【基于指纹识别的考勤系统设计与实现7000字（论文）】

11基于指纹识别的考勤系统设计与实现目录19245[摘要] 15728引言 3231211研究背景及国内外研究现状 3285641.1研究背景 3223931.2国内外研究现状 320322系统方案选择和论证 4247122.1设计任务和相关要求 493402.2基本模块方案 5307582.2.1MCU的选择和验证 572712.2.2屏显方案 5249812.2.3输入方案 533723指纹识别考勤系统的硬件设计 697803.1硬件设计整体框架 682333.252单片机主控制模块 6229913.3LCD12864显示模块 746663.4AS608指纹芯片模块 8258743.5供电模块 8132334系统的软件部分 9154.1主要功能实现程序 923624.2液晶显示流程 1077044.3指纹模块流程 1173715系统各部分调试 12157395.1单片机及其最小系统调试 12181815.24*4矩阵按键调试 12250365.3AS608指纹模块调试 14155415.4LCD12864调试 1530190结束语 1618779参考文献 16引言网络技术和通信技术的飞速发展，人类物理和虚拟空间不断扩大，现代科技提升对身份识别的准确性、安全性和实用性，传统对身份识别的方法存在很多的弊端，也无法满足当下人前对身份的识别需求。生物技术的不断发展为身份识别技术提供成熟的技术支持，生物识别技术就是可以利用人体生物特征进行身份认证，生物特征是每个人独有的，可以测量或可以自动识别、验证对被验证人的行为特征和生理特征，所以可以对认证特征分为行为特征和心理特征。指纹识别技术的发展是当前生物识别技术特征发展较为成熟，每个人的指纹曲线和特征点都是不一样的，采集方便，验证方式快，识别系统获取其特征与数据存储模板进行对比后，判断指纹是否符合要求。1研究背景及国内外研究现状1.1研究背景考勤系统在学校和办公司的日常人员出勤的情况，更好的加强对人员的管理和了解，规范日常出勤并提高工作和学习效率，维持正常的公共秩序而且有利于公共机构的发展。一开始使用的考勤是通过点名进行签到，过程比较繁琐且容易出错，而且有严重的青睐出席现象，人们的研究出各种新型考勤来规避传统考勤的不足之处REF_Ref9535\r\h[1]，随着新的考勤系统的出现，在出勤问题上，仍然存在诸如感应卡丢失，消费和青睐出席等情况，需要不时投入长时间的人力和支出。为了更好的解决这些问题，我们可以通过采集人体特征的考勤系统。相对于人体其他生理特征的指纹特征，人体指纹是每个人特有的特征，终生不变以及不可以复制的操作，在目前需要私密性高的设备以及场所都是最常用的，另外，它还具有收集简单，处理成本低，使用寿命恒定的优点。同时，指纹识别技术也是当前在国家安全，访问控制系统和考勤系统中很常见的生物特征认证技术之一。如果应用于于人数多、工程量大的系统，指纹考勤的优势就有非常明显的效果。1.2国内外研究现状在我国，指纹考勤系统在很长一段时间大多数用于企业管理，它可以对出入人员进行管制，身份认证主要涉及系统里面所存储的信息。现今可以伪造，挪用，解密等传统的个人身份识别方案，无法再满足当前社会的安全要求。采用生物特征识别技术，该技术不容易被他人替代，模仿，甚至具有无法由您自己转移的生物特征识别，为了尽可能消除人为的不安全感。当下的生物技术不断的发展也成为了数字生活中最高级的安全密钥系统。而且随着技术的成熟和发展，指纹考勤产品价格也不是特别高，所以很多中小企业在人员管理方面都会比较倾向于使用指纹考勤系统，而指纹考勤产品的销售数量也占很多生物识别技术产品销售数量的40%。当前有两种常用的指纹考勤系统类型：嵌入式系统和计算机在线系统。国外有很多品牌的指纹考勤系统产品，知名制造商，也都在指纹考勤系统的研发技术上取得过好成绩。在中国，指纹考勤系统的制造商很多，但拥有用于研发，生产和采集的仪器和算法技术的制造商并不多。国内指纹考勤系统厂家基本分为三个层次：第一层适用于拥有各种研发采集工具和算法技术的制造商；第二层是使用别人的获取工具，拥有自己专门的核心算法REF_Ref9933\r\h[2]；第三层主要是使用其他人的模块来进行后端应用程序开发。2系统方案选择和论证2.1设计任务和相关要求1、本系统主要组成部分使用了MCU系列的STC89C52芯片，再加上12864液晶显示屏、4*4矩阵按钮、光学AS608指纹芯片识别模块、存储模块、DS1302时钟模块共同构成；2、在系统操作上，相对应的按键能实现相对功能，对于指纹录入和删掉的功能，在使用其进行打卡时，如果该指纹没有被录入过，显示屏上状态栏会显示“无效指纹”字眼进行提示REF_Ref10015\r\h[3]；如果曾对该指纹进行录入，打卡的时候，显示屏上会显示该指纹的指纹编码，状态栏也会显示“打卡成功”字眼，后台会根据人员的打卡时间确定人员的考勤状态并进行记录；3、为了方便在系统上查询考勤记录并对其进行管理，设置了管理员程序，管理员能使用矩阵按键输入一开始设置好的密码，进入到管理员的界面，管理界面能够使用矩阵按键进行指纹录入、删掉指纹、查询打卡记录、密码的修改以及调整打卡时间等功能。4、系统配置时钟模块对考勤时间的设置，在打卡过程中，存储模块AT24C02芯片会记录指纹的打卡时间，通过对应功能的按键能进行查询三天内的打卡记录，缺勤、迟到或早退，打卡成功后显示屏会显示相对应的字眼（缺勤签到、迟到签到或早退签到），打卡失败显示屏会显示“打卡失败”或者“无效指纹”字眼提示，说明指纹无效。2.2基本模块方案2.2.1MCU的选择和验证第一种方案，主要控制芯片选用STM32芯片，芯片内置多路的定时器、看门口狗、串口、A/D、D/A转化等资源，程序编程和硬件配置复杂，芯片成本高，大型系统操作适用STM32芯片。第二种方案，采用52芯片，52芯片具有40个IO口输出，并且集成有定时器等功能，成本划算，硬件、编程易上手，DIY的小型系统作品可采用52单片机，功能也已经够用。因为预想的指纹考勤系统的设计没有很多功能模块，所以内部资源也不会需要很多，并且金钱成本也能控制在合理范围内，作为一名还没有工作的学生党，为了更好地控制成本，因此我最后决定本次设计的指纹考勤系统采用STC89C52芯片。2.2.2屏显方案第一种是选用LED1602液晶作为显示界面，LED1602液晶能显示有限文字、字符和数字，整体的显示清晰美观，焊接和编程易操作，LED1602液晶适用于显示多个字符、有限文字和数字。第二种方案是显示界面选用LCD12864液晶，LCD12864液晶能显示文字、字符、数字等REF_Ref10044\r\h[4]，整体显示明显，并且显示内容的界面是LED1602液晶的两倍，晶频小，反应快，更新速度很快。指纹考勤系统的液晶显示屏需要显示文字还有相关的提示（考勤的时间和指纹的编号以及考勤的状态），而数字管只能显示数字和单个字符，不太符合要求。所以最终决定选择更加符合此次指纹考勤系统设计要求的LCD1286液晶。2.2.3输入方案方案一，系统输入方式若为独立的按键，单个按键就需要占用单片机I/O，独立按键的，程序编程容易，主要用于少数个按键功能的系统。方案二，矩阵按键作为系统输入方式，矩阵按键焊接复杂，尤其在焊接过程中容易把按键的引脚焊接错误，在程序编程中也比较复杂，在应用过程中占用单片机IO口少，主要用于带有复杂按键的系统。由于设计的指纹考勤系统需要实现指纹录入、撤销、菜单按键以及密码输入，矩阵按键能满足此系统需要的，因此指纹考勤选用矩阵按键作为按键输入。3指纹识别考勤系统的硬件设计3.1硬件设计整体框架本次设计的考勤系统是采用STC89C52单片机作为主控芯片，DS1302时钟模块，LCD12864液晶，AT24C02存储芯片，矩阵按键，AS608指纹芯片等共同组成系统的整体硬件。在硬件部分，主控制芯片模块处理每个功能模块收集的信息，并将它们处理、转化、分析、在传输出去；AS608指纹芯片负责收集指纹信息并将其传输到主控芯片进行处理；4*4矩阵按键是用于采集密码的信息、实现菜单的功能，并且实现对指纹进行录入和删掉、密码修改、设置显示时间和上班时间的功能REF_Ref10090\r\h[5]；LCD12864模块主要用于显示操作界面和指纹信息（对指纹的录入和时间的设置进行实时的显示）；时钟模块能够通过简单的串行端口与单片机进行通讯，用于设置和记录时钟时间；存储模块是对指纹和打卡记录进行存储；供电模块用于给整个系统供电。图3-1系统硬件构成框图3.252单片机主控制模块STC89C52芯片作为指纹识别考勤系统的核心控制使用，具有40个引脚、8K字节Flash的最小系统，同时还包含了晶振和复位的电路REF_Ref10116\r\h[6]。晶振电路是单片机最重要的部分，当晶振起振时单片机才能正常工作，晶振电路中的电容选在21uf到29uf之间时，晶振正常起振。复位电路是通过阻容来实现复位，并且这个系列的单片机相应的引脚内部没有下拉电阻，所以电阻必须选用10k，电容需要选用10uf，连接如图3-2：图3-2STC89C52最小系统电路图3.3LCD12864显示模块指纹考勤系统所采用LCD12864显示屏，在程序编程中先选择液晶是串行通信还是并行通信，在选择并行通信通信时，需要D0-D7引脚与芯片的P0.0~P0.7进行通信，检测液晶相应的地址码上，然后在通过液晶上P25、P26、P27引脚进行驱动液晶显示。图3-3液晶显示电路3.4AS608指纹芯片模块指纹的采集是根据每个人的指纹特有局部的点、线等特点，在处理采集到的指纹的全局图像时会对采集到的图像进行三次的过滤采集，最后得到的每个指纹特有点、线特点存储、判断和处理。指纹识别的原理是比较每个人手指上皮肤的不平整来产生不同的指纹图像特征。它是通过指纹采集过程中的压力获得的。通常使用的结构特征有两个层次：1）整体特征；2）局部特征REF_Ref10159\r\h[7]。AS608指纹模块是成品模块，采集处理图像稳定，登录指纹后，STC89C52微控制器发出指令，光学传感器将自动输入每个指纹两次，然后处理图像，接着将最终比较标准的存到存储模块中。在进行打卡时，手指在接触传感器时通过压力会在传感器上形成图像，接着记录指纹，再去匹配模块中的指纹模板，并比较（匹配方式有两种，一种是指纹比对方式，这种方式是面向模块中指定的一个模板进行；第二种方式叫指纹搜索方式，这种方式则是面向模块中多个模板进行），对比完成后，模块给出匹配结果（有两种情况，或成功或失败）。结果的信息通过串口传输到单片机，单片机做出相应的响应来控制液晶显示。但是这个指纹模块仅需要3.3V电源，因此使用两个二极管来降低5V电源，电压最好处于3.5V左右给指纹模块进行供电，避免烧毁指纹模块造成短路。指纹模块分别通过P3.0，P3.1和P3.7连接到主控制芯片的IO端口。如图3-4AS608指纹芯片与单片机连接电路图。图3-4AS608指纹芯片与单片机连接电路图3.5供电模块考勤系统运行首先需要单片机的运行，所以要提供5V电压，步进电机也是需要5V电源进行供电，电源开关闭合时，系统的所有功能模块的正极连接，系统状态正常，同时为各个功能模块供电，关闭电源开关系统则不在运行。保障电源稳定输出在电源的正负极加上10uF电容，能够确保系统的电压供电稳定，这样就不会影响到作品的正常功能应用。如图3-5所示。图3-5电源电路4系统软件部分4.1主要功能实现程序在将系统各部分都连接完成后，上电后按下“进入管理界面”功能按键进入“菜单”界面，显示屏会提示使用矩阵键盘输入正确密码才能对系统进行后面的操作，在进行录入指纹操作时，指纹模块就会采集指纹的图像信息，并将采集到的信息发送给MCU，MCU将统一处理接收到的指纹信息数据，对指纹的录入时需要录入两次，通信判断两次的指纹一致才能录入指纹成功。当进行打卡操作时，所打卡的指纹信息需要与存储芯片中的记录进行比较，在比较数据的过程中将会与指纹模块存储指纹图像的库进行比对，比较的数据与记录的信息一致，单片机将向液晶显示屏发送提示，提示该指纹的主人“已打卡成功”（状态根据具体打卡时间确定是缺勤、迟到或早退）；相反，如果不符合，单片机也会给液晶屏显示的指令，则会显示“无效指纹”REF_Ref10257\r\h[9]。管理员通过4*4矩阵按键输入由0-9数字组成的六位数字密码，进入管理菜单界面，能对指纹信息库进行删掉和录入、修改密码、设置系统时间和上班时间。切换到查询功能能够查到三天内的打卡记录，分别按下两个翻页按键可以向前或者向后查看考勤打卡记录。如图4-1所示。图4-1主程序流程框4.2液晶显示流程当考勤系统通上电源电压时，LED12864液晶开始初始化显示状态，显示模块是为了显示指纹信息和菜单功能选择，起到提示作用，然后界面显示的提示接受到相关的内容指令就会显示在屏幕上，根据指示进行下一步操作，对指纹进行相关操作和查看管理界面菜单等信息REF_Ref10289\r\h[10]。如图4-2所示：图4-2液晶流程图4.3指纹模块流程指纹模块上电后，使用半双工异步串行通信与微控制器通信，如图4-3所示，指纹模块发送数据时，当发送标志TI=0时，表明单片机已经接收到来自指纹模块的数据；在指纹模块收到新数据过程中，直到接收标志重置为RI=0，就表示已经接收到来自单片机的数据，指纹模块与单片机达到了相互通信的效果。此外，模块中还有专门的存储区域（512字节）供给用户使用，该区域能够对用户的数据进行断电保护，在FLASH中有用来存储指纹的模板的区域。图4-3串口通信数据发送、接收流程图5系统各部分调试5.1单片机及其最小系统调试在综合选择了STC89C52单片机作为主控制芯片后，单片机通过最小系统焊接使用，如图5-1所示，焊接成功后，往最小系统的插槽中插入芯片，要特别注意芯片的插放，芯片引脚极易变形，所以得检查一下各个引脚是否插好，接通电源后再打开开关，最小系统开始进入工作模式，用万用表检查STC89C52芯片，排查有没有存在虚焊或短路的情况，STC89C52芯片的初始内部程序将使所有的MCUI/O端口频率为1Hz方波输出，使用LED灯检测芯片的输出频率是否稳定就能排查，排查结果确定，该芯片和最小的系统可以正常工作REF_Ref10329\r\h[11]，也可以通过这个方式排查出焊接失误的情况。图5-1最小系统焊接5.24*4矩阵按键调试选择使用4*4矩阵键盘用作实现系统的密码输入，并实现其它相对应功能，所采用的矩阵键盘有16个按键，系统的功能需要都用到，所以每个按键都相对应有一种功能，在编程中将初始密码设置为六个0，当按下按键，进入管理员登录界面后，如图5-2-1所示，通过矩阵按键输入六个0后，按下确认按键后，系统会先进入到设置界面，如图5-2-2所示，可以在液晶上的提示按下相应功能的数值按键，通过矩阵按键重置密码（可以设置0-9数字中任意6个），如图5-2-3所示，新密码（六位）将通过主控制芯片保存到AT24C02存储模块中REF_Ref10358\r\h[12]，按下“返回上一级菜单”按键，退出设置界面，重新输入一遍刚才重置的新密码，如果可以重新进入到之前的设置界面，如图5-2-4所示，在以上过程中再相对应地测试实现“确定”、“退格”功能的按键，比如不小心输错一个数字，可以使用退格键，在上面的测试都能够成功完成后，说明矩阵按键是可以用的，否则就需要再检查一遍矩阵键盘的程序定义，还有相对应的实物焊接，最后的调试结果证明矩阵按键没有问题。图5-2-1管理员登录界面图5-2-2设置界面图5-2-3重置密码界面图5-2-4重新登陆进入设置界面5.3AS608指纹模块调试考勤系统中的功能按键基本上都是5V电压进行供电，而考勤系统中的指纹模块用的是3.3V供电。所以如果直接用5V电压对整个系统进行供电，其他模块虽然可以工作，但是指纹模块会烧坏了，但是如果直接选择3.3V电压进行供电的话，其他模块又会无法正常工作，所以只要在给指纹模块供电的部分采用电阻将5V电压降到3.3VREF_Ref10397\r\h[13]，如图5-3-1所示，保护指纹模块避免烧坏，指纹模块正常工作如图5-3-2所示，调试结果说明指纹模块也没有问题。图5-3-1指纹模块原理图、指纹模块实物连接图5-3-2录入指纹成功5.4LCD12864调试指纹考勤系统的显示选用的是LCD12864液晶，LCD12864液晶有20个引脚采用串联焊接，在程序下载前，一一检查LED12864液晶的引脚与单片机的IO端口之间的连接以及程序中定义的IO端口是否相互对应，并在程序下载好之后，观察12864显示屏是否能按要求显示内容，如图5-4-1，调试结果看出液晶能够正常显示，在通过功能按键进行液晶显示切换时，液晶能根据按键功能液晶界面切换，如果未按要求显示，就需要在LCD程序中重新检查顺序地址代码，还要检测电路焊接是否有虚焊和短路的情况REF_Ref10449\r\h[14]，因为这些情况都有可能导致LCD12864显示屏没有根据要求进行显示。图5-4-1正常显示系统界面结束语此次指纹考勤系统的设计，选用单片机STC89C52为主控芯片，利用AS608指纹模块传感器进行采集指纹的信息进行判断指纹是否符合要求，实现人员的指纹考勤系统。设计完成的过程中遇到的问题比想象中的多，之前的实验课操作课我们有操作过做实物，但是以小组形式，此次设计是需要个人自己完成，理论知识的应用不够扎实，一开始也不是学校里的好好学子，课余的时间除了完成老师布置的任务以外，