基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件

第1章緒論1.1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)。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。而我們大多數(shù)人則喜歡采用配備各種鑰匙，保險(xiǎn)柜，防盜報(bào)警等傳統(tǒng)安全系統(tǒng)。社會(huì)的進(jìn)步，促使傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)越來(lái)越脆弱。生物識(shí)別技術(shù)開(kāi)始走進(jìn)安全系統(tǒng)，指紋識(shí)別作為生物識(shí)別的一種已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。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)。指紋含有天然的密碼信息，其具有作為密碼信息必須具備的三個(gè)重要性質(zhì)：①?gòu)V泛性，每個(gè)人都有自己的指紋，很普遍。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。③終生不變性[1]，非意外事故發(fā)生終身不變。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。由于指紋識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)它的研究也日趨成熟。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。由于本系統(tǒng)采用的是單片機(jī)作為主控MCU，所以在實(shí)時(shí)性，擴(kuò)展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優(yōu)點(diǎn)和意義，那就是以最簡(jiǎn)單的，處理數(shù)據(jù)能低的MCU完成了指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該具備功能。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。1.2生物識(shí)別技術(shù)概述所謂生物識(shí)別技術(shù)[2]就是，通過(guò)計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、紅膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。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。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別、手掌幾何學(xué)識(shí)別[3]、虹膜識(shí)別[3]、視網(wǎng)膜識(shí)別[3]、面部識(shí)別、簽名識(shí)別、聲音識(shí)別等，但其中一部分技術(shù)含量高的生物識(shí)別手段還處于實(shí)驗(yàn)階段。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。指紋識(shí)別指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線(xiàn)。紋線(xiàn)有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線(xiàn)的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱(chēng)為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。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。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。FingerprintIdentificationSystem）在法律方面的研究和應(yīng)用在許多國(guó)家展開(kāi)。20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)采集技術(shù)的發(fā)展，使他們成為取像的工具，從而使指紋識(shí)別在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用，比如代替IC卡。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)。21世紀(jì)，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)基本成熟，研究方向也開(kāi)始轉(zhuǎn)向最求高效，快速的指紋算法。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?？梢钥闯觯讣y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。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。指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)主要有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和基于PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。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。而基于PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)則有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個(gè)系統(tǒng)共享指紋識(shí)別設(shè)備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)然，由于需要連接計(jì)算機(jī)才能完成指紋識(shí)別的功能，限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。1.4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。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)由大型計(jì)算機(jī)處理、微機(jī)處理發(fā)展到嵌入式處理階段。國(guó)內(nèi)外眾多指紋識(shí)別研究機(jī)構(gòu)和公司廠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)。目前，雖然許多商業(yè)機(jī)構(gòu)報(bào)告了自己的系統(tǒng)的較低的錯(cuò)誤率，但國(guó)內(nèi)外沒(méi)有專(zhuān)門(mén)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、統(tǒng)一、權(quán)威的評(píng)價(jià)。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。1.5論文內(nèi)容安排本文以指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋識(shí)別原理和硬件設(shè)計(jì)、制作為研究主體，針對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提出多種設(shè)計(jì)方案。選擇了其中較為可行的方案，并制作和調(diào)試電路板。具體的章節(jié)和各章的內(nèi)容安排如下：第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，并簡(jiǎn)述了生物識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)，以及指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀，確定了本文所做的主要工作。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。第三章：介紹了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)方案，和相關(guān)器件，最后給出設(shè)計(jì)電路。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。第五章：對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。第2章指紋識(shí)別基本原理2.1指紋學(xué)的基本知識(shí)2.1.1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。如此一來(lái)，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導(dǎo)致表皮長(zhǎng)得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。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。指紋分類(lèi)有3種基本類(lèi)型—斗型、弓型和箕型。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。研究表明，如果某人指頭肚高而圓，其指紋的紋路將是螺旋型?，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。指紋是人類(lèi)手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。指紋能使手在接觸物件時(shí)增加摩擦力，從而更容易發(fā)力及抓緊物件。是人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程式中自然形成的。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。如手沾油漆、血液、墨水等物品轉(zhuǎn)印而成，通常都是印在指紋卡上成為基本資料；第二類(lèi)是成型紋，這是指在柔軟物質(zhì)，如手接觸壓印在蠟燭、黏土上發(fā)現(xiàn)的指紋；第三類(lèi)是潛伏指紋，這類(lèi)指紋是經(jīng)身體自然分泌物如汗液，轉(zhuǎn)移形成的指紋紋路，目視不易發(fā)現(xiàn)，是案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的指紋。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。鑒識(shí)人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。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。通常可以用粉末法，選擇顏色對(duì)比大的粉末，撒在物品表面提取出完整的指紋；另一方法是磁粉法，以微細(xì)的鐵粉顆粒，用磁鐵作為刷子，來(lái)回刷掃，顯現(xiàn)指紋。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。2.1.2指紋的相關(guān)概念指紋：指頭表面凹凸紋線(xiàn)。指印：指頭凹凸紋線(xiàn)與承受客體接觸時(shí)留下的痕跡。脊線(xiàn)：是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線(xiàn)。谷線(xiàn)：兩個(gè)脊線(xiàn)之間低陷的部分。細(xì)節(jié)特征：指紋中出現(xiàn)的各種特征，例如最常用的就是脊線(xiàn)端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。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)。這些脊線(xiàn)具有平移、旋轉(zhuǎn)不變性，是指紋識(shí)別系統(tǒng)中經(jīng)常利用的一個(gè)重要特征。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)。指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細(xì)微特征。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（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。（iii）核心點(diǎn)：核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。（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。核心點(diǎn)和三角點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為奇異點(diǎn)。（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。也有些算法用某兩個(gè)點(diǎn)之間的紋路數(shù)作為指紋特征，比如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的紋路數(shù)。局部特征包括：(i)端點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)。(ii)分叉點(diǎn)：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。(iii)分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開(kāi)。(iv)孤立點(diǎn)：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。(v)短紋：一條較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。(vi)環(huán)點(diǎn)：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱(chēng)為環(huán)點(diǎn)。(vii)橋：兩條并行的紋路在此被搭接起來(lái)。(viii)曲率：紋路方向改變的速度。如圖3圖3基本紋路圖案2.2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。指紋在圖案、端點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個(gè)人每個(gè)手指都不相同，根據(jù)指紋的唯一性和可靠性，我們就把一個(gè)人和他的指紋一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比對(duì)指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗(yàn)證他的身份。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。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理[8]、特征提取[7]、數(shù)據(jù)保存、指紋特征值的比對(duì)等過(guò)程。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。然后，指紋特征提取算法建立指紋的特征數(shù)據(jù)，這是不可逆的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換到特征數(shù)據(jù)，但不可以從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到指紋圖像，兩枚不同的指紋產(chǎn)生不同的特征數(shù)據(jù)。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)。有的算法把特征點(diǎn)和方向信息組合產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，這些信息反映了特征點(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法處理整個(gè)指紋圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱(chēng)為模板。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒(méi)有一種模板的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有公布一種抽象的算法。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。2.32.3指紋識(shí)別系統(tǒng)一個(gè)完整的指紋識(shí)別過(guò)程可分為：指紋采集、指紋圖像的預(yù)處理、特征提取和指紋匹配幾部分[6]，如圖4：圖4指紋識(shí)別過(guò)程2.3.1指紋采集指紋由圖像輸入設(shè)備轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，并將其保存在機(jī)器內(nèi)部的過(guò)程。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。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的指紋采集可以分為光學(xué)式取像設(shè)備、電容式取像設(shè)備和超聲掃描。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。指紋紋路有凹凸部分即谷、脊。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。而另外一種光學(xué)取像設(shè)備則是利用微型三棱鏡，把他安裝在彈性的平面上，當(dāng)手指按在上面由于脊谷壓力不同，而改變微型棱鏡的表面。最后通過(guò)棱鏡反射出來(lái)。電容式取像設(shè)備則是由在半導(dǎo)體金屬上集合了上萬(wàn)甚至十萬(wàn)個(gè)電容傳感器。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。由于傳感器容易受到靜電干擾，易損壞，不如光學(xué)式的經(jīng)用耐磨。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。超聲波掃描得到的指紋圖像是指紋的真實(shí)圖像，應(yīng)用起來(lái)方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設(shè)備價(jià)格非常昂貴。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2.3.2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。圖像處理的目的就是利用信號(hào)處理技術(shù)剔除圖像中得各種噪聲，把它轉(zhuǎn)化為圖像清晰的二值化圖像，以便提取正確的特征信息。一般的圖像處理過(guò)程是：增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化[10]。增強(qiáng)濾波：通過(guò)濾波的方法消除指紋圖像中的干擾噪聲。普通的濾波方法如低通濾波、邊緣增強(qiáng)等對(duì)噪聲的濾除效果不是很好。因?yàn)橹讣y紋線(xiàn)具有一定的方向和頻率，在頻域看來(lái)就是紋線(xiàn)頻譜處于某一特定的位置和方向上。因此可以選用帶通濾波器。目前主流的圖像增強(qiáng)濾波算法都是基于這一原理。二值化：就是把原始的灰度圖像轉(zhuǎn)化成只有黑白兩種顏色的圖像，目前二值化的方法有兩種：固定門(mén)限和動(dòng)態(tài)門(mén)限。前者整個(gè)圖像采用一個(gè)門(mén)限，對(duì)輸入圖像要求高，要求圖像灰度均衡；后者則是根據(jù)不同區(qū)域選用不同門(mén)限，對(duì)輸入圖像要求不高。細(xì)化[10]：就是把經(jīng)過(guò)前面處理的指紋圖像的脊的寬度降到最小，去除紋線(xiàn)上的毛刺，從而減少因?yàn)槊躺傻膫谓徊纥c(diǎn)和斷點(diǎn)。2.3.3特征提取指紋的特征包括了全局特征和局部細(xì)節(jié)特征[9]。全局特征表述了指紋紋線(xiàn)的走向，主要表現(xiàn)在奇異點(diǎn)，就是紋線(xiàn)方向變化較大的點(diǎn)，就是三角點(diǎn)和核心點(diǎn)，他們比起細(xì)節(jié)特征更加穩(wěn)定可靠，是指紋特征匹配和指紋分類(lèi)的重要依據(jù)。局部細(xì)節(jié)特征主要包括了端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，目前主要的提取方法分三類(lèi)：從細(xì)化圖像上提?。喊阎讣y圖像二值化、細(xì)化后，分析指紋紋線(xiàn)‘骨架’上8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)取值來(lái)判斷細(xì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型和位置，再通過(guò)該點(diǎn)和紋線(xiàn)的連線(xiàn)來(lái)計(jì)算其方向。從灰度圖像上提取[13]：在經(jīng)過(guò)增強(qiáng)濾波的灰度圖像上，選取起始點(diǎn)，根據(jù)指紋方向卻定追蹤步長(zhǎng)。每前進(jìn)一段距離，在追蹤發(fā)向的垂直線(xiàn)段上的灰度投影確定紋線(xiàn)位置，當(dāng)遇到端點(diǎn)和分叉點(diǎn)時(shí)停止并記錄。從二值圖像上提?。涸诙祱D像上從上到下，從左到右逆時(shí)針檢測(cè)像素變化以追蹤脊線(xiàn)位置，當(dāng)像素之間的角度變化大于閥值時(shí)則認(rèn)為遇到了端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)。2.3.4指紋匹配目前匹配的方法有：圖像相關(guān)匹配、紋理特征匹配、紋線(xiàn)匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配[12]。前二者匹配速度快，對(duì)圖像要求不高，但是忽略了細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，因此正確性不高。紋線(xiàn)匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。細(xì)節(jié)特征匹配充分利用了指紋在細(xì)節(jié)點(diǎn)上的差異，因此簡(jiǎn)單準(zhǔn)確得到了廣泛的應(yīng)用。細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配通常把匹配模板和待匹配的細(xì)節(jié)點(diǎn)集對(duì)齊，設(shè)定匹配規(guī)則，統(tǒng)計(jì)二者對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)相同的個(gè)數(shù)來(lái)衡量他們的相似度。但是這種方法對(duì)細(xì)節(jié)的位移，旋轉(zhuǎn)，形變較為敏感。細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配的難點(diǎn)有：①細(xì)節(jié)點(diǎn)提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)、丟失真細(xì)節(jié)點(diǎn)，并且細(xì)節(jié)點(diǎn)的位置，方向可能有偏差。②指紋圖像存在平移和旋轉(zhuǎn)，需要尋找參考依據(jù)以便特征對(duì)齊。③指紋采集過(guò)程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉(zhuǎn)，拉伸和形變。④指紋之間的重合區(qū)域小，相同指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系難以確定。第3章指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1相關(guān)器件介紹3.1.1STC12C5A60S2的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)STC12C5A60S2單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。1.增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V-3.3V（5V單片機(jī)）3.工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz；4.用戶(hù)應(yīng)用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)；5.片上集成1280字節(jié)RAM；6.通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55mA；7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片；8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無(wú)內(nèi)部EEPROM)；9.看門(mén)狗；10.內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）；11.外部掉電檢測(cè)電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%；12.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以?xún)?nèi))1用戶(hù)在下載用戶(hù)程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz～15.5MHz，3.3V單片機(jī)為：8MHz～12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)；13.共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；14.2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘；15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，PowerDown模式可由外部中斷喚醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)；16.PWM(2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）：——也可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器——也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)；17.A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口；.19STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)；20.工作溫度范圍：-40-+85℃(工業(yè)級(jí))/0-75℃(商業(yè)級(jí))21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不夠時(shí)，可用2到3根普通I/O口線(xiàn)外接164/165/59574HC（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展I/O口,還可用A/D做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線(xiàn)通信，還多了串口。圖5STC12C5A60S2管腳圖STC12C5A60S2單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。STC12C5A60S2單片機(jī)中包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門(mén)狗電路及片內(nèi)RC振蕩器和晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2單片機(jī)包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需要的所有單元模塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)。圖6STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3.1.2指紋識(shí)別模塊FM-180FM-180亮背景光學(xué)頭指紋識(shí)別設(shè)備采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能DSP處理器和FLASH等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。和同類(lèi)指紋產(chǎn)品相比，F(xiàn)M-180指紋識(shí)別設(shè)備具備下列特色：●指紋適應(yīng)性強(qiáng)指紋圖像讀取過(guò)程中，采用自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，使干濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群更廣泛?！駜r(jià)格低廉設(shè)備采用自行開(kāi)發(fā)的光學(xué)采集頭，成本大幅降低?！袼惴ㄐ阅軆?yōu)異FM-180指紋識(shí)別設(shè)備算法根據(jù)光學(xué)頭成像原理另行設(shè)計(jì)。算法對(duì)變形、質(zhì)量差指紋均有較好的校正和容錯(cuò)性能?！窈?jiǎn)單易用方便擴(kuò)充無(wú)需具備指紋識(shí)別專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可應(yīng)用。按照FM-180指紋識(shí)別設(shè)備提供的豐富控制指令，可自行開(kāi)發(fā)出功能強(qiáng)大的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)?！袷褂梅奖憧芍苯舆B在PC的USB口上使用，無(wú)需任何其它轉(zhuǎn)接設(shè)備。系統(tǒng)參數(shù)：F—180性能參數(shù)表序號(hào)序號(hào)指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)測(cè)試條件1供電電壓DC3.6—6.0V2正常工作電壓120mA3峰值電流150mA4指紋錄入時(shí)間<1.0s51:1比對(duì)時(shí)間<1.0s特征提取+指紋比對(duì)61:900搜索時(shí)間<2s7指紋存儲(chǔ)數(shù)量最多支持960枚8認(rèn)假率<0.001%9拒真率<1.5%10指紋模板大小512bytes11外部接口UART表2FM-180參數(shù)表該模塊采用的是PS1802一款高性能通用DSP控制器，同時(shí)也是一款全功能的指紋識(shí)別系統(tǒng)芯片（SOC），工作主頻為120MHz，峰值運(yùn)算能力達(dá)到480MIPS，內(nèi)嵌156KBRAM，96KBROM，功耗小于150mW（@120MHz）。外部標(biāo)準(zhǔn)接口：模塊與用戶(hù)設(shè)備的接口都采用同一個(gè)單排插座/針（分體式為5芯2.0間距、一體式為4芯1.27間距）。用戶(hù)無(wú)特殊要求時(shí)，所提供的用戶(hù)接口引線(xiàn)長(zhǎng)度為150mm。模塊與用戶(hù)設(shè)備的串行通訊時(shí)，接口J1引腳定義如下：FM-180引腳功能表引腳引腳號(hào)名稱(chēng)類(lèi)型功能描述1VCCIN電源正輸入端（顏色：紅）2TXDOUT串行數(shù)據(jù)輸出。TTL邏輯電平。（顏色：綠）3RXDIN串行數(shù)據(jù)輸入。TTL邏輯電平。（顏色：白）4GND—信號(hào)地。內(nèi)部與電源地連接。（顏色：黑）表3引腳功能44RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫(xiě)到IR或DR6E(SCLKH/L使能信號(hào)7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線(xiàn)15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（見(jiàn)注釋1）16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效（見(jiàn)注釋2）18VOUT-LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）（見(jiàn)注釋3）20KVSS背光源負(fù)端（見(jiàn)注釋3）表412864引腳功能*注釋1：如在實(shí)際應(yīng)用中僅使用串口通訊模式，可將PSB接固定低電平，也可以將模塊上的J8和“GND”用焊錫短接。*注釋2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場(chǎng)合可將該端懸空。*注釋3：如背光和模塊共用一個(gè)電源，可以將模塊上的JA、JK用焊錫短接。3.2功能描述基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)是由STC12C5A60S2MCU處理器、12864液晶顯示等器件構(gòu)成，在無(wú)需上位機(jī)參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對(duì)比、搜索和模板儲(chǔ)存等功能的智能型模塊。通過(guò)集成指紋識(shí)別模塊，可以構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的指紋識(shí)別系統(tǒng)，完成上述功能。該系統(tǒng)的控制核心是該系統(tǒng)的控制核心是51系列單片機(jī)STC12C5A60S2，通過(guò)與DSP比較，雖然在數(shù)據(jù)處理方面的能力和存儲(chǔ)容量上不及DSP，但是51系列單片機(jī)的性?xún)r(jià)比高，另外就是它的功耗低，在空閑狀態(tài)時(shí)可以通過(guò)軟件設(shè)置成省電模式?？臻e狀態(tài)時(shí)，CPU暫停工作，中斷系統(tǒng)、串口及定時(shí)器模塊繼續(xù)工作。通過(guò)外圍電路實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。3.3系統(tǒng)硬件概述指紋識(shí)別系統(tǒng)主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、指紋采集部分、指紋存儲(chǔ)部分、液晶顯示部分、蜂鳴器、通信電路、按鍵和電源組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，系統(tǒng)中的MCU采用增強(qiáng)型51單片機(jī)，它是整個(gè)部件的控制核心。電源采用市場(chǎng)上市電轉(zhuǎn)5V的直流電源。液晶和蜂鳴器作為整個(gè)系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)的一個(gè)反饋，用于顯示結(jié)果和指紋識(shí)別過(guò)程中對(duì)用戶(hù)的操作提示。至于關(guān)鍵的指紋采集和指紋存儲(chǔ)，它的選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效果，下一節(jié)將介紹有關(guān)于這方面的選擇，這里就不做介紹。圖8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.4方案設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合功能要求和手上現(xiàn)有的材料器件，提出了關(guān)于三種實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的設(shè)計(jì)方案，下面將一一為大家介紹。根據(jù)設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的指紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可知，系統(tǒng)采用的是單片機(jī)最為控制器件，對(duì)比DSP、FPGA它具有低功耗、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。而選用51系列的STC12C5A60S2的原因是我們自己就有款單片機(jī)，可節(jié)約成本，而且增強(qiáng)型51比AT89S51功能更加強(qiáng)通過(guò)分析該方案較為繁瑣，其中涉及到多機(jī)通信的問(wèn)題，以及速率傳輸?shù)膯?wèn)題。通過(guò)理論計(jì)算如果采用51單片機(jī)就僅采集一個(gè)指紋就需要耗時(shí)8秒左右，過(guò)程必須保證手指在傳感器不能移動(dòng)。主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)采用的是串行通信耗時(shí)更是遠(yuǎn)大于8秒。另外由于采集到的是指紋圖像，數(shù)據(jù)量大，單片機(jī)處理圖像數(shù)據(jù)的能力和速度有限，達(dá)不到要求。FS200這片指紋傳感器價(jià)格相當(dāng)昂貴，零售價(jià)在300元以上，綜合上述原因，該方案可行性低。（3）方案三指紋采集部分是用的是FM—180指紋識(shí)別模塊。該模塊集成了圖8所示的指紋采集和指紋存儲(chǔ)，并且能夠完成指紋特征提取，比對(duì)，驗(yàn)證等功能。該模塊使得指紋識(shí)別系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單化。并且它的信號(hào)線(xiàn)就4根，電源線(xiàn)，地線(xiàn)，TXD，RXD使用起來(lái)非常方便。工作過(guò)程：手指按在模塊上時(shí)，單片機(jī)發(fā)送采集指令，指紋就采集到模塊內(nèi)并存儲(chǔ)起來(lái)，接下來(lái)單片就發(fā)送提取指紋特征指令給模塊，由于識(shí)別模塊內(nèi)嵌DSP，所以大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力，經(jīng)過(guò)特征碼處理的模板就可以存儲(chǔ)、比對(duì)、刪除等功能操作。這些操作都是通過(guò)單片發(fā)送指令完成的。也就是通過(guò)單片機(jī)和指紋模塊的通信就可以完成指紋識(shí)別的功能。FM—180該模塊的市場(chǎng)價(jià)格在200元左右，雖然仍然很貴，但是同比市場(chǎng)上的指紋采集部分的芯片，它的性?xún)r(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。通過(guò)比較上述三種方案，綜合考慮各方面因素，我們選擇方案三，選擇其原因是其原理簡(jiǎn)單，能方便的實(shí)現(xiàn)，性?xún)r(jià)比高。3.6通訊協(xié)議3.6.1單片機(jī)和 FM180的通信通信有并行通信和串行通信兩種方式。在多微機(jī)系統(tǒng)以及現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)中信息的交換多采用串行通信方式。并行通信通常是將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線(xiàn)同時(shí)進(jìn)行傳送。并行通信控制簡(jiǎn)單、傳輸速度快；由于傳輸線(xiàn)較多，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線(xiàn)上逐個(gè)地傳送。串行通信的特點(diǎn)：傳輸線(xiàn)少，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本低，且可以利用電話(huà)網(wǎng)等現(xiàn)成的設(shè)備，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜。通訊還有同步和異步之分。同步通信時(shí)要建立發(fā)送方時(shí)鐘對(duì)接收方時(shí)鐘的直接控制，使雙方達(dá)到完全同步。此時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍，同時(shí)傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關(guān)系，也保持字符同步關(guān)系。發(fā)送方對(duì)接收方的同步可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)。異步通信是以字符（構(gòu)成的幀）為單位進(jìn)行傳輸，字符與字符之間的間隙（時(shí)間間隔）是任意的，但每個(gè)字符中的各位是以固定的時(shí)間傳送的，即字符之間是異步的（字符之間不一定有“位間隔”的整數(shù)倍的關(guān)系），但同一字符內(nèi)的各位是同步的（各位之間的距離均為“位間隔”的整數(shù)倍。這里FM-180和單片的通訊方式是異步串行通信模式。在單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)串行通信I/O部件UART，支持全雙工串行通信，通過(guò)編程可以將8位字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)ART中，UART自動(dòng)將改接的8位二進(jìn)制數(shù)變成串行數(shù)據(jù)，在不同時(shí)刻從TXD引腳輸出發(fā)送；同時(shí)對(duì)于不同時(shí)刻從引腳RXD輸入的串行數(shù)據(jù)，UART自動(dòng)變換成字節(jié)，可以編程讀取后進(jìn)行處理。通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)FM-180的控制。3.6.2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RS-232C串行通訊接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好，但是RS-232C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RS-232C設(shè)備之間的握手與流量控制。從而使RS-232C串行通訊協(xié)議僅需3根線(xiàn)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．RS-232C通訊協(xié)議RS-232C的每個(gè)腳線(xiàn)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(guò)渡區(qū)。單片機(jī)的TTL/CMOS電平與計(jì)算機(jī)接口或終端的RS-232C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RS-232C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RS-232C電平的轉(zhuǎn)換。RS-232C規(guī)定使用25針標(biāo)準(zhǔn)連接口，采用DB-25型連接器。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25根信號(hào)線(xiàn)，但在實(shí)際使用時(shí)，只需2個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)、6個(gè)控制線(xiàn)、1個(gè)地線(xiàn)共九個(gè)信號(hào)。因此一些生產(chǎn)廠家對(duì)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械特性進(jìn)行了簡(jiǎn)化，使用9針標(biāo)準(zhǔn)連接口，即使用DB-9型連接器。由于RS-232C發(fā)送端與接收端之間的信號(hào)傳遞采用多芯信號(hào)線(xiàn)，而多芯信號(hào)線(xiàn)的總負(fù)載電容不能超過(guò)2500PF，所以RS-232C的信號(hào)傳輸距離為十幾米。2．RS-232C接口功能特性及連接使用9針或25針的連接器將RS-232C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(xiàn)定義及功能如表5。9針連接器功能表管腳編管腳編號(hào)信號(hào)名稱(chēng)方向含義1DCD輸入數(shù)據(jù)載波檢測(cè)2RXD輸入數(shù)據(jù)接收端3TXD輸出數(shù)據(jù)發(fā)送端4DTR輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（計(jì)算機(jī)）5SG輸入信號(hào)地6DSR輸入數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備就緒7RTS輸出請(qǐng)求發(fā)送（計(jì)算機(jī)要求數(shù)據(jù)）8CTS輸入清除發(fā)送（MODEM準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)）9RI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RS-232C通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行串行通訊時(shí)，信號(hào)在通訊過(guò)程之中可能會(huì)被全部或部分使用。最簡(jiǎn)單的通訊僅需TXD及RXD及SG最基本的信號(hào)線(xiàn)完成，其他的握手信號(hào)可以做適當(dāng)處理或直接懸空。3.7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，F(xiàn)M—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(guò)程：通過(guò)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(kù)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，F(xiàn)M—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(huà)出具體的電路原理圖和PCBPCB圖，詳見(jiàn)附錄。3.7.1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(chēng)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(jiǎn)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(guò)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。3.7.2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(guò)程是，單片機(jī)檢測(cè)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(cè)到P3.2,P3.3,P3..4管腳為低時(shí)認(rèn)為鍵被按下。圖12按鍵電路3.7.3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(guò)程，所以工作模式是由2個(gè)指示燈來(lái)完成指示，通過(guò)軟件編寫(xiě)其亮的方式和組合來(lái)指示各種工作狀態(tài)。3.7.3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。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3.7.4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(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)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(méi)有導(dǎo)