1、基于单片机的指纹识别门禁系统设计基于单片机的指纹识别门禁系统设计摘要人们在生活中需要安全的门禁设施，来保证自己的财产安全，各种各样的门禁系统随之而生。但随着数字化和网络化的不断发展，以前的门禁方式在鉴别方式、速度和性能方面越来越不能满足人们的需要，比如射频卡、数字密码等方式，其安全性不够高。在新的方式开发的过程中，由于人的身体特点具有不可复制性，所以人们把目光转移到这上面来，开始了生物识别的门禁系统的开发。指纹识别作为生物特征识别，它是独特的，它的特点是不易伪造，以为它的这些特点目前已被广泛应用于安全访问。对于企业来说，办公楼的安全性和规范性就显得尤为重要，对于进入楼内的人员需要严格的管理，并
2、且需要保密的楼层也需要限制人员的进入。指纹识别技术正好可以解决这个问题，每个人的指纹就相当于每个人的身份标识，对指纹的识别和管理，就能够实现对人员的管理。本文设计的系统是基于单片机的指纹识别门禁系统，它是在指纹识别技术的基础上加以开发扩展得来的，主要目的是加强人员的出入管理和提高门禁的安全性。整个门禁系统主要包括上位机和下位机两部分，对于下位机，单片机作为主体，另带多个子模块，包括指纹识别模块、液晶显示模块、网络模块、继电器和蜂鸣器等；对于上位机，主要负责用户信息的管理，并且通过网络模块，对多个下位机行进远距离控制。论文基于对指纹识别技术和指纹识别系统的发展研究的意义的分析，介绍了指纹识别门禁
3、系统总体框架，阐述了各子模块的硬件和软件资源。论文首先简要介绍了指纹识别算法，重点介绍了指纹识别模块（FM-180）的使用方法，包括它的硬件连接和软件指令的使用方法。在此基础上，设计了以STC89C52单片机为核心的指纹识别门禁系统，指纹识别模块负责识别指纹，并传输给单片机结果，单片机根据结果来控制液晶显示和蜂鸣器的声音提示，再控制继电器的开闭，单片机还能通过网络模块与上位机实现远程通讯。之后，介绍了软件部分的设计，包括单片机、液晶屏、指纹识别模块和上位机的软件设计。系统测试部分，通过对系统的模型样机的测试表明，系统能够完成基本功能并具有较好的稳定性，初步达到了预期的设计目标。在论文最后，做出
4、了简单的总结与期望。关键词：指纹识别；门禁；单片机AbstractPeople need in life safety entrance guard facilities, to ensure the safety of their property, and all kinds of entrance guard system. But with the continuous development of digitalization and networking, the entrance guard before way in terms of speed of identificati
5、on methods, and performance is more and more cant satisfy peoples needs, Such as radio frequency card, digital code, its security is not high. In a new way in the process of development, because of the human body characteristics is replication, so people focus to this, started the biometric access c
6、ontrol system development. Fingerprint identification as a kind of biometric recognition, it has the characteristics of uniqueness and difficult to counterfeit, make it widely used in security access.For enterprises, building security and standardization is particularly important, for people enterin
7、g the building needs to strict management, and need to be kept secret floor also need to limit personnel to enter. Fingerprint identification technology can solve the problem, each persons fingerprints are equivalent to each persons identity, the fingerprint identification and management, can realiz
8、e the management of the personnel. In this paper, based on fingerprint identification technology is introduced, and design a set of fingerprint entrance guard system based on STC89C52 single-chip computer, to realize the unification of the building entrance guard management and personnel management
9、of permissions. The entrance guard system mainly includes two parts of the upper machine and lower machine .For the machine, including fingerprint identification module, liquid crystal display module, network module, relay and buzzer, controlled by single chip microcomputer. For PC, is mainly respon
10、sible for user information management, and through the network module, a machine under the multiple remote control.Papers on the analysis of the fingerprint recognition technology development present situation and research significance of fingerprint entrance guard system, on the basis of introduced
11、 the overall framework of fingerprint entrance guard system, this paper expounds the each modules hardware and software resources. Paper first briefly introduces the fingerprint identification algorithm, and introduced the use of the fingerprint identification module, including the hardware connecti
12、on and the use of the software instructions. On this basis, designed a STC89C52 MCU as the core of fingerprint entrance guard system, fingerprint identification module is responsible for identifying fingerprint, and transfer to the single chip microcomputer as a result, as a result of the single-chi
13、p microcomputer to control the liquid crystal display and a buzzer voice prompt, and the opening of the control relay, microcontroller can realize the remote communication module and the upper machine through the network. Later, the paper introduces the design of the software part, including MCU, LC
14、D screen, fingerprint identification module and PC software design. System test part, through to the model of the system prototype test show that the system can complete the basic function and has good stability, preliminary achieved the expected design goal. In finally, the thesis has made the simp
15、le summary and expectation.Key words: fingerprint identification; Entrance guard; Single chip microcomputer第一章 绪论1.1引言 随着社会的进步，计算机技术的飞速发展，信息技术，电子技术的改进程度越来越高，越来越融入人们的生活，同时，安全技术也越来越受到人们的重视。而解决安全技术问题，首先要解决的是门禁的安全问题。人们的财产安全问题仅仅依靠传统的门锁和防盗锁是远远不够的，于是各种新式的门禁系统应运而生，比如数字密码、射频卡等。各种门禁方式有其自己的优点，但大多不能同时实现既安全又方便，比
16、如说数字密码锁，锁的密码容易忘记，并且容易被人盗取。 面对这些问题，人们把视线转移到了生物识别技术上去。一种以人体的特征进行识别的技术生物识别技术，凭借它自身的各种优点，而且每个人的特征都是不一样的，所以在门禁方面生物识别技术有很大的优势。而在人体特征中，指纹又具有唯一性、稳定性和难以伪造性得特点，用指纹来做门禁的密码，人们便可以不用再去记忆那长长的密码，也不会出现遗忘的问题，于是指纹识别技术凭借其安全性和方便性在门禁系统的开发中迅速崛起。在各式各样的生物识别方法中，与其他的识别技术相比较起来，指纹识别技术具有以下几个特点：（1）安全性：人的指纹在人出生之后就确定了，并且终生不变，最重要的是每
17、个人的指纹都是不相同的，具有惟一性，这就确保了用指纹来做门禁的密码是十分安全的。（2）可传输性：指纹识别技术中利用模板来进行识别，系统对模板库的要求较小，并且便于远距离传输。 （3）便捷：利用指纹识别技术来开发门禁，人们便可以不用再像以前一样去记忆长长的密码，也不用整天携带射频卡，只要人在指纹就在，就可以开锁，十分的方便快捷。鉴于指纹识别技术具有以上的优点，所以利用人的指纹特征进行人身识别是十分优秀的，并且在各个领域都有广阔的应用前景和无比巨大的市场潜力，值得去进行开发。1.2指纹识别技术的发展状况在中国的古代，手指的指纹就被用做辨别每个人的标记，比如说，古代犯人需要签字画押，画押就用到了指纹
18、。所以说，对人体手指指纹的应用，不是近代才有的，而是从古代就开始了。到近代，科学技术发展迅速，生物领域迅速崛起，有关手指的秘密不断被挖掘出来，比如说：1.对于指纹纹脊，每个人的纹脊的形状都不相同；2.人体的手指指纹不会随着年龄的增长而变化，也就说会一直保持不变。这两个特点就是经常说的指纹的唯一性和不变性，正是因为这两个特点，使得在许多犯罪的案件中，罪犯所留下的指纹被用作识别犯人的证据，指纹得以正式应用。最开始的时候，将指纹用作每个人的身份识别的想法早就成熟，但是在硬件上却达不到。随着光学扫描技术的发展，能够完成捕获清晰手指图像的功能，由此，指纹识别技术开始飞速发展。图像获取的设备不断改进，获得
19、的图像越来越清晰，而且计算机的功能也变得很强大，处理图像的能力也越来越好，这些因素使得指纹识别技术实现了打跨步的前进，而且指纹图像的识别算法也是越来越全面，推动着全面的发展。与国外相比，国内的指纹识别技术起步是比较晚的，但发展的速度却是很快，到目前指纹识别技术已经很成熟。特别是北京大学的两位院士（程民德和石青云）在这方面取得了很高的成就，在国内具有很高的知名度和影响。 目前市场上的出售的指纹模块种类有很多，比如半导体电容式指纹模块、光学指纹模块、射频真皮识别指纹模块、刮擦式真皮识别指纹模块等等。在指纹识别算法方面，不断地被优化，以及硬件平台的不断升级，使指纹识别技术相应的造价不断降低，应用方面
20、越来越广。指纹识别技术不在只用在警用领域，而是进入到人们的日常生活中来。因为指纹识别在门禁方面的前景十分的广阔，利润高，这使得很多的公司和研究机构都投入了大量的人力去开发，使得指纹识别门禁的发展空前迅速，而且这些产品已经在各个领域被应用。目前广泛应用的指纹识别都是基于单片机的，而单片机技术又在飞速发展，这就支撑着指纹识别技术在越来越多的领域中飞速发展。总而言之，指纹识别技术的具有十分广阔的发展前景。1.3课题的研究内容本文的研究内容大致分为指纹识别模块、单片机控制门的硬件实现以及上位机的网络通信和控制部分。首先，确定指纹识别门禁系统的结构组成，设计出符合实际需要的门禁系统，并分析指纹的特征和识
21、别方法，以及各种指纹识别模块的优缺点，确定出一种合适的指纹识别模块。其次，完成基于单片机的门禁控制硬件设计，以及上位机的控制。完成单片机外围电路的设计。第二章 指纹识别技术介绍与整体设计方案2.1 指纹特征 指纹是指的是在手指末端正面的皮肤上线条构成的纹路，线条的方向不同，弯曲程度不同，就构成了不一样的指纹。一条线条，就会产生几百上千中的变化，一个手指上有很多条线，这就使得每个人的指纹都不同，每个人的指纹都是独一无二的，而且不会改变。指纹的线条有很多的特征，其中纹线的起点、终点、结合点和分叉点，被称为指纹的细节特征点。 指纹图像分为两大类：总体特征和局部特征两大类。一、总体特征：指的是指纹的宏
22、观上面所体现出来的特征，也就是说那些用肉眼可以直接观察到的特点，这些特点比如有：纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。图2-1 指纹总体特征图（1）纹形：万事都有规律，指纹也不例外，虽然指纹变化万千，但还是有规律可循。指纹的脊线走向是比较有规律的，弯曲的大致方向有规律，根据其规律可以将指纹分为三大类环型、弓形和螺旋形。指纹最主要的是中心的部分，指纹都趋向于这里，这里是模式区，识别指纹的特点都集中在这里，指纹识别技术的识别就是通过这里来进行识别。图2-2 指纹纹形图（2）核心点：指纹的中间通常都有一个中心点，四周的指纹都是围绕着这里的，就好像是周围的纹路都发源于此，在进行指纹识别的时候，通常都以
23、这个核心点作为识别图像的参考位置，以此来作对比。（3）三角点：指纹的纹线在延伸的时候不是一直平行的，有的纹线会出现交叉或者是断开，当两条纹线交错连接，就会形成类似于三角形的图形，像这样的点，就成为三角点。（4）纹数：就是指纹的纹路的总数，一般都是从核心点处开始记录，一直到边缘的纹路的数量，不一样的指纹所具有的指纹的纹路都是不同的。二、局部特征：手指指纹的有许多不能一眼看出来的小细节，这些细节需要仔细区看才能分辨出它的区别，这些特征就是局部特征。手指的指纹的纹线，不是一直连续的，会出先一些分叉和中断，这些小的细节使得指纹进一步区别。相同的指纹在总体特征上面可能一致，但在局部特征上面却是不同的，这
24、就为指纹的唯一性提供了确认信息。指纹的特征点可以从四个方面去区别：（1）类型。特征点可以分为很多的类型，具体如下图所示：图2-3 指纹特征点类型终结点：指纹的纹路再此终结，断开。分叉点：指的是一条纹线会分叉成为两条线，分叉的那个点就被称为分叉点。分歧点：原本两条平行的纹路，会出现弯曲变向的情况，开始出现这种情况的点就是。孤立点：没有形成纹路，就只有单独的一个点。环点：纹路弯曲连成一个小圆圈，就像是一个环形的点。短纹：比较短的一小段纹路，就像是线段。（2）方向。每一个特征点的方向都不同，同一类型的特征点，其方向不同，所代表的信息也就不同。（3）曲率。纹路会有弯曲，纹路的弯曲程度就用曲率来表示。（
25、4）位置。就是指特征点在指纹图像的位置，用横纵坐标来表示，一般是用相对的坐标来表示的特征的位置。 2.2指纹识别技术介绍指纹识别技术的目标就是能够识别手指的指纹并能够将不同指纹的模板进行对比判断，主要分为两部分：1.指纹图像获取。2.指纹图像对比判断（1）指纹图像获取：识别并获取指纹图像，需要能够获取指纹图像的指纹传感器，目前主要有三类：1.光学指纹传感器：通过光学手段获取指纹的技术是最早用于指纹识别技术的，光学指纹感器的优点是方便快捷，它的缺点就是对采集手指和取像的镜片要求比较高，质量好的镜片才能够获取到清晰的指纹图像，并且光学指纹传感器的体积一般都比较大，对于小巧的嵌入式设备来说不适用；2
26、.半导体指纹传感器：对于半导体指纹传感器来说，它的价格低、体积小，对于嵌入式设备来说，小巧的便于使用。自从上世纪 90 年代中期出现以来，发展十分的迅速，代表的有产品有：压感指纹传感器、固态指纹传感器、电容式指纹传感器、温度型指纹传感器等等。3.基于超声波扫描技术的指纹传感器：超声波遇到皮肤会反射回来，而且皮肤表面凹凸不平，反射回来的声波也是不同的，超声波识别就是利用反射回来的声波的不同来识别不同的指纹。它的优点有：在不同的情况下都能获取到清晰的图像，对于不同粗糙程度的手指也都能获得清晰地图像。缺点：就目前来说，这种传感器的价格比较昂贵，不太适合普及。 （2）指纹图像对比判断：获取到指纹图像之
27、后，为了判别出获取到的指纹到底是谁的指纹，就需要对指纹与指纹数据库中的指纹进行对比判断。进行对比判断就需要一个算法，这就是指纹识别算法。指纹识别算法是指纹识别技术的关键，算法的好坏，直接影响到拒识率和误识率，以及系统的运行速度等。整个指纹识别算法分为三部分：指纹图像预处理、提取指纹特征和指纹匹配。先获得手指的指纹，再利用指纹识别算法将数据库的指纹和得到的指纹相对比，判断出获取的指纹是不是数据库中的指纹，若是，给出相匹配的是数据库中哪一个指纹。通过指纹图像获取和指纹对比判断两个部分，便可以对给出手指的指纹进行识别，得到识别结果，这就是指纹识别技术的大体构造。2.3 整体设计方案 根据以上所介绍的
28、指纹识别技术，设计基于单片机的指纹识别门禁系统，实现对大楼所有门禁的整体管理，并且能够管理用户信息和权限。所以系统主要分为上位机和下位机两部分，上位机作为主要的控制部分，通过网络对多个下位机进行控制，并且实现用户等级的设定。指纹录入端位于大楼的入口处，对进入者进行指纹录入工作。下位机则是门禁的实际控制端，通过指纹识别模块，对用户进行识别，进而控制门锁的开闭。整体框架可以为如下图所示：图2-4 整体框图上位机与下位机各自分工，上位机与下位机通过网络模块进行通讯。下位机是与门直接相连的部分，通过指纹识别模块对用户的指纹进行识别，并将结果传输给单片机，单片机再进一步控制液晶显示结果，并通过蜂鸣器发出
29、声音提示，用户还能够进行按键调节。下位机的框架如下所示图2-5 下位机整体框图各个子模块的具体硬件选择和使用方法在后面具体介绍。本系统的主要功能特点：（1）拥有高效的指纹识别模块，可以十分快捷的利用指纹开锁，高效方便，且安全性高。（2）上位机部分由科学的管理软件，能够实现门禁的科学化管理。（3）上位机与下位机的通信采用以太网模块，可以实现远距离的控制。（4）门禁系统的用户采用权限分割，不同的用户拥有的权限不同，能够进入的门也不同，从而实现用户的逐级权限管理。2.4本章小结本章主要介绍了指纹识别技术的主要工作原理，工作的原理主要包括三部分，分别为：指纹的特征、指纹图像的获取和指纹识别算法。其中，
30、指纹的特征又分为总体特征和局部特征两类，指纹图像传感器大致有三类，指纹识别算法包括指纹图像的预处理、提取特征值和指纹匹配三部分，先后并对各个部分做了简要概述，在此之后，又对系统的整体设计方案做了介绍。第三章 系统的硬件设计3.1硬件系统具体架构设计本次的基于单片机的指纹识别门禁系统的硬件部分需要完成一系列复杂的任务，包括图像采集、图像处理、图像对比等，还需要在与上位机通信时上传指纹模板，以及控制外围器件等工作。所以要实现这样一个复杂的任务，需要处理器具有比较强的计算能力和控制能力，并且储存器资源要大。本文的指纹识别系统，就是利用指纹识别技术，通过单片机的硬件和软件管理实现对门禁的控制。工作人员
31、不必携带钥匙，也不必进行纸张登记，只需手指一按，便可以完成身份识别和进入记录。所以整个系统需要满足:（1）体积小，便于安装。所以在选择硬件时就要考虑硬件的体积问题。（2）用户界面要简单，便于操作。（3）处理速度要快，指纹的辨识率要高。所以在处理的选择和指纹识别模块的选择上，要注重其性能。（4）良好的网络通信。由于需要进行指纹图像的数据通信，所以需用用到TCP/IP通信，就需要选择网络模块来完成。 基于第二章的整体设计方案，已经确定了系统的模块组成，再根据各个模块需要实现的功能，确定各模块硬件的选择和使用。对于指纹识别模块需要有高辨识率、处理速度要快、准确率高，所以确定使用FM-180光学指纹采
32、集仪。液晶显示模块有LCD1602和LCD12864，但LCD12864能够显示4*8汉字，且界面清晰，所以采用LCD12864，来文字显示录入模式、识别模式转换。单片机需要快速计算和控制，以及较大存储空间，所以选择STC89C52。由于上位机需要控制管理大楼内所有的下位机，通信距离较远，RS232不能够满足远距离传输，RS485能够满足远距离传输，但其在传输较大量数据时安全性不够高，所以采用网络传输形式，使用ZLSN3000网络模块。按键采用独立式按键。图3-1 系统硬件架构3.2 系统硬件的模块实现 根据前面得到的硬件具体规划，下面就对各个模块进行逐个介绍。包括核心处理器、指纹识别模块、网络模块、液晶显示模块等等，下面将对各个子模块进行介绍。3.2.1 STC89C52核心处理器一：主要性能STC89C52是STC公司生产的一款8位的MCU，它的内部组件有8KB的Flash芯片和512B的RAM。相比较于原先的51单片机，52的内存更大，还具有第三个定时器，在各方面的性能方面都有了较大的进步。对于单片机能够很方便的各个模块相连接，比如说指纹识别模块，只需要用P30和P31两
