基于指纹识别的sims的设计与实现——毕业论文(编辑修改稿)

基于指纹识别的sims的设计与实现——毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

波特率固定为 57600bps， 接收的数据格式如表 所示。 表 读卡器数据格式 字节 卡号长度 +5 卡号长度 +44 3 2 1 数据 0X03 最大长度为 10 位有效卡号 0X10 0X0B 0X02 由于不同的卡的卡号长度并不一致，目前高校中卡号最长为 8 位，在设计时扩大到 10 位，这样对于长度为 10 位有效位数的卡也能正确识别。 可监控 USB摄像头 摄像头主要用于采集学生的照片信息、周围场景监控等。 任务管理中心使用中天凌志 带云台可旋转摄像头 ICAM01，该摄像头具有 38W 像素，可以在远程控制旋转、倾斜运动下 获得高质量的彩色图像。 同时，此摄像头具有高速、在宽视场范围内旋转或倾斜运作安静，可以快速稳定地自动聚焦及自动曝光来控制背光补偿，对于光线不好的环境同样适用。 该摄像头自带云台，可以左右旋转 320 度，上下倾斜 60 度，视场范围广。 并而完全支持 接口，可以用作视频监控。 对于普通采集用户信息的摄像头，可以使用普通免驱动摄像头，即方便操作，照片也清晰。 本章小结 本章详细介绍了系统的需求分析和系统的大致框架构成，通过分析，把系统分为两个部分：任务管理中心和端系统。 通过对比，分析了与系统相关设备的选型。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 第 3章 任务 管理中心软硬件分析与设计 在上一章中， 介绍了系统的需求分析及整个系统的总体框架设计。 在本章中，详细介绍任务管理中心的软件和硬件设计，以及服务器的构建。 任务管理中心硬件分析与设计 为了使系统能够方便携带到任何地方，任务管理中心 可以 使用小型笔记本代替，但是目前笔记本的 USB 接口也并不多，更没有串口。 系统中的外设如读卡器、指纹识别器、摄像头的接口并不统一，因此需要设计相应的硬件对接口进行扩展。 系统启动工作一段时间后，可能有较长时间都不进行任何操作，为了延长系统的使用寿命和降低功耗，在设计中采用 STC12C5A60S2 单片机进行 外设 管理，当系统在一定的时间内没有操作时，关闭读卡器和指纹识别器的电源，卸载USB 摄像头驱动；当需要重新启动时，只需要轻轻按动指定的开关，即可打开电源，让系统继续工作。 在系统的接口方面，读卡器和指纹识别器都是通过串口进行数据操作的，USB 摄像头可以直接连接到 USB 接口。 因此需要扩展 USB 口，使用 USBHUB将 USB 扩展到 4 个，再将其中的两个 USB 转为串口，接照接口接入到指定的设备即可。 USBHUB 电路设计 利用 TERMINUS 公司生产的 芯片可以设计出高集成度、高性能、低功耗、低成本的高速 USB 转 4 端口集线器方案。 该芯片具有 28 个引脚，SSOP28 封装，可以使 4 个端口同时全速运作，而且发热量很小 [8]。 具有其它同类产品不可超越的优势： 1. 省电且发热量低。 2. 信号传输范围广，最远可以到 10 米，而同类产品一般都是 5 米。 3. 支持最多 5 个 LED 指示灯。 4. 抗电磁波干扰、静电能力强。 5. 正式通过 USBIF 协会最新版的认证芯片。 芯片的使用非常方便，只需要简单的电路设计即可以实现，其接口基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 电路图如图 所示。 图 接口电路图 上图中 CH_D,CH_D+和 ZW_D,ZW_D+连接到 USB转串口 CH340T芯片。 同时提供两个独立的 USB 接口 USB1， USB2； J4 为进入系统的 USB 接口，系统与 PC 机通过此接口通信。 STC12C5A60S2 电路设计 STC12C5A60S2 是宏晶科技生产的单时钟周期 (1T)的单片机，是高速低功耗、抗干扰能力超强的新一代 8051 单片机 [9]，指令代码完全兼容传统的 8051，但速度快 812 倍，使用此类单片机，具有以下优点： 1. 增强型 8051 CPU， 1 个时钟周期，指令代码完全兼容传统 8051。 2. 共有 4 个 16 位定 时器，使用方便。 3. 共有两个全双工高速串行通信口，方便对串口编程。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 4. 内部集成 MAX810 专用复位电路。 系统中单片机的连接电路图如图 所示， BEEP 连接到外部蜂鸣器，CARD_RXD、 CARD_TXD 连接到一卡通读卡器串口， JDQ 连接到 5V 继电器，控制指纹识别模块和读卡器的电源， RST_ZW 连接指纹识别器的复位引脚，用于重启指纹识别器， MCU_INT1 连接一按扭，用于外部中断唤醒 CPU，MCU_RXD、 MCU_TXD 为单片机与 PC 通信及下载程序所用串口， Temp 连接到温度传感器 DS18B20。 图 STC12C5A60S2 接口电路图 其中继电器工作电路如图 所示， POW_5V 为指纹模块和读卡器的电源，如果继电器关闭，则电源断开。 图 为单总线温度传感器 DS18B20 接口电路。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 图 继电器工作电路图 图 DS18B20 接口电路图 由于一卡通读卡器的外部接口为标准 9 针串口输出，在单片机的接收电路中，需要加入 RS232 协议转换芯片 MAX232[10]，该芯片接口电路简单，可以同时将两对信号进行转换，其连接电路图如图 所示，其中 CARD_IN 为读卡器输入信号。 图 RS232 协议转换电路图 USB转串口电路设计 CH340T 是一个 USB 总线转接芯片，实现 USB 转为串口、 USB 转 IRDA 红外或者 USB转打印口，它具有以下一系列优点。 1. 全速 USB设备接口，兼容 USB ，外围元器件只需要晶振和电容。 2. 仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过 USB 增加额外串基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 口。 3. 与计算机端 Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。 4. 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率 50bps~2Mbps。 5. 支持常用的 MODEM联络信号 RTS、 DTR、 DCD、 RI、 DSR、 CTS。 6. 支持 5V电源电压和。 7. 提供 SSOP20 无铅封装，兼容 ROHS。 系统中使用两个 CH340T 转换成两路串口，其中一路用于 STC12C5A60S2的串口 0，作为单片机的程序下载口及通信口；另一路用于与指纹识别器连接，使用 CH340T可以大大简化电路设计，设计电路如图 所示。 图 CH340T USB转串口电路 PCB电路板布局 任务管理中心硬件电路主要使用 8051 单片机 STC12C5A60S USB 集线器、 USB 转串口芯片 CH340T 实现，电路简单， PCB 布局时采用双层电路板设计，双面铺铜。 由于电路板内要求连接 USB 差分总线，因此在布线时要尽量保证差分线等长 [11]，这样抗干扰及稳定性能都会有大大提升。 在系统中使用继电器来控制指纹识别模块和读卡器电源，由于继电器工作时会产生干扰，因此在元件布局时要尽量远离高速信号线，放置在 PCB 板的边缘处，任务管理中心 PCB整体布局效果及覆铜后效果如图 、 所示。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 图 任务管理中心 PCB布局效果图 图 任务管理中心 PCB覆铜效果图 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 STC12C5A60S2 单片机软件设计 通过硬件设计，任务管理中心的结构图如图 所示， PC 机与外部接口只需要连接一根 USB 接口信号线，这对于目前便携式小型电脑同样可以使用，只需要连接上一个 USB接口，即可实现双方通信。 图 任务管理中心硬件结构图 从上图中可以看到，通过 USB HUB 和 USB 转串口控制器，转为两路串口：串口 0 和串口 1。 串口 0 用于与 STC12C5A60S2 单片机进行通信，对单片机在线编程也是通过串口 0 进行，非常方便。 串口 1 直接连接到了指纹识别模块，保证数据的高速传输。 由于该单片机带有 两个串口，其中一个串口用于与 PC 机通信及下载程序使用，另一个串口连接到一卡通读卡器设备，通信波特率规定为 57600bps，读卡器只读取卡号，并把卡号发送到单片机端，单片机并不对卡号进行任何处理，直接把数据通过串口 0 发送到 PC 机，由 PC 机进行处理。 单片机通过对继电器的控制来操作指纹识别和读卡器的电源，当继电器断开时，电源关闭；当继电器连接时，电源打开。 单片机在下面的情况里会把接口的电源关闭。 1. 与主机通信失败。 2. 主机长时间没有操作。 3. 主机当前没有使用指纹模块、一卡通模块。 4. 主机命令关闭外设电源。 5. 单片机非正常 工作情况。 其中与主机通信失败和主机当前没有使用指纹模块、一卡通模块的情况是一样的，此时单片机发送命令到主机，主机都不会响应命令，通过设置计时器超时重发来判断主机状态，从而确定是否关闭电源，对应通信协议如图 所示；在系统启动时，单片机同时启动定时器，监视用户操作，如果用户大于一定时间基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 还没有任何操作，通过查询主机状态，判断是否关闭电源，在通信过程中如果出现主机超时无响应情况时，按照超时情况进行处理，对应通信协议图如图 所示。 图 主机通信失败协议 图 查询状态通信协议 同样，当系统处理下面情况时，单片机会把接口的电源打开。 1. 主机请求打开外设电源。 2. 用户按键请求。 PC 主机可以通过命令请求打开外设电源，单片机收到命令后进行相应的操作并返回状态响应，对于超时情况， PC 主机可以重发命令，如果重发还是接收不到响应命令，就认为与单片机失去联系。 通过按键也可以请求打开外设电源，按键接到单片机外部中断请求 INTR1引脚，如果用户按下按钮，打开 LED 指示灯，再通过发送命令查询主机当前的状态，判断是否需要打开外设电源，详细流程如图 所示。 具体 在 配置 STC12C5A60S2 单片机时，主要实现对两路串口、四个 16 位定时器、外部中断及单片机休眠模式进行配置，其中串口 0 用于与 PC 机通信，串口 1 用于读取一卡通读卡器数据，由于读卡器工作在 57600bps 波特率下，故配置串口 0、串口 1 的波特率都为 57600bps。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 图 用户按键请求打开外设电源流程图 四个定时器的配置及功能如表 所示，从表中可以看到系统主要使用了单片机的定时器 0 和定时器 1，其余两定时器空闲。 表 定时器使用功能对照表 名称 功能 配置模式 定时器 0 系统空闲时间计时 ，超时时间计时 定时器中断 定时器 1 串行接口 0 的波特率发生器 ,产生 57600bps 波特率发生器 定时器 2 空闲 未配置 定时器 3 空闲 未配置 STC12C5A60S2 单片机可以配置成休眠模式或空闲模式，在此模式下，单片机停止各引脚功能，只打开可唤醒单片机的部分引脚功能，功耗非常低。 在系统工作中，如果用户长时间没有操作，而且通过查询主机允许进入休眠模式时，单片机进行休眠模式，此时，可以通过外部按钮重新唤醒单片机，使其进入正常工作状态。 基于指纹识别的 SIMS的设计与实现 对 STC12C5A60S2 单片机主要配置代码及相关注解如下。 void serial_port_initial() { SCON = 0X50。 //串口 1 工作在方式 1，允许接收 ,8位可变波特率，无奇偶校验位 S2CON= 0X50。 //串口 2 工作在方式 1，允许接收 ,8位可变波特率，无奇偶校验位 TMOD = 0X21。 //定时器 1 为 8 位自动重装计数器， 定时器 0 方式 1 TCON = 0X02。 //INT0 有中断，并且是低电平触发 PCON = 0X00。 //SMOD 为 0 EA = 1。 //总中断打开 ES = 1。 //允许串口 1 中断 IE2 = 0X01。 //允许串口 2 中断 ET0= 1。 //定时器 0 中断打开 EX0 = 1。 //中断 0 打开 TH1 = BPS。 //设置定时器 1 自动重装数， 2 个串口 TL1 = BPS。 BRT = BPS。 AUXR =0X11。 TH0 = 0XD8。 //定时器 0 初值，定时 5 分钟进行一次查询 TL0 = 0X00。 TR1=1。 //定时器 1 开始工作 TR0=0。 //定时器 0 计数 } 远程服务器搭建 为了共享系统数据库，增加系统并发用户数，设计中把系统数据库安装在远程一服务。