基于单片机的指纹识别系统设计毕业设计

基于单片机的指纹识别系统设计毕业设计内容摘要：

终识别建立一个良好的基础，以保证整个系统识别率比较高。 对于自动指纹识别技术而言，选择一种合适的、能表达指纹唯一性的特征量是非常关键的。 一般说来，这种特征应有以下性质： 10 (1) 单一性：要求这种特征能够充分体现指纹的唯一性。 (2) 可测试性：适用于指纹匹配算法，便于在匹配算法中应用。 (3) 紧凑性：要求提取的特征不应包含指纹唯一性以外的冗余信息，并且信息量要尽量小，便于存储、管理和计算。 (4) 鲁棒性：要求这种特征对噪声的存在与指纹形变不敏感。 对于特征点提取的常用算法很多，如： (1) 基于二值化的特征提取方法：这种算法对于预处理和增强后得指纹图像进行二值化，然后再提取特征点。 (2) 基于直接灰度的特征提取方法：这种方法直接从灰度图像出发，通过分析图像的纹理属性和拓扑结构提取特征点。 (3) 基于细化图像的特征提取方法：这种 方法是将指纹图像处理后得到细化图像，通过细化图像提取特征点。 为了比较两个指纹是否相同，需要从指纹图像中提取出能表示指纹唯一性的特征。 Galton 提出的指纹细节点是人工指纹匹配中最常用的特征。 指纹由脊线和谷线交替构成，在大多数地方纹线连续且相互平行，而某些局部不连续的地方构成了细节点。 Galton 定义了 4 种细节点类型：分叉点，端点，环、岛，并指出细节点具有唯一性，可以用于指纹匹配。 目前已定义的特征类型己达 150 多种，但是这些扩展的特征往往不易提取相互区分，并且它们都可以由端点和分叉点的组合进行描述，这使得 端点和分叉点成为最常用的结构特征，也称为细节特征，它被认为是最稳定、最容易检查的，而且占全部特征点的 80％以上。 提取出的特征点还必须经过伪特征点的去除，尽可能地去除掉由于二值化、细化处理等过程引入的伪特征点。 最后确定出特征点的类型、位置、方向。 . 指纹特征提取和去伪特征 目前在细化二值图像中提取细节特征多是用 8 邻域法，该方法比较简单，在得到可靠的细化二值图像后，只需要一个 3 3 的模板便可将端点和分叉点提取出来。 对于细化二值图像，像素点的灰度值只有两种情况。 在提取指纹图像的细节特征中，由于图像质 量和噪声的干扰，存在大量的伪特征点，实验表明一幅质量较差的图像在经过预处理，细节特征提取后可能产生 11 多达一两万个细节特征点，其中包含了大量的伪特征点，这些伪特征点的存在，不但使匹配的速度大大降低，还使指纹识别性能急剧下降，造成识别系统的拒真率和误识率的上升，因此在进行指纹匹配之前，应对细节特征进行验证，尽可能将伪特征点去除，同时保留真特征点。 图 4 通过判断后得到的特征点分布图 这个特征点分布结果图包含了特征点和伪特征点。 在匹配前还需对毛刺、小桥等伪特征点加以识别和处理，这样有助于后面匹配的进行，使匹配 更加精确无误和快速。 . 指纹图像的匹配 指纹匹配要解决的是对两幅给定指纹图像的特征模式进行比对，判断这两幅图像是否来自同一个人的同一手指。 指纹匹配是自动指纹识别的最后一步，也是非常关键的一步。 指纹图像匹配方面，主要有基于图像，脊线结构和特征点的方法。 基于特征点的匹配算法具有简单、快速、鲁棒性等优点。 目前最为常用的方法是 FBI 提出的细节点坐标模型来做细节匹配。 它利用脊线上的端点和分叉点这两种关键点来鉴定指纹。 通过将细节点表示为点模式，一个指纹识别问题可以转化为一个点模式匹配问题。 点匹配算法是通过某些 变换，如平移变换、旋转变化、伸缩变换，可以把两个点集中的对应点匹配起来。 3. 12 硬件系统设计 . 系统总体设计 . 系统功能简述 本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别系统。 该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送出去。 它利用人体指纹各异性和不变性，为用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，并将显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果。 简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块 检测、录入指纹，将比对结果显示。 该系统的主要功能有以下几个方面： (1) 指纹录入。 能进行指纹的录入，二次录入无误后，记录该指纹数据。 指纹图像通过专门的指纹采集仪采集。 (2) 指纹识别。 能进行指纹的识别，指纹识别出错时，报警提示。 图像采集完成后，与库中已存在指纹进行对比，与所有有权限用户信息对比后，若无相符信息即提示报警。 (3) 指纹管理。 能进行指纹数据的管理，添加和删除指纹数据。 对添加到库中的用户指纹进行权限管理，设置最高权限用户，并能够对其进行添加和删除管理。 (4) 操作显示。 通过按键进行指纹系 统的功能选择，采用数码管与 LED（ Light Emitting Diode，发光二极管 ）指示灯综合提示操作内容。 若信息经核对相符，即提示该用户拥有权限，若不相符，即提示非法操作。 . 系统电路设计 系统电路框架是根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成的一个完整的系统。 综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。 主控芯片选用 AT89S52 单片机。 系统总 体 13 框图如图 5 所示： 图 5 系统总体框图 系统主要由 MCU（ Microcontroller Unit，微程序控制器）、 LED 屏（ Large Electronic Display，大型电子展示 ）、指纹模块组成。 系统的工作过程主要是当检测到有按键按下时先由 MCU 通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储、比对。 然后，根据所得的数据对其它接口器件，如显示屏、蜂鸣器、指示灯进行响应操作。 . 系统核心部件单片机 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系统可编程Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高 密度非 易失性存储器 技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8K 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 IO 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及 时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件 可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。 AT89S52 单片机 数码 显示管 指纹模块 独立按键 指示灯 蜂鸣器 电源、时钟电路 14 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52 引脚图如图 6，其主要引脚功能介绍如下： 图 6 AT89S52引脚图 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 IO 口。 作为输出口，每位能驱动 8个 TTL 逻辑电平。 对 P0 端口写 “ 1” 时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址数据复用。 在这种模式下， P0 不具有内部上拉电 阻。 在 FLASH 编程时， P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口， p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P1 端口写 “ 1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 此外， 和 分别作定时器计数器 2 的外部计数输入（ ）和定时器计数器 2 的触发输入（ ） 在 FLASH 编程和校验时， P1 口接收低8 位地址字节。 端口引脚第二功能： 15 T2（定时器计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器计数器 T2 的捕捉重载触发信号和方向控制） MOSI（在 系统编程 用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P2 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在访 问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时， P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。 在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口， P3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P3 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部 电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 FLASH 编程和校验时， P3 口也接收一些控制信号。 端口引脚第二功能： RXD(串行输入口 ) TXD(串行输出口 ) INTO(外中断 0) INT1(外中断 1) TO(定时计数器 0) T1(定时计数器 1) WR(外部数据存储器写选通 ) RD(外部数据存储器读选通 ) 此外， P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存 编程和程序校验的控制信号。 16 RST：复位输入。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的16 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 FLASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（ PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 该位置 位后，只有一条 MOVX和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。 此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 EAVPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LB1被编程，复位 时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc 端）， CPU则执行内部程序存储器的指令。 FLASH 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 此外，片上资源包括看门狗定时器、 UART、定时器 0 和定时器 1，以及定时器 2。 . 其他模块电路 . 电源模块 整个模块采用 USB 供电，以按键式开关启动或关闭电源。 当按下电源键时，电源开启，电源指示 灯点亮。 17 图 7 电源模块电路 . 时钟模块 时钟电路用来产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。 通过在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡电路。 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，本设计中采用的晶振频率为 ，电容为 33pF。 图 8 时钟模块电路 . 按键模块 键盘是最常用的输入 设备，是实现人机对话的纽带。 按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。 编码键盘采用硬件方法产生键码。 每按下一个键，键盘能自动生成键盘代码，键数较多，且具有去抖动功能。 这种键盘使用方便，但硬件较复杂。 非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其键码由软件确定，这种键盘键数较少，硬件简单，广泛应用于各种单片机应用系统， 在单片机控制电路中，可把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。 独立式实际上就是一组独立的按键，这些按键可直接 18 与单片机的 IO。