專利名稱：基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種指紋識(shí)別系統(tǒng)，具體地，涉及一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的身份鑒定方法包括身份標(biāo)識(shí)物品鑒定(如鑰匙、證件、ATM卡等)和身份標(biāo) 識(shí)知識(shí)鑒定(如用戶名和密碼)。但上述鑒定方法主要借助體外物，一旦證明身份的標(biāo)識(shí)物 品和標(biāo)識(shí)知識(shí)被盜或遺忘，其身份就容易被他人冒充或取代。因此，生物識(shí)別技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，其通過將計(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)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性和行為特性來進(jìn)行個(gè)人身 份的鑒定。特別的，指紋識(shí)別得到了最廣泛的應(yīng)用。指紋識(shí)別技術(shù)屬于模式識(shí)別的范疇。指紋圖像是比較復(fù)雜的，它有許多不同于其 它圖像的特征。與人工處理不同，考慮到隱私權(quán)和存儲(chǔ)空間，現(xiàn)代的生物識(shí)別技術(shù)并不直接 存儲(chǔ)指紋的圖像，而是記錄從指紋原始圖像中提取到的特征。指紋識(shí)別實(shí)際上是通過特定 的數(shù)學(xué)算法來分析指紋特征，并判定兩組指紋特征的相似度，其包括指紋特征分析和匹配 兩大過程。指紋特征分析是對指紋圖案的整體特征和細(xì)節(jié)特征進(jìn)行提取、鑒別的過程。指紋 特征值匹配是對指紋圖案的整體特征和細(xì)節(jié)特征按模式識(shí)別原理進(jìn)行比對匹配。匹配是在 已注冊的指紋和當(dāng)前待驗(yàn)證的指紋之間進(jìn)行的，匹配運(yùn)算不是對兩個(gè)指紋圖像進(jìn)行比較， 而是對已形成數(shù)字模板的指紋特征值進(jìn)行匹配。指紋特征值匹配從整體特征和局部特征兩 個(gè)方面進(jìn)行。整體特征的匹配包括對指紋紋形的分類和判斷，指紋嵴密度的判斷等。局部 匹配包括每個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型匹配、坐標(biāo)匹配、質(zhì)量匹配、方向匹配等，甚至還包括有一組特 征值之間形成的拓?fù)潢P(guān)系的匹配。上述的指紋識(shí)別過程中，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其對處理器的處 理功能有一定的要求。但是，傳統(tǒng)的以MCS-51普通單片機(jī)為核心的指紋識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行速度 低，不能滿足客戶的實(shí)際要求，而且其I/O端口有限，使功能擴(kuò)展受到極大限制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其與服務(wù)器相連 通，可進(jìn)行快速高效的指紋識(shí)別，且便于調(diào)試。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其包括微控制單 元，用于控制所述指紋識(shí)別系統(tǒng)的操作；指紋傳感器，用于采集指紋數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)卡芯片；顯示器，用于顯示信息；鍵盤，用于輸入信息；電源模塊，用于為所述指紋識(shí)別系統(tǒng)提供所需的電壓；[0013]RS232串口，用于進(jìn)行外部調(diào)試；其中，所述指紋傳感器，網(wǎng)卡芯片，電源模塊，顯示器，鍵盤和RS232串口均與所述 微控制單元相連，所述微控制單元為一單片機(jī)。上述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其中，所述微控制單元為單片機(jī)C8051F020。上述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其中，所述指紋傳感器為電容式觸感芯片。進(jìn)一步地，上述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其中，所述電容式觸感芯片為 FPS200。上述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其中，所述顯示器為液晶顯示器。上述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其中，所述網(wǎng)卡芯片為RTL8019AS。因此，本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，處理速度快，易于擴(kuò)展 和集成，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，開發(fā)周期短，開發(fā)成本比較低，適于廣泛的推廣應(yīng)用。

圖1為本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的內(nèi)部工作流程。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用于門禁/考勤系統(tǒng)，其采用的 是客戶端/服務(wù)器模式(C/S模式)。其中該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)為客戶端，內(nèi)置 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口。服務(wù)器端則為一臺(tái)PC機(jī)，通過10/100MbpS的以太網(wǎng)與各個(gè)基于單片機(jī) 的指紋識(shí)別系統(tǒng)相連?？蛻舳藘H有數(shù)據(jù)輸入等用戶接口功能，數(shù)據(jù)則由服務(wù)器統(tǒng)一處理。 這樣可以充分發(fā)揮PC機(jī)快速優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理能力，盡可能簡化客戶端系統(tǒng)的功能，降低成 本。另外，由于客戶端無數(shù)據(jù)庫，從而降低了數(shù)據(jù)失竊的風(fēng)險(xiǎn)，使得整個(gè)基于單片機(jī)的指紋 識(shí)別系統(tǒng)具有較高的安全性。即使整個(gè)門禁/考勤系統(tǒng)遭到破壞，只需更換客戶端即可迅 速恢復(fù)。多個(gè)基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)可以通過以太網(wǎng)訪問中央服務(wù)器。在網(wǎng)絡(luò)連接正 常的情況下，采用聯(lián)機(jī)方式工作。整個(gè)門禁/考勤系統(tǒng)的工作原理如下當(dāng)用戶開門時(shí)，用 戶首先在客戶端的指紋傳感器上按下手指，客戶端檢測到手指按下，觸發(fā)指紋采集，并將指 紋數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器將接收的指紋數(shù)據(jù)同數(shù)據(jù)庫中的已經(jīng)登錄的指紋 數(shù)據(jù)相比較。判別是否為合法用戶。如果是合法用戶還需要進(jìn)行用戶權(quán)限、開門時(shí)間等一系 列規(guī)則的判斷。如果允許開門，則向客戶端發(fā)送一個(gè)開門命令數(shù)據(jù)包，否則發(fā)出報(bào)警信息。如圖1所示，即為本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。 在該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)中，包括微控制單元，指紋傳感器，顯示器，鍵盤，網(wǎng)卡芯 片，電源模塊以及RS232串口。其中，所述指紋傳感器，顯示器，鍵盤，網(wǎng)卡芯片，電源模塊和 RS232串口都連接在所述微控制單元上。所述微控制單元用于對整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的操作 進(jìn)行控制，其為一單片機(jī)。所述顯示則為一液晶顯示器，用于顯示相應(yīng)的用戶信息。而所述 鍵盤則用于輸入一定的信息。所述電源模塊則將外接的交流電源轉(zhuǎn)換為該指紋識(shí)別系統(tǒng)所 需要的各種穩(wěn)定的直流電源，為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。所述指紋傳感器則用于采集當(dāng)前的指紋數(shù)據(jù)信息，以進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)操作。而網(wǎng)卡芯片則用來將采集到的指紋數(shù)據(jù)信息傳送到 遠(yuǎn)端的服務(wù)器，以進(jìn)行相應(yīng)的指紋識(shí)別判斷處理。另外，還需要在所述微控制單元上外接一 RS232串口，用于外接PC，當(dāng)該指紋識(shí)別系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，以保證該指紋 識(shí)別系統(tǒng)準(zhǔn)確，高效地進(jìn)行工作。具體地，在本實(shí)用新型中，所述微控制單元采用的是單片機(jī)C8051F020，其為 Cygnal出的一種混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與 MCS-51完全兼容。CIP-51內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有 很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí) 鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12 24MHz。而對于CIP-51內(nèi)核70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1 或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP-51內(nèi)核工作 在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)它的峰值速度可以達(dá)到25MIPS。該速度可以將指紋數(shù)據(jù)信息 包的發(fā)送時(shí)間降低到0. 5秒。另外，C8051F020單片機(jī)中含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器， 4352B的RAM、8個(gè)I/O端口共64根I/O 口線、一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器 以及一個(gè)雙12位D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉/比較模塊的可 編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列、看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片 機(jī)支持雙時(shí)鐘，其工作電壓范圍為2. 7 3. 6V。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020 增添了許多功能，易于進(jìn)行功能的集成和擴(kuò)展，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。本實(shí)用新型中的指紋傳感器采用的是Veridicom公司的電容式觸感指紋芯片 FPS200。FPS200指紋傳感器由256X300個(gè)電容傳感陣列組成，其分辨率高達(dá)500dpi，工作 電壓范圍為3. 3-5V，傳感器內(nèi)部有8位ADC，并具有兩組采樣保持電路。FPS200是一種基 于電容充放電原理的觸摸式CMOS傳感器，其外面是絕緣表面，傳感器陣列的每一點(diǎn)都是一 個(gè)金屬電極，手指則充當(dāng)電容器的另一極，而兩者之間的傳感面形成電容兩極之間的介電 層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值 不同，這樣，電容陣列值就描述了一幅指紋圖像。FPS200的每一列都有兩組采樣保持電路。 指紋采集按行實(shí)現(xiàn)，選定一行，對該行所有電容充電，并用采樣保持電路保存電壓值；然后 放電，再用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值。兩組電壓值通過內(nèi)置的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 便可以獲得具有灰度等級(jí)的指紋圖像。另外，電源模塊是該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的主要模塊之一。這一模塊的穩(wěn) 定工作對整個(gè)基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。該基于單片機(jī) 的指紋識(shí)別系統(tǒng)中的模塊需要有兩種電壓+5V、+3. 3V。這兩種電壓的產(chǎn)生方法是從外部直 接引入交流電壓，作為整個(gè)系統(tǒng)的總電源，該交流電壓一路分流到一電源穩(wěn)壓芯片的輸入 端，并在該電源穩(wěn)壓芯片的輸出端產(chǎn)生+5V的電壓，產(chǎn)生的+5V電壓一路供給微控制單元上 各個(gè)工作電壓為+5V器件，另一路分流到電源穩(wěn)壓芯片ALSl 117的輸入端，并在其輸出端產(chǎn) 生+3. 3V的電壓，供給微控制單元。在本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)中，采集到的指紋信息數(shù)據(jù)需要通過 以太網(wǎng)來訪問中央服務(wù)器，進(jìn)而進(jìn)行指紋信息數(shù)據(jù)的識(shí)別判斷。因此，需要在該指紋識(shí)別 系統(tǒng)中配置網(wǎng)卡。本實(shí)用新型中采用的是芯片RTL8019AS。RTL8019AS是RealTek公司生 產(chǎn)的一種高集成度的全面支持IEEE802. 3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。它支持8位、16位的微處 理器，可以工作在I/O方式或Memory方式。其中，RTL8019AS片內(nèi)集成了 ISA總線接口，其可以通過8位數(shù)據(jù)線與單片機(jī)接口 ；片內(nèi)還集成了 16K-Byte容量的SRAM，包括片內(nèi)各種控 制、狀態(tài)、命令寄存器，以及片內(nèi)發(fā)送、接收、緩存。微控制單元可以以DMA方式對其進(jìn)行訪 問。RTL8019AS的I0CS16B管腳通過下拉電阻接地，工作于8位數(shù)據(jù)位方式。IORB管 腳與微控制單元的RD-讀信號(hào)相連，IOffB管腳與WR-寫信號(hào)相連。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包須讀寫RTL8019AS內(nèi)部的16KB的RAM，并采用DMA方式讀寫。 RTL8019AS內(nèi)部RAM是以256字節(jié)為一頁，按頁存儲(chǔ)，其地址范圍為0X4000-0X7FFF，從頁 0X40到頁0X7F，共64頁，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。另外，RTL8019AS內(nèi)部RAM內(nèi)部有相應(yīng) 的寄存器用于標(biāo)識(shí)發(fā)送和接收的起始頁地址。同時(shí)，在本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)中還包括液晶顯示器和鍵盤。 其中，液晶顯示器用于顯示中文界面信息以及相關(guān)的用戶信息；鍵盤則采用的是小鍵盤，使 用該指紋識(shí)別系統(tǒng)的用戶可以輸入相應(yīng)的ID號(hào)和修改信息。下面詳細(xì)介紹一下本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的具體的指紋識(shí)別 流程，具體如圖2所示。(1)對該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行上電后的各部件復(fù)位及初始化過程。首 先是對各部件的配置初始化，然后由網(wǎng)卡發(fā)送與服務(wù)器聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包，總共發(fā)送5次。如果得 到服務(wù)器正確的應(yīng)答則轉(zhuǎn)入聯(lián)機(jī)工作狀態(tài)；如果沒有得到服務(wù)器的正確應(yīng)答則重新復(fù)位及 初始化，然后再發(fā)送聯(lián)絡(luò)數(shù)據(jù)包。(2)當(dāng)該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)循環(huán)查詢是否有按 鍵或者是指紋按下。若出現(xiàn)按鍵或指紋按下的情況，則分別進(jìn)行處理，處理完成后返回到等 待狀態(tài)。其中，按鍵處理過程是等待狀態(tài)的一個(gè)子狀態(tài)。在按鍵處理過程中，首先判斷是進(jìn) 入系統(tǒng)設(shè)置菜單還是用戶ID。這是因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中還包括用戶可以用ID+密碼開門的功 能，并且能否用ID+密碼的模式進(jìn)行開門可以通過在服務(wù)器端由系統(tǒng)管理員對每個(gè)用戶的 權(quán)限進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。然后可以就上述兩種按鍵狀況分別進(jìn)行處理。需要注意的是，在進(jìn) 入系統(tǒng)設(shè)置菜單時(shí)要進(jìn)行密碼驗(yàn)證。而本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)中最重要的指紋處理過程則包括以 下步驟首先，由一個(gè)光電檢測信號(hào)來確認(rèn)是否有手指按下；如果有手指按下，則由指紋傳 感器讀出當(dāng)前指紋的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將上述數(shù)據(jù)信息直接讀至指紋傳感器的緩沖區(qū)，然 后將上述數(shù)據(jù)信息打包發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器將接收到的指紋圖像的進(jìn)行處理和辨識(shí)， 然后向該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)返回認(rèn)證結(jié)果，由該指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的顯示和 控制。其中，對指紋數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的處理和辨識(shí)包括如下處理流程首先由指紋傳感器 進(jìn)行指紋圖像采集；然后將采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器端；接著，服務(wù)器端將對 上述指紋圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理和特征值提取的操作；然后，服務(wù)器將提取到的特征值 與指紋庫已經(jīng)存儲(chǔ)的指紋特征值進(jìn)行相匹配的操作；若二者相匹配，則服務(wù)器將匹配信息 發(fā)送至該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，以進(jìn)行相應(yīng)的顯示和開啟門鎖的操作，若二者不相 匹配，則服務(wù)器將不匹配信息發(fā)送至該基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，以進(jìn)行相應(yīng)的顯示。因此，本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，處理速度快，易于擴(kuò)展和集成，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，開發(fā)周期短，開發(fā)成本比較低，適于廣泛的推廣應(yīng)用。 以上對本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但本實(shí)用新型并不限制于以上 描述的具體實(shí)施例，其只是作為范例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對該基于單片機(jī)的指 紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行的等同修改和替代也都在本實(shí)用新型的范疇之中。因此，在不脫離本實(shí)用 新型的精神和范圍下所作出的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，包括微控制單元，用于控制所述指紋識(shí)別系統(tǒng)的操作；指紋傳感器，用于采集指紋數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)卡芯片；顯示器，用于顯示信息；鍵盤，用于輸入信息；電源模塊，用于為所述指紋識(shí)別系統(tǒng)提供所需的電壓；RS232串口，用于進(jìn)行外部調(diào)試；其中，所述指紋傳感器，網(wǎng)卡芯片，電源模塊，顯示器，鍵盤和RS232串口均與所述微控制單元相連，所述微控制單元為一單片機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制單元 為單片機(jī)C8051F020。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述指紋傳感器 為電容式觸感芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述電容式觸感 芯片為FPS200。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示器為液 晶顯不器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)卡芯片為 RTL8019AS。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，其包括微控制單元，指紋傳感器，網(wǎng)卡芯片，顯示器，鍵盤，電源模塊，RS232串口，其中，所述指紋傳感器，網(wǎng)卡芯片，電源模塊，顯示器，鍵盤和RS232串口均與所述微控制單元相連，所述微控制單元為一單片機(jī)。本實(shí)用新型的基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，處理速度快，易于擴(kuò)展和集成，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，開發(fā)周期短，開發(fā)成本比較低，適于廣泛的推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06K9/00GK201773412SQ20102025829
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月7日
發(fā)明者張立民, 王弘, 胡思捷, 許賢 申請人:胡思捷;張立民