1、 I 摘 要 近年来， 指纹 识别技术在国内外发展很快， 由于其良好的安全性目前该技术 已被广泛应用于 生活 和工作中。 随着成本的下降 ，指纹 识别技术 呈现 全面推广和普遍应 用的 趋势。 指纹识别技术是目前国际公认的应用广泛、价格低廉、易用性高的生物人证技术。指纹只是人体皮肤的一小部分，但是它却蕴涵了大量的信息。皮肤的纹路在图案断点交叉点是个不相同的。医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和永久性。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的真实 身份。 本设计开发了一款基于单片机的指纹识别电子密码锁系统
2、。该系统以 ATmeg16单片机作为模块核心，通过串口通信控制 ZAZ-010 指纹模块实现录取指纹并存储指纹数据，并通过 HS12864-15C 液晶显示比对流程及比对结果，辅以直流继电器与发光二极管模拟开锁的动作。本系统具有体积小、性价比高、传输速度快、适合家庭及单位使用。 关键词： 单片机；指纹识别；液晶屏 II ABSTRACT In recent years, fingerprint identification technology has developed rapidly in China and abroad, because of its good security now
3、 that the technology has been widely used in daily life and work. With the decline in the cost of the fingerprint recognition technology and the comprehensive promotion and general trends should be. Fingerprint recognition technology is a technology of biology-authentication widely used and legalize
4、d in international today because of its low-price and finer application. Fingerprint just is a small part of the skin, but it contains a great deal of information .The veins of the skin are different in pattern and cross point and break point. Medicine has proven that these characteristics are diffe
5、rent for each finger and these characteristics are unique and permanent. So we can put a persons fingerprints correspond with him by comparing his fingerprint characteristics and pre-stored fingerprint features, you can verify his true identity. The system design of fingerprint recognition electron
6、password lock based on Single-chip microprocessor is developed in the thesis. The system ATmeg16 MCU as the core module, through the serial communication control ZAZ-010 fingerprint module for taking fingerprints and store fingerprint data and liquid crystal display by HS12864-15C ratio than on the
7、processes and results, supported by simulation of DC relays and LEDs unlock action. The system is small, cost-effective, and fast and suitable for families and units. Key Words： Single-chip microprocessor; fingerprint detection; LCD III 目 录 1 引言 . 1 1.1 指纹识别简介 . 1 1.1.1 指纹识别原理 . 1 1.1.2 指纹识别应用 . 2 1
8、.1.3 指纹识别技术的发展 . 2 1.2 系统设计的目的 . 3 1.3 课题背景 . 3 2 整体设计方案 . 4 2.1 系统总体设计 . 4 2.1.1 系统功能描述 . 4 2.1.2 系统总体框架 . 4 2.2 系统核心部件单片机 . 5 2.2.1 单片机的选择 . 5 2.2.2 ATMEG16 单片机的介绍 . 7 2.2.3 单片机的复位电路 . 9 2.2.4 ATMEG16 最小系统及晶振的选择 . 10 2.3 液晶显示模块 . 11 2.3.1 HS12864-15C 系列液晶的特点 . 11 2.3.2 HS12864-15C 系列液晶的引脚功能 . 12 2
9、.3.3 液晶显示 HS12864-15C 的指令系统 . 13 2.4 电源和指纹模块 . 13 2.4.1 ZAZ-010 系列独立式指纹识别模块引脚功能 . 14 2.4.2 ZAZ-010 系列指纹识别模块指令系统 . 15 2.4.3 电源模块 . 17 3 系统软件的设计 . 19 3.1 系统程序工作分析 . 19 3.2 设计前准备工作 . 19 3.3 单片机的程序设计 . 20 3.3.1 键盘管理程序设计流程 . 22 3.3.2 LCD 显示模块程序设计流程 . 22 3.3.3 指纹通信模块的程序设计流程 . 23 IV 4 实物的制作与调试 . 24 4.1 电路的
10、焊接 . 24 4.2 电路和程序的调试 . 25 4.2.1 单片机的程序下载 . 25 4.2.2 串口调试 . 25 4.2.3 液晶键盘调试 . 26 结 论 . 27 参考文献 . 28 附录 1：串口调试子程序 . 29 附录 2：整体源程序 . 31 附录 3：硬件电路图 . 48 致 谢 . 49 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 1 1 引言 我们今天的工作生活中，很多的场合都需要身份的认证，而传统的基于标志的身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些力不从心。怎样保护自己的重要文件资料，如何保证自己的隐私不被泄露？在传统的身份认证中，我们往往
11、使用密码加密法，但是这种方法只是 “防君子不防小人 “。在高明的黑客眼里，由几个字符组成的密码脆弱得不堪一击。现在，科技的发展让我们有了新的选择 生物识别技术。将生物识别技术应用于笔记本、门锁等方面，可以对文件、财产起保护作用，并且可以进行身份识别。 生 物识别技术是依据人的体貌、声 音等生物特征进行身份验证的科学解决方案，现有的生物识别技术大致上包括指纹识别技术、掌纹识别技术、视网膜识别技术、虹膜识别技术、面相识别技术、声音识别技术和笔迹识别技术等。生物识别技术的优势主要有： 1、减少、消除身份假冒，进行真实身份的确认； 2、降低管理成本，取代了身份人工认证过程； 3、方便使用者，减少或消除
12、了使用卡、钥匙或者密码等麻烦。生物识别技术的发展主要起始于指纹研究，它亦是目前应用最为广泛的生物识别技术。 指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。尽管指纹只是人体皮肤的小部分 ，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。另外，匹配算法可靠性也不断提高，指纹识别技术己非常实用。 1.1 指纹识别简介 1.1.1 指纹识别原理 指纹识别技术的原理
13、和其它生物识别技术的原理相似。它是利用人体的指纹特征对个体身份进行区分和鉴定。在所有的生物识别技术中指纹识别技术是目前最为成熟，也被应 用最广的生物识别技术。这主要因为指纹采用的过程对人们来讲非常简单，指纹识别的准确率高 的原因。 严格来讲，指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图案。 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 2 由于指纹的嵴和峪的几何特征不同，主要表现为嵴是突起的，峪是凹下的，所以在接触到光线时，其反射光的强度也就不同。在接触到平面时，其在
14、平面上形成的压力也就不同。另一方面，由于指纹的嵴和峪的生理特征不同，主要表现为：嵴和峪的温度不同 ，其导电性也不同，其对波长的反馈也就不同。通过这些几何的、生理的特性的不同，把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。 指纹特征分析的原理是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的原理。其分析的对象包括纹形特征和特征点的分布、类型，以及一组或多组特征点之间的平面几何关系。特征点的平面几何关系表现为某个特征点之间的距离等，或者某三个或更多特征点之间组成的多边形的几何特性。不论是特征点的单体特征，还是特征点的组合特征都是指纹特征的组成部分。把这些指纹特征用数字模板的形式表示出来，就实现了一个指纹
15、特征分析 的过程。把人的指纹采集到计算机系统中形成指纹图像。 指纹特征值匹配原理是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对匹配。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。 1.1.2 指纹识别应用 指纹识别技术是最早的通过计算机实现的身份识别手段，它是应用最为广泛的生物特征识别技术。过去，它主要应用于刑侦系统。近几年来，它逐渐走向市场更为广泛的民用市场。指纹技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，指纹 考 勤 机 、指纹社保、指纹银 行、指纹商场、指纹投票、指纹保护电脑、等等生活中和工作中的
16、新现象已广为人知，其应用相当广泛，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。指纹识别技术是目前国际公认的应用广泛、价格低廉、易用性高的生物认证技术。指纹只是人体皮肤的小部分，但是它却蕴涵了大量的信息。这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上是各不相同的，在信息处理中将它们称作 “特征 “。医学上已经证明这些特征对于每个手指都是不同的，而且这些特征具有唯一性和永久性。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验 证他的真实身份。 1.1.3 指纹识别技术的发展 在经历了近 10 年缓慢的自然增长后，指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展的黄金时期。专家们
17、保守估计，未来 5 年，我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。较小的公司将面临新进入的传统行业大公司的无情竞争。在这些巨无霸面前，现有中小公司很难说有太 大 的竞争力，行业重新洗牌不可避免，合并与退出可能会成为大部分中天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 3 小公司的无奈选择。最终可能形成传统行业的公司或大资本在较短时间内主导生物特征识别行业的局面。这也是每 一个新兴市场的必然结果。而竞争的结果将会形成一个新兴的大产业。 国内生物识别技术的应用主要集中在 企业级应用上，在 2002 年总体约为 2.5 亿元人民币的终端市场中
18、，超过 40%的产品都用于考勤、门禁系统之中。自 2002 年以来整个生物识别市场中指纹识别占据了超过 98%的份额，从需求看，中国 13 亿人口决定了中国将是未来全球最大的指纹识别认证技术市场 。 1.2 系统设计的目的 现代社会越来越需要高效可靠的身份识别系统。传统的个人身份鉴别手段如口令、密码、身份 -甚至磁卡、 IC 卡等识别卡方式。由于其与身份人的可分离性 ，可假冒、可伪造、可盗用、可破译，已不能完全满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。从消除人为不安全因素看，只有不易被他人代替、仿制、甚至其本人也无法转让的身份误码别凭证才能胜任。因此，基于人体生理特征的身份识别系统逐渐为社会所
19、瞩目。随着识别技术的不断成熟，随着计算机技术的飞速发展，各种基于人体生理特征的身份识别系统如：指纹、手掌、声音、视网膜、瞳孔、面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来，由小型机落户微机，走向民用。而从易用性、安全性、成熟性和造价等方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人体生理特征身份识别技 术的主流之一，指纹自动识别技术开创了个人身份鉴别的新时代，将来我们生活的很多场 合都要用到指纹，指纹使我们的生活更方便、安全。 1.3 课题背景 指纹检测可以良好的判断和定义一个人的真实生物身份， 从而降低社会活动中的信任成本。从根本上改变经济和社会交往模式 ，提高效率。未来社会利用生物识别技术的场合将会越来越多，
20、指纹识别技术日趋完善，指纹检测变得越发重要。本次设计指纹识别电子密码锁是基于深圳指昂科技有限公司生产的 ZAZ-010 指纹模块 ,可以根据串口通信协议与上位机实现通信，从而实现指纹的录入、存储、比对，并通过HS12864-15C 液晶显示出指纹采集存储的过程和比对的结果。指纹电子密码锁安全可靠，使用方便 。 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 4 2 整体设计方案 2.1 系统总体设计 2.1.1 系统功能描述 本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别电子密码锁系统。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
21、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，操作十分方便快捷。主要功能就是用液晶显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果 .采集指纹图像之前，指纹模块必须要检测手指是否放在采集窗口上，所以就要有录入指纹这一项功能。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，将比对的数据显示在液晶屏幕上 .本系统拥有一次最多录入三个指纹的能力。 该系统的主要功能有以下几个方面： 1 录入指纹 ： 系统预先要有录入指纹的功能，即将个人的指纹通过指纹采集器采集用户指纹的特征信息。 2 合成指纹模板并存储 ： 通过光电转换后，将指纹特征值和对应
22、的 ID 号存储到存储器中。上位机只要有上传指纹的命令，模块可以立即将数据传送到指定位置。 3 搜索指纹库比 对指纹 ： 当有指纹录入时，模块会响应上位机指令搜索指纹库比对指纹，同时液晶显示比对结果，继电器动作、发光二极管亮。 2.1.2 系统总体框架 系统的 总体框架 是指根据设计任务要求，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一个完整的系统。在系统的整体方案确定之前 ,先要明确设计要求，然后对系统硬件、软件进行设计，其中包括绘制原理框图、电路图，对原理进行必要说明，综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设
23、计的系统达到预期的要求。通过查阅大量的文献 资料、综合分析考虑 。主控芯片选用 Atmeg16 单片机。系统总 体框图如图 2-1 所示 ： 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 5 图 2-1 系统总 体框图 系统主要由 MCU、液晶屏、指纹模块组成 . 系统的工作方式主要是，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，如液晶屏、继电器进行响应操作。 2.2 系统核心部件单片机 2.2.1 单片机的选择 单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计 算机简称单片机，特
24、别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和 I/O 接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 20 世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的 时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可
25、能酿成大祸。 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 CMOS 化、低功耗、 小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从AT MEG16 单片机 LCD 指纹模块 4 个独立按键 以及继电器和指示灯 天津 职业技术师范大学 本科生毕业设计 6 前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软 件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命 。 单片机经过 1、 2、 3代的发 展， 正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗
26、、低价格、大存储容量、强 I/O 功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面： 1 多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和 I/O 口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如 A/D、 PWM、 PCA（可编程计数器阵列）、 WDT（监视定时器 -看家狗）、高速 I/O 口及计数器的捕获 /比较逻辑等。 有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以 MEG16 为核心，集成了 USB 控制器、 SMART CARD 接口、MP3 解码器、 CAN 或者 I*I*C 总线控制器等， LED、 LCD 或 VFD
27、 显示驱动器也开始集成在 8 位单片机中。 2 高效率和高性能 为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用 RISC、流水线和 DSP 的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内 ROM（ FLASH）和 RAM 的容量都突破了以往的数量和限制。 由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如 C 语言）来开发单片机的程序 。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。 AVR 内核单片机具有丰富的指令集和 32 个通用工
28、作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元 (ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega16L 有如下特点 ： .16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)； .512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM； .32 个通用 I/O 口线； .32 个通用工作寄存器； .用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程； .三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C)； .片内 /外中断，片内经过标定的 RC 振荡器； .可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口；
