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1、0 基于单片机的指纹识别系统设计（硬件）基于单片机的指纹识别系统设计（硬件） 摘要摘要 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
2、理解，和对单片机的应用。 关键词：关键词：指纹识别 STC12C5A60S2 FM180 硬件 1 Design being based on Single-chip Fingerprint Identification System （hardware） Abstract With the rapid development of science and technology, the safety of traditional security system become more and more weak and the automatic fingerprint recognitio
3、n technology is superior in confidentiality 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
4、 on the hardware design and the fabrication 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 co
5、uld finish fingerprints acquisition, entry, 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 t
6、he single-chip fingerprint identification system. Key Words: Fingerprint identification STC12C5A60S2 FM-180 hardware 2 目目 录录 论文总页数：34 页 第 1 章 绪 论1 1.1 课题的背景和意义.1 1.2 生物识别技术概述1 1.3 指纹识别技术概述2 1.4 指纹识别研究现状3 1.5 论文内容安排4 第 2 章 指纹识别基本原理4 2.1 指纹学的基本知识4 2.1.1 指纹的形成.4 2.1.2 指纹的相关概念.5 2.2 自动指纹识别原理7 2.3 指纹识别系统
7、8 2.3.1 指纹采集.8 2.3.2 图像处理.9 2.3.3 特征提取.9 2.3.4 指纹匹配.10 第 3 章 指纹识别系统硬件设计10 3.1 相关器件介绍10 3.1.1 STC12C5A60S2 的结构与特点.10 3.1.2 指纹识别模块 FM-180.13 3.1.3 12864 液晶显示器介绍.15 3.2 功能描述16 3.3 系统硬件概述17 3.4 方案设计17 3.6 通讯协议.19 3.6.1 单片机和 FM180 的通信19 3.6.2 单片机和 PC 机的通信20 3.7 硬件电路设计21 3 3.7.1 最小系统电路.22 3.7.2 功能选择电路22 3
8、.7.3 模式指示灯.23 3.7.3 液晶显示驱动电路.23 3.7.4 蜂鸣器驱动电路24 3.7.5 串口电路.24 第 4 章 硬件电路制作和调试26 4.1 绘制 PCB 板26 4.1.1 布局要求.26 4.1.2 布线要求.26 4.2 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 二34 0 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 课题的背景和意义课题的背景和意义 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
9、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
10、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，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。 1.21.2 生物识别技术概述生物识别技术概述 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
11、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 1 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
12、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。 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
13、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
14、造。 1.31.3 指纹识别技术概述指纹识别技术概述 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,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 2 Fingerprint Identification Syst
15、em）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
16、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。 1.41.4 指纹识别研究现状指纹识别研究现状 我国在研制指
