1、1基于单片机的指纹识别系统设计（硬件）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 FM180 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：指纹识别 STC12C5A6
2、0S2 FM180 硬件2Design being based on Single-chip Fingerprint Identification System （hardware）AbstractWith 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 confidentia
3、lity 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 fabrica
4、tion 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 fingerprints acquisition, en
5、try, 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 identificati
6、on system.Key Words: Fingerprint identification STC12C5A60S2 FM-180 hardware3目 录论文总页数：34 页第 1 章 绪 论 .11.1 课题的背景和意义 .11.2 生物识别技术概述 .11.3 指纹识别技术概述 .21.4 指纹识别研究现状 .31.5 论文内容安排 .4第 2 章 指纹识别基本原理 .42.1 指纹学的基本知识 .42.1.1 指纹的形成 .42.1.2 指纹的相关概念 .52.2 自动指纹识别原理 .72.3 指纹识别系统 .82.3.1 指纹采集 .82.3.2 图像处理 .92.3.3 特征提
7、取 .92.3.4 指纹匹配 .10第 3 章 指纹识别系统硬件设计 .103.1 相关器件介绍 .103.1.1 STC12C5A60S2 的结构与特点 .103.1.2 指纹识别模块 FM-180.133.1.3 12864 液晶显示器介绍 .153.2 功能描述 .163.3 系统硬件概述 .173.4 方案设计 .173.6 通讯协议 .193.6.1 单片机和 FM180 的通信 .193.6.2 单片机和 PC 机的通信 .203.7 硬件电路设计 .2143.7.1 最小系统电路 .223.7.2 功能选择电路 .223.7.3 模式指示灯 .233.7.3 液晶显示驱动电路 .
8、233.7.4 蜂鸣器驱动电路 .243.7.5 串口电路 .24第 4 章 硬件电路制作和调试 .264.1 绘制 PCB 板 .264.1.1 布局要求 .264.1.2 布线要求 .264.2 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 .341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
9、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
10、，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
11、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
12、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
13、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
14、,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 3Fingerprint 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
15、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
16、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
17、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
18、、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
19、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
20、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
21、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
22、.1.2 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
23、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26（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
24、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
