基于单片机的图书馆阅览指纹识别系统设计

张慧桢，王晋美，王绍汀，焦悦恒，晋翔宇

（黄河交通学院机电工程学院 河南 焦作 454150）

0 引言

不管是在学校还是在社会上，图书馆都是一个人流量较大的场所，对于图书馆管理人员的进出、入馆人员的实名登记以及图书借阅信息的数据整理与记录就成了不可忽视的问题。为了更加方便地管理图书，并且记录图书馆的人员进出，图书管理系统便应运而生[1]。

通过观察目前国内外广泛使用的图书管理系统，例如国内的XCLXT系统，和国外的INNOPAC系统以及Horizon系统，发现对于这些系统的入馆人员在借阅图书时多采用图书借阅卡的形式。此方法存在丢失借阅卡、信息泄露等的风险，基于此我们考虑了与个人生物信息结合的方式——指纹识别技术。

采用指纹识别技术，可以实现与个人借阅信息的结合[2]。通过该方式为用户提供更为方便的图书借阅服务，同时也为图书管理者提供更加便捷的图书信息管理服务。

1 设计方案选择和论证

1.1 图书馆指纹识别系统综述

在设计时，要模拟IC卡的刷卡和指纹的处理，同时在硬件上设有单独的按钮，以便模拟时进行操作。每完成相应的操作蜂鸣器的提示音不同[2]。相应的数据会传输到电脑上进行显示。上位机中会显示借书的周期，以天为单位，逾期的时间就会扣除相应的罚金；用上位机还可以进行增加图书、删除图书、修改图书、查询图书，并且可以实现对用户信息的注册和注销，设计总框图如图1所示。

图1 设计总框图

1.2 组成模块基本方案

1.2.1 主芯片模块

图书管理系统在进行主控芯片选择时要考虑到操作难易度，以及性价比等问题。STM32芯片能够使用的资源很丰富；但是STM32的程序编写比较麻烦，成本相对来说略大。STC89C52芯片的优点是功率消耗低。代码编写对新手比较友好，性价比相对来说也是处于上游。所以选用STC89C52芯片[3]。

1.2.2 指纹模块

光学指纹识别模块通过光的折射与反射，由于手指上条纹的凹凸不平会导致产生不同亮度的折射光，之后依据光学元件进行成像提取指纹信息。

射频指纹识别模块是利用生物的射频指纹识别技术，由传感装置来发射出一些少量的信号，从而提取指纹信息[4]。

由于指纹模块的选择更注重其小巧便捷的程度、信息扫描的清晰程度，以及模块反应的灵敏程度，所以在本设计中选择了ATK-AS608指纹光学识别模块。

1.2.3 数据库模块

对于智能图书系统，用SQL作为数据库会有较高的使用难度，但管理和程序的设计更为灵活性，适合于大规模的资料存储。而用ACCESS的资料库可以更容易做一些简单资料的处理。因此选用ACCESS的资料库更为方便快捷[5]。

1.2.4 射频模块

智能图书系统以射频模块进行身份信息识别时做了两种方案。第一种是用RC522射频模块。在进行信息提取时较快，成本较低，但是在信息提取的间隙上有一定的要求。第二种是用MD810R射频模块，该模块内部的资源较多，并且可以简便的连接电脑，但是成本相对来说略高。

在智能图书管理系统中，制作系统的成本不宜过高，同时对于信息的读取要求稳定一点，所以选用RC522射频模块。

2 硬件设计部分

2.1 硬件设计总框架

本设计采用STC89C52主控芯片。首先用信息输入模块进行信息的采集，之后送到主控制器。主控制器会将信息进行处理，用液晶显示模块来显示,通过按键模块上可以进行操作；当信息是已注册的时会传输到电脑上进行存储；电源模块保证了系统的供电[7]。主控芯片同时也会给报警模块发送信息。各个模块相互配合工作而形成一个完整的系统。电路总框架图如图2所示。

图2 电路设计总框图

2.2 单片机主控模块STC89C52

本设计中的主控芯片为STC89C52，操作时比较方便。芯片由晶振频率电路和复位电路组成了其最小系统。如图3所示。

图3 STC89C52最小系统

2.3 液晶显示模块

液晶显示模块在本设计中选用LCD12864。LCD12864以点阵屏来进行信息的显示，显示画面时比较清晰。LCD12864液晶显示电路模块如图4所示。

图4 LCD12864液晶显示电路

2.4 射频读卡器模块

MF RC522是应用于13.56 MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。MF RC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议[8]。MF RC522与MF RC500和MF RC530有不少相似之处，但同时也具备其独有的特点，同后者相比之下有着不小的差异。它与主机间通信采用SPI模式，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本。

2.5 指纹识别模块

指纹模组使用ATK-AS608型指纹模组。利用光的折射和反射原理,光从底部射向三棱镜,并经棱镜射出,射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上发生折射。由于折射的角度不同，反射回去的光线明暗就会不一样。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息,能够有效、快捷的获取和鉴别指纹。同时有检测功能，可以判定有没有手指触碰[9]。指纹识别模块如图5所示。

图5 指纹识别模块

2.6 蜂鸣器报警器

图书管理系统中蜂鸣器是用来报警提示，不同的操作报警提示音不同。蜂鸣器的连接电路如图6所示。

图6 蜂鸣器电路

2.7 电源模块

在智能图书管理系统中，电源模块的作用是为采集模块、控制模块提供电源。电源电路如图7所示。

图7 电源电路

3 软件设计部分

3.1 主程序流程图

主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图

对图书馆管理系统的运行来说，要求对该设备供电后，进行模组的初始化；利用操作按钮，进行操作。在对个人的信息进行读取输入后，经过处理，传送至液晶显示屏中显示，并储存。用户可以看到信息的记录，管理员可以进行修改。如果用户超过了借阅期限，就会自动扣除金额；如果并未超过规定时间则不会。

3.2 液晶模块流程图

在系统通电的过程中，同时对液晶模块的程序进行了相应的初始化。设置的独立按键能控制液晶显示的界面栏，不同的操作对应不同的显示。液晶模块流程图如图9所示。

图9 液晶屏模块流程图

3.3 上位机

3.3.1 主界面

图书信息管理系统存在上位机。在以管理员的身份进行登录后，可以进行信息的更改；当上位机和下位机相连时，需要提前预设COM端口号。在进行刷卡登记后，上位机会自动呈现相应信息并储存。主界面如图10所示。

图10 上位机主界面

3.3.2 图书信息管理

在进行修改图书信息后，在点击确定按钮，可以确保系统将进行修改后的图书信息进行保存。图书信息管理界面如图11所示。

图11 图书管理界面

3.3.3 图书查询

在主界面中菜单里面有信息查找功能。可以选信息类别来查询，还可以通过输入查询关键字查询。系统会筛选符合查询的内容进行显示。图书查询界面如图12所示。

图12 图书查询界面

3.3.4 充值金额

对用户的账户金额进行充值，可以用于抵消借阅超时所产生的费用。充值操作只能由管理员完成。充值界面如图13所示。

图13 充值界面

4 总结与展望

本系统采用STC89C52为核心，通过单片机将指纹和射频模块所获取的数据进行数字处理，并通过串口传送至计算机，以进行相应的数据与硬件设备进行比对；当检测到的数据满足条件时，系统就会自动读取主机的数据。不匹配时也会出现相应的提示。

图书电子阅览系统在射频模块的基础上加入了指纹识别模块可以提升效率，但为了更进一步，还可以加入人脸识别技术。在图书电子阅览系统中加入人脸识别技术也是未来的努力方向；同时该技术也是当前图书电子阅览系统中较为流行的一项。