【正文】 .....................20 3 基于單片機的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著 時代的發(fā)展，社會越來越需要高效、可靠的身份識別系統(tǒng)。傳統(tǒng)的個人身份鑒別手段如鑰匙、口令、密碼、身份證件，甚至 IC 卡等識別方式，由于它們具有可假冒、可偽造、可盜用、可破譯的弱點，已不能完全滿足現(xiàn)代社會經(jīng)濟活動和社會安全防范的需要。目前，從實用的角度看，指紋識別技術(shù)是優(yōu)于其它生物識別技術(shù)的身份鑒別方法。那么我們應(yīng)該怎樣保護自己的隱私不被泄露呢？現(xiàn)在，科技的發(fā)展讓我們認識了生物識別技術(shù)。 生物識別技術(shù)是依據(jù)人的體貌、聲音等生物特征進行身份驗證的科學(xué)解決方案，現(xiàn)有的生物識別技術(shù)大致上包括指紋識別技術(shù)、掌紋識別技術(shù)、視網(wǎng)膜識別技術(shù)、虹膜識別技術(shù)、面 相識別技術(shù)、聲音識別技術(shù)和筆跡識別技術(shù)等。指紋識別技術(shù)的發(fā)展得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速可靠的算法的研究。另外，匹配算法可靠性也不斷提高，指紋識別技術(shù)己非常實用。這個研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。 20 世紀 60年代，由于計算機可以有效的處理圖形，人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。 20 世紀 80 年代，個人電腦、光學(xué)掃描這兩項技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實，從而使指紋識別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替 IC 卡。 指紋識別的原理 指紋識別技術(shù)的原理和其它生物識別技術(shù)的原理相似。在所有的生物識別技術(shù)中指紋識別技術(shù)是目前最為成熟，也被應(yīng)用 最廣的生物識別技術(shù)。嚴格來講，指紋識別的原理包括指紋采集原理、指紋特征提取原理和指紋特征匹配原理三大部分。 由于指紋的嵴和峪的幾何特征不同，主要表現(xiàn)為嵴是突起的，峪是凹下的，所以在接觸到光線時，其反射光的強度也就不同。另一方面，由于指紋的嵴和峪的生理特征不同，主要表現(xiàn)為：嵴和峪的溫度不同， 其導(dǎo)電性也不同，其對波長的反饋也就不同。 指紋特征分析的原理是對指紋圖案的整體特征和細節(jié)特征進行提取、鑒別的原理。特征點的平面幾何關(guān)系表現(xiàn)為某個特征點之間的距離等，或者某三個或更多特征點之間組成的多邊形的幾何特性。把這些指紋特征用數(shù)字模板的形式表示出來，就實現(xiàn)了一個指紋特征分析的 過程。 指紋特征值匹配原理是對指紋圖案的整體特征和細節(jié)特征按模式識別的原理進行比對匹配。匹配運算不是對兩個指紋圖像進行比較，而是對已形成數(shù)字模板的指紋特征值進行匹配。過去，它主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。指紋技術(shù)在現(xiàn)代生活和工作中的應(yīng)用已越來越普遍，指紋考勤機、指紋社保、指 紋銀行、指紋商場、指紋投票、指紋保護電腦、等等生活中和工作中的新現(xiàn)象 7 已廣為人知，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，指紋技術(shù)正在日益刷新著我們的現(xiàn)代化生活方式。指紋只是人體皮膚的小部分，但是它卻蘊涵了大量的信息。醫(yī)學(xué)上已經(jīng)證明這些特征對于每個手指都是不同的，而且這些特征具有唯一性和永久性。 指紋識別的發(fā)展前景 指紋行業(yè)是一個新興的行業(yè)，本身具有很高的科技含量，相對利潤高發(fā)展前景廣闊。據(jù)不完全統(tǒng)計， 2022 年指紋類產(chǎn)品平均利潤率就已經(jīng)為 385%，指紋產(chǎn)品行業(yè)是各行業(yè)及投資者最好的選擇目標。目前，國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)在參與指紋識別技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。 8 系統(tǒng)功能描述 本系統(tǒng)是針對指紋采集、識別模塊開發(fā)出的指紋識別電子密碼鎖系統(tǒng)。它利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成采集任務(wù)，操作十分方便快捷。簡單的描述本次設(shè)計的功能即使用指紋模塊檢測、錄入指紋，將比對的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏幕上 .本系統(tǒng)擁有一次最多錄入三個指紋的能力。 2．合成指紋模板并存儲：通過光電轉(zhuǎn)換后，將指紋特征值和對應(yīng)的 ID 號存儲到存儲器中。 3．搜索指紋庫比對指紋：當(dāng)有指紋錄入時，模塊會響應(yīng)上位機指令搜索指紋庫比對指紋，同時液晶顯示比對結(jié)果，繼電器動作、發(fā)光二極管亮。在系統(tǒng)的整體方案確定之前 ,先要明確設(shè)計要求，然后對系統(tǒng)硬件、軟件進行設(shè)計，其中包括繪制原理框圖、電路圖，對原理進行必要說明，綜合考慮系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性要求，以保證所設(shè)計的系統(tǒng) 達到預(yù)期的要求。 指紋識別的總體特征和局部特征 總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。 紋形根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類 —— 環(huán)型（ loop，又稱斗形）、弓形（ arch）、螺旋形（ whorl）。指紋識別算法有時只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有時則使用所取得的完整指紋。許多算法是基于核心點的，即只能處理和識別具有核心點的指紋。三角點提供了指紋紋路的計數(shù)跟蹤的開始之處。在計算指紋的紋路時，一般 10 先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認為是指紋的紋數(shù)。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的細節(jié)特征，卻不可能完全相同。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為特征點 ，就是這些特征點提供了指紋惟一性的確認信息，其中最典型的是終結(jié)點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環(huán)點、短紋等。 指紋識別系統(tǒng)的流程 指紋識別系統(tǒng)核心技術(shù)流 程如圖所示： 指紋識別系統(tǒng)核心技術(shù)流程圖 指紋識別系統(tǒng)主要集中在對指紋儀的操作以及使用人員信息登建立存儲指紋特征值與用戶信息的數(shù)據(jù)庫 指紋采集 器設(shè)置 指紋及用戶 信息登記 應(yīng)用處理 指紋辨識 及驗證 系統(tǒng)處理 11 記、數(shù)據(jù)庫管理、記錄查詢等功能的編程。 在利用 VC 開發(fā)程序之前應(yīng)先安裝 FDU2022 指紋儀的 SDK。在本系統(tǒng)中采用的是隱式鏈接，將 SDK 安裝目錄下的相應(yīng)的動態(tài)庫文件 (P1mDll. dll 文件 )拷入系統(tǒng)目錄或其它系統(tǒng)可以找到的目錄中，同時將 Lib目錄下的導(dǎo)入庫文件 (P1mD11. lib 文件 )加入工程設(shè)置的“ Link 一General 一 Object/library module”欄中以及將 Inc 目錄下的頭文件 P1mD11. h 加入工程的頭文件中，并在 *. cpp 文件中包含相應(yīng)頭文件即可。 指紋識別系統(tǒng)串行口工作方式 SM0 SM1 工作方式 說 明 波特率 0 0 方式 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 方式 1 10 位異步收發(fā)器 由定時器控制 1 0 方式 2 11 位異步收發(fā)器 fosc/32 或 fosc/64 1 1 方式 3 11 位異步收發(fā)器 由定時器控制 串行口工作方式 8051 單片機的串行口是一個可同時接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)全雙工的接口，該串行口可以設(shè)定四種工作方式：移位寄存器（方式 0） 8位數(shù)據(jù) UART 方式（方式 1） 9 位數(shù)據(jù)波特率固定 UART 方式（方式2） 9 位數(shù)據(jù)位波特率可變 UART 方式（方式 3）。對它初始化編程只需用兩個控制 字分別寫入特殊功能寄存器 SCON(98H) 和電源控制寄存器 PCON (87H)中即可。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 MAX232 作為接口芯片用于實現(xiàn)指紋傳感器串口的 RS232 信號與 8051 串行口的 TTL 信號的相互轉(zhuǎn)換。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 指紋識別功能描述 基于單片機 8051 的指紋識別系統(tǒng)是由 8051 處理器、 68128RAM和 EEPROM 芯片等構(gòu)成，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索 傳 感 器 MCU RAM EEPROM PC 13 和模版儲存等功能的智能型模塊。 該系統(tǒng)控制的核心是單片機 8051，因為通過比較 DSP 芯片，處理速度較快和存儲量較大，但性價比較低。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系 統(tǒng)可繼續(xù)工作， 128x8bit內(nèi)部 RAM，能滿足設(shè)計要求。 通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對原始圖像進行初步的處理，使之更清晰，再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。目前，指紋采集儀主要有活體光學(xué)式、電容式和壓感式。根據(jù)采集指紋面積大體可以分為滾動捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動捺印指紋。 指紋圖像壓縮：大容量的指紋數(shù)據(jù)庫必須經(jīng)過壓縮后存儲，以減 14 少存儲空間。 指紋圖像處理：包括指紋區(qū)域檢測、圖像質(zhì)量判斷、方向圖和頻率估計、圖像增強、指 紋圖像二值化和細化等。紋形從屬于型，以中心線的形狀定名。一般，指紋自動識別系統(tǒng)將指紋分為弓形紋（弧形紋、帳形紋）、箕形紋（左箕、右箕） 斗形紋和雜形紋等。 指紋比對：可以根據(jù)指紋的紋形進行粗匹配，進而利用指紋形態(tài)和細節(jié)特征進行精確匹配，給出兩 枚指紋的相似性得分。 15 指紋識別系統(tǒng)工作原理及硬件特性 工作原理：當(dāng)指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給單片機發(fā)送命令，單片機同意并接收相應(yīng)的信息，指紋傳感器采集的指紋轉(zhuǎn)換成 RGB 格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機通過存儲在 EEPROM 中的固化程序執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計算，當(dāng)用戶的指紋被確認，單片機將命令執(zhí)行機構(gòu)動作，開關(guān)開。 80C51 的制造工藝是在 8051 基