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1、基于PIC单片机的指纹识别系统第一章 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。众所周知世界上没有两个完全相同
2、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，同时飞速发展的个人计
3、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
4、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
5、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Mcs-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
6、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
7、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
8、-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（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低 功耗、具有精简指令集（RISC）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
9、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
10、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，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
11、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
12、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，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
13、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。1参考文献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案J中国防伪报道，2007，21(8): 1-113 张成，周媛媛等指纹采集技术及其产品发展趋势J电子技术应用，2004，6(8): 3-204 聂鹏 耿文波指纹识别技术浅谈J电脑知识与技术，2007，15(9): 937-9435 Yang XD，Ning XB，Yin YL. Fingerprint image prepr
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