凹凸不平的脊紋或皺褶，直到發育過程中止，最終定型為至死不變的指紋。指紋分類有3種基本類型—斗型、弓型和箕型。是皮下組織對指肚表皮頂壓的方向不同造就了這不同的類型。研究表明，如果某人指頭肚高而圓，其指紋的紋路將是螺旋型。現在，科學家已能夠通過模型再現那些較為常見的指紋，也能重復不太復雜的罕見指紋的形成過程。指紋是人類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。指紋能使手在接觸物件時增加摩擦力，從而更容易發力及抓緊物件。是人類進化過程式中自然形成的。依據目測程度：第一類是明顯紋，就是目視即可見的紋路。如手沾油漆、血液、墨水等物品轉印而成，通常都是印在指紋卡上成為基本資料；第二類是成型紋，這是指在柔軟物質，如手接觸壓印在蠟燭、黏土上發現的指紋； 第三類是潛伏指紋，這類指紋是經身體自然分泌物如汗液，轉移形成的指紋紋路，目視不易發現，是案發現場中最常見的指紋。潛伏指紋往往是手指先接觸到油脂、汗液或塵埃后，再接觸到干凈的表面而留下，雖然肉眼無法看到這些指紋，但是經過特別的方法及使用一些特別的化學試劑加以處理，即能顯現出這些潛伏的指紋。鑒識人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。如果指紋是留在金屬、塑膠、玻璃、磁磚等非吸水性物品的表面，檢驗方法就比較容易。通常可以用粉末法，選擇顏色對比大的粉末，撒在物品表面提取出完整的指紋；另一方法是磁粉法，以微細的鐵粉顆粒，用磁鐵作為刷子，來回刷掃，顯現指紋。如果指紋留在紙張、卡片、皮革、木頭等吸水性物品的表面，必須經過化學處理才能在化驗室顯形。2.1.2指紋的相關概念（1）指紋：指頭表面凹凸紋線。（2）指印：指頭凹凸紋線與承受客體接觸時留下的痕跡。（3）脊線：是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。（4）谷線：兩個脊線之間低陷的部分。（5）細節特征：指紋中出現的各種特征，例如最常用的就是脊線端點和分叉點。（6）細節特征點間脊線數：在兩個細節特征之間畫一條直線，與這條直線相交的脊線數目，就叫細節特征間脊線數。這些脊線具有平移、旋轉不變性，是指紋識別系統中經常利用的一個重要特征。（7）中心點：指紋中心點定義為最內層弧狀脊線的上頂點，當最內層脊線的上凸出的部出現分枝點時，將分枝點定義為中心點；當最內層脊線不是弧狀而是一條線時，則脊線的上端點定義為中心點；當這種脊線不是一條，而是多條時，定義為最左邊一條脊線的上端點為中心點。指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細微特征。全局特征包括：(i)基本紋路圖案：基本紋路圖案通常分為左箕型、右箕型、斗型、拱型和尖拱型，如圖2左箕型（2）右箕型（3）斗型（4）拱型（5）尖拱型圖2各種類型的指紋（ii）模式區：模式區是指紋圖像上包含了總體特征的區域，從模式區上能夠辨出指紋屬于那種類型。（iii）核心點：核心點位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對指紋時的參考點。（iv）三角點：三角點是指紋圖像中三角形紋路區域的中心點，離該點最近的三條指紋紋線構成一個近似等邊三角形，三角點提供了指紋紋路計數和跟蹤的起始位置。核心點和三角點統稱為奇異點。（v）紋數：作為全局特征，紋數一般是指模式區內指紋紋路的數量。也有些算法用某兩個點之間的紋路數作為指紋特征，比如兩個節點之間的紋路數。局部特征包括：(i)端點：一條紋路在此終結。(ii)分叉點：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。(iii)分歧點：兩條平行的紋路在此分開。(iv)孤立點：一條特別短的紋路，以至于成為一點。(v)短紋：一條較短但不至于成為一點的紋路。(vi)環點：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個小環稱為環點。(vii)橋：兩條并行的紋路在此被搭接起來。(viii)曲率：紋路方向改變的速度。如圖3圖3基本紋路圖案2.2自動指紋識別原理指紋是手指末端皮膚上的凹凸不平的紋路，這些紋路的存在不僅增加皮膚表面的摩擦力，使我們能夠拿起物品，而且指紋本身蘊含大量信息。指紋在圖案、端點和交叉點上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個人每個手指都不相同，根據指紋的唯一性和可靠性，我們就把一個人和他的指紋一一對應起來，通過比對指紋特征和預先保存的指紋特征，就可以驗證他的身份。自動指紋識別是通過取像設備采集指紋圖像，然后利用計算機技術提取指紋的特征數據，最后通過匹配算法進行比對識別。自動識別技術主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像預處理[8]、特征提取[7]、數據保存、指紋特征值的比對等過程。首先通過指紋采集設備采集到人的指紋圖像，并對原始的圖像進行簡單的處理，是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。然后，指紋特征提取算法建立指紋的特征數據，這是不可逆的轉換，可以從指紋圖像轉換到特征數據，但不可以從特征數據轉換到指紋圖像，兩枚不同的指紋產生不同的特征數據。特征文件存儲從指紋上找到“細節點”，也就是指紋脊線的分叉點或末梢點。有的算法把特征點和方向信息組合產生更多的數據，這些信息反映了特征點之間的關系，也有的算法處理整個指紋圖像。這些數據通常稱為模板。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒有一種模板的標準，也沒有公布一種抽象的算法。最后通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋模板進行比較，計算他們的相似度，最終得到這兩個指紋的匹配結果。2.3指紋識別系統一個完整的指紋識別過程可分為：指紋采集、指紋圖像的預處理、特征提取和指紋匹配幾部分[6]，如圖4：圖4指紋識別過程2.3.1指紋采集指紋由圖像輸入設備轉化成數字信息，并將其保存在機器內部的過程。圖像輸入設備是指紋識別系統的先導硬件，它具有圖像輸入和數字化雙重功能。目前市場常見的指紋采集可以分為光學式取像設備、電容式取像設備和超聲掃描。光學式取像設備是根據指紋紋理和全反射原理（FTIR）設計的。指紋紋路有凹凸部分即谷、脊。當光線照在玻璃表面時，由于玻璃表面壓有指紋，射到紋路凹的部分光線發生全反射，反射光線由CCD獲得；而射到紋路凸的光線不發生全反射，由于脊和玻璃表面接觸就吸收或者散射到其他地方，這樣在CCD上就形成了指紋圖像。而另外一種光學取像設備則是利用微型三棱鏡，把他安裝在彈性的平面上，當手指按在上面由于脊谷壓力不同，而改變微型棱鏡的表面。最后通過棱鏡反射出來。電容式取像設備則是由在半導體金屬上集合了上萬甚至十萬個電容傳感器。當手指放在它上面時構成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導體不同而造成電容值不同，把電容值轉化為電壓值并記錄下來就能得到指紋的灰度圖像。由于傳感器容易受到靜電干擾，易損壞，不如光學式的經用耐磨。超聲波掃描原理是發射超聲波到指紋表面即掃描，然后再有接收設備獲取反射回來的信號，由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來的能量不同，測量后就可得到指紋的灰度圖像。超聲波掃描得到的指紋圖像是指紋的真實圖像，應用起來方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設備價格非常昂貴。下表是各種取像設備的性能比較：取像設備比較表比較項目光學取像設備電容時傳感器超聲波掃描體積大小中耐用性非常耐用容易損壞一般成像能力干手指差，但汗多的和稍脹的手指成像模糊干手指好，但汗多的和稍脹的手指不能成像較好耗電較多較少較多成本低低很高表1各種指紋采集設備比較2.3.2圖像處理在指紋采集的過程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點，叉連很容易受到噪聲的干擾，從而影響指紋特征信息的提取。圖像處理的目的就是利用信號處理技術剔除圖像中得各種噪聲，把它轉化為圖像清晰的二值化圖像，以便提取正確的特征信息。一般的圖像處理過程是：增強濾波、二值化和細化[10]。增強濾波：通過濾波的方法消除指紋圖像中的干擾噪聲。普通的濾波方法如低通濾波、邊緣增強等對噪聲的濾除效果不是很好。因為指紋紋線具有一定的方向和頻率，在頻域看來就是紋線頻譜處于某一特定的位置和方向上。因此可以選用帶通濾波器。目前主流的圖像增強濾波算法都是基于這一原理。二值化：就是把原始的灰度圖像轉化成只有黑白兩種顏色的圖像，目前二值化的方法有兩種：固定門限和動態門限。前者整個圖像采用一個門限，對輸入圖像要求高，要求圖像灰度均衡；后者則是根據不同區域選用不同門限，對輸入圖像要求不高。細化[10]：就是把經過前面處理的指紋圖像的脊的寬度降到最小，去除紋線上的毛刺，從而減少因為毛刺生成的偽交叉點和斷點。2.3.3特征提取指紋的特征包括了全局特征和局部細節特征[9]。全局特征表述了指紋紋線的走向，主要表現在奇異點，就是紋線方向變化較大的點，就是三角點和核心點，他們比起細節特征更加穩定可靠，是指紋特征匹配和指紋分類的重要依據。局部細節特征主要包括了端點和分叉點，目前主要的提取方法分三類：從細化圖像上提取：把指紋圖像二值化、細化后，分析指紋紋線‘骨架’上8個相鄰的像素點取值來判斷細節點的類型和位置，再通過該點和紋線的連線來計算其方向。從灰度圖像上提取[13]：在經過增強濾波的灰度圖像上，選取起始點，根據指紋方向卻定追蹤步長。每前進一段距離，在追蹤發向的垂直線段上的灰度投影確定紋線位置，當遇到端點和分叉點時停止并記錄。從二值圖像上提取：在二值圖像上從上到下，從左到右逆時針檢測像素變化以追蹤脊線位置，當像素之間的角度變化大于閥值時則認為遇到了端點或者分叉點。2.3.4指紋匹配目前匹配的方法有：圖像相關匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細節點匹配[12]。前二者匹配速度快，對圖像要求不高，但是忽略了細節點特征，因此正確性不高。紋線匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。細節特征匹配充分利用了指紋在細節點上的差異，因此簡單準確得到了廣泛的應用。細節點匹配通常把匹配模板和待匹配的細節點集對齊，設定匹配規則，統計二者對應的細節點相同的個數來衡量他們的相似度。但是這種方法對細節的位移，旋轉，形變較為敏感。細節點匹配的難點有：①細節點提取過程中會產生虛假細節點、丟失真細節點，并且細節點的位置，方向可能有偏差。②指紋圖像存在平移和旋轉，需要尋找參考依據以便特征對齊。③指紋采集過程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉，拉伸和形變。④指紋之間的重合區域小，相同指紋的細節點對應關系難以確定。第3章指紋識別系統硬件設計3.1相關器件介紹3.1.1STC12C5A60S2的結構與特點 STC12C5A1.增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統8051；2.工作電壓：STC12C5A3.工作頻率范圍：0-35MHz，相當于普通8051的0～420MHz；4.用戶應用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節；5.片上集成1280字節RAM；6.通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統I/O口），可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA；7.ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A9.看門狗；10.內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接 1K電阻到地）；11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器，5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%；12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內)1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz～15.5MHz，3.3V單片機為：8MHz～12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準；13.共4個16位定時器兩個與傳統8051兼容的定時器/計數器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發生器做串行通訊的波特率發生器再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器；14.2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘；15.外部中斷I/O口7路,傳統的下降沿中斷或低電平觸發中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通過寄存器設置到P4.3)；16.PWM(2路）/PCA（可編程計數器陣列,2路）：——也可用來當2路D/A使用——也可用來再實現2個定時器——也可用來再實現2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；17.A/D轉換,10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現多串口；19.STC12C5A20.工作溫度范圍：-40-+85℃(工業級)/0-75圖5STC12C5ASTC12C5A60S2單片機的內部結構框圖如圖6所示。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗電路及片內RC振蕩器和晶體振蕩電路等模塊。STC圖6STC12C5A3.1.2指紋識別模塊FM-180FM-180亮背景光學頭指紋識別設備采用光學指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲等項功能。和同類指紋產品相比，FM-180指紋識別設備具備下列特色：●指紋適應性強指紋圖像讀取過程中，采用自適應參數調節機制，使干濕手指都有較好的成像質量，適用人群更廣泛。●價格低廉設備采用自行開發的光學采集頭，成本大幅降低。●算法性能優異FM-180指紋識別設備算法根據光學頭成像原理另行設計。算法對變形、質量差指紋均有較好的校正和容錯性能。●簡單易用方便擴充無需具備指紋識別專業知識即可應用。按照FM-180指紋識別設備提供的豐富控制指令，可自行開發出功能強大的指紋識別應用系統。●使用方便可直接連在PC的USB口上使用，無需任何其它轉接設備。系統參數：F—180性能參數表序號指標項目技術參數測試條件1供電電壓DC3.6—6.0V2正常工作電壓120mA3峰值電流150mA4指紋錄入時間<1.0s51:1比對時間<1.0s特征提取+指紋比對61:900搜索時間<2s7指紋存儲數量最多支持960枚8認假率<0.001%9拒真率<1.5%10指紋模板大小512bytes11外部接口UART表2FM-180參數表該模塊采用的是PS1802一款高性能通用DSP控制器，同時也是一款全功能的指紋識別系統芯片（SOC），工作主頻為120MHz，峰值運算能力達到480MIPS，內嵌156KBRAM，96KBROM，功耗小于150mW（@120MHz）。外部標準接口：模塊與用戶設備的接口都采用同一個單排插座/針（分體式為5芯2.0間距、一體式為4芯1.27間距）。用戶無特殊要求時，所提供的用戶接口引線長度為150mm。模塊與用戶設備的串行通訊時，接口J1引腳定義如下：FM-180引腳功能表引腳號名稱類型功能描述1VCCIN電源正輸入端（顏色：紅）2TXDOUT串行數據輸出。TTL邏輯電平。（顏色：綠）3RXDIN串行數據輸入。TTL邏輯電平。（顏色：白）4GND—信號地。內部與電源地連接。（顏色：黑）表3引腳功能圖7FM-180實物圖FM-180在FLASH中開辟了一個512字節的存儲區域作為用戶記事本，該記事本邏輯上被分成16頁，每頁32字節。上位機可以通過PS_WriteNotepad指令和PS_ReadNotepad指令訪問任意一頁。注意寫記事本某一頁的時候，該頁32字節的內容被整體寫入，原來的內容被覆蓋。FM-180是完整的指紋識別模塊，不需掛接任何外圍部件，模塊始終處于從屬地位（Slavemode），主機（Host）需要通過不同的指令讓模塊完成各種功能。主機的指令、模塊的應答以及數據交換都是按照規定格式的數據包來進行的。主機必須按照規定的格式封裝要發送的指令或數據，也必須按規定的格式解析收到的數據包。3.1.312864液晶顯示器介紹12864液晶顯示器，具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式。內部自帶中文字庫，其顯示分辨率為128×64，內置8192個16×16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。該模塊接口方式靈活簡單，有方便操作的指令。可構成全中文人機交互圖形界面。可顯示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。而且具有低電源電壓功耗小的優點。模塊接口說明液晶管腳功能表管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數據RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數據5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數據被讀到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的數據被寫到IR或DR6E(SCLKH/L使能信號7DB0H/L三態數據線8DB1H/L三態數據線9DB2H/L三態數據線10DB3H/L三態數據線11DB4H/L三態數據線12DB5H/L三態數據線13DB6H/L三態數據線14DB7H/L三態數據線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（見注釋1）16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效（見注釋2）18VOUT-LCD驅動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）（見注釋3）20KVSS背光源負端（見注釋3）表412864引腳功能*注釋1：如在實際應用中僅使用串口通訊模式，可將PSB接固定低電平，也可以將模塊上的J8和“GND”用焊錫短接。*注釋2：模塊內部接有上電復位電路，因此在不需要經常復位的場合可將該端懸空。*注釋3：如背光和模塊共用一個電源，可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。3.2功能描述基于單片機的指紋識別系統是由STC12C5A60S2MCU處理器、12864液晶顯示等器件構成，在無需上位機參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模板該系統的控制核心是51系列單片機STC12C5A3.3系統硬件概述指紋識別系統主要包括：單片機最小系統、指紋采集部分、指紋存儲部分、液晶顯示部分、蜂鳴器、通信電路、按鍵和電源組成。其結構框圖如圖8所示，系統中的MCU采用增強型51單片機，它是整個部件的控制核心。電源采用市場上市電轉5V的直流電源。液晶和蜂鳴器作為整個系統對用戶的一個反饋，用于顯示結果和指紋識別過程中對用戶的操作提示。至于關鍵的指紋采集和指紋存儲，它的選擇直接影響整個系統的效果，下一節將介紹有關于這方面的選擇，這里就不做介紹。圖8系統結構框圖3.4方案設計根據系統硬件結構框圖，結合功能要求和手上現有的材料器件，提出了關于三種實現指紋識別的設計方案，下面將一一為大家介紹。根據設計題目基于單片機的指紋系統的設計，可知，系統采用的是單片機最為控制器件，對比DSP、FPGA它具有低功耗、性價比高的優點。而選用51系列的STC12C5A60S2的原因是我們自己就有款單片機，可節約成本，而且增強型51比（1）方案一指紋采集部分是采用指紋考勤機易通R-58A的光學采集頭OV7620，由于是采用的是從廢舊指紋考勤機拆解下來的采集頭，通過觀察，該采集頭共有16跟輸入輸出線。我們在網上找關于該采集頭的資料，但是由于該考勤機出產很久，沒能找到很詳細的資料不能確定每根方案二指紋采集的部分是選用富士通的電容式傳感器FPS200。FPS200是由256*300的傳感器陣列組成的，支持三種數據傳輸方式：8位的系統總線、集成的全速USB和集成的SPI。可以通過MODE0，MODE1的組合方式選擇不同的接口方式。豐富的接口方式方便了指紋傳感器的調試和使用。它具有500DPI的分辨率，能進行AD轉換。通過FPS200采集出來的一個指紋大小大概在75KB左右，而51單片機最多片外擴展64KB。當然也可以擴展大于64KB的存儲空間，那就是占用51單片機的P1口作為多余的地址線。這樣出現一個問題就是不能同時選中FPS200和存儲器件進行數據傳輸。解決辦法是選用3片單片組成主從機，其中主機片負責采集和傳輸，從機1負責存儲和處理指紋，從機2負責存儲處理后的數據。其結構框圖如圖9：圖9方案三硬件結構框圖工作過程：當有手指按在傳感器上時，FPS200給主機一個中斷信號，開始傳送經過AD轉化的指紋數據，接著把接收的數據通過串行通信的方式傳送到從機1，從機1把數據存儲在RAM中；接著從機1就處理指紋數據，最后又把處理后的指紋數據傳給從機2寫入SRAM中固化下來，形成一個指紋數據庫。當需要驗證時從機1,2通信，比對處理后的指紋是否一樣。通過分析該方案較為繁瑣，其中涉及到多機通信的問題，以及速率傳輸的問題。通過理論計算如果采用51單片機就僅采集一個指紋就需要耗時8秒左右，過程必須保證手指在傳感器不能移動。主機傳輸到從機采用的是串行通信耗時更是遠大于8秒。另外由于采集到的是指紋圖像，數據量大，單片機處理圖像數據的能力和速度有限，達不到要求。FS200這片指紋傳感器價格相當昂貴，零售價在300元以上，綜合上述原因，該方案可行性低。方案三指紋采集部分是用的是FM—180指紋識別模塊。該模塊集成了圖8所示的指紋采集和指紋存儲，并且能夠完成指紋特征提取，比對，驗證等功能。該模塊使得指紋識別系統變得簡單化。并且它的信號線就4根，電源線，地線，TXD，RXD使用起來非常方便。工作過程：手指按在模塊上時，單片機發送采集指令，指紋就采集到模塊內并存儲起來，接下來單片就發送提取指紋特征指令給模塊，由于識別模塊內嵌DSP，所以大大提高了數據處理的能力，經過特征碼處理的模板就可以存儲、比對、刪除等功能操作。這些操作都是通過單片發送指令完成的。也就是通過單片機和指紋模塊的通信就可以完成指紋識別的功能。FM—180該模塊的市場價格在200元左右，雖然仍然很貴，但是同比市場上的指紋采集部分的芯片，它的性價比遠遠大于后者。通過比較上述三種方案，綜合考慮各方面因素，我們選擇方案三，選擇其原因是其原理簡單，能方便的實現，性價比高。3.6通訊協議3.6.1單片機和FM180的通信通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機系統以及現代測控系統中信息的交換多采用串行通信方式。并行通信通常是將數據字節的各位用多條數據線同時進行傳送。并行通信控制簡單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長距離傳送時成本高且接收方的各位同時接收存在困難。串行通信是將數據字節分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個地傳送。串行通信的特點：傳輸線少，長距離傳送時成本低，且可以利用電話網等現成的設備，但數據的傳送控制比并行通信復雜。通訊還有同步和異步之分。同步通信時要建立發送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數據的位之間的距離均為“位間隔”的整數倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。發送方對接收方的同步可以通過兩種方法實現。異步通信是以字符（構成的幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，但每個字符中的各位是以固定的時間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間不一定有“位間隔”的整數倍的關系），但同一字符內的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數倍。這里FM-180和單片的通訊方式是異步串行通信模式。在單片機內部集成了一個串行通信I/O部件UART，支持全雙工串行通信，通過編程可以將8位字節數據寫入UART中，UART自動將改接的8位二進制數變成串行數據，在不同時刻從TXD引腳輸出發送；同時對于不同時刻從引腳RXD輸入的串行數據，UART自動變換成字節，可以編程讀取后進行處理。通過這種方式實現了單片機對FM-180的控制。3.6.2單片機和PC機的通信大多數的計算機設備都具有RS-232C串行通訊接口，盡管它的性能指標并非很好，但是RS-232C借助與并行通訊口相比更多的寄存器，使用這些寄存器實現串行數據的傳送及RS-232C設備之間的握手與流量控制。從而使RS-232C串行通訊協議僅需3根線便可在兩個數字設備之間全雙工的傳送數據。1．RS-232C通訊協議RS-232C的每個腳線的信號和電平規定采用負邏輯電平，DC(-15V~-5V)規定為邏輯“1”，DC(+5V~+15V)規定為邏輯“0”，DC(-5V~+5Y)規定為過渡區。單片機的TTL/CMOS電平與計算機接口或終端的RS-232C通訊接口的邏輯電平不兼容，需要外加電路實現電平轉換。通常采用的元器件為MC1489，MC1488實現TTL/CMOS電平與RS-232C電平的轉換[8]。也可采用MAX232芯片實現兩對TTL/CMOS電平與RSRS-232C規定使用25針標準連接口，采用DB-25型連接器。RS-232C標準定義了25根信號線，但在實際使用時，只需2個數據線、6個控制線、1個地線共九個信號。因此一些生產廠家對RS-232C標準的機械特性進行了簡化，使用9針標準連接口，即使用DB-9型連接器。由于RS-232C發送端與接收端之間的信號傳遞采用多芯信號線，而多芯信號線的總負載電容不能超過2500PF，所以RS-232C的信號傳輸距離為十幾米。2．RS-232C接口功能特性及連接使用9針或25針的連接器將RS-232C串行口的信號傳送到其他通訊設備，連接器各信號線定義及功能如表5。9針連接器功能表管腳編號信號名稱方向含義1DCD輸入數據載波檢測2RXD輸入數據接收端3TXD輸出數據發送端4DTR輸出數據終端準備就緒（計算機）5SG輸入信號地6DSR輸入數據設備準備就緒7RTS輸出請求發送（計算機要求數據）8CTS輸入清除發送（MODEM準備接收數據）9RI輸入響鈴指示表5串行口引腳定義表單片機與傳感器或單片機與計算機之間直接使用RS-232C通訊標準進行串行通訊時，信號在通訊過程之中可能會被全部或部分使用。最簡單的通訊僅需TXD及RXD及SG最基本的信號線完成，其他的握手信號可以做適當處理或直接懸空。3.7硬件電路設計根據圖和方案三的設計思路，指紋識別系統采用STC12C5A60S2作為主控芯片，FM—圖10指紋識別系統結構框圖工作過程：通過按鍵選擇FM—180工作狀態，有指紋錄入，指紋比對，清除指紋庫三種狀態分別對應3個按鍵，系統上電后選擇工作模式；單片機則發出對應的指令給FM—180，FM—180接收到對應的指令后進行相應的操作，然后把操作提示或者操作的結果返給單片機做出顯示，同時蜂鳴器發出相應的不同的聲音給予提醒。電源選擇DC5V供電。根據上述設計思路，畫出具體的電路原理圖和PCB圖，詳見附錄。3.7.1最小系統電路所謂的系統就是可以獨立實現某些特定功能的一個產品。單片的最小系統，或者稱為最小應用系統，是指利用單片自身的資源，用最少的輔助元件組成一個可以工作的系統。一個單片機，配其必需的外圍電路包括電源，復位，晶振，然后有一個簡單的啟動程序，即構成單片機最小系統。電路圖如圖11：圖11復位電路如圖所示，單片供5V電源，正常工作的時候單片的復位端管腳為低電平，當復位端的管腳持續2個機器周期的高電平時，單片機就復位。而按鍵的時間肯定超過2個機器周期2ms。所以當按鍵S1按下時單片機復位。3.7.2功能選擇電路該模塊實現對指紋錄入，指紋比對，指紋清除的功能選擇，工作過程是，單片機檢測到有相對的按鍵按下時，進入相應的工作的模式。即是當檢測到P3.2,P3.3,P3..4管腳為低時認為鍵被按下。圖12按鍵電路3.7.3模式指示燈圖13指示燈因為液晶要實時的顯示指紋識別的過程，所以工作模式是由2個指示燈來完成指示，通過軟件編寫其亮的方式和組合來指示各種工作狀態。3.7.3液晶顯示驅動電路根據前面介紹的液晶12864，設計出液晶驅動電路如圖所示，其中V0端口是亮度調節，由于液晶的該管腳被損壞所以該管腳就懸空處理。圖14液晶驅動電路3.7.4蜂鳴器驅動電路蜂鳴器采用的是有源蜂鳴器，蜂鳴器起到提醒報警作用，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來放大電流就可以了。驅動電路如圖15所示：圖15蜂鳴器驅動電路在不需要鳴叫的時候Q1的E極為高，B極為高，三極管沒有導通，當需要鳴叫時可以軟件編寫P2.2為低，這樣EB壓降大于導通壓降，三極管導通，蜂鳴器鳴叫。這里三極管起到開關和電流放大作用。3.7.5串口電路這部分的電路主要是用于單片機和PC機通信，由于電腦串口出來的是RS232電平，而單片機采用的是TTL邏輯電平，如果直接相連，電平不匹配無法完成通信故需要一個電平轉換電路：圖16串口電路在設計單片機和PC機的硬件電路時，使用MAX232芯片實現TTL電平和PC機RS-232電平的轉換，使用該芯片使電路外圍電路簡單，工作可靠。MAX232是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發生器以便在單5V電源供電時提供EIA/T工A-232-E電平。每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉換為5VTTL/CMOS電平。這些接收器具有1.3V的典型門限值及0.5V的典型遲滯，而且可以接收士30V的輸入。每個驅動器將TTL/CMOS輸入電平轉換為EIA/TIA-232-E電平。工作溫度范圍為0℃至701．單5V電源工作；2．兩個驅動器及兩個接收器；3．士30v輸入電平；4．低電源電流：典型值是8mA；MAX232引腳如圖17所示，1~6腳為電容端，7~14腳包含4路RS232/TTL電平轉換器，其中兩路為0/5V→+10V/-10V，另兩路為+10V/-10V→0/5V。圖17MAX232引腳圖綜合上述各部分電路，通過整合起來完成了指紋識別系統的硬件電路設計和制作。其主電路見附錄。第4章硬件電路制作和調試4.1繪制PCB板4.1.1布局要求A遵照“先大后