基于单片机的指纹识别系统设计【毕业设计】.doc

1、苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）i本科毕业论文（20 届）基于单片机的指纹识别系统设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）ii基于单片机的指纹识别系统设计前言 .3第 1.1节 研究的背景及意义 .4第 1.2节 指纹识别技术 .41.2.1 指纹识别技术特点 .5第 1.3节 指纹识别技术原理 .5第 1.4节 系统概括 .6第 2章 系统分析 .6第 2.1节 指纹图像的分割 .6第 2.2 归一化 .6第 2.3节 指纹图像的细化 .6第 2.4节 指纹图像特征提取 .7第 2.5节 指纹图像匹配 .7第 3章 系统设计 .7第

2、3.1节 系统总体设计 .73.1.1 系统功能简述 .73.1.2 系统电路设计 .8第 3.2节 系统核心部件单片机 .9第 3.3节 其他模块电路 .103.3.1电源模块 .103.3.2 时钟模块 .103.3.3 按键模块 .113.3.4 显示模块 .123.3.5 复位模块 .12第 3.4节 指纹模块 .13第 4章 系统测试 .15第 4.1节 指纹录入 .15第 4.2节 指纹识别 .16结论 .18参考文献 .19苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）1基于单片机的指纹识别系统设计【摘要】：生物识别技术可以包含人脸、指纹、虹膜等人体各种器官和声音、笔迹等行为模式方面的识别

3、。其中, 指纹具有惟一性、终生不变性、易携带、不会丢失、不会遗忘、不会被盗用等强有力的特性。指纹识别以其独特的优势成为目前人体生物特征识别技术市场上市场占有率最高的方式之一, 这种识别方式也是目前生物识别技术中发展最成熟的。应用 FM-206指纹识别模块，设计基于单片机的指纹识别硬件电路，形成一个独立的指纹识别系统。该系统实现单片机和指纹模块之间的串口通信。通过操作独立式键盘按键，向指纹模块的 DSP芯片发送相应指令，从而执行添加用户、删除全部用户、识别用户等功能。【关键词】：生物识别技术；指纹识别；串口通信；单片机苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）2ABSTRACT:Biometric i

4、dentification technology contains organs of human body identification such as face, fingerprint, iris recognition and behavior pattern identification such as voice, handwriting recognition. Among them, the fingerprint has forceful characteristic such as the uniqueness, the invariance throughout ones

5、 life, easily carrying, being unable to be lost, being unable to be forgotten, being unable to be embezzled and so on. Fingerprint recognition has become one of the most popular ways in biometrics technology area at present by its unique advantage,which is also the most mature technology in biometri

6、c identification technology. With the application of FM-206 fingerprint module, I designed a hardware circuit system of fingerprint identification based on the MCU, in order to form an independent fingerprint identification system. The means of communication between MCU and fingerprint module in the

7、 system is based on serial communication. MCU sends a corresponding instruction to the fingerprint DSP chip module through stand-alone keyboard keys, in order to execute the functions, such as Add User, Delete All Users, Authenticated Users, and so on.Key words: Biometric technology; Fingerprint ide

8、ntification; Serial Communications; MCU (Microcontroller Unit)苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）3前言随着时代的发展，社会越来越高效的生活方式，快速、有效的识别方式更受到了关注。传统的身份证、IC 卡、钥匙、口令等识别方式由于其可假冒、可伪造、可盗用、可破译的弱点。生物识别技术以便捷安全的特点被应用大众生活中。本设计的目的是设计基于单片机的指纹识别系统硬件电路，达到可以识别用户、添加用户、识别用户等功能。选用 STC89C52 单片机， STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K系统可编程 Flas

9、h存储器。系统主要由 MCU（Microcontroller Unit，微程序控制器） 、液晶屏、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。苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）4第一章第 1.1节 研究的背景及意义我国在广泛应用指纹的历史中，随着对外文化的交流，应用指纹的传统习惯传播到了世界上许多国家。中国是世界公认的指纹发源地之一。人们使用指纹进行个人身份鉴定已经有很长的历史.早在公元 650年,唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是

10、确认个人身份的方法 1。我国历史中对指纹的主要应用在于民间的契约，缺乏专门的研究，未能将指纹识别提升到一门学科。现代指纹识别起源于 16世纪后期。苏格兰医生 Henry Fauld2于 1880年 10月 28日首次在英国Nature上发表论文，指出指纹人各不同，恒久不变，并利用现场指纹来鉴定罪犯。接着，WilliamHerschel 2也在Nature上发表了他本人关于指纹研究 20多年来的成果，从此揭开了现代指纹识别的序幕。1892 年，英国 Sir Francis Galton2对指纹进行了系统地研究，并提出了指纹细节特征分类，将指纹分为斗(whorl)、箕(loop)、弧(arch)三

11、大类，使指纹识别应用进入了一个崭新的时期。随着个人电脑的普及，人们在出来办公及个人资料时，越来越依赖于电脑，因此电脑中的程序、文件和数据的保密性越来越重要。由于采用密码会导致遗忘或被窃等弊端，故指纹识别被更多的应用于指纹登陆、指纹授权、指纹文件锁、指纹 U盘等软件与硬件产品中。第 1.2节 指纹识别技术相对于其它生物识别认证技术而言，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。指纹识别与其它生物

12、识别的不同点主要体现在以下几个方面:1.指纹识别的平均准确率高2.指纹采集设备成本较低3.使用者接受程度高4.能够适应的应用场景不同5.产业化程度不同 3苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）51.2.1 指纹识别技术特点指纹是由指尖表面皮肤上的脊线和谷线纹路形成的图形。应用指纹进行身份识别已经有很长的历史了，它满足生物特征识别所需要的各种性质，包括普遍性、长久性及惟一性。(1) 高稳定性。指纹具有很强的稳定性, 它们的形成依赖于胚胎发育时期的环境, 从胎儿指纹的完全形成到人死后, 指纹的纹线类型、结构、统计特征的总体分布始终没有明显的变化。指纹是伴随人一生的最稳定的生物特征之一。(2) 惟一性

13、。科学实验和无数的事实证明, 指纹具有明显独特的惟一性, 并且纹理本身非常复杂, 其复杂程度足以提供用于鉴别的足够证据, 包括双胞胎在内都不可能有相同的指纹, 任何两个人指纹相同的概率小于十亿分之一。(3) 高可靠性。高稳定性和高惟一性决定了指纹识别的高可靠性。要想再增加指纹识别的可靠性, 只需要登记更多的指纹即可满足, 而随便一个人都可以毫不费力地提供 10 个手指的指纹信息。(4)易采集性。指纹与生俱来, 随身携带, 不需记忆。扫描指纹的速度非常快, 采集指纹时只要将手指平放在指纹识别器上, 1、2 秒钟即可完成, 免去了记忆密码、丢失印章、遗忘密码和印章等烦恼。(5)伪造难、破译难。由于

14、指纹识别具有上述特点, 识别指纹时必须将真正的手指与指纹采集头接触, 因此伪造、假冒、攻击、破译指纹的难度就变得相当大。指纹一直被人们用作“印章”使用 4。第 1.3节 指纹识别技术原理指纹的两个重要特征在十九世纪初的科学研究中就已被发现: 一是两个不同手指的指纹纹脊的样式不同，另外一个是指纹纹脊的样式终生不变 5。指纹图像模式识别是模式识别领域的一项综合性研究, 其核心是提炼指纹图像构成要素的组织形式和秩序。这些要素包括纹线的构成、流向、中心点、三角点及细节特征点等。由于采集的指纹或现场指纹受印压的轻重、扭曲、偏转和环境的影响, 使指纹图像存在着相对变形、残缺和噪声, 造成信息丢失和假特征的

15、出现。因而指纹图像模式识别的关键是寻求适应各种图像环境的图像处理及特征提取方法, 寻求相对尺度、平移、旋转、仿射不变的图像拓扑结构模式和计算机视觉不变量。在这一方法的导引下,指纹自动识别的基本处理框架通常包含指纹采集、预处理、特征提取和分类识别四个部分 6。指纹图像模式识别的主要研究内容包括: (1) 指纹图像的几何、拓扑性质; (2) 指纹图像的增强、消噪声、平滑、二值化、细化算法; (3) 指纹图像的特征提取方法及特苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）6征空间的构成; (4) 指纹图像的拓扑分类方法; (5) 面向实际应用的指纹自动识别系统等。需要重点解决的问题为: 寻求相对于尺度、平移、

16、旋转、仿射不变的特征量及特征量的提取方法; 指纹图像特征的拓扑结构识别与匹配方法。第 1.4节 系统概括本系统主要由指纹识别模块、单片机、电源、复位电路、时钟电路、指示灯、按键和 LCD1602液晶显示器等构成，在无需上位机参与管理的情况下，构成具有指纹录入、指纹清除和搜索等功能的智能型模块。并采用 C语言构建系统程序，通过执行不同的按键动作，使单片机向模块发送相应指令，以完成对应功能。完成后整体可构成一个独立的指纹识别系统，或作为一个完整的外部设备。第 2章 系统分析第 2.1节 指纹图像的分割分割是图像预处理中的一个重要步骤，它将指纹的有效区域从背景和噪声区域中分离出来。有效区域的分割不仅

17、简化了后续的处理，更显著提高了细节特征提取的可靠性，一般的分割算法是基于方差闽值的。相对于其他区域，有效的指纹区域具有一个较高的方差值。因此，可选取方差阑值作为特征量进行分割。Baezn 和 Gerez7提出了一种基于像素特征的分割算法，采用 Rosenblatt感知边缘方法分类各像素。chen 等 8引入了 3种特征量:块聚集度，块均值及块方差实现指纹图像分割。第 2.2节 归一化指纹图像的采集过程是非理想的，很多因素都可能导致沿脊线和谷线的灰度值出现不同程度的扭曲，譬如墨印的密度不同、与采集仪的不均匀接触等。对图像进行归一化可以减少亮度分布的差异，有利于后面的增强处理步骤。Lin 9等通过

18、将灰度的方差限制到要求范围内来统一图像的密度值。归一化处理中的参数根据图像的均值和方差计算得到。第 2.3节 指纹图像的细化这部分预处理主要为二值化。由于指纹图像脊、谷相间，因此指纹图像的处理常是将指纹图像二值化。苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）7二值化处理将一幅灰度图像转化为二值图像。它提高了指纹图像中脊线和谷线间的对比度，使细节点的提取变得更方便。二值化的关键问题是选取一个合适的阂值。近年来，普遍采用基于局部适应的阑值的算法来生成二值化图像，它依据每个像素周围的局部图像窗口选择适当的阂值并将该像素判定到前景类或背景类。He 10幻等利用方向场可以快速而直接的实现图像二值化。作为细节提取

19、前的最后一个步骤，细化是一种基于形态学的处理方法，它持续腐蚀原有的脊线到一个像素宽为止。标准的细化算法 11是通过重复执行两次子细化实现的。第 2.4节 指纹图像特征提取匹配两幅指纹图像大量地采用基于比对两幅指纹图像的点模式的方法。用来匹配的点称为特征点。通常指纹特征可以分为两类：细节特征和单独点。用来匹配指纹图像的点称为细节点，在指纹图像拓扑中，它们是脊终点和分叉点。单独点包括中心点和三角点。三角点和中心点之间的距离以及脊线的数目一般认为不会随图像变换、旋转、放大和缩小而改变。因此，往往利用这一特性来减少匹配时数据库的搜索空间 12。第 2.5节 指纹图像匹配指纹图像匹配就是对两个输入指纹的

20、特征集合(模板)判断是否属于同一指纹。指纹匹配算法方法很多，包括基于图像的匹配、脊模式匹配、点模式匹配及基于图形的匹配。点模式匹配是预先从指纹图像中提取出的特征点集与输入的待匹配的指纹图像中提取出的特征点集的匹配。如果两幅指纹图像是匹配的，那么这两个点集通过某些变换，如旋转、伸缩及平移，可以得到较好的匹配 12。第 3章 系统设计第 3.1节 系统总体设计3.1.1 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。他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

21、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，苏州大学应用技术学院毕业设计（论文）8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。（2） 指纹识别。能进行指纹的识别，指纹识别出错时，在 LCD1602液晶上提示 ERROR。图像采集完成后，与库中已存在指纹进行比对，与所有用户信息比对后，若无相符信息即提示 ERROR。（3） 指纹清除。能进行指纹数据的删除。（4） 操作显示。通过按键进行指纹系统的功能选择，采用 L

22、CD1602液晶显示与 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，即显示该用户编号，若不相符，即提示 ERROR。3.1.2 系统电路设计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 STC89C52单片机。系统总体框图如图 3-1所示：图 3-1 系统总体框图系统主要由 MCU（Microcontroller Unit，微程序控制器） 、液晶屏、指纹模块组成。