【導(dǎo)讀】別技術(shù)集保密性強(qiáng)、差錯(cuò)率低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到需要身份認(rèn)證的各種領(lǐng)域。系統(tǒng)采用的是增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2作為主控芯。片，而FM—180指紋識(shí)別模塊作為指紋采集和處理的核心。通過二者的通信完成對(duì)。指紋的采集，錄入，提取特征值，比對(duì)等功能。設(shè)計(jì)表明通過簡單的原理能夠?qū)崿F(xiàn)

　　

【正文】 ART自動(dòng)變換成字節(jié)，可以編程讀取后進(jìn)行處理。通過這種方式實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)FM180 的控制。 單片機(jī)和 PC 機(jī)的通信 大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備都具有 RS232C 串行通訊接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好，但是 RS232C 借助與并行通訊口相比更多的寄存器，使用這些寄存器實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及 RS232C 設(shè)備之間的握手與流量控制。從而使 RS232C 串行通訊協(xié)議僅需 3 根線便可在兩個(gè)數(shù)字設(shè)備之間全雙工的傳送數(shù)據(jù)。 1． RS232C 通訊協(xié)議 RS232C 的每個(gè)腳線的信號(hào)和電 平 規(guī)定采用負(fù)邏輯電平， DC (15V~5V )規(guī)定為邏輯“ 1”， DC(+5V~+15V)規(guī)定為邏輯“ 0”， DC(5V~+5Y)規(guī)定為過渡區(qū)。單片機(jī)的 TTL/CMOS 電平與計(jì)算機(jī)接口或終端的 RS232C 通訊接口的邏輯電平不兼容，需要 外加電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。通常采用的元器件為 MC1489，MC1488 實(shí)現(xiàn) TTL/CMOS 電平與 RS232C 電平的轉(zhuǎn)換 [8]。也可采用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)兩對(duì) TTL/CMOS 電平與 RS232C 電平的轉(zhuǎn)換。 RS232C 規(guī)定使用 25 針標(biāo)準(zhǔn)連接口，采用 DB25 型連接器。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)定義了 25 根信號(hào)線，但在實(shí)際使用時(shí)，只需 2 個(gè)數(shù)據(jù)線、 6 個(gè)控制線、 1 個(gè)地線共九個(gè)信號(hào)。因此一些生產(chǎn)廠家對(duì) RS232C 標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械特性進(jìn)行了簡化，使用 9 針標(biāo)準(zhǔn)連接口，即使用 DB9 型連接器。由于 RS232C 發(fā)送端與接收端之間的信號(hào)傳遞采用多芯信號(hào)線，而多芯信號(hào)線的總負(fù)載電容不能超過2500PF，所以 RS232C 的信號(hào)傳輸距離為十幾米。 2． RS232C 接口功能特性及連接 使用 9 針或 25 針的連接器將 RS232C 串行口的信號(hào)傳送到其他通訊設(shè)備，連接器各信號(hào)線定義及功能如表 5。 9針連接器功能表 管腳編號(hào) 信號(hào)名稱 方向 含義 1 DCD 輸入 數(shù)據(jù)載波檢測 2 RXD 輸入 數(shù)據(jù)接收端 3 TXD 輸出 數(shù)據(jù)發(fā)送端 21 4 DTR 輸出 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（計(jì)算機(jī)） 5 SG 輸入 信號(hào)地 6 DSR 輸入 數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備就緒 7 RTS 輸出 請求發(fā)送（計(jì)算機(jī)要求數(shù)據(jù)） 8 CTS 輸入 清除發(fā)送（ MODEM 準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)） 9 RI 輸入 響鈴指示 表 5 串行口引腳定義表 單片機(jī)與傳感器或單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間直接使用 RS232C 通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行串行通訊時(shí)，信號(hào)在通訊過程之中可能會(huì)被全部或部分使用。最簡單的通訊僅需 TXD 及 RXD 及 SG 最基本的信號(hào)線完成，其他的握手信號(hào)可以做適當(dāng)處理或直接懸空。 硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)圖和方案三的設(shè)計(jì)思路，指紋識(shí)別系統(tǒng)采 用 STC12C5A60S2 作為主控芯片， FM— 180 指紋模塊，配合其他外電路，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 10 所示： 圖 10 指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 工作過程： 通過按鍵選擇 FM— 180 工作狀態(tài)，有指紋錄入，指紋比對(duì)，清除指紋庫三種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng) 3 個(gè)按鍵，系統(tǒng)上電后選擇工作模式；單片機(jī)則發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令給 FM— 180， FM— 180 接收到對(duì)應(yīng)的指令后進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后把操作提示或者操作的結(jié)果返給單片機(jī)做出顯示，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的不同的聲音給予提醒。電源選擇 DC5V供電。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，畫 出具體的電路原理圖和 22 PCB 圖，詳見附錄。 最小系統(tǒng)電路 所謂的系統(tǒng)就是可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某些特定功能的一個(gè)產(chǎn)品。單片的最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指利用單片自身的資源，用最少的輔助元件組成一個(gè)可以工作的系統(tǒng)。一個(gè)單片機(jī)，配其必需的外圍電路包括電源，復(fù)位，晶振，然后有一個(gè)簡單的啟動(dòng)程序，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。電路圖如圖 11： 圖 11 復(fù)位電路 如圖所示，單片供 5V電源，正常工作的時(shí)候單片的復(fù)位端管腳為低電平，當(dāng)復(fù)位端的管腳持續(xù) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，單片機(jī)就復(fù)位。而按鍵的時(shí)間肯定超過 2 個(gè)機(jī)器周期 2ms。所以當(dāng)按鍵 S1 按下時(shí)單片機(jī)復(fù)位。 功能選擇電路 該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋錄入，指紋比對(duì)，指紋清除的功能選擇，工作過程是，單片機(jī)檢測到有相對(duì)的按鍵按下時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的工作的模式。即是當(dāng)檢測到 ,P3..4 管腳為低時(shí)認(rèn)為鍵被按下。 23 圖 12 按鍵電路 模式指示燈 圖 13 指示燈 因?yàn)橐壕б獙?shí)時(shí)的顯示指紋識(shí)別的過程，所以工作模式是由 2 個(gè)指示燈來完成指示，通過軟件編寫其亮的方式和組合來指示各種工作狀態(tài)。 液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路 根據(jù)前面介紹的液 晶 12864，設(shè)計(jì)出液晶驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，其中 V0 端口 24 是亮度調(diào)節(jié)，由于液晶的該管腳被損壞所以該管腳就懸空處理。 圖 14 液晶驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 蜂鳴器采用的是有源蜂鳴器，蜂鳴器起到提醒報(bào)警作用，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的 I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。驅(qū)動(dòng)電路如圖 15 所示： 圖 15 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 在不需要鳴叫的時(shí)候 Q1 的 E 極為高， B 極為高，三極管沒有導(dǎo)通，當(dāng)需要鳴叫時(shí)可以軟件編寫 為低，這樣 EB 壓降 大于導(dǎo)通壓降，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫。這里三極管起到開關(guān)和電流放大作用。 串口電路 這部分的電路主要是用于單片機(jī)和 PC 機(jī)通信，由于電腦串口出來的是RS232 電平，而單片機(jī)采用的是 TTL 邏輯電平，如果直接相連，電平不匹配無法完成通信故需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路： 25 圖 16 串口電路 在設(shè)計(jì)單片機(jī)和 PC 機(jī)的硬件電路時(shí)，使用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn) TTL 電平和 PC 機(jī) RS232 電平的轉(zhuǎn)換，使用該芯片使電路外圍電路簡單，工作可靠。 MAX232 是一種雙組驅(qū)動(dòng)器 /接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在 單 5V 電源供電時(shí)提供 EIA/T 工 A232E 電平。每個(gè)接收器將EIA/TIA232E 電平輸入轉(zhuǎn)換為 5V TTL/CMOS 電平。這些接收器具有 1. 3V 的典型門限值及 0. 5V 的典型遲滯，而且可以接收士 30V 的輸入。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為 EIA/TIA232E 電平。工作溫度范圍為 0℃至70℃。 MAX232 芯片的性能特點(diǎn)如下： 1．單 5V 電源工作； 2．兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器及兩個(gè)接收器； 3．士 30v 輸入電平； 4．低電源電流：典型值是 8mA； MAX232 引腳如圖 17 所示， 1~6 腳為電容端， 7~14 腳包含 4 路RS232/TTL 電平轉(zhuǎn)換器， 其中兩路為 0 / 5V → +10V /10V ， 另兩路為 +10V /10V → 0 / 5V 。 26 圖 17 MAX232引腳圖 綜合上述各部分電路， 通過整合起來完成了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和制作。其主電路見附錄。 第 4 章 硬件電路制作和調(diào)試 繪制 PCB 板 布局要求 A 遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局。 B 布 局中應(yīng)參考原理框圖，根據(jù)單板的主信號(hào)流向規(guī)律安排主要元器件。 C 布局應(yīng)盡量滿足以下要求 :總的連線盡可能短，關(guān)鍵信號(hào)線最短 。高電壓、大電流信號(hào)與小電流，低電壓的弱信號(hào)完全分開；模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)分開；高頻信號(hào)與低頻信號(hào)分開；高頻元器件的間隔要充分。 D 相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能采用 “對(duì)稱式 ”標(biāo)準(zhǔn)布局 。 E 按照均勻分布、重心平衡、版面美觀的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化布局 。 布線要求 ① ．一般情況下，首先應(yīng)對(duì)電源線和地線進(jìn)行布線，以保證電路板的電氣性能。在條件允許的范圍內(nèi)，盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它 們的關(guān)系是：地線＞電源線＞信號(hào)線 。 ② ． 預(yù)先對(duì)要求比較嚴(yán)格的線（如高頻線）進(jìn)行布線，輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應(yīng)加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。 ③ ．盡可能采用 45186。的折線布線，不可使用 90186。折線，以減小高頻信號(hào)的輻 射。 根據(jù)上述要求繪制出 PCB 版，詳見附錄。 制作和調(diào)試 27 制作電路板的過程這里就不做過多介紹，主要介紹板子做出來后調(diào)試遇到的問題。 （ 1） 電路不通 由于在制作電路板的時(shí)候腐蝕的時(shí)候腐蝕不均勻，造成板子上有一部分腐蝕的較為厲害 出現(xiàn)斷線的情況。表現(xiàn)為串口電路不工作。經(jīng)過萬用表檢測到MAX232 的電壓為零點(diǎn)幾伏，判定電路出現(xiàn)問題。 再 檢測出斷線的部分。解決的辦法是用焊錫拖一層錫使其導(dǎo)通。 （ 2） 串口的接口 把電路調(diào)了之后發(fā)現(xiàn)串口部分仍然不能工作，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)原來在封裝接口的時(shí)候，封裝出現(xiàn)問題，把管腳號(hào)順序接錯(cuò)了。按照正常的電路連接方法，在原有的電路板上做改動(dòng)，拉飛線。至此該部分調(diào)通，可以進(jìn)行程序下載。 （ 3） 液晶只有背光沒有顯示 單片機(jī)上電之后，寫入液晶測試程序，發(fā)現(xiàn)液晶只有背光沒有顯示。經(jīng)分析和嘗試得出，是上拉電阻太小的原因。之前用 的是 1KΩ，后來換成 10KΩ 的排阻之后就可以正常顯示。 （ 4） 蜂鳴器 最后調(diào)試的是蜂鳴器，寫入測試程序后蜂鳴器沒有鳴叫。測其兩端電壓為 伏，經(jīng)仔細(xì)嘗試和分析，得出的結(jié)論 是兩端電壓不夠，解決辦法是把封面器到電源的電阻去掉，用導(dǎo)線代替， 改了之后 ， 蜂鳴器可以使用。 在調(diào)試通了每一塊電路之后，整個(gè)電路板也就調(diào)通了，剩下的工作就是配合軟件部分就可以完成整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。最終做出來的板子如圖 18 所示： 圖 18 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件實(shí)物圖 28 第 5 章 總 結(jié) 指紋識(shí)別是一種市場前景廣闊的生物特征識(shí)別技術(shù)，具有很高 的研究和應(yīng)用價(jià)值，在身份認(rèn)證領(lǐng)域比起傳統(tǒng)認(rèn)證方式，它具有更好的準(zhǔn)確性，更高的安全性和簡單實(shí)用性。 構(gòu)建指紋識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵 [22]是在指紋算法的研究，但是目前的指紋算法在準(zhǔn)確性和速度上還沒不能滿足一些實(shí)際的應(yīng)用需求。原因是采集設(shè)備多式多樣，造成圖像質(zhì)量也是千差萬別，采集時(shí)手指的皮膚狀況也難以保證，這就對(duì)指紋算法提出很好的要求。 本文主要介紹設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件的過程，提出了以 MCU 和指紋識(shí)別模塊建立主從機(jī)通信模式，來完成指紋識(shí)別過程的設(shè)計(jì)思路。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路是可行的。這樣的設(shè)計(jì)思路使我們對(duì)指紋識(shí) 別原理和過程有了充分的認(rèn)識(shí)。但是仍然存在弊端：對(duì)具體的指紋算法實(shí)現(xiàn)我們是不知道，而指紋算法是指紋識(shí)別的關(guān)鍵，所以這方面還做得不足。 29 參考文獻(xiàn) [1]田捷，楊鑫．生物特征識(shí)別技術(shù)理論與應(yīng)用 [M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2020． [2]Biometrie Market Report 2020— 2020． [3 [4]劉少聰．新 指紋學(xué)．安徽：安徽人民出版社， 1984． [5]劉文星，王肇圻，母國光．紋線跟蹤及其在細(xì)化指紋后處理中的應(yīng)用 [J]．光電子 ,激光， 2020， 13(2)： 184~187． [6]謝立鋒 ,陳靈梟 .淺談指紋識(shí)別基本原理 [J].技術(shù)與市場 ,:4445 [7]郭桂容．模糊模式識(shí)別 [M]．長沙：國防科技大學(xué)出版社， 1993． [8]林國清，李見為，王崇文．指紋圖像預(yù)處理方法的研究 [J]．光電工程， 2020， 29(5)：56— 58 [9]林國清，李見為，王崇文．指紋圖像預(yù)處理方法的研究 [J]．光電工程， 2020， 29(5)：56— 58． [10]王業(yè)琳 ,寧新寶 ,尹義龍 .指紋圖像細(xì)化算法的研究 [J].南京大學(xué)學(xué)報(bào) :自然科學(xué)版 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