【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 隨著科學技術的不斷發(fā)展，我們的生活中常常需要身份確認。設計表明通過簡單的原理能夠實現(xiàn)指紋識別相關功能，加 深了我們對指紋識別原理的理解，和對單片機的應用。系統(tǒng)采用的是增強型 51單片機 STC12C5A60S2 作為主控芯片，而 FM— 180指紋識別模塊作為指紋采集和處理的核心。 1 基于單片機的指紋識別系統(tǒng)設計（硬件） 摘要 隨著科學技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)的 安全性越來越脆弱，自動指紋識別技術集保密性強、差錯率低等優(yōu)點，已經廣泛的應用到需要身份認證的各種領域。本文簡述了指紋和指紋識別系統(tǒng)，并在此基礎上重點研究了基于單片機的指紋識別系統(tǒng)的硬件設計和制作。通過二者的通信完成對指紋的采集，錄入，提取特征值，比對等功能。 關鍵詞： 指紋識別 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。信息時代我們每個人都擁有大量的認證密碼，比方說銀行密碼、開機密碼、手機密碼、開機密碼等等。社會的進步，促使傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)越來越脆弱。指紋特征是人終生不變的特征之一，并且每個人的指紋是不同的，可以說指紋是一個 人 身份的標識。 ②唯一性， 人與人之間的指紋是不同，可以作為身份的識別。 指紋識別技術相對于其他識別方法有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。所以了解指紋識原理，懂得如何設計指紋識別系統(tǒng)顯得很有必要。這對于我更好的理解指紋識別原理和單片機結構功能很有幫助，這也是選題的意義所在。 由于人體特征具有人 所固有的不可復制的 唯一性，這一生物密鑰無法復制，失竊或被遺忘，利用生物識別技術進行身份認定，安全、可靠、準確。我們相信隨著科學技術的飛速進步，將有越來越多的生物識別技術應用到實際生活中。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。指紋 識別即指通過比較不同指紋的細節(jié)特征點來進行鑒別。 2 手掌幾何學識別 手掌幾何學識別就是通過測量使用者的手掌和手指的物理特征來進行識別，高級的產品還可以識別三維 圖像 。靜脈比對時，實時采取靜脈圖，提取 特征值，運用先進的濾波、圖像二值化、細化手段對數(shù)字圖像提取特征，同存儲在主機中靜脈特征值比對，采用復雜的匹配算法對靜脈特征進行匹配，從而對個人進行身份鑒定，確認身份。 虹膜 識別 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、條紋、細絲、冠狀、隱窩等細節(jié)特征。 視網膜 識別 視網膜是眼睛 底部的血液細胞層。視網膜識別的優(yōu)點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，因為視網膜是不可見的，故而不會被偽造。該特征具有獨特的性質。 圖 1 指紋 19世紀初，科學研究發(fā)現(xiàn)指紋的兩個重要特征，一是兩個不同手指的指紋紋 脊不同，二是指紋 紋脊的樣式終生不變性 [1]。到了 20世紀 60年代，由于計算機技術的發(fā)展，人們開始研究利用計算機來處理指紋，從那時起自動指紋識別系統(tǒng) AFIS（ Automated 3 Fingerprint Identification System）在法律方面的研究和應用在許多國家展開。 90年代后期，低價位取 像 設備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對算法的 發(fā)現(xiàn)為個人 身份識別應用的增長提供了舞臺。 相對于其他身份鑒定技術，指紋識別技術之所以優(yōu)于其他身份鑒定技術而被廣泛采用的原因是指紋具有以下基本性質 [4]： 1．指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋： 2．指紋是相當固定的，不會隨年齡、健康狀況的變化而改變； 3．指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發(fā)，實用性強； 4．每個人十指的指紋皆不相同，可以利用多個指紋構成多重口令，提高系 統(tǒng)的安全性； 5．指紋識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鍵特 征，使所需存儲的信息量減小，而且在實現(xiàn)異地確認時，可以大大減少 網絡傳輸負擔，支持網絡功能。因此，指紋識別成為最流行、最方便、最可靠的身份認證方式，己經在社會生活的諸多方面得到廣泛應用。嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的、完整的系統(tǒng)，它不需要連接其他設備或計算機就可以獨立完成其設計的功能，其功能比較單一，如指紋門鎖、 指紋考勤終端等。 指紋識別研究現(xiàn)狀 我國在研制指紋自動識別系統(tǒng)方面起步較晚，直到 80年代初才開始進行，近幾十年來，國內外越來越多的研究機構和人員在對指紋識別的各個關鍵技術領域進行研究；越來越多的公司從事指紋身份鑒別產品的開發(fā)和銷售。國 內外眾多指紋識別研究機構和公司廠商都已將嵌入式指紋識別系統(tǒng)作為研究開發(fā)的重點，并推出了部分產品，已經體現(xiàn)了當前的一個重要發(fā)展趨勢。 4 并且各個自動指紋識別系統(tǒng)在測試時使用的數(shù)據(jù)庫在容量、指紋質量方面各不相同，測試方案也差別較大，所以各系統(tǒng)間的可比性差。選擇了其中較 為可行的方案，并制作和調試電路板。 第二章：對研究對象 — 指紋進行了詳細的介紹，然后說明了自動指紋識別系統(tǒng)的原理。 第四章： 闡述了在布局布線時該注意的基本問題；然后描述了在調試階段遇到的問題和解決方案。 第 2 章 指紋識別基本原理 指紋學的基本知識 指紋的形成 在皮膚發(fā)育過程中，雖然表皮、真皮，以及基質層都在共同成長，但柔軟的皮下組織長得比相對堅硬的表皮快，因此會對表皮產生源源不斷的上頂壓力，迫使長得較慢的表皮向內層組織收縮塌陷，逐漸變彎打皺，以減輕皮下組織施加給它的壓力。這種變彎打皺的過程隨著內層組織產生的上層壓力的變化而波動起伏，形成凹凸不平的脊紋或皺褶，直到發(fā)育過程中止，最終定型為至死不變的指紋。 是皮下組織對指肚表皮頂壓 的方向 不同造就了這不同的類型?，F(xiàn)在，科學家已能夠通過模型再現(xiàn)那些較為常見的指紋，也能重復不太復雜的罕見指紋的形成過程。指紋能使手在接 5 觸物件時增加摩擦力，從而更容易發(fā)力及抓緊物件。 依據(jù)目測程度 ： 第一類是明顯紋，就是目視即可見的紋路。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，雖然肉眼無法看到這些指紋，但是經過特別的方法及使用一些特別的化學試劑加以處理，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，必須經過化學處理才能在化驗室顯形。 （ 2）指印： 指頭 凹凸紋 線與承受客體接觸時留下的痕跡。 （ 4）谷線： 兩個脊線之間低陷的部分。 （ 6）細節(jié)特征點間脊線數(shù)：在兩個細節(jié)特 征之間畫一 條直線，與這條直線相交的脊線數(shù)目，就叫細節(jié)特征間脊線數(shù)。 （ 7）中心點： 指紋中心點定義為最內層弧狀脊線的上頂點，當最內層脊線的上凸 出的 部出現(xiàn)分枝點時，將分枝點定義為中心點；當最內層脊線不是弧狀而是一條線時，則脊線的上端點定義為中心點；當這種脊線不是一條，而是多條時，定義為最左邊一條脊線的上端點為中心點。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型。 （ iv）三角點： 三角點是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點，離該點最近的三條指紋紋線構成一個近似等邊三角形，三角點提供了指紋紋路計數(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)內指紋紋路的數(shù)量。 局部特征包括： (i)端點：一條紋路在此終結。 (iii)分歧點：兩條平行的紋路在此分開。 (v)短紋：一條較短但不至于成為一點的紋路。 (vii)橋：兩條并行的紋路在此被 搭接起來。 如圖 3 7 圖 3 基本紋路圖案 自動指紋識別原理 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，而且指紋本身蘊含大量信息。 自動指紋識別是通過取 像 設備采集指紋圖像，然后利用 計算機技術提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過匹配算法進行比對識別。首先通過指紋采集設備采集到人的指紋圖像，并對原始的圖像進行簡單的處理，是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。特征文件存儲從指紋上找到“細節(jié)點”，也就是指紋脊線的分叉點或末梢點。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板。最后通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋模板進行比較，計算他們的相似度，最終得到這兩個指紋的匹配結果。 圖像輸入設備是指紋識別系統(tǒng)的先導硬件，它具有圖像輸入和數(shù)字化雙重功能 。 光學式取 像 設備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理（ FTIR）設計的。當光線照在玻璃表面時，由于玻璃表面壓有指紋，射到紋路 凹 的 部分 光線發(fā)生全反射，反射光線由 CCD獲得；而射到紋路凸的光線不發(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。最后通過棱鏡反射出來。當手指放在它上面時構成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導體不同而造成電容值不同，把電容值轉化為電壓值并記錄下來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，然后再有接收設備獲取反射回來的信號，由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來的能量不同，測量后就可得到指紋的灰度圖像。 下表是各種取 像 設備的性能比較： 取 像 設備比較表 比較項目 光學取像設備 電容時傳感器 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 各種指紋采集設備比較 圖像處理 在指紋采集的過程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點， 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