基于单片机的指纹识别系统设计与优化

南京邮电大学通达学院通信与信息工程学院　陈　赞　陈　燕　李　杨

基于单片机的指纹识别系统设计与优化

南京邮电大学通达学院通信与信息工程学院陈赞陈燕李杨

本文概述了基于单片机的指纹识别系统硬件电路设计，并分析指纹模块。应用STC89C52指纹识别模块设计基于单片机的指纹识别硬件电路，形成一个独立的指纹识别系统。该系统实现单片机和指纹模块之间的串口通信。通过操作独立式键盘按键；向指纹模块的DSP芯片发送相应指令；从而执行添加用户、删除指定用户、删除全部用户、认证用户；以及管理用户权限等功能。

生物识别技术；指纹识别；串口通信；单片机

0　引言

如今，科学技术的发展在让社会进步的同时；也让传统的安全管理系统受到威胁。此外，基于指纹识别的员工考勤系统能够彻底解决代打卡问题，由此，提高了考勤数据的真实性，便于管理。鉴于此，我们萌生了研究指纹签到系统的想法，并写此文简述指纹签到系统的部分设计。

1　系统整体设计

采用STC89C52为系统的主控芯片，单片机外围电路的设计主要涉及到外部晶振电路、复位电路、电源电路、按键控制电路以及指纹模块电路的设计。

2　硬件设计

STC89C52（主控芯片），片内具有12k字节的Flash闪速存储器、1024字节的内部RAM以及2个16位定时/计数器，5个中断向量，32个I/O口线，同时片内置有一个全双工串行通信口、片内振荡器及时钟电路。

图1　STC89C52引脚图

2.1外部晶振电路的设计

由于STC89C52内部的高增益反相放大器能够构成振荡器，所以通过XTAL1，ATAL2外部接上一片作为反馈元件的晶体，与C1和C2构成并联谐振电路，使其构成自激振荡器，具体的接法如图2所示。

图2　外部晶振电路

图3　复位电路

在本次项目中，我们选用11.0592MHZ的晶振，在试验过程中发现，为了避免找不到信号，晶振不能离单片机太远。

2.2复位电路的设计

本系统采用简单的自动复位电路如图3所示。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端加上两个机器周期及以上的高电平，就能使单片机有效复位。

2.3电源电路设计

本系统采用的5V电源主要采用两种方法，第一是直接用9V电池然后通过一个变压电路，利用7805将转化成5V供单片机和液晶显示部分使用；其二是用220V通过变压器等将其转化成5V。

两种方法都可以，但是由于第一种方法便于携带、而且成本相对较低所以我们选用第一种方案。

图4　电源电路

2.4按键电路设计

多数情况下，我们利用高低电平反应按键的闭合与断开，即高电平表示断开，低电平表示闭合。由于实际操作中存在干扰信号，并且要确保CPU对一次按键动作只确认一次，所以我们应当采取措施以消除电平抖动。由于本系统中按键较多，可采用软件消抖。

本次将键盘设计成4*4矩阵形式键盘，共16个按键，其中包括10个数字键，1个确认键，1个消除键，1个签到键，1个时间修改键，1个指纹录入键，1个指纹删除键。

2.5指纹模块电路

指纹模块主要是里面的DSP芯片，加上外面的CMOS芯片。CMOS芯片主要是对指纹进行采集，生成指纹特征。具体的工作过程是：扫描指纹（录入图像）、生成特征、合成模板（建立一个指纹库文件，成功录入一个指纹）。指纹模块电路如图7所示：

图5　指纹模块电路

指纹模块就是“照一次相”，指纹模块里面的CMOS芯片采集一次指纹信息，然后进行模糊处理生成0和1两种记录信息，存入指纹模块的FLASH芯片里面。

当切换到识别模式的时候，指纹模块就会先让CMOS芯片采集一次指纹，然后和FLASH芯片的数据进行对比。看是不是存在，如果存在就能返回是几号指纹。这样我们就能通过单片机或者电脑进行指纹识别与登记了。

3　指纹模块分析

我们进行指纹模块的操作是通过单片机的串口发送与接收命令完成的。我们先通过串口给指纹模块发送命令，然后等待指纹模块传回数据。再通过单片机进行数据的处理，从而判断命令有没有执行。指纹模块的算法是自带的，所以我们只需要从指纹模块的用户手册当中选取相关的命令进行组合。PS_GetImage命令旨在探测用户手指，探测到后录入指纹图像存于ImageBuffer。再由PS_GenChar命令将ImageBuffer中的原始图像生成指纹特征文件存于CharBuffer1或者CharBuffer2中，继而PS_RegModel命令会将CharBuffer1与CharBuffer2中的特征文件合并生成模版，结果存于CharBuffer1与CharBuffer2。将CharBuffer1或者CharBuffer2中的模版文件存到PageID号flash数据库位置时执行PS_StoreChar命令。即生成指纹模块大致需要进行如下四个命令：录入图像（PS_GetImage）、生成特征（PS_GenChar）、合成指纹模块（PS_RegModel）、存储指纹模版（PS_StoreChar）。经过这四个步骤与命令，我们就录入了一个指纹，重复以上步骤，我们可以再录入其它指纹。

4　项目成果

经过一年的实践，基于单片机的指纹考勤系统的设计与研制工作已基本完成。完成了该系统从方案选择，器件挑选、原理图设计、板图设计到元器件焊接、软件及硬件调试等所有工作。能够实现预期的功能：通过指纹采集模块采集考勤者的指纹，比对、识别后通过单片机进行实时的数据处理，确保录入指纹的唯一性，同时可以实现考勤数据的一键删除、查询、统计等功能。

5　结束语

本文研究的是基于单片机的指纹签到考勤模块的设计，从实现角度出发，说明了选择指纹模块这一领域的重要意义，然后介绍了其模块的一些基本特性，并根据多种算法进行研究实现。其次是本文的硬件电路设计，由于系统用了模块式的设计方法，所以硬件电路的设计就相对简单。最后是本文的软件设计部分，优先考虑C语言，从整体考虑，再进行分支设计。由于时间的限制，没有对整个系统进行优化调整。

［1］龙占超，蔡超.一种新的指纹细化算法［J］.计算机技术与发展，2007（03）.

［2］于秀霞.指纹识别技术在身份认证系统中的应用［J］.现代情报，2005（05）.

［3］彭曙蓉，王耀南.一种基于指纹识别的网络考勤系统［J］.长沙电力学院学报（自然科学版），2006（02）.

［4］薛亚许，陈金玉.学校指纹考勤系统的设计与实现［J］.微型机与应用，2011（01）.

陈赞（1995—），江苏东台人，大学本科，现就读于南京邮电大学通达学院。

陈燕（1993—），江苏南京人，大学本科，现就读于南京邮电大学通达学院。

李杨（1994—），江苏徐州人，大学本科，现就读于南京邮电大学通达学院。

项目来源：2015年江苏省大学生科技创新训练计划项目省级项目（项目编号：201513989019X）。