CN201773412U - 基于单片机的指纹识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于单片机的指纹识别系统，其包括微控制单元，指纹传感器，网卡芯片，显示器，键盘，电源模块，RS232串口，其中，所述指纹传感器，网卡芯片，电源模块，显示器，键盘和RS232串口均与所述微控制单元相连，所述微控制单元为一单片机。本实用新型的基于单片机的指纹识别系统结构简单，处理速度快，易于扩展和集成，运行稳定可靠，开发周期短，开发成本比较低，适于广泛的推广应用。

Description

基于单片机的指纹识别系统

技术领域

本实用新型涉及一种指纹识别系统，具体地，涉及一种基于单片机的指纹识别系统。

背景技术

传统的身份鉴定方法包括身份标识物品鉴定(如钥匙、证件、ATM卡等)和身份标识知识鉴定(如用户名和密码)。但上述鉴定方法主要借助体外物，一旦证明身份的标识物品和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。

因此，生物识别技术便应运而生，其通过将计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特性来进行个人身份的鉴定。特别的，指纹识别得到了最广泛的应用。

指纹识别技术属于模式识别的范畴。指纹图像是比较复杂的，它有许多不同于其它图像的特征。与人工处理不同，考虑到隐私权和存储空间，现代的生物识别技术并不直接存储指纹的图像，而是记录从指纹原始图像中提取到的特征。指纹识别实际上是通过特定的数学算法来分析指纹特征，并判定两组指纹特征的相似度，其包括指纹特征分析和匹配两大过程。指纹特征分析是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的过程。指纹特征值匹配是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别原理进行比对匹配。匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的，匹配运算不是对两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配。指纹特征值匹配从整体特征和局部特征两个方面进行。整体特征的匹配包括对指纹纹形的分类和判断，指纹嵴密度的判断等。局部匹配包括每个细节点的类型匹配、坐标匹配、质量匹配、方向匹配等，甚至还包括有一组特征值之间形成的拓扑关系的匹配。

上述的指纹识别过程中，需要进行大量的数据运算和数据存储，其对处理器的处理功能有一定的要求。但是，传统的以MCS-51普通单片机为核心的指纹识别系统运行速度低，不能满足客户的实际要求，而且其I/O端口有限，使功能扩展受到极大限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的指纹识别系统，其与服务器相连通，可进行快速高效的指纹识别，且便于调试。

为了实现上述目的，本实用新型的基于单片机的指纹识别系统，其包括微控制单元，用于控制所述指纹识别系统的操作；

指纹传感器，用于采集指纹数据信息；

网卡芯片；

显示器，用于显示信息；

键盘，用于输入信息；

电源模块，用于为所述指纹识别系统提供所需的电压；

RS232串口，用于进行外部调试；

其中，所述指纹传感器，网卡芯片，电源模块，显示器，键盘和RS232串口均与所述微控制单元相连，所述微控制单元为一单片机。

上述的基于单片机的指纹识别系统，其中，所述微控制单元为单片机C8051F020。

上述的基于单片机的指纹识别系统，其中，所述指纹传感器为电容式触感芯片。

进一步地，上述的基于单片机的指纹识别系统，其中，所述电容式触感芯片为FPS200。

上述的基于单片机的指纹识别系统，其中，所述显示器为液晶显示器。

上述的基于单片机的指纹识别系统，其中，所述网卡芯片为RTL8019AS。

因此，本实用新型的基于单片机的指纹识别系统结构简单，处理速度快，易于扩展和集成，运行稳定可靠，开发周期短，开发成本比较低，适于广泛的推广应用。

附图说明

图1为本实用新型的基于单片机的指纹识别系统的结构框图；

图2为本实用新型的基于单片机的指纹识别系统的内部工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

本实用新型的基于单片机的指纹识别系统主要应用于门禁/考勤系统，其采用的是客户端/服务器模式(C/S模式)。其中该基于单片机的指纹识别系统为客户端，内置TCP/IP网络接口。服务器端则为一台PC机，通过10/100Mbps的以太网与各个基于单片机的指纹识别系统相连。客户端仅有数据输入等用户接口功能，数据则由服务器统一处理。这样可以充分发挥PC机快速优异的数据处理能力，尽可能简化客户端系统的功能，降低成本。另外，由于客户端无数据库，从而降低了数据失窃的风险，使得整个基于单片机的指纹识别系统具有较高的安全性。即使整个门禁/考勤系统遭到破坏，只需更换客户端即可迅速恢复。

多个基于单片机的指纹识别系统可以通过以太网访问中央服务器。在网络连接正常的情况下，采用联机方式工作。整个门禁/考勤系统的工作原理如下：当用户开门时，用户首先在客户端的指纹传感器上按下手指，客户端检测到手指按下，触发指纹采集，并将指纹数据通过以太网发送到服务器，服务器将接收的指纹数据同数据库中的已经登录的指纹数据相比较。判别是否为合法用户。如果是合法用户还需要进行用户权限、开门时间等一系列规则的判断。如果允许开门，则向客户端发送一个开门命令数据包，否则发出报警信息。

如图1所示，即为本实用新型的基于单片机的指纹识别系统的硬件结构示意图。在该基于单片机的指纹识别系统中，包括微控制单元，指纹传感器，显示器，键盘，网卡芯片，电源模块以及RS232串口。其中，所述指纹传感器，显示器，键盘，网卡芯片，电源模块和RS232串口都连接在所述微控制单元上。所述微控制单元用于对整个指纹识别系统的操作进行控制，其为一单片机。所述显示则为一液晶显示器，用于显示相应的用户信息。而所述键盘则用于输入一定的信息。所述电源模块则将外接的交流电源转换为该指纹识别系统所需要的各种稳定的直流电源，为整个系统提供电能。所述指纹传感器则用于采集当前的指纹数据信息，以进行相应的后续操作。而网卡芯片则用来将采集到的指纹数据信息传送到远端的服务器，以进行相应的指纹识别判断处理。另外，还需要在所述微控制单元上外接一RS232串口，用于外接PC，当该指纹识别系统出现问题时，进行相应的调试，以保证该指纹识别系统准确，高效地进行工作。

具体地，在本实用新型中，所述微控制单元采用的是单片机C8051F020，其为Cygnal出的一种混合信号系统级单片机。片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完全兼容。CIP-51内核采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12～24MHz。而对于CIP-51内核70％的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51内核工作在最大系统时钟频率25MHz时它的峰值速度可以达到25MIPS。该速度可以将指纹数据信息包的发送时间降低到0.5秒。另外，C8051F020单片机中含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I/O端口共64根I/O口线、一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2.7～3.6V。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，易于进行功能的集成和扩展，同时其可靠性和速度也有了很大提高。

本实用新型中的指纹传感器采用的是Veridicom公司的电容式触感指纹芯片FPS200。FPS200指纹传感器由256×300个电容传感阵列组成，其分辨率高达500dpi，工作电压范围为3.3-5V，传感器内部有8位ADC，并具有两组采样保持电路。FPS200是一种基于电容充放电原理的触摸式CMOS传感器，其外面是绝缘表面，传感器阵列的每一点都是一个金属电极，手指则充当电容器的另一极，而两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同，导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，这样，电容阵列值就描述了一幅指纹图像。FPS200的每一列都有两组采样保持电路。指纹采集按行实现，选定一行，对该行所有电容充电，并用采样保持电路保存电压值；然后放电，再用另一组采样保持电路保存剩余电压值。两组电压值通过内置的8位模数转换器，便可以获得具有灰度等级的指纹图像。

另外，电源模块是该基于单片机的指纹识别系统的主要模块之一。这一模块的稳定工作对整个基于单片机的指纹识别系统的稳定工作起着至关重要的作用。该基于单片机的指纹识别系统中的模块需要有两种电压：+5V、+3.3V。这两种电压的产生方法是从外部直接引入交流电压，作为整个系统的总电源，该交流电压一路分流到一电源稳压芯片的输入端，并在该电源稳压芯片的输出端产生+5V的电压，产生的+5V电压一路供给微控制单元上各个工作电压为+5V器件，另一路分流到电源稳压芯片ALS1117的输入端，并在其输出端产生+3.3V的电压，供给微控制单元。

在本实用新型的基于单片机的指纹识别系统中，采集到的指纹信息数据需要通过以太网来访问中央服务器，进而进行指纹信息数据的识别判断。因此，需要在该指纹识别系统中配置网卡。本实用新型中采用的是芯片RTL8019AS。RTL8019AS是RealTek公司生产的一种高集成度的全面支持IEEE802.3标准的以太网控制器。它支持8位、16位的微处理器，可以工作在I/O方式或Memory方式。其中，RTL8019AS片内集成了ISA总线接口，其可以通过8位数据线与单片机接口；片内还集成了16K-Byte容量的SRAM，包括片内各种控制、状态、命令寄存器，以及片内发送、接收、缓存。微控制单元可以以DMA方式对其进行访问。

RTL8019AS的IOCS16B管脚通过下拉电阻接地，工作于8位数据位方式。IORB管脚与微控制单元的RD-读信号相连，IOWB管脚与WR-写信号相连。

接收和发送数据包须读写RTL8019AS内部的16KB的RAM，并采用DMA方式读写。RTL8019AS内部RAM是以256字节为一页，按页存储，其地址范围为0X4000-0X7FFF，从页0X40到页0X7F，共64页，用于发送和接收数据包。另外，RTL8019AS内部RAM内部有相应的寄存器用于标识发送和接收的起始页地址。

同时，在本实用新型的基于单片机的指纹识别系统中还包括液晶显示器和键盘。其中，液晶显示器用于显示中文界面信息以及相关的用户信息；键盘则采用的是小键盘，使用该指纹识别系统的用户可以输入相应的ID号和修改信息。

下面详细介绍一下本实用新型的基于单片机的指纹识别系统的具体的指纹识别流程，具体如图2所示。

(1)对该基于单片机的指纹识别系统进行上电后的各部件复位及初始化过程。首先是对各部件的配置初始化，然后由网卡发送与服务器联络数据包，总共发送5次。如果得到服务器正确的应答则转入联机工作状态；如果没有得到服务器的正确应答则重新复位及初始化，然后再发送联络数据包。

(2)当该基于单片机的指纹识别系统处于正常工作状态时，应循环查询是否有按键或者是指纹按下。若出现按键或指纹按下的情况，则分别进行处理，处理完成后返回到等待状态。

其中，按键处理过程是等待状态的一个子状态。在按键处理过程中，首先判断是进入系统设置菜单还是用户ID。这是因为在该系统中还包括用户可以用ID+密码开门的功能，并且能否用ID+密码的模式进行开门可以通过在服务器端由系统管理员对每个用户的权限进行设置来实现。然后可以就上述两种按键状况分别进行处理。需要注意的是，在进入系统设置菜单时要进行密码验证。

而本实用新型的基于单片机的指纹识别系统中最重要的指纹处理过程则包括以下步骤：首先，由一个光电检测信号来确认是否有手指按下；如果有手指按下，则由指纹传感器读出当前指纹的相关数据信息，并将上述数据信息直接读至指纹传感器的缓冲区，然后将上述数据信息打包发送到服务器，由服务器将接收到的指纹图像的进行处理和辨识，然后向该基于单片机的指纹识别系统返回认证结果，由该指纹识别系统进行相应的显示和控制。

其中，对指纹数据信息进行的处理和辨识包括如下处理流程：首先由指纹传感器进行指纹图像采集；然后将采集到的指纹图像数据传送到服务器端；接着，服务器端将对上述指纹图像数据进行图像预处理和特征值提取的操作；然后，服务器将提取到的特征值与指纹库已经存储的指纹特征值进行相匹配的操作；若二者相匹配，则服务器将匹配信息发送至该基于单片机的指纹识别系统，以进行相应的显示和开启门锁的操作，若二者不相匹配，则服务器将不匹配信息发送至该基于单片机的指纹识别系统，以进行相应的显示。

因此，本实用新型的基于单片机的指纹识别系统结构简单，处理速度快，易于扩展和集成，运行稳定可靠，开发周期短，开发成本比较低，适于广泛的推广应用。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该基于单片机的指纹识别系统进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims (6)

1.一种基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，包括

微控制单元，用于控制所述指纹识别系统的操作；

指纹传感器，用于采集指纹数据信息；

网卡芯片；

显示器，用于显示信息；

键盘，用于输入信息；

电源模块，用于为所述指纹识别系统提供所需的电压；

RS232串口，用于进行外部调试；

其中，所述指纹传感器，网卡芯片，电源模块，显示器，键盘和RS232串口均与所述微控制单元相连，所述微控制单元为一单片机。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，所述微控制单元为单片机C8051F020。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，所述指纹传感器为电容式触感芯片。

4.根据权利要求3所述的基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，所述电容式触感芯片为FPS200。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，所述显示器为液晶显示器。

6.根据权利要求1所述的基于单片机的指纹识别系统，其特征在于，所述网卡芯片为RTL8019AS。 

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