指纹识别门禁控制系统设计

1、1 引言1.1 指纹技术简介1.1.1 指纹识别历史19世纪，科学研究发现了指纹识别的重要特征，一个是两个不同手指的指纹模样不同，另一个是指纹的式样终生不变。20世纪末，随着光学扫描等众多高新技术的高速发展，指纹识别得以应用于我们的生活中。而发展到了21世纪，廉价的取像设备的引入，较为可靠的算法的发现奠定了指纹识别技术的基础。相比于其他的身份鉴定技术，指纹识别技术优于其他技术有以下几种原因：每个人都拥有着自身的指纹，且指纹终身不变；指纹样本采集容易，但是模仿困难；指纹识别的模板所应用的是从图像中提取的关键特征，所需的存储信息量小，所以开发成本低。从上面可以看出，指纹识别技术相对于其他的识别技术

2、有许多的优点，并且实用性很高。因此，指纹识别成为了现代较为流行的，并且十分方便实用的身份鉴定方式，广泛地应用在我们的日常生活、学习、工作中。1.1.2 指纹识别原理指纹识别的原理和其它生物识别技术的原理十分相似，都是利用人体的指纹特征对身份进行区分和鉴别。在各种身份区别鉴定技术中，指纹识别的技术是目前较为成熟的，也是在生活中广泛应用的。这种状况出现的原因是因为指纹识别所需要的采集过程对人们来说十分简单方便，而且准确率也较高。指纹识别的原理主要包括指纹采集、指纹特征提取、指纹匹配这三大部分。指纹采集原理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生物特性的不同，通过各种传感器后以得到不同的反馈信号，根据反

3、馈信号的量值来绘成指纹图像。因为指纹的嵴和峪的几何特征不同（嵴是突起的，峪是凹下的），所以见光反射出来的光强也就不同了。另一方面，由于指纹的嵴与峪的生理特征不一样，即嵴与峪的温度不同时，其导电性以及对波长的反馈也不同。通过以上的各种区别，指纹采集到计算机中形成指纹图像。指纹特征提取是指对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、区别、鉴定。其分析的对象包含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。众多特征点的平面几何关系表现为两两特征点之间的距离，或者更多特征点之间所组建起来的多边形的几何特性等。无论特征点的个体特征，还是特征点的组合特征都是指纹特征的一部分。把这些特征

4、用数字的形式在计算机上表现出来，就实现了一个指纹特征分析提取的过程。指纹特征匹配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。指纹特征值匹配从整体特征和局部特征两个方面进行。整体特征的匹配包括对指纹形状型纹形的分类和判断，指嵴密度的判断等。局部匹配包括每个细节点的类型匹配、坐标匹配、质量匹配、方向匹配等，还包括由一组特征值之间形成的拓扑关系的匹配。当前基于细节点特征的指纹识别技术是应用最为广泛的指纹识别技术之一，这种系统的实现步骤如图1-1所示图1-1

5、基于细节点特征的指纹识别技术预处理是将输入的低质量、有噪音的指纹源图象处理成细化后的清晰的二值图像。它的目的是减少低质量的图像对识别结果的影响，预处理中一般包括图像增强、滤波、二值化、细化等步骤。预处理的方法通常要用到方向图，方向图是一种可直接从原灰度图像中得到的有用信息，在预处理、特征提取、指纹分类中有着重要意义。在计算指纹图像方向图多采用块与块直接不重叠的方式，但这样求出的块方向仅由该块所包含的像素点所决定，没有考虑其周围像素点的影响，很容易造成方向的不连续性。于是我们采用在计算方向图时，采用块重叠的方式。这样可以使方向图精度可以大大提高。指纹图像的方向图如图1-2所示。 原始图像 改进前

6、的图像 改进后的图像图1-2 指纹图像的方向图1.1.3 指纹识别应用指纹识别技术是较早应用在我们现实生活中的身份识别技术，它也是当今应用最为广泛的身份识别技术之一。在过去的年代，由于成本的问题，指纹识别一般应用于我们公安机关的刑侦系统。如今，随着成本的降低以及技术的成熟，它也慢慢地走进更广大的民用市场。指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越广，指纹考勤、指纹门禁、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹身份证、指纹购买机票、指纹投票、指纹锁、指纹保护电脑、指纹通关、指纹取款、指纹签到、校园指纹通、指纹会员管理等等生活中和工作中的新现象已广为人知，应用相当广泛，指纹技术正在慢慢改变着着我们的现代化

7、生活方式。1.2 课题背景现代社会高速发展，很多场合需要身份确认，传统的身份识别技术已经不能满足社会的要求。人的身体特征具有不可复制性，因此人们开始研究生物识别技术，而指纹具有唯一性、终生不变性、难于伪造等特点，安全性高，因而得到了广泛的应用。本次设计的内容包括：1、 复习单片机和数字电路设计的相关知识；2、 学习指纹识别的基本原理与方法；3、 对现有市售的指纹模块进行选择，设计一个指纹门禁系统。 本次设计的基本要求：1、 使用单片机实现控制流程；2、 采用指纹识别模块识别不同的指纹；3、 能够存储一定数量的指纹；4、 能够控制一个电锁。1.3 小结本章节简要地介绍了指纹识别技术的历史和其发展

8、状况，重点地介绍了指纹识别技术的原理。最后对本次设计的课题背景进行了简要的叙述。2 指纹识别门禁系统的设计方案2.1 系统功能简要描述本次设计的指纹识别门禁系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹检测。该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送到单片机系统上。它利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，操作十分方便快捷。主要功能就是用继电器向外输出一个电压从而控制一个电锁。采集指纹图像之前，指纹模块必须要检测手指是否放在采集窗口上，所以就要有录入指纹这一项功能。简单的描

9、述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将采集回来的数据进行识别判断，然后向继电器输出控制信号从而达到输出电压控制电锁的目的。该系统的主要功能有以下几个方面：1、录入指纹系统首先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集传感器上的指纹的特征信息，通过光电转换后，将指纹特征值和对应的ID号存储到存储器中。上位机只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置2、上传数据在指纹模块采集到指纹图像后，模块将此图像做数据转换，然后将转换得到的数据发送到指定的位置，此时控制器提取数据信息，从而向继电器输出控制信号。3、继电器控制在单片机系统中接收到了外设信号后，要通过该信号从而向继

10、电器电路或报警电路输出控制信号。2.2 方案及对于方案论证系统的设计是指根据所需设计的系统的设计要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较后选定设备型号，再将设备、元件通过接口电路联系起来构成一个完整的系统。在系统的整体方案确定之前，首先要清楚明了设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，并且要对对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。通过查阅各种文献资料、综合分析考虑以模块的方式提出以下两种可供选择的方案。2.2.1 方案一本方案采用单片机作为系统的核心处理器件，指纹模块采集的指纹图像数据通

11、过单片机的串口发送到SBUF里，单片机将接收到的数据进行处理后发送控制信号到继电器或者报警电路中。继电器电路从单片机中接收到数据，然后向外输出电锁的控制电压。单片机就是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数器、多种功能的串行和并行I/O口等的一个小而完善的计算机系统。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。单片机一般具有如下主要特点：适合实时控制和操作任务可预测的执行周期擅长中断处理，特别是外部异步事件比较多的I/O功能2.2.2 方案二本方案使用DSP作为处理器核心。DS

12、P与单片机相比，多用于算法比较复杂，乘加运算量比较大的场合。DSP从指纹模块内的传感器中读取指纹图像数据并进行相应的算法处理，然后将处理结果送至继电器控制电路从而输出控制信号。利用DSP的并行存储器接口、多通道缓冲串口作为与指纹模块、继电器电路和按键等的接口。为满足设计要求，给DSP配置了SRAM。DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信。

13、具有可编程性，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用提供了一条有效途径。DSP芯片一般具有如下主要特点：在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件I/O支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取指、译码和执行等

14、操作可以重叠执行。2.2.3 方案选定虽然DSP功能比单片机更强大，但是单片机在当前时期比DSP应用范围广。单片机一般用于要求低的场合，而DSP则更适合要求较高较精确的场合。单片机主要面向控制系统的设计以及应用，而DSP更注重数字信号处理设计以及应用。DSP作为单片机的一个分支，它有专门的控制指令，流水线指令处理，并且运算速度十分快。相比于单片机，DSP的电路集成度更高，CPU更强大，存储器容量也大，并且提供了高速同步的串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D电路，可提供PWM输出。DSP器件提供JTAG接口，具有先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何

15、资源。软件配有汇编/链接C编译器、C源码调试器等。虽然DSP比单片机功能更加强大，但是考虑到本次设计已经确定要采用指纹识别模块，其内部已经集成了DSP，所以本次指纹识别门禁系统的设计只需要加入一个单片机最小系统作为控制电路即可。而且在性价比上，单片机更加高。本次设计的主要目的也是控制部分，这是单片机更加擅长的。根据本次设计的基本要求、性价比以及功能实现上看，单片机比DSP更好。所以本次设计决定采取方案一，即用单片机实现控制电路。2.3 小结本章基于设计要求做出了两种设计方案，通过考虑本次设计的要求以及其他各方面的原因对比后，确定了最终选择单片机这一方案。3 硬件设计3.1 单片机控制电路设计3

16、.1.1 选择单片机8位单片机由于内部构造简单、体积小、成本低廉等特点，在一些较为简单的控制器中应用很广，对于本次设计8位单片机已经足够了。下面对常用的几种单片机在性能上作一个简单的比较。51系列：应用最广泛的八位单片机是Intel的51系列，51系列优点之一是它的硬件和软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。51系列的单片机不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能较为完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的比较少。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功

17、能的地址区间，十六个字节，单元地址20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理，使用非常灵活。Intel公司51系列的典型产品是8051，片内有4K字节的一次性程序存储器。Atmel公司就将其升级到电可改写的闪速存储器（Flash），容许改写1000次以上，这给编程和调试带来极大的便利，其产品AT89C51、AT89C52、AT89S51等成为了当今最流行的八位单片机。51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，将该脚设置为高电平即可（复位时，全部I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，高电平或低电平都可以。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时

18、，输出电流仅数十A甚至更小（电流实际上是由管脚内部的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。ISP功能能实现在系统可编程，可以省去通用的编程器，单片机在用户板上即可通过串口在PC机上下载和烧录用户程序，而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善，加快了开发速度，减少了新产品因软件缺陷带来的风险。因为可以将程序下载并观看运行结果，所以可以不用仿真器。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较快的单片机之一。CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令，属精简指令集。而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指

19、令，都比前者复杂。PIC系列单片机采用Harvard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个工作，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，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有工作电压低、功耗小、驱动能力强等特点。PIC系列单片机共分三个级别， 即基本级、中级、高级。其中中级的PIC16F873（A）、PIC16F877 (A) 用的最多最广。以这两种单片机为例进行说明，这两种芯片除了引出脚不同外，其他的差别并不很大。PIC系列单片机的I/O口是双

20、向的，其输出电路为CMOS互补输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而完善了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，不管该脚呈高电平或低电平，对外均为高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均为低阻状态，有相当好的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的进步，它可以直接驱动数码管显示并且外电路简单。它的A/D为10位，能满足精度要求。具有ISP功能。AVR系列：AVR单片机是Atmel公司推出较为新颖的单片机，其特点为高性能、高速度、低功耗。它取消了机器周期，以时钟周期为指

21、令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，并且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的提前读取。通常时钟频率用48MHz，故最短指令执行时间为250125ns。该系列的型号较多，但可用下面三种为代表：AT90S2313、AT90S8515、AT90S8535。通用寄存器一共32个（R0R31），前16个寄存器（R0R15）都无法直接与立即数打交道，所以其通用性有所下降。而在51系列中，它所有的通用寄存器（地址007FH）均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行；而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在

22、A中的来回数据传输，这些比51系列强。AVR的I/O脚类似PIC，它有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。虽不如PIC，但比51系列稍强。通过上述对51系列、PIC系列、AVR系列的分别介绍，综合本次设计的技术要求、功能实现和比对性价比，最终确定采用美国ATMEL公司生产的基于51内核的AT89S51单片机作为此次设计的核心处理器。AT89S51单片机：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存

23、储的技术制造，兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到了广泛应用。AT89S51的主要特性：1、4k Bytes Flash片内程序存储器； 2、128 bytes随机存取数据存储器； 3、32个外部双向输入/输出口； 4、5个中断优先级，2层中断嵌套中断； 5、6个中断源； 6、2个16位的可编程定时器/计数器； 7、2个全双工串行通信口； 8、看门狗电路； 9、片内振荡器和时钟电路； 10、与标准MCS-51兼容； 11、全静态工作：0Hz-33MHz； 12、三级程序存储器保

24、密锁定； 13、可编程的串行通道； 14、低功耗的闲置和掉电模式。AT89S51的管脚分布如图2-1所示：图3-1 AT89S51管脚分布图3.1.2 单片机最小系统设计3.1.2.1 时钟电路设计单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基础有条不紊地一拍一拍地工作。时钟频率直接影响着单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。这里就采用内部时钟方式。对于本次设计的系统来说，依据指纹模块与单片机的通信的波特率要求不小于bps，所以系统晶振频率选11.0592MHZ，这是为了使定时器初值是整数，从而产生较为精确的波特

25、率，减小不必要的误差。晶振两边的电容选用33pF的电容。本系统的时钟电路采用图3-2的电路。图3-2 时钟电路3.1.2.2 复位电路设计当RST引脚有持续两个周期的高电平时，CPU就进行复位操作。复位后PC 指针指向0000H，单片机从0000H开始执行程序。P0P3的复位值是FFH，SP的复位值是07H，而其它SFR的复位值都是0。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要电源Vcc 的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，完成系统的复位初始化。复位电路虽然简单，但其作用很重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成

26、功。本系统采用的复位是简单的按键复位，这样在复位时不用断电后才能复位。如图3-3所示。图3-3 按键复位电路图3.1.2.3单片机最小系统电路设计本次设计的模块后续需要接入单片机的最小系统，而AT89S51的单片机的最小系统电路图如图3-4所示。图3-4 单片机最小系统电路图3.2 液晶显示电路3.2.1 LCD1602液晶显示器介绍LCD1602也叫1602字符型液晶。LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块。它包含有若干个5X7或者5X11点阵字符位，每个点阵字符位都能显示1个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，所以LCD1

27、602无法显示图形，简单的也不行。3.2.2 LCD1602管脚分布LCD1602的管脚分布如图3-5所示图3-5 LCD1602的管脚分布图3.2.3 LCD1602接线电路图LCD1602与单片机AT89S51之间我选择与P0口相接，所以加入了1K上拉电阻在P0口与LCD1602数据口。连接图如3-6所示。图3-6 LCD1602与AT89S51接线图3.3 电锁控制电路设计本次设计的目的是通过指纹识别模块与单片机连接，从而达到一个控制电锁的目的。在这里我选择用一个继电器来达到控制电锁。当指纹识别模块确认指纹正确时，单片机向继电器输出一个电平使之闭合，从而将内部的常开开关闭合。3.3.1

28、继电器介绍继电器是一种电控制器件。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，继电器实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。所以继电器在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。3.3.2 继电器接线电路继电器与AT89S51接口之间连接了三极管来用作放大，并且继电器并联了一个二极管用来保护。继电器的接线电路图如图3-7所示图3-7 继电器的接线电路图3.4 单片机与PC机的通讯设计在指纹识别门禁控制系统的设计中，初期利用PC平台上的编译和调试工具来调试各种指纹的算法，所以需要设计单片机和PC机以及传感器之间的通信硬件电路。 大多数的计算机设备都具有

29、RS-232串行通讯接口，尽管它的性能指标一般，但是RS-232借助与并行通讯口相比更多的寄存器，使用这些寄存器实现串行数据的传送及RS-232设备之间的握手与流量控制。从而使RS-232串行通讯协议仅需3根线便可在两个数字设备之间全双工的传送数据。本次设计采用的芯片为MAXIM公司所设计的MAX232芯片。3.4.1 MAX232 串行通讯接口芯片介绍3.4.1.1 MAX232的基本介绍MAX232是一种双组驱动器/接收器，在片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时给EIA/T工A-232-E提供电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/CMOS电平

30、。这些接收器具有1. 3V典型门限值及0. 5V典型迟滞，并且可以接收30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。工作温度范围为0至70。3.4.1.2 MAX232管脚分布MAX232的管脚分布如图3-8所示图3-8 MAX232管脚分布图3.4.2 关于MAX232电路设计本次设计的指纹识别系统串口通讯的硬件电路图如图3-9所示。图中RXD与TXD可接入PC机的串行通信口。图3-9 基于MAX232的串口通讯硬件电路图3.5 指纹识别门禁控制系统的原理图设计指纹识别门禁控制系统的外设电锁控制原理图，如3-10所示。图3-10 指纹识别门禁控制系统

31、原理图+3.6指纹识别模块的选择3.6.1指纹模块的选择指纹识别技术，在中国市场已经十多年了，现在受到市场越来越多的关注和追捧。指纹识别已经进入了人们的学习、工作和生活中，在大众周围迅速蔓延开来。现在中国制造的指纹识别系列的产品，不仅在国内的市场占据了主导地位，在国际市场上也是占有一定的比例。国内上百家从事指纹识别技术应用的企业基本以代理国外产品为主，拥有自主知识产权的核心技术其实并不多。我国自主开发的嵌入式系列的指纹识别硬件和应用软件产品错误率都低于1.1，在识别准确率和识别速度上其实已经达到了较高的水平。下面根据我自己的搜索选取上海元博智能科技有限公司的GF110产品和杭州指安科技有限公司

32、的ZFM-206系列产品进行对比。从两款指纹识别模块中选择能够满足本次设计的技术参数和功能要求，以及很好的性价比的一款指纹模块。上海元博智能科技有限公司生产的GF110系列上海元博智能科技有限公司生产的GF110指纹识别模块如图3-5所示，它是由高速DSP模块和光学式的采集器一体化集成RS232、RS485、I2C等通讯接口，支持自由度较大的二次开发提供内置16键的键盘接口、I2C的液晶显示接口宽范围电压支持，低至3.6V依旧可以正常地工作，最新的弱电告警信号输出半导体器件使得模块的功耗非常低，甚至低于目前的半导体式的DSP模块。因为该模块采用元博公司业界首创的两项专利新技术，指纹识别效率产生

33、革命性飞跃，并且二次开发接口指令简单，功能强大，支持多种方式的指纹注册、删除、比对模式。如图3-11所示。产品的技术参数如下:尺寸大小：592326 mm指纹容量：3264128枚记录容量：1000条 注册次数：13次比对方式：1：N：1：1误识率 ：0.001拒真率 ：1识别效率：98 识别方式：13指纹验证，密码指纹验证 图3-11 GF110指纹模块通讯接口：RS232或RS485、I2C 键盘接口：16键以下的键盘 供电电压：DC 3V6V功耗：活动峰值电流120mA，平均电流40mA电池：4节AA碱性电池操作8000次 杭州指安科技有限公司ZFM-206系列ZFM-206SA系列光学

34、指纹模块是杭州指安科技有限公司2010年推出的稳定量产的产品，以高性能高速DSP处理器AS601为核心，结合具有公司自主知识产权的光学指纹传感器，在无需上位机参与管理的情况下，具有指纹录入、图像处理、指纹比对、搜索和模板储存等功能的智能型模块。如图3-12所示。产品特点：产品体积小巧、成像清晰、支持360旋转识别、干/湿手指适应性强，智能禁止残余指纹印比对识别，二次开发简便。 产品的技术指标如下:供电电压：DC 3.66.0V 工作电流：100mA峰值电流：150mA指纹图像录入时间：0.3 秒比对方式（1:1）搜索方式（1:N）特征文件： 256 字节模板文件： 512 字节 图3-12 Z

35、FM-206指纹模块存储容量： 120/375/880 枚 安全等级： 五级（从低到高：1、2、3、4、5） 认假率(FAR)：0.001% （安全等级为3 时）拒真率(FRR)：0.1% （安全等级为3 时）搜索时间： 1.0 秒 （1:1000 时，均值）上位机接口： UART（TTL 逻辑电平） 或 USB2.0通讯波特率(UART)： (9600N)bps 其中N=112 （默认值N=6，即57600bps）比对各项技术指标，可以看出杭州指安科技有限公司的ZFM-20系列产品有着诸多优势；录入指纹时间短；与上位机或者其他模块通信时传送数据的波特率宽泛，这样更加容易和外围器件通信；模块工

36、作电压是直流3.66.0V的宽电压；拒真率较上海元博的GF110产品更低，比对指纹时正确的指纹通过率会更高，成功率也比后者高；通过上述比较，此次设计选用杭州指安科技有限公司开发的ZFM-20产品。3.6.2 指纹模块ZFM-20简介指纹处理包含两个过程：指纹登录过程和指纹匹配过程。其中指纹匹配分为指纹比对（1:1）和指纹搜索（1:N）两种方式。指纹登录时，对每一枚指纹录入2 次，将2 次录入的图像进行处理，合成模板存储于模块中。指纹匹配时，通过指纹头传感器，录入要验证指纹图像并进行处理，然后与模块中的指纹模板进行匹配比较（若与模块中指定的一个模板进行匹配，称为指纹比对方式，即1:1 方式；若与

37、多个模板进行匹配，称为指纹搜索方式，即1:N 方式），模块给出匹配结果（通过或失败）。3.6.2.1 硬件接口（1）串行通讯模块与用户设备的串行通讯时，接口引脚定义如表3-1所示。表3-1 ZFM-206引脚定义引脚号名称类型功能描述1VinIn电源正输入端。(线色：红)2TDOut串行数据输出。TTL逻辑电平。（线色：绿）3RDIn串行数据输出。TTL逻辑电平。（线色：白）4GND-信号地。内部与电源地连接。（线色：黑）注：类型栏中，In 表示输入到模块，Out 从模块输出。模块通过串行通讯接口，可以直接与采用3.3V 或者5V 电源的单片机进行通讯：模块数据发送脚（TD）接上位机的数据接收

38、端（RXD）, 模块数据接收脚（RD）接上位机的数据发送端（TXD）。串行协议采用半双工异步串行通讯。传送的帧格式为10位，一位0电平起始位，8 位数据（低位在前）和一位停止位，没有校验位。（2）电源输入如表3-2所示。表3-2 ZFM-206电源输入项目参数单位备注最小典型最大电源电压Vin3.66.0V正常工作值极限电压Vmax-0.37.0V超出可能造成永久损坏工作电流Icc90110110mA峰值电流Ipeak150mA3.6.2.2 系统资源缓冲区模块RAM内设有一个72K Bytes大小的图像缓冲区ImageBuffer与两个512 bytes大小的特征文件缓冲区 CharBuff

39、er 1与 CharBuffer 2，用户可以通过指令读写任意一个缓冲区，图像缓冲区和两个特征文件缓冲区中的内容在模块断电时无法保存。图像缓冲区ImageBuffer 用于存放图像数据与模块内部图像处理使用。上传或者下载图象时，图像格式为256288像素的BMP图像文件。在通过UART口上传或下载图像时为了加快速度，只会用到像素字节的高四位，即采用16级灰度，每字节表示两个像素（高四位为一个像素，而低四位为同一行下一相邻列的一个像素，即两个像素合成一个字节传送）。由于图像为16个灰度等级，上传到PC机进行显示时（对应BMP格式），应将灰度等级进行扩展（扩展为256级灰度，即8bit 位图格式）

40、。通过USB口传送则是整8 位像素，即256 灰度等级。指纹库模块在FLASH 中开辟出了一段存储区域作为指纹模板存放区，即指纹库。指纹库中的数据是断电保护的。指纹库容量根据挂接的FLASH容量不同而不同，系统能够自动判别。指纹模板按照序号存放，若指纹库容量为N，则指纹模板在指纹库中的序号定义分别为：0、1、2N-2、N-1。用户只能根据序号访问指纹库内容。波特率控制该参数控制模块和上位机通过UART口通讯时的通讯波特率。若参数值为N(N 取值范围112)，对应波特率为(9600N)bps。安全等级该参数控制指纹比对和搜索时比对阀值，分为5个等级，取值范围为：15。安全等级为1的时候认假率最高

41、, 拒认率最低。安全等级为5的时候认假率最低, 拒认率最高。本次系统设计取的安全等级为3。数据包长度模块每次传送时允许数据中包的内容的最大长度对应的字节数分别为：32、64、128、256。3.6.2.3 数据包格式模块与上位机通讯时，对命令、数据、结果的接收和发送，都是采用数据包的形式进行的。对于多字节的，都是高字节在前，低字节在后。数据包格式和数据包详细定义表分别如表3-3、3-4所示。表3-3 数据包格式包头地址包标识包长度包内容（指令/数据/参数/确认码）检验和表3-4 数据包详细定义表名称符号长度说明包头START2字节固定为0xef01, 传送时高字节在前。地址ADDR4字节默认值

42、为0xffffffff,用户可以通过指令生成新地址。传送时高字节在前。包标识PID1字节0x01表示该包为命令包。0x02表示该包为数据包，并且有后续包。0x07表示该包为应答包，并且可以跟后续包。0x08表示该包为最后一个数据包，即结束包。包长度LENGTH2字节包长度指的是包内容的长度加上校验和的长度，长度以字节为单位，传送时高字节在前。包内容DATA-可以是指令、数据、指令的参数、应答结果等。检验和SUM2字节包标识、包长度和包内容的所有字节的算术累积和，超过2字节的进位忽略。传送时高字节在前。3.6.2.4模块指令表模块的指令只可以由上位机下给模块，模块向上位机应答。当模块收到指令后，

43、模块会通过应答包，将有关命令执行情况与结果传送给上位机。应答包含有参数，并且可跟后续数据包。上位机只有在收到模块的应答包后才会确认模块的收包情况与指令执行情况。模块的应答包的内容包括一个字节的确认码（必须有）和可能有的返回参数。模块的具体指令如表3-5所示。表3-5 模块指令功能表代码命令名功能说明代码命令名功能说明0x01GenImg录指纹图像0x0dEmpty清空指纹库0x02Img2Tz图像转特征0x0eSetSysPara设置系统参数0x03Match特征比对0x0fReadSysPara读系统参数0x04Search搜索指纹0x12SetPwd设置口令0x05RegModel特征合成

44、模板0x13VfyPwd验证口令0x06Store存储模板0x14GetRandomCode采样随机数0x07LoadChar读出模板0x15SetAddr设置地址0x08UpChar上传特征0x18WriteNotepdd写记事本0x09DownChar下载特征0x19ReadNotepad读记事本0x0aUpImage上传图像0x1dTemplateNum读指纹模板数0x0bDownImage下载图像0x1fReadConList读指纹模板索引表0x0cDeletChar删除模板3.6.2.5数据包的检验与应答模块接收到指令后，会通过应答包，将相关的命令执行状况的结果上报给上位机。应答包内

45、包含有参数，并可跟后续数据包。应答包的内容包括一个字节的确认码和可能返回的返回参数。数据包的确认码如表3-6所示表3-6数据包的确认码序号确认码定义说明10x00指令执行完毕或OK。20x01数据包接收错误。30x02传感器上无手指。40x03录入指纹图像失败。50x06指纹图像太乱无法生成特征60x07指纹图像正常，但特征点太少（或面积过少）无法生成特征。70x08指纹不匹配。80x09没搜索到指纹。90x0a特征合成失败。100x0b访问指纹库时地址序号超出指纹库范围。110x0c从指纹库读取模板出错或无效。120x0d上传特征失败、130x0e模块不能接受后续数据包。140x0f上传图像

46、失败。150x10删除模板失败。160x11清空指纹库失败。170x13口令不正确。180x15缓冲区内没有有效原始图像而生不成图像。190x18读写FLASH出错。200x1a无效寄存器号。210x20地址码错误。220x21必须验证口令。23Others系统保留。3.6.2.6 指纹识别模块的简要工作流程指纹识别模块在上电初始化完成后，等待上机命令。在接收到正确的命令后，迅速执行相应的操作，在操作完成后返回相应的信息。在指纹识别模块执行命令的过程中，模块不会相应上位机发出的其他命令。可以通过录入指纹、指纹搜索等指令来完成对比的功能，也可以通过上传特征、下载特征来远程实现指纹对比功能。总而言

47、之，指纹识别模块可以通过各种简单命令的组合来完成所想要实现的各种复杂的功能。3.7小结本章根据设计的方案，对硬件进行了比对选择。分别对单片机、指纹模块、液晶显示器等进行了选型、器件比对、芯片简单介绍，最后确定单片机选用Atmel公司的AT89S51芯片，指纹模块选择杭州指安科技有限公司开发的ZFM-206系列产品，液晶显示器选择了1602芯片，串口通讯芯片选择了MAXIM公司的MAX232芯片。然后对选择的器件进行部分硬件连接，绘制电路图。4 软件设计系统上电后，单片机先初始化IO口、串行口、定时器计数器、中断以及对指纹模块的上电，这些都在运行系统初始化子程序中完成。指纹模块上电后，在内部棱镜

48、里面的两红色指示灯会闪烁一下，表示单片机和指纹模块连接正常。当单片机、指纹识别模块和液晶屏都正常工作后，单片机通过串行口可以和指纹模块进行通讯。判断按键LOGIN、DEL和CLR是否按下。如果按键LOGIN的状态有改变，就说明单片机发送录指纹命令；如果按键DEL的状态有所改变，就说明单片机发送删除指纹模板命令；如果按键CLR的状态有所改变，就说明单片机发送清屏指令。指纹模块接收到命令包后，要作出应答，即会向单片机发送应答包。指纹模块上电后需要500ms进行初始化工作。在此期间，模块无法响应上位机命令。模块录取指纹后，会自动将采集的指纹图像转化成数据存储到图像缓冲区里。录指纹命令后，单片机会发送

49、上传数据命令。指纹模块接收到发送命令的数据包后先判断忙标志，不忙的时候才给单片机做出应答，发送应答包和后续数据包。单片机接收到数据，将SBUF里的数据发送到数据存储器中。液晶控制器会自动将数据存储器中的数据取出，并按照一定顺序输出给液晶屏以供其显示图像。4.1 系统框图系统框图如4-1所示。开始系统初始化指纹模块上电延时500msNNN按键CLR是否按下按键LOGIN是否按下按键DEL 是否按下YYY录入指纹删除模版清屏上传数据返回图4-1 系统框图4.2子程序框图子程序框图在这里附上发送流程图、录入指纹流程图以及搜索指纹流程图。4.2.1发送流程图发送流程图如4-2所示开始 清TI和RI标志

50、置位REN标志检验发送包头和模块地址返回图4-2 发送流程图4.2.2录入指纹流程图录入指纹流程图如4-3所示。开始发送包头接受应答包判定应答包返回值返回值=0x00返回值=0x01返回值=0x03返回值=0x02录入指纹不成功传感器上无指纹返回图4-3 录入指纹流程图4.2.3门禁控制系统流程图门禁控制系统流程图如4-4所示。开始录入指纹搜索匹配指纹判定应答包返回值N是否与指纹库内指纹匹配Y红灯亮，蜂鸣器发出报警声绿灯亮，继电器输出高电平延时后，红灯灭，蜂鸣器停止报警延时后，绿灯灭，继电器输出低电平返回图4-4 门禁控制系统流程图4.3 小结本章对指纹识别控制门禁系统进行了软件设计。根据设计

51、任务的要求，做出了针对系统应该具备的功能的设计。在这个章节里，主要给出了系统框图、发送流程图、录入指纹流程图以及门禁控制系统的流程图。在编制程序时，经过数次修改后通过了仿真。5 调试在硬件与软件设计都完成后，主要的工作来到了调试这一部分。在本章节里，介绍调试的过程中所碰到的问题以及调试的结果。5.1 硬件调试5.1.1 单片机最小系统调试在电路板制作完成后，第一步进行的是单片机最小系统的调试。调试前必须通过51单片机开发板将已经编好的程序生成XX.hex文件下载到AT89S51中。上电后，按下复位键后用万用表检测各管脚输出状况。情况正常，单片机最小系统的调试完成。5.1.2 液晶显示电路调试在

52、调试完单片机最小系统后，接下来的就是电路板上其他模块的电路的调试，而第二步调试我选择的是液晶显示电路。上电后，我发现LCD1602只显亮却不显示任何东西。经查阅资料后，我通过调节与V0口相接的滑动电阻后，成功将LCD1602的屏幕初始化。但是这时出现了另外一个问题，1602只显示众多一格格的方块，无论我怎么调节对比度都无法成功调试出内容。在检查程序无错后，我再次查阅资料，发现我的数据口是与AT89S51的P0口相接，而P0口要输出数据给1602必须在两者之间加入一个1K的上拉电阻。在电路修改后，1602终于成功初始化，到此1602的调试完成。5.1.3 电锁控制电路调试硬件调试最后一步是电锁控制电路。上电后，经万用表检测，当单片机向继电器输出接通信号时，常开开关闭合。电锁控制电路正常，电锁控制电路调试完成。5.2软件调试软件调试是一个非常繁琐又重要