1、基于 PIC 单片机的指纹识别系统1第一章 文献综述基于 PIC 单片机的指纹识别门锁设计1.1 课题背景与意义今天的工作生活中，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。怎样保护自己的重要文件资料，如何保证自己的隐私不被泄露？在传统的身份认证中，我们往往使用密码加密法，但是这种方法只是“防君子不防小人“。在高明的黑客眼里，由几个字符组成的密码脆弱得不堪一击。现在，科技的发展让我们有了新的选择指纹识别技术。将指纹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 1。众所周知世界上
2、没有两个完全相同特征的人，没有两枚完全相同的指纹。指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的解决方案。指纹是人体独一无二的特征，具有随身性、唯一性、不可复制性、绝对保密性，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征 2。指纹识别技术不仅免除了人们记忆密码的烦恼而且方便快捷。只须手指轻轻一按，立即便可完成身份鉴别。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。尽管指纹只是人体皮肤的小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。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
3、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 3。随着信息化技术的不断发展，计算机安全技术和身份认证对人们越来越重要 而随着基于个人特征的身份认证技术的不断完善和身份认证设备价格的下降4。由此可见，指纹识别技术将在互联网通信安全、金融证券、政府机构、军基于 PIC 单片机的指纹识别系统2事安全、电子商务等领域具有更加广阔的应用前景 5。1.2 国内外现状目前，单片机已越来越广泛地渗透到人们的生活、工作中，以其为核心的控制系统，具有实时控制功能强、可靠性高、实用性强、应用范围广等优点。随着人们生活水
4、平的不断提高，单片机控制系统无疑是人们追求的目标之一，它所给人们带来的方便也是不可否定的。因此，了解单片机知识、掌握单片机的应用技术具有重大的意义。单片机技术结合指纹识别系统这一系统设计，是单片机广泛应用在工业领域的一个范例。 1.2.1 指纹识别原理简介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。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。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
5、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。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 5。1.2.2 单片机简介单片机操作简便，成本低，功能也相对稳定。因此本次设计采用单片机控制指纹识别模块与外围设备。目前单片机主要有以下几类：1. 51单片机系列基于 PIC 单片机的指纹识别系统3Mcs-5l系列单片微处理机是美国INTEL公司在MCS-48单片机的基础上于80年代初推出
6、的产品，具有较强的功能，适应用比较复杂的应用场合，堪称世界上性能最高的微计算机系列。其具有以下特点：1)集成度高：MCS-52单片机的代表产品为8051，其内部包含了4 字节的ROM，128个字节的RAM，4+8位并行口，一个全双工串行口，二个十六位的定时计数器以及一个处理功能很强的中央处理机。5个中断源2个优先级。2)可靠性高： 由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰，而且单片机应用系统体积小容易屏蔽，可靠性高，可以应用于多种场台。3)处理功能强、速度高：Mcs一5l单片微处理机指令系统中具有加减乘除指令及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能，CPU 时钟高达l2MHz，单字节乘法和除法
7、仅需4ps就可完成，且具有特殊的多机通讯功能，可作为多机系统中的一个子系统 7。2. AVR单片机系列1997年,由ATMEL公司利用Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，AVR单片机。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机 8。其具有以下特点：1)采用CMOS技术和RISC架构，实现高速(50ns)、低功耗(A)、具有SLEEP(休眠)功能。AVR的一条指令执行速度可达50ns (20MHz)，而耗电则在1A2.5mA间。2)超功能精简指令：具有32个通用
8、工作寄存器(相当于8051中的32个累加器)，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。3) 操作方便：程序写入器件时，可以使用并行方式写入(用编程器写入)，也可使用串行在线下载(ISP)、在应用下载（IAP）方法下载写入。可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品升级 9。3. MSP430单片机系列MSP430系列单片机是美国德 州 仪 器 （T I）1996年开始推向市场的一种16位基于 PIC 单片机的指纹识别系统4超低 功 耗 、 具 有 精 简 指 令 集 （ RISC）
9、 的 混 合 信 号 处 理 器 （ Mixed Signal Processor。 称 之 为 混 合 信 号 处 理 器 ， 是 由 于 其 针 对 实 际 应 用 需 求 ， 将 多 个不 同 功 能 的 模 拟 电 路 、 数 字 电 路 模 块 和 微 处 理 器 集 成 在 一 个 芯 片 上 ， 以 提供 “单 片 机 ”解 决 方 案 。 该 系 列 单 片 机 多 应 用 于 需 要 电 池 供 电 的 便 携 式 仪 器 仪表 中 10。 其 具 有 以 下 特 点 ：1)处 理 能 力 强 ： MSP430系 列 单 片 机 是 一 个 16位 的 单 片 机 ， 采 用
10、 了 精 简指 令 集 （ RISC） 结 构 ， 具 有 丰 富 的 寻 址 方 式 ， 大 量 的 寄 存 器 以 及 片 内 数 据 存储 器 都 可 参 加 多 种 运 算 ； 还 有 高 效 的 查 表 处 理 指 令 。 这 些 特 点 保 证 了 可 编 制出 高 效 率 的 源 程 序 。 2)运 算 速 度 快 ： MSP430 系 列 单 片 机 能 在 25MHz晶 体 的 驱 动 下 ， 实 现40ns的 指 令 周 期 。 16位 的 数 据 宽 度 、 40ns的 指 令 周 期 以 及 多 功 能 的 硬 件 乘法 器 （ 能 实 现 乘 加 运 算 ） 相 配
11、合 ， 能 实 现 数 字 信 号 处 理 的 某 些 算 法 。 3)超 低 功 耗 ： MSP430 单 片 机 之 所 以 有 超 低 的 功 耗 ， 是 因 为 其 在 降 低 芯片 的 电 源 电 压 和 灵 活 而 可 控 的 运 行 时 钟 方 面 都 有 其 独 到 之 处 11。4. PIC系 列PIC单片机系列是美国微芯公司(MiCroShip)的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一，高调速性能好，成本低和编程灵活性，可使用C语言编程开发。Flash ROM内的单片机程序可以反复擦写,低功耗，灵活性很强 12,13。其具有以下特点：1)精简指令集：CPU采用RISC结构
12、，分别有33、35、58条指令三种。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。2)高效率：PIC单片机采用Haryard双总线结构，运行速度快(指令周期约160200nS)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外) 14。3)驱动能力强：PIC单片机I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。低电平吸人电
13、流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数基于 PIC 单片机的指纹识别系统5码管显示且外电路简单。它的A/D为10位，能满足精度要求。具有在线调试及编程(ISP)功能 15。 1.3 总结PIC 单片机不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求,我们可以针对我们所要设计的产品选择我们所需的单片机类型。PIC 单片机具有优越开发环境，像普通 51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC单片机以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出
14、，除非恢复熔丝,目前，PIC 采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小.从价格来看 PIC 单片机也处于较低位置 16。传统的PC机+算法的指纹识别系统存在设计结构体积大、成本高、处理速度慢而且不便于携带等缺点 17。而嵌入式指纹识别系统则具有体积小、外围电路简单、处理速度快、能移植到PC机开发的程序上实现片上系统等优点 18,19,20因此，本次设计决定使用 PIC 单片机与嵌入式指纹识别模块结合的方案。基于 PIC 单片机的指纹识别系统6参考文献1 卢官明，李海波，刘莉生物特征识别综述J南京邮电大学学报(自然科学版)，2007，27(2): 81-822 卢雪贤. 指纹识别技术门禁应用解决方
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19、4120翟庆一. 指纹识别模块Sm61的单片机控制J. 信息技术与信息化，2006，5(3):113- 117基于 PIC 单片机的指纹识别系统8第二章 开题报告基于 PIC 单片机的指纹识别门锁设计2.1 设计意义现代社会越来越需要高效可靠的身份识别系统。传统的门锁系统中个人身份鉴别手段如钥匙、密码、身份磁卡、IC 卡等识别卡方式。但是，传统的个人身份鉴别方式可假冒、可伪造、可盗用、可破译，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。从消除人为不安全因素看，只有不易被他人代替、仿制、且独一无二的身份码凭证才能做到。因此，基于人体生理特征的身份识别系统逐渐为社会所瞩目。随着识别技术的不
20、断成熟，随着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、面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来，由小型机落户微机，走向民用。而从易用性、安全性、成熟性和造价等方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人体生理特征身份识别技术的主流之一，指纹自动识别技术开创了个人身份鉴别的新时代，将来我们生活的很多场 合都要用到指纹，指纹使我们的生活更方便、安全 1。2.2 设计目标本设计主要针对指纹识别模块开发出基于 PIC 单片机的指纹识别门锁系统。该系统使用指纹识别模块采集指纹信息保存，并与 PIC 单片机建立通信，单片机将根据按键选择执行不同的功能，可以实现与指纹录
21、入、指纹比对、删除指纹数据、开锁、关锁等功能同时当前所处状态将用液晶屏显示，以方便用户使用。基于 PIC 单片机的指纹识别系统92.3 研究的主要内容本设计完成一种基于PIC 单片机的指纹识别门锁系统。主要包括PIC 单片机，指纹采集模块，液晶屏模块，独立按键模块，电磁锁模块。整体设计框图如图2.1所示。P I C单 片 机指 纹 识 别模 块独 立 按 键液 晶 屏电 磁 锁图 2.1 整体设计总体框图 PIC 单片机:用于数据的处理及外围设备的控制。 指纹采集模:用于块完成指纹的录入、比对、删除。 液晶屏模块:用于将该系统当前状态及指纹数据比对成果显示出来。 独立按键模块:用于选择该系统的
22、功能。 电磁锁模块:用于门锁的开关。2.4 拟解决的问题本设计解决的主要问题是指纹识别模块与PIC单片机之间的通信、独立按键模块控制、液晶屏模块控制和电磁锁模块控制。2.5 研究的方法与技术路线本设计主要有硬件模块和软件模块两个部分：硬件设计主要包括指纹识别模块、独立按键模块、液晶屏模块及电磁锁模块，软件模块主要是指在MPLAP环境下编写C语言程序 2。 基于 PIC 单片机的指纹识别系统102.5.1 硬件模块1）指纹识别模块本次设计采用基于嵌入式的指纹识别模块，该指纹识别模块系统主要由以下几个部分构成：指纹传感器部分、电源管理及复位部分、时钟控制部分、通讯端口部分、程序及数据存储部分。这种
23、结构保证了系统的可靠性和可扩展性，同时节省了硬件资源，降低了成本。系统结构如图2.2所示。嵌 入 式 芯 片电 源 管 理 及 复 位指 纹 传 感 器时 钟 控 制数 据 存 储通 讯 端 口图 2.2 指纹识别模块结构系统2）液晶屏模块本设计使用LCD12864汉字图形点阵式液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵） 、128个字符（ 8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM） ，配置 LED背光，多种软件功能（光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等） 。图2.3为LCD12864引脚图。图 2.3 LCD 引脚图3）独立按键模块键盘采用独立式键盘。其电路结构为：键盘一端接微处理器的一个 I/O 口，同时接上拉电阻值系统电源，另一端接地。在程序中采用查询的形式，当有按键按下时，将扫描码保存起来，根据键值，执行相关程序代码，实现用户操作
