【正文】 ............................................................................................................ 29 附 錄 一 ....................................................................................................... 30 附 錄 二 ........................................................................................................ 30 1 第 1 章 緒 論 課題的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們的生活中常常需要身份確認(rèn)。設(shè)計(jì)表明通過(guò)簡(jiǎn)單的原理能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識(shí)別相關(guān)功能，加 深了我們對(duì)指紋識(shí)別原理的理解，和對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用。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。 1 基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件） 摘要 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)的 安全性越來(lái)越脆弱，自動(dòng)指紋識(shí)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。本文簡(jiǎn)述了指紋和指紋識(shí)別系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和制作。通過(guò)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。 關(guān)鍵詞： 指紋識(shí)別 STC12C5A60S2 FM— 180 硬件 2 Design being based on Singlechip Fingerprint Identification System （ hardware） Abstract With the rapid development of science and technology, the safety of traditional security system bee more and more weak and the automatic fingerprint recognition technology is superior in confidentiality and error rate. Therefore the automatic fingerprint recognition technology has been widely applied to those kinds of area where need identification .This article illustrates the fingerprints and fingerprint identification system and on this basis, we focus on the hardware design and the fabrication of the fingerprint identification system. The System employs the enhanced 51 MCU STC12C5A60S2 as the main control chip and the FM180 fingerprint module as the core of the fingerprint collection and processing. By the munication of MCU and FM180 ,it could finish fingerprint39。信息時(shí)代我們每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比方說(shuō)銀行密碼、開(kāi)機(jī)密碼、手機(jī)密碼、開(kāi)機(jī)密碼等等。社會(huì)的進(jìn)步，促使傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)越來(lái)越脆弱。指紋特征是人終生不變的特征之一，并且每個(gè)人的指紋是不同的，可以說(shuō)指紋是一個(gè) 人 身份的標(biāo)識(shí)。 ②唯一性， 人與人之間的指紋是不同，可以作為身份的識(shí)別。 指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)于其他識(shí)別方法有許多獨(dú)到之處，具有很高的實(shí)用性和可行性。所以了解指紋識(shí)原理，懂得如何設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)顯得很有必要。這對(duì)于我更好的理解指紋識(shí)別原理和單片機(jī)結(jié)構(gòu)功能很有幫助，這也是選題的意義所在。 由于人體特征具有人 所固有的不可復(fù)制的 唯一性，這一生物密鑰無(wú)法復(fù)制，失竊或被遺忘，利用生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，將有越來(lái)越多的生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生活中。紋線(xiàn)有規(guī)律的排列形成不同的紋型。指紋 識(shí)別即指通過(guò)比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來(lái)進(jìn)行鑒別。 2 手掌幾何學(xué)識(shí)別 手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過(guò)測(cè)量使用者的手掌和手指的物理特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別，高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維 圖像 。靜脈比對(duì)時(shí)，實(shí)時(shí)采取靜脈圖，提取 特征值，運(yùn)用先進(jìn)的濾波、圖像二值化、細(xì)化手段對(duì)數(shù)字圖像提取特征，同存儲(chǔ)在主機(jī)中靜脈特征值比對(duì)，采用復(fù)雜的匹配算法對(duì)靜脈特征進(jìn)行匹配，從而對(duì)個(gè)人進(jìn)行身份鑒定，確認(rèn)身份。 虹膜 識(shí)別 虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域，在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)、條紋、細(xì)絲、冠狀、隱窩等細(xì)節(jié)特征。 視網(wǎng)膜 識(shí)別 視網(wǎng)膜是眼睛 底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)就在于它是一種極其固定的生物特征 ， 不可能受到磨損，老化等影響，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見(jiàn)的，故而不會(huì)被偽造。該特征具有獨(dú)特的性質(zhì)。 圖 1 指紋 19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)指紋的兩個(gè)重要特征，一是兩個(gè)不同手指的指紋紋 脊不同，二是指紋 紋脊的樣式終生不變性 [1]。到了 20世紀(jì) 60年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始研究利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理指紋，從那時(shí)起自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) AFIS（ Automated 3 Fingerprint Identification System）在法律方面的研究和應(yīng)用在許多國(guó)家展開(kāi)。 90年代后期，低價(jià)位取 像 設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對(duì)算法的 發(fā)現(xiàn)為個(gè)人 身份識(shí)別應(yīng)用的增長(zhǎng)提供了舞臺(tái)。 相對(duì)于其他身份鑒定技術(shù)，指紋識(shí)別技術(shù)之所以?xún)?yōu)于其他身份鑒定技術(shù)而被廣泛采用的原因是指紋具有以下基本性質(zhì) [4]： 1．指紋是獨(dú)一無(wú)二的，兩人之間不存在著相同的指紋： 2．指紋是相當(dāng)固定的，不會(huì)隨年齡、健康狀況的變化而改變； 3．指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開(kāi)發(fā)，實(shí)用性強(qiáng)； 4．每個(gè)人十指的指紋皆不相同，可以利用多個(gè)指紋構(gòu)成多重口令，提高系 統(tǒng)的安全性； 5．指紋識(shí)別中使用的模板并非最 初的指紋圖像，而是由圖像提取的關(guān)鍵特 征，使所需存儲(chǔ)的信息量減小，而且在實(shí)現(xiàn)異地確認(rèn)時(shí)，可以大大減少 網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，支持網(wǎng)絡(luò)功能。因此，指紋識(shí)別成為最流行、最方便、最可靠的身份認(rèn)證方式，己經(jīng)在社會(huì)生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、完整的系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計(jì)算機(jī)就可以獨(dú)立完成其設(shè)計(jì)的功能，其功能比較單一，如指紋門(mén)鎖、 指紋考勤終端等。 指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀 我國(guó)在研制指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)方面起步較晚，直到 80年代初才開(kāi)始進(jìn)行，近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和人員在對(duì)指紋識(shí)別的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究；越來(lái)越多的公司從事指紋身份鑒別產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售。國(guó) 內(nèi)外眾多指紋識(shí)別研究機(jī)構(gòu)和公司廠(chǎng)商都已將嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)作為研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，并推出了部分產(chǎn)品，已經(jīng)體現(xiàn)了當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。 4 并且各個(gè)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)在容量、指紋質(zhì)量方面各不相同，測(cè)試方案也差別較大，所以各系統(tǒng)間的可比性差。選擇了其中較 為可行的方案，并制作和調(diào)試電路板。 第二章：對(duì)研究對(duì)象 — 指紋進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后說(shuō)明了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理。 第四章： 闡述了在布局布線(xiàn)時(shí)該注意的基本問(wèn)題；然后描述了在調(diào)試階段遇到的問(wèn)題和解決方案。 第 2 章 指紋識(shí)別基本原理 指紋學(xué)的基本知識(shí) 指紋的形成 在皮膚發(fā)育過(guò)程中，雖然表皮、真皮，以及基質(zhì)層都在共同成長(zhǎng)，但柔軟的皮下組織長(zhǎng)得比相對(duì)堅(jiān)硬的表皮快，因此會(huì)對(duì)表皮產(chǎn)生源源不斷的上頂壓力，迫使長(zhǎng)得較慢的表皮向內(nèi)層組織收縮塌陷，逐漸變彎打皺，以減輕皮下組織施加給它的壓力。這種變彎打皺的過(guò)程隨著內(nèi)層組織產(chǎn)生的上層壓力的變化而波動(dòng)起伏，形成凹凸不平的脊紋或皺褶，直到發(fā)育過(guò)程中止，最終定型為至死不變的指紋。 是皮下組織對(duì)指肚表皮頂壓 的方向 不同造就了這不同的類(lèi)型?，F(xiàn)在，科學(xué)家已能夠通過(guò)模型再現(xiàn)那些較為常見(jiàn)的指紋，也能重復(fù)不太復(fù)雜的罕見(jiàn)指紋的形成過(guò)程。指紋能使手在接 5 觸物件時(shí)增加摩擦力，從而更容易發(fā)力及抓緊物件。 依據(jù)目測(cè)程度 ： 第一類(lèi)是明顯紋，就是目視即可見(jiàn)的紋路。潛伏指紋往往是手指先接觸到油脂、汗液或塵埃后，再接觸到干凈的表面而留下，雖然肉眼無(wú)法看到這些指紋，但是經(jīng)過(guò)特別的方法及使用一些特別的化學(xué)試劑加以處理，即能顯現(xiàn)出這些潛伏的指紋。如果指紋是留在金屬、塑膠、玻璃、磁磚等非吸水性物品的表面，檢驗(yàn)方法就比較容易。如果指紋留在紙張、卡片、皮革、木頭等吸水性物品的表面，必須經(jīng)過(guò)化學(xué)處理才能在化驗(yàn)室顯形。 （ 2）指印： 指頭 凹凸紋 線(xiàn)與承受客體接觸時(shí)留下的痕跡。 （ 4）谷線(xiàn)： 兩個(gè)脊線(xiàn)之間低陷的部分。 （ 6）細(xì)節(jié)特征點(diǎn)間脊線(xiàn)數(shù)：在兩個(gè)細(xì)節(jié)特 征之間畫(huà)一 條直線(xiàn)，與這條直線(xiàn)相交的脊線(xiàn)數(shù)目，就叫細(xì)節(jié)特征間脊線(xiàn)數(shù)。 （ 7）中心點(diǎn)： 指紋中心點(diǎn)定義為最內(nèi)層弧狀脊線(xiàn)的上頂點(diǎn)，當(dāng)最內(nèi)層脊線(xiàn)的上凸 出的 部出現(xiàn)分枝點(diǎn)時(shí)，將分枝點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；當(dāng)最內(nèi)層脊線(xiàn)不是弧狀而是一條線(xiàn)時(shí)，則脊線(xiàn)的上端點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；當(dāng)這種脊線(xiàn)不是一條，而是多條時(shí)，定義為最左邊一條脊線(xiàn)的上端點(diǎn)為中心點(diǎn)。全局特征包括： (i)基本紋路圖案：基本紋路圖案通常分為左箕型、右箕型、斗型 、拱型和尖拱型，如圖 2 6 （ 1） 左箕型 （ 2）右箕型 （ 3）斗型 （ 4）拱型 （ 5）尖拱型 圖 2 各種類(lèi)型的指紋 （ ii）模式區(qū)： 模式區(qū)是指紋圖像上包含了總體特征的區(qū)域，從模式區(qū)上 能夠辨出指紋屬于那種類(lèi)型。 （ iv）三角點(diǎn)： 三角點(diǎn)是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點(diǎn)，離該點(diǎn)最近的三條指紋紋線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)近似等邊三角形，三角點(diǎn)提供了指紋紋路計(jì)數(shù)和跟蹤的起始位置 。 （ v）紋數(shù)： 作為全局特征，紋數(shù)一般是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。 局部特征包括： (i)端點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)。 (iii)分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開(kāi)。 (v)短紋：一條較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。 (vii)橋：兩條并行的紋路在此被 搭接起來(lái)。 如圖 3 7 圖 3 基本紋路圖案 自動(dòng)指紋識(shí)別原理 指紋是手指末端皮膚上的凹凸不平的紋路，這些紋路的存在不僅增加皮膚表面的摩擦力，使我們能夠拿起物品，而且指紋本身蘊(yùn)含大量信息。 自動(dòng)指紋識(shí)別是通過(guò)取 像 設(shè)備采集指紋圖像，然后利用 計(jì)算機(jī)技術(shù)提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過(guò)匹配算法進(jìn)行比對(duì)識(shí)別。首先通過(guò)指紋采集設(shè)備采集到人的指紋圖像，并對(duì)原始的圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。特征文件存儲(chǔ)從指紋上找到“細(xì)節(jié)點(diǎn)”，也就是指紋脊線(xiàn)的分叉點(diǎn)或末梢點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)通常稱(chēng)為模板。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋模板進(jìn)行比較，計(jì)算他們的相似度，最終得到這兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。 圖像輸入設(shè)備是指紋識(shí)別系統(tǒng)的先導(dǎo)硬件，它具有圖像輸入和數(shù)字化雙重功能 。 光學(xué)式取 像 設(shè)備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理（ FTIR）設(shè)計(jì)的。當(dāng)光線(xiàn)照在玻璃表面時(shí)，由于玻璃表面壓有指紋，射到紋路 凹 的 部分 光線(xiàn)發(fā)生全反射，反射光線(xiàn)由 CCD獲得；而射到紋路凸的光線(xiàn)不發(fā)生全反射，由于脊和玻璃表面接觸就吸收或者散射到其他地方，這樣在 CCD上就形成了指紋圖像。最后通過(guò)棱鏡反射出來(lái)。當(dāng)手指放在它上面時(shí)構(gòu)成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導(dǎo)體不同而造成電容值不同，把電容值轉(zhuǎn)化為電壓值并記錄下來(lái)就能得到指紋的灰度圖像。 超聲波掃描原理是發(fā)射超聲波到指紋表面即掃描，然后再有接收設(shè)備獲取反射回來(lái)的信號(hào)，由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來(lái)的能量不同，測(cè)量后就可得到指紋的灰度圖像。 下表是各種取 像 設(shè)備的性能比較： 取 像 設(shè)備比較表 比較項(xiàng)目 光學(xué)取像設(shè)備 電容時(shí)傳感器 超聲波掃描 體積 大 小 中 耐用性 非常耐用 容易損壞 一般 成像能力 干手指差，但汗多的和稍脹的手指成像模糊 干手指好，但汗多的和稍脹的手指不能成像 較好 耗電 較多 較少 較多 成本 低 低 很高 表 1 各種指紋采集設(shè)備比較 圖像處理 在指紋采集的過(guò)程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點(diǎn)， 叉連 很容易受到噪聲的干擾，從而影響指紋特征信息的提取。一般的圖像處理過(guò)程是：增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化 [10]