指紋考勤系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計.doc

龍巖學(xué)院龍巖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計 題目：基于 AVR 單片機的指紋考勤控制系 統(tǒng) 專業(yè)： 電子子信息工程 學(xué)號： 2008041532 作者： 涂齊贊 指導(dǎo)教師(職稱)： 李建華 助 教 二 0 一二 年 三 月 十三 日 1 【摘摘 要要】本系統(tǒng)以 ATmega128 單片機為核心，采用 FPM10A 光學(xué)指紋識別 模塊，結(jié)合矩陣鍵盤和 12864 液晶，實現(xiàn)對指紋檢測，識別，記錄等功能，通 過記錄的指紋學(xué)生學(xué)號和時間實現(xiàn)考勤的功能。本設(shè)計具有較好的人機交互界 面管理員模式，使系統(tǒng)更加方便操作。本設(shè)計把指紋識別技術(shù)應(yīng)用到了實際的 生活當中，實現(xiàn)了對晚歸情況的考勤。 關(guān)鍵詞 指紋識別器 ATmega128 單片機 液晶 晚歸考勤 Abstract This system to ATmega128 single-chip processor as the core, the FPM10A optical fingerprint module, combined with the keyboard and 12864 matrix liquid crystal, through the fingerprint identification module implements input and testing fingerprints. The system has good human-machine interface, and administrator mode, and that the system is more security, the convenient user operation. This design USES the fingerprint identification technology to realize the fingerprint identification and testing, the fingerprint identification technology applied to practical production of life. System to ATmega128 single-chip processor as the core, the FPM10A optical fingerprint identification module to the fingerprint decoding, combined with the keyboard and 12864 matrix liquid crystal, through the fingerprint identification module implements input and testing fingerprints, can realize the setting, the fingerprint password input, identify, and other functions. Key words fingerprint reader； ATmega128 single-chip processor ;LCD ;came back late attendance. 2 目 錄 1.緒論緒論.4 1.1 前言 .4 1.2 功能與特點 .4 1.3 用途 .4 2.系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述.5 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 .5 2.2 CPU 的方案選擇 5 2.3 ATMAGA128 單片機簡述7 2.4 顯示模塊 .8 2.5 電源模塊 .9 2.6 鍵盤模塊 .9 2.7 指紋采集模塊 .10 3.硬件設(shè)計硬件設(shè)計.16 3.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計 .16 3.2 液晶電路設(shè)計 .17 3.3 電源電路設(shè)計 .17 3.4 鍵盤電路設(shè)計 .18 4.系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)軟件的設(shè)計.19 4.1 通訊控制總站軟件設(shè)計.19 4.2 系統(tǒng)主功能模塊設(shè)計 .19 4.3 指紋識別考勤系統(tǒng)考勤過程 .20 4.4 管理員密碼修改 .21 4.5 刪除指紋模板程序設(shè)計 .22 4.7 設(shè)置系統(tǒng)時間 .24 第五章第五章 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試26 5.1 測試的目的.26 5.2 用例測試.26 5.3 測量誤差分析 .27 5.4 測試結(jié)果 .27 第六章第六章 系統(tǒng)抗干擾措施系統(tǒng)抗干擾措施27 6.1 系統(tǒng)硬件抗干擾措施 .27 6.2 系統(tǒng)軟件抗干擾措施 .28 結(jié)結(jié) 束束 語語28 致謝致謝29 參考文獻參考文獻30 3 附件附件30 1.緒論 1.1 前言前言 制作背景：在我們學(xué)校，要求晚上學(xué)生能夠回到宿舍睡覺，為了杜絕學(xué)生 不在網(wǎng)吧通宵上網(wǎng)等等歪風邪氣，宿舍管理員會在晚上 22:00-23:00 考勤簽到， 這樣一來，會動用大量的樓委值日生負責簽到工作，而且有些同學(xué)還會弄虛作 假，出現(xiàn)代簽、補簽的現(xiàn)象。為了解決這個問題，在此制作了指紋簽到機。指 紋簽到機將將本宿舍樓所有同學(xué)的指紋信息保存，宿舍晚上考勤期間，只要學(xué) 生將手指放在指紋識別儀上，系統(tǒng)就自動記錄該同學(xué)簽到的時間、次數(shù)。由于 指紋的獨特惟一性，不可能出現(xiàn)代簽、補簽的情況，而且不用宿舍樓值日生投 入大量的時間去考勤，并且記錄了學(xué)生的晚歸時間，進而端正學(xué)校生活風氣。 設(shè)計簡介：指紋考勤控制系統(tǒng)只需要使用者事先注冊指紋，考勤時就會在 考勤控制系統(tǒng)上保留考勤時間記錄。它基于指紋識別技術(shù)來實現(xiàn)，一人可以注 冊多枚指紋，當使用者按指紋時，指紋考勤控制系統(tǒng)就會在所注冊的指紋庫中 尋找相似度達到一定標準的指紋號碼。 指紋考勤控制系統(tǒng)相對于感應(yīng)卡考勤機的最大好處就是可以避免代打卡，不 用購買卡片。經(jīng)過多年的發(fā)展，指紋識別技術(shù)已經(jīng)比較穩(wěn)定，使用面越來越廣， 目前市場上比較好的品牌有新時創(chuàng)、科密、中控等【3】。 1.2 功能與特點功能與特點 采用了最新并行高速芯片的 BIO9.5 平臺。 識別算法采用最新高速混合識別 引擎 COME2，在系統(tǒng)可靠性、準確性、識別速度都有明顯提高。 基于主板的 嵌入開發(fā)系統(tǒng)（EDK）是一個并行高速處理的嵌入式脫機指紋產(chǎn)品開發(fā)平臺， 運行穩(wěn)定可靠。 光學(xué)采集器為晶體指紋儀，經(jīng)久耐用；提高圖像質(zhì)量，接受干， 濕手指。 支持手指 360 度識別，易用性能良好。 它不受空間、方位限制，隨 時可就地使用與位移。 全中文顯示，指紋驗證成功即顯示和記錄簽到指紋姓名 及學(xué)號，方便學(xué)校考勤。 1.3 用途用途 指紋考勤的實際應(yīng)用： 正規(guī)、科學(xué)的現(xiàn)代企業(yè)管理制度是創(chuàng)造一個高效益、 高速發(fā)展的優(yōu)秀企業(yè)的必要條件，人事考勤制度是企業(yè)管理制度的重要組成部 分。企業(yè)單位職員準時正常出勤和公平合理的考勤制度影響到企業(yè)的形象、員 工的士氣，進而影響企業(yè)員工的工作效率、企業(yè)的經(jīng)濟效益、企業(yè)投資者的利 潤收益。指紋考勤機實現(xiàn)人、地、時三者合一，去除考勤虛假，為公司省去不 必要的加班費用付出。對企業(yè)職員的人事出勤進行公正合理并有效、科學(xué)地管 理已成為各單位面臨的現(xiàn)實課題。 4 指紋考指紋識別技術(shù)，集成考勤軟件和人事管理軟件的最先進的考勤設(shè)備。 只要輕輕一按手指就可完成上下班考勤。 2.系統(tǒng)概述 本章主要介紹了系統(tǒng)的 CPU 方案選擇，以及 CPU 的總體介紹，顯示模塊， 電源模塊，鍵盤模塊，指紋采集模塊，詳細介紹了指紋采集模塊的工作過程。 這幾大模塊一起構(gòu)成了本系統(tǒng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)基本的功能。 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本系統(tǒng)以 ATmega128 單片機為核心，采用 FPM10A 光學(xué)指紋識別模塊， 結(jié)合矩陣鍵盤和 12864 液晶，設(shè)計而成。通過指紋識別模塊實現(xiàn)指紋錄入和檢 測。本系統(tǒng)具有較好的人機交互界面，其中包括指紋識別模塊、按鍵控制，單 片機、復(fù)位電路、液晶顯示、報警電路等部分的設(shè)計。圖 2-1 為指紋識別考勤 控制系統(tǒng)總體框圖。 圖 2-1 指紋識別考勤系統(tǒng)總體設(shè)計原理 2.2 CPU 的方案選擇的方案選擇 本指紋考勤控制系統(tǒng)我初步選定了兩個個平臺，ARM 平臺，單片機平臺， 大學(xué)四年期間我們對這兩種平臺都有了解，平時做實驗和課程設(shè)計的時候也有 深入的研究，下面簡要對這兩種平臺做出對比。 方案一 ARM 平臺 12864 液晶 CPU 模塊 光學(xué)指 紋模塊 輸入模塊 模式切 換 矩陣鍵 盤輸入 時鐘電路 復(fù)位電路 LED 指示 5 ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計了 大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、 成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、 DSP和移動式應(yīng)用等。ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方 案。由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品 中運行（理論上如此） 。典型的產(chǎn)品如下。CPU內(nèi)核ARM7：小型、快速、低能 耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動通信。體系擴展:以16位系統(tǒng)的成本，提供32位 RISC性能，特別注意的是它所需的內(nèi)存容量非常小。嵌入式ICE調(diào)試由于集成 了類似于ICE的CPU內(nèi)核調(diào)試技術(shù)，所以原型設(shè)計和系統(tǒng)芯片的調(diào)試得到了極大 的簡化。 該方案平臺功能強大，成本低，但設(shè)計難度大，不適合我做本次畢業(yè)設(shè)計。 方案二 單片機平臺 ATmega128 單片機是 ATMEL 公司的 8 位系列單片機的最高配置的一款單 片機，應(yīng)用極其廣泛 。 最初我考慮了 51 單片機和 AVR 單片機。51 單片機 的 I/O 腳的設(shè)置和使用 非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平） 。但是，51 單片機的在進行乘法和除法運算時精度不高。因為 它內(nèi)部寄存器在進行八位除以八位的除法指令，商為八位，精度嫌不夠，用得 不多。而八位乘八位的乘法指令，其積為十六位，精度還是能滿足要求的，用 的較多。I/O 口輸出時無驅(qū)動能力。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電 平均可。低電平時，吸入電流可達 20mA，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平 時，輸出電流僅數(shù)十 A 甚至更小，基本上沒有驅(qū)動能力。因為其在高電平時 該腳也同時作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流 必須很小才行。作輸出腳使用，欲進行高電平驅(qū)動時，得用外電路來實現(xiàn)。 運 行速度慢，當晶振頻率為 12MHz 時，機器周期達 1s，適應(yīng)不了現(xiàn)代高速運 行的需要。此外它還具有體積大、ROM 少等缺點。51 單片機運算速度比較慢， 精度不夠等等因素，比較難以完成大型系統(tǒng)設(shè)計，因此 51 單片機也不適合指紋 識別考勤控制系統(tǒng)的設(shè)計。 AVR 單片機運用該款控制芯片可增強系統(tǒng)的性價比，提高該產(chǎn)品的應(yīng)用范 圍，更有利于我們在畢業(yè)設(shè)計中進行設(shè)計和制作。AVR 單片機廢除機器周期， 采用 RISC，以字為指令長度單位，取指周期短，可預(yù)取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)， 可高速執(zhí)行指令。有高可靠性為后盾。AVR 單片機在軟/硬件開銷、速度、性 能和成本多方面取得優(yōu)化平衡，是高性價比的單片機。內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程 序存儲器，擦寫方便，支持 ISP 和 IAP，便于產(chǎn)品 的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。 I/O 端口資源靈活、功能強大單片機內(nèi)具備多種獨立的時鐘分頻器。高波特率的 可靠通信。它包括多種電路，可增強嵌入式系統(tǒng)的可靠性。電路：自動上電復(fù) 位、看門狗、掉電檢測，多個復(fù)位源等。它具有多種省電休眠模式、寬電壓運 行（2.75V） ，抗干擾能力強，可降低一般 8 位機中的軟件抗干擾設(shè)計的工作量 和硬件的使用量。集成多種器件和多種功能，充分體現(xiàn)了單片機技術(shù)向片上系 統(tǒng) SOC 的發(fā)展方向過渡。首先，AVR 單片機具有高性能、高速度、低功耗等 6 特點。它取消機器周期，以時鐘周期為指令周期，實行流水作業(yè)。 綜合以上兩種方案，AVR 單片機具有高可靠性、功能強、高速度、低功耗、 等優(yōu)勢，因此本次畢業(yè)設(shè)計我決定選擇方案二。 2.3 ATmaga128 單片機簡述單片機簡述 AVR 單片機是一種基于增強 RISC 結(jié)構(gòu)的、低功耗、 CMOS 技術(shù)、8 位 微控制器(Enhanced RISC Microcontroller)，目前有 Tiny、Mega 兩個系列 50 多種型號。它們的功能和外部的引腳各有不同，小到812 個引腳，多到 100 個引腳，但它們內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，指令系統(tǒng)相容。 圖 2-2 是 ATmega128 單片機實物圖： 圖 2-2ATmega128 單片機實物圖 ATmega128 單片機具有 64 個引腳，引腳如圖 2-3。 7 圖2-3 ATmega128單片機引腳 ATmega128 單片機有 64 個引腳，各引腳作簡要說明：VCC：數(shù)字電路的電 源。GND：地 。RESET：復(fù)位輸入引腳 。 XTAL1：反向振蕩放大器及片內(nèi) 時鐘操作電路的輸入。 XTAL2：反向振蕩放大器的輸出。 AVCC：AVCC 為端口 F 及 ADC 的電源。AREF：為 ADC 的模擬基準輸入引腳。 PEN：為 SPI 串行下載的使能引腳。 端口 A(PA7PA0)：為 8 位雙向 I/O 端口，并具有 可編程的內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大 電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸 出電流。復(fù)位發(fā)生時該端口為三態(tài)。端口 B(PB7PB0)、 C(PC7PC0)、 D(PD7PD0)、 E(PE7PE0) ：與端口 A 具有相同的 I/O 性能。端口 F(PF7PF0)： 為 ADC 的模擬輸入引腳或作為 8 位雙向 I/O 端口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電 阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用 時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時 該端口為三態(tài)。可以作為 JTAG 接口端口 G(PG4PG0)：為 5 位雙向 I/O 端口， 并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和 吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低 時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時該端口為三態(tài)。端口 A、B、C、D、E、F、G：都 可以作為第二功能引腳使用。 AVR 單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點， 在實時檢測和自動控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的 器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。本課題設(shè)計主要在 ATmega128 單片機上進行系統(tǒng)擴展，它包括程序存儲器(ROM)擴展、數(shù)據(jù)存儲 器(RAM)擴展、I/O 口擴展、定時/計數(shù)器擴展、中斷系統(tǒng)擴展等。 2.4 顯示模塊顯示模塊 這個模塊采用 12864 液晶，為了充分體現(xiàn)人機界面的友好度，本系統(tǒng)使用 12864 液晶作為顯示設(shè)備。并采用了字符與數(shù)字動態(tài)顯示的方式，提高了與用 戶的互動性，用戶可以根據(jù)界面來得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 液晶顯示屏是掛在總線的接口上，采用了并行傳輸?shù)姆绞?，開機時液晶屏 復(fù)位，同時開背光電源，進入等待狀態(tài)。采用液晶顯示器首先是顯示的信息量 大，可視性強，并且可以避免 LED 數(shù)碼管的動態(tài)掃描，對程序的整體框架有了 很大的改進。12864 是一種具有 4 位/8 位并行、2 線或 3 線串行多種接口方式， 內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨 率為 12864，內(nèi)置 8192 個 1616 點漢字，和 128 個 168 點 ASCII 字符集. 利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互 圖形界面?？梢燥@示 84 行 1616 點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低 功耗是其又一顯著特點。實現(xiàn)對 12864 的訪問有三種方式：并口直接訪問方式、 并口間接訪問方式和串口訪問方式。并口直接訪問方式通過 I/O 口連接 RS（寄 存器選擇端）、R/W（讀/寫選擇端）、E（使能信號）和 DB（數(shù)據(jù)總線）實現(xiàn) 對 12864 的讀寫數(shù)據(jù)；并口間接訪問方式需要與非門芯片擴展實現(xiàn)；串口訪問 方式 PSB 管腳需要接低電平表示串口模式被選擇，通過 I/O 口連接 RS、R/W、E 這三個管腳就能實現(xiàn)讀寫，其中，RS 為片選線、R/W 為數(shù)據(jù)線、 E 為時鐘線。 8 本電路就是用來顯示指紋系統(tǒng)的一些信息（萬年歷的信息，一些在對晚歸 考勤系統(tǒng)操作過程的提示信息及輸入的內(nèi)容），便于使用者及時地了解當時的 信息。圖中當RS端為低電平時，此時I/O接收的單片機的指令信息用來初始化 12864；當RS端為高電平時，此時I/O接收的單片機的數(shù)據(jù)信息即要顯示的信息。 對PSB端施加一個高電平，設(shè)置為并口訪問方式；單片機通過PB4端口輸出高電 平導(dǎo)通三極管，使LED-電平拉低從而實現(xiàn)12864的背光功能。 液晶模組使用注意事項：屏是玻璃為基礎(chǔ)的，跌落或與硬物撞擊會引起液 晶屏破裂或粉碎。尤其是邊角處。 液晶表面遇口水或滴水，應(yīng)立即擦除，避免 長時間過后引起色彩變化或留下污點。僅對 I/O 端子焊接。只能使用合理接地 并沒有漏電的烙鐵。使用內(nèi)充焊錫膏的低溫焊錫絲。如果使用助焊劑，應(yīng)遮蓋 液晶表面，防止焊劑濺污。之后去除焊劑殘留物。 焊接溫度：280C+10C ， 接時間：3-4 秒。驅(qū)動電壓應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，超出范圍會縮短液晶使用 壽命。 2.5 電源模塊電源模塊 本設(shè)計使用的是+5V 電源，電源是能為負載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源 的電子裝置，包括交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源兩大類。隨著社會飛速前進， 用電設(shè)備與日俱增。但電力輸配設(shè)施的老化和發(fā)展滯后，以及設(shè)計不良和供電 不足等原因造成末端用戶電壓的過低，而線頭用戶則經(jīng)常電壓偏高。對用電設(shè) 備特別是對電壓要求嚴格的高新科技和精密設(shè)備，猶如沒有上保險。 不穩(wěn)定的 電壓會給設(shè)備造成致命傷害或誤動作，影響生產(chǎn)，造成交貨期延誤、質(zhì)量不穩(wěn) 定等多方面損失。同時加速設(shè)備的老化、影響使用壽命甚至燒毀配件，使業(yè)主 面臨需要維修的困擾或短期內(nèi)就要更新設(shè)備，浪費資源；嚴重者甚至發(fā)生安全 事故，造成不可估量的損失。因此選擇合適的電源對于本設(shè)計來說也非常重要。 2.6 鍵盤模塊鍵盤模塊 矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用 3 條 I/O 線作為行線，4 條 I/O 線作為 列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤 中按鍵的個數(shù)是 34 個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中 I/O 口的利用率。 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用機械觸點式按鍵開關(guān)，其主要功能是把機 械上的通斷轉(zhuǎn)換成為電氣上的邏輯關(guān)系。也就是說，它能提供標準的 TTL 邏輯 電平，以便與通用數(shù)字系統(tǒng)的邏輯電平相容。此外，除了復(fù)位按鍵有專門的復(fù) 位電路及專一的復(fù)位功能外，其它按鍵都是以開關(guān)狀態(tài)來設(shè)置控制功能或輸入 數(shù)據(jù)。當所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵按下時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè) 定的功能。因此，鍵信息輸入是與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的過程。 對于一組鍵或一 個鍵盤，通過接口電路與單片機相連。單片機可以采用查詢或中斷方式了解有 無按鍵輸入并檢查是哪一個按鍵按下，若有鍵按下則跳至相應(yīng)的鍵盤處理程序 處去執(zhí)行，若無鍵按下則繼續(xù)執(zhí)行其他程序。矩陣鍵盤如圖 2-4。. 9 圖 2-4 矩陣鍵盤 2.7 指紋采集模塊指紋采集模塊 指紋采集模塊這本設(shè)計中起到了至關(guān)重要的作用，由于指紋識別技術(shù)難以 設(shè)計，所以我本次設(shè)計買了一個 FPM10A 指紋識別器，對于指紋識別器的電路 結(jié)構(gòu)在此不一一講解，只是對其工作過程加以詳解。 2.7.1 指紋識別器簡介 FPM10A 指紋采集儀是推出的新一代光學(xué)產(chǎn)品，如圖 3-6，它性地解決了 目前行業(yè)內(nèi)光學(xué)指紋識別模塊存在的干手指適應(yīng)性、產(chǎn)品一致性、產(chǎn)品體積與 厚度三大難題：采集頭表面經(jīng)過特殊處理，有效解決光學(xué)傳感器采集干手指適 應(yīng)性較差的問題，在采集頭元器件選擇上率先采用特殊材料，徹底解決了傳統(tǒng) 玻璃三棱鏡產(chǎn)品一致性較低的問題，在光路設(shè)計和比對算法開發(fā)上取得重大突 破，解決了光學(xué)識別模塊厚度較大，指紋類產(chǎn)品開發(fā)外觀設(shè)計受限的問題。 FPM10A 指紋采集儀的具體參數(shù)如下表 2-5。 10 類別 指標項目指標說明 指紋傳感器類型光學(xué)式 探測技術(shù)光學(xué)成像技術(shù)指紋傳感器 抗靜電指標 15KV 指紋圖像錄入時間1秒 認辨率0.0001%（安全級可調(diào)） 拒真率 0.1% 比對時間1秒 指紋算法 指紋驗證方式支持指紋驗證（1:1）和指紋搜索（1:N） 工作溫度 1055 環(huán)境指標 相對濕度20%90%（無凝露） 通訊接口支持 USB 和 RS-232通信接口 通信接口 RS232通訊波特率9600BPS-115200BPS 可調(diào)（缺省值9600BPS) 規(guī)格尺寸長寬厚 55mm39mm1.6mm 表 2-5 FPM10A 指紋采集儀的具體參數(shù) 全局特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括：基本紋路圖案 環(huán)型（loop）,弓型（arch）,螺旋型（whorl）如圖 2-6 所示。其他的指紋圖案都 基于這三種基本圖案。僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠遠不夠的，這只是一 個粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便。 環(huán)型 弓型 螺旋型 圖 2-6 基本指紋按圖 2.7.2 紋識別系統(tǒng)的工作原理 指紋識別技術(shù)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋 圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果鑒別指紋所有人身份的生物 特征識別技術(shù)。 指紋識別系統(tǒng)主要涉及三大步驟:指紋圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配三 個部分，指紋識別流程框圖如圖 2-7 所示。 11 指 紋 預(yù)處理 指 紋 特征提取 指 紋 匹 配 指 紋 識 別 指紋庫 圖 2-7 指紋識別器工作過程 1）指紋圖像采集 較早出現(xiàn)的活體指紋采集設(shè)備是光電式的，現(xiàn)在仍為大多數(shù)自動指紋識別 系統(tǒng)所使用。后來出現(xiàn)的電容式和電感式的采集設(shè)備，在某些條件下可提高指 紋采集的質(zhì)量，但在耐磨性和穩(wěn)定性等方面還存在一些問題。對干、濕、臟的 指頭或磨損嚴重的指紋均能可靠、正確的進行采集和盡量減少采集時的變形是 指紋采集技術(shù)需要解決的主要問題。 到目前為止，光學(xué)采集頭提供更加可靠的解決方案。通過改進原來的光學(xué) 取像技術(shù)，新一代的光學(xué)指紋采集器更是以無可挑剔的性能與相對非常低的價 格使電容方案相形見絀。 光學(xué)技術(shù)需要一個光源從棱鏡反射到按在取像采集頭上的手指，光線照亮 指紋從而采集到指紋。光學(xué)取像設(shè)備依據(jù)的是光的全反射原理(FTIR)。光線照 到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由 CCD 去獲得，反射光的量依賴于壓在玻璃 表面指紋的脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)玻璃射到谷的 地方后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線被反射到 CCD，而射向脊的光線 不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就 在 CCD 上形成了指紋的圖像。 2） 預(yù)處理 通常，指紋采集器采集到的指紋是低質(zhì)量的，存在的噪聲較多。通過預(yù)處 理，將采集到的指紋灰度圖像通過預(yù)濾波、方向圖計算、基于方向圖的濾波、 二值化、細化等操作轉(zhuǎn)化為單像素寬的脊線線條二值圖像，基于此二值圖像對 指紋的中心參考點以及細節(jié)特征點特征等進行提取。指紋圖像預(yù)處理是自動指 紋識別系統(tǒng)基礎(chǔ)，是進行指紋特征提取和指紋識別不可缺少的重要步驟。好的 預(yù)處理方法可以使得到的單像素寬脊線線條二值圖像更接近被提取者的指紋， 更準確地反映被提取指紋的特征。因此可以使后續(xù)處理中提取的指紋特征更準 確，特征提取更迅速。指紋圖像預(yù)處理的一般過程如圖 2-8 所示。 指紋圖像的預(yù)處理一般采用圖像增強、二值化和細化的方法來抽取脊的骨架。 這類方法受指紋圖像質(zhì)量的影響比較大，難以得到令人滿意的結(jié)果。很多研究 者提出了不同的預(yù)處理方法，這些方法是用局部脊方向和局部自適應(yīng)閾值來增 強指紋圖像，但各自都有一些局限性。例如，用分塊的方法實現(xiàn)局部自適應(yīng)閾 值并得到該塊內(nèi)的脊方向。這些方法通常是分別得到骨架和方向流結(jié)構(gòu)，缺乏 相關(guān)性。 12 圖 2-8 預(yù)處理框圖 3） 特征提取 指紋的特征點分為全局特征和和局部特征【10】。在考慮局部特征的情況下， 有學(xué)者認為，在比對時只要 13 個特征點重合，就可以確認是同一個指紋，對于 不同的應(yīng)用情況，要求匹配的特征點的個數(shù)會有所不同，如：用在公安刑偵時 要求匹配特征點的個數(shù)就要比用在指紋考勤時多。指紋的細節(jié)特征可以有 150 種之多，但這些特征出現(xiàn)的概率并不相等，很多特征是極其罕見的。一般在自 動指紋識別技術(shù)中只使用兩種細節(jié)特征：紋線端點與分叉點。紋線端點指的是 紋線突然結(jié)束的位置，而紋線分叉點則是紋線突然一分為二的位置。大量統(tǒng)計 結(jié)果和實際應(yīng)用證明，這兩類特征點在指紋中出現(xiàn)的機會最多、最穩(wěn)定，而且 比較容易獲取。更重要的是，使用這兩類特征點足以描述指紋的唯一性。通過 算法檢測指紋中這兩類特征點的數(shù)量以及每個特征點的類型、位置和所在區(qū)域 的紋線方向是特征提取的任務(wù)。 4） 指紋比對 指紋比對指的是通過對兩枚指紋的比較來確定它們是否同源的過程，即兩 枚指紋是否來源于同一個手指。指紋比對主要是依靠比較兩枚指紋的局部紋線 特征和相互關(guān)系來決定指紋的唯一性。指紋的局部紋線特征和相互關(guān)系通過細 節(jié)特征點的數(shù)量、位置和所在區(qū)域的紋線方向等參數(shù)來度量。細節(jié)特征的集合 形成一個拓撲結(jié)構(gòu)，指紋比對的過程實際就是兩個拓撲結(jié)構(gòu)的匹配問題。由于 采集過程中的變形、特征點定位的偏差、真正特征點的缺失和偽特征點的存在 等問題，即使是兩枚同源的指紋，所獲得的特征信息也不可能完全一樣，指紋 比對的過程必然是一個模糊匹配問題。 6） 可靠性問題 計算機處理指紋圖像時【5】，只是涉及了指紋有限的信息，而且比對算法不 是精確的匹配，因此其結(jié)果不能保證 100%準確。指紋識別系統(tǒng)的重要衡量標志 是識別率，它主要由兩部分組成：拒判率和誤判率。我們可以根據(jù)不同的用途 來調(diào)整這兩個值，F(xiàn)RR 和 FAR 是成反比的，可以用 11.0 的數(shù)或百分比來表 示。盡管指紋識別系統(tǒng)存在可靠性問題，但其安全性也比相同可靠性級別的“用 戶 ID 十密碼”方案的安全性高得多。例如采用四位數(shù)字密碼的系統(tǒng)，不安全概 率為 0.01%，如果同采用誤判率為 0.01%指紋識別系統(tǒng)相比，由于不誠實的人 預(yù)處理 預(yù)濾波 方向圖 方向濾波 二值化 細化 13 可以在一段時間內(nèi)試用所有可能的密碼，因此四位數(shù)密碼并不安全，但是他絕 對不可能找到一千個人去為他把所有的手指(十個手指)都試一遍。正因為如此， 權(quán)威機構(gòu)認為在應(yīng)用中 1%的誤判率就可以接受。FRR 實際上也是系統(tǒng)易用性 的重要指標。由于 FRR 和 FAR 是相互矛盾的，這就使得在實際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè) 計中，要權(quán)衡易用性和安全性。一個有效的辦法是比對兩個或更多的指紋，從 而在不損失易用性的同時，最大限度地提高了系統(tǒng)的安全性。 2.7.3 指紋識別系統(tǒng)的工作模式 自動指紋識別系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類：驗證模式和辨識模式。 驗證就是通過把一個現(xiàn)場采集到的指紋與一個已經(jīng)登記的指紋進行一對一 的比對，來確認身份的過程。作為驗證的前提條件，學(xué)生的指紋必須在指紋庫 中已經(jīng)注冊。指紋以一定的壓縮格式存儲，并與其姓名或其標識聯(lián)系起來。隨 后在比對現(xiàn)場，先驗證其標識，然后，利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場的指紋比對來證 明其標識是否是合法的。所以指紋考勤系統(tǒng)屬于驗證3。驗證過程如圖 2-9 所 示。 圖 2-9 指紋驗證過程 辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋逐一對比，從中找出 與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋，這也叫“一對多匹配” 。辨識過程如圖 2-10 示。 學(xué)號 比對 指紋庫 指紋特征 值 用戶指紋 指紋特征 值 學(xué)生學(xué)號 6 登記 指紋庫 6 用戶指紋 指紋特征 值 指紋特征 值比對 學(xué)生學(xué)號 登記 14 圖 2-10 指紋識別過程 光學(xué)指紋采集儀實物圖，如圖 2-11。. 圖 3-11 光學(xué)指紋采集儀 刷指紋注意事項：按指紋前，應(yīng)注意手指是否干凈。手指上不要帶有臟物 及可能的化學(xué)腐蝕物，按指紋前手指保持清潔，確保指紋考。將已經(jīng)存檔的手 指平放于刷指紋鏡面上，指紋機語音提示“謝謝”即操作成功。如果不成功，就 需要再次放入指紋，或者用備用指紋刷。刷指紋要盡可能大面積接觸感應(yīng)板， 不要有翹、刮、滑、晃動、摳鏡面等動作。指紋考勤系其他鍵盤不許隨便按動， 刷指紋成功后，不得重復(fù)、隨意亂刷。指紋考勤機對手指干燥、太冷等會感應(yīng) 失靈，自己要提前處理后再試（可用口呵溫、潤）手不可有水。 15 3.硬件設(shè)計 本章將詳細介紹硬件電路的電路設(shè)計，單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，液晶部分 的設(shè)計，電源電路設(shè)計，鍵盤電路設(shè)計，由于指紋識別模塊屬于購買網(wǎng)上購買， 只需接四根跳線都主控電路板上，因此不作詳細介紹。 3.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計最小系統(tǒng)電路設(shè)計 單片機 ATmega128 單片機共有 5 個復(fù)位源，它們是：1. 上電復(fù)位：當系 統(tǒng)電源電壓低于上電復(fù)位門限 Vpot 時，MCU 復(fù)位。2. 外部復(fù)位：當外部引 腳 RESET 為低電平，且低電平持續(xù)時間大于 1.5us 時，MCU 復(fù)位。3. 掉電檢 測（BOD）復(fù)位：BOD 使能時，且電源電壓低于掉電檢測復(fù)位門限（4.0v 或 2.7v）時，MCU 復(fù)位。4. 看門狗復(fù)位：WDT 使能時，并且 WDT 超時溢出時， MCU 復(fù)位。5. JTAG AVR 復(fù)位：當使用 JTAG 接口時，可由 JTAG 口控制 MCU 復(fù)位。圖 3-1 是 ATmega128 單片機最小系統(tǒng)電路圖。 圖 3-1 ATmega128 單片機最小系統(tǒng)電路圖 16 3.2 液晶電路設(shè)計液晶電路設(shè)計 12864A-1 漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192 個中文 漢字（16X16 點陣） 、128 個字符（8X16 點陣）及 64X256 點陣顯示 RAM（GDRAM） 。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性:電源：VDD 3.3V+5V(內(nèi)置升壓 電路，無需負壓)；顯示內(nèi)容：128 列 64 行。顯示顏色：黃綠。顯示角度： 6：00 鐘直視。LCD 類型：STN 與 MCU 接口：8 位或 4 位并行/3 位串行，配 置 LED 背光，多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。 在原理圖設(shè)計中我們采用單排座作為轉(zhuǎn)接口，進行液晶電路板的制作原理如圖 3-2。 圖 3-2 液晶顯示模塊 3.3 電源電路設(shè)計電源電路設(shè)計 如圖 3-3 是電源模塊的原理圖： 圖 3-3 電源模塊 17 3.4 鍵盤電路設(shè)計鍵盤電路設(shè)計 本模塊采用 3*4 矩陣鍵盤，原理圖如下圖 3-4。 3-4 矩陣鍵盤設(shè)計 18 4.軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計包括系統(tǒng)主功能模塊設(shè)計，管理員密碼修改，刪除指紋模塊， 清空指紋模塊，系統(tǒng)時間設(shè)置，指紋考勤過程設(shè)計，下面詳細講解軟件設(shè)計的 過程方法。 4.1 通訊控制總站軟件設(shè)計通訊控制總站軟件設(shè)計 (1)主程序框圖 總體設(shè)計，如圖 4-1。 本系統(tǒng)以 ATMEGA128 單片機為核心，用 FPM10A 光學(xué)模塊完成指紋的識別、 采集、存儲，通過單片機完成對指紋的計時、計數(shù)。實現(xiàn)對指紋簽到的精確統(tǒng) 計。 圖4-1 通訊控制總站主CPU主程序框圖 4.2 系統(tǒng)主功能模塊設(shè)計系統(tǒng)主功能模塊設(shè)計 基于指紋識別的考勤系統(tǒng)是先將本棟宿舍樓學(xué)生的指紋先記錄存儲到指紋 數(shù)據(jù)庫中，學(xué)生在晚上簽到考勤時系統(tǒng)會自行驗證。核實當前學(xué)生的身份，之 MEGA128 對指紋錄入的時間、 次數(shù)計數(shù) 12864 液晶 即時顯示 對指紋的 識別、存 儲 FPM10A 指紋識別 器 矩陣鍵盤 19 后實行當日的考勤方案。經(jīng)后臺管理員核實，最終顯示考勤結(jié)果。 指紋管理模塊能模塊設(shè)計如圖 4-2 圖 4-2 指紋管理模塊能模塊設(shè)計 指紋采集模塊主要是本宿舍樓所有進行簽到時，指紋采集器對職員的指紋 進行預(yù)處理，特征提取。學(xué)生晚上簽到時進行指紋登陸的數(shù)據(jù)可以作為原始考 勤數(shù)據(jù)的來源，指紋采集器采集到指紋圖像后,才能被計算機進行識別、處理。 指紋圖像的質(zhì)量會直接影響到識別的精度以及指紋識別系統(tǒng)的處理速度,因此指 紋采集技術(shù)是指紋識別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。指紋的表面積相對較小,日常生活 中手指常常會受到磨損,所以獲得優(yōu)質(zhì)的指紋細節(jié)圖像是一項十分復(fù)雜的工作。 指紋比對算法模塊主要對提取到的指紋特征與指紋數(shù)據(jù)庫的指紋進行辯識 和驗證兩種不同的比對算法。進而核實身份。 管理模塊是供指紋管理員使用，用于設(shè)置用戶信息，設(shè)置考勤參數(shù)，處理 特殊考勤，備份考勤數(shù)據(jù)等。該模塊允許系統(tǒng)管理員進行系統(tǒng)設(shè)置。結(jié)果統(tǒng)計 模塊是用戶統(tǒng)計考勤數(shù)據(jù)，如按月考勤學(xué)生的晚歸情況，機采集到的信息進行 過濾處理，只保留每天考勤記錄，然后按學(xué)生姓名學(xué)號，期或其他分類方式進 行統(tǒng)計。 4.3 管理員密碼修改管理員密碼修改 管理員密碼只有系統(tǒng)的管理員可以更改，即本宿舍樓的管理員可以修改， 否 是 開始 初始化系統(tǒng) 顯示龍巖學(xué)院?；?輸入管理員 密碼 主菜單 1.管理員 密碼修改 2.指紋庫 管理 3.系統(tǒng)日 期設(shè)置 20 當管理員輸入密碼時，才能對菜單下的指紋，時間進行管理，管理員密碼修改 流程圖如圖 4-3。 圖 4-3 管理員密碼修改流程圖 4.4 刪除指紋模板程序設(shè)計刪除指紋模板程序設(shè)計 刪除指紋模板就是管理員刪除無用的指紋模板，即將無用的指紋特征信息 從存儲器中刪除。管理員輸入要刪除指紋的學(xué)生學(xué)號，確認刪除存儲器中對應(yīng) 學(xué)生學(xué)號的指紋特征信息及學(xué)號，圖 4-4 是登記指紋模板流程圖，圖 4-5 是刪 除指紋流程圖。 是 否 開始 輸入管理 員密碼 主菜單 管理員密碼修改 成功？ 退出 否 是 21 圖 4-4 登記學(xué)生指紋模板流程圖 是 否 否 庫中無學(xué)號 否 開始 采集學(xué)生指紋 庫中有無此指 紋？ 提示該指紋錄入 輸入學(xué)號 學(xué)號超出范圍？提示學(xué)號錯誤 該學(xué)號已登記 存儲該指紋并登 記新學(xué)號 成功？ 退出 是 是 否 22 圖 4-5 刪除學(xué)生指紋模板流程圖 4.5 清空指紋模板程序設(shè)計清空指紋模板程序設(shè)計 清空指紋模板就是管理員刪除全部指紋模板程序流，清空指紋模板有利于 對新的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，避免了舊數(shù)據(jù)的干擾。流程圖 4-6 表示清空指紋過程。 否 是 開始 輸入刪除指紋對應(yīng)的學(xué) 生學(xué)號 學(xué)號超出范 圍 提示學(xué)號錯 誤 刪除指紋和學(xué)號 成功？ 退出 是 否 是 否 23 圖 4-6 清空學(xué)生指紋模板流程圖 4.6 設(shè)置系統(tǒng)時間設(shè)置系統(tǒng)時間 系統(tǒng)時間設(shè)置是實時對時間保持更新，保證指紋考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性， 設(shè)置系統(tǒng)時間流程圖如圖 4-7。 是 否 開始 主菜單 指紋庫管理 清空指紋 成功？ 退出 24 圖 4-7 設(shè)置系統(tǒng)時間流程圖 4.7 指紋識別考勤系統(tǒng)考勤過程指紋識別考勤系統(tǒng)考勤過程 在對基于指紋識別考勤系統(tǒng)深入了解之后，我認為所做的流程圖是切實可行 的，同時更便于計算機管理及提供更多的輔助決策，以滿足不同人的需求。 考勤系統(tǒng)開始運行，首先系統(tǒng)初始化，包括考勤時間，學(xué)生信息系統(tǒng)模塊一 并初始。同時指紋采集器開始工作，如果沒有學(xué)生進行指紋登錄，則系統(tǒng)等待； 學(xué)生使用指紋進行登錄后，系統(tǒng)開始調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的指紋與該學(xué)生的指紋進行 比對，經(jīng)過比對后，如果該學(xué)生的指紋在數(shù)據(jù)庫中存在，則系統(tǒng)顯示登錄成功， 并顯示學(xué)生信息，這時需要學(xué)生對自己的信息進行確認，系統(tǒng)對此時的信息進 行記錄，此時完成一個學(xué)生指紋登錄的過程。指紋識別考勤系統(tǒng)考勤過程如圖 4-3。 開始 主菜單 設(shè)置系統(tǒng)時間 設(shè)置時間， *年：*月：*日：*時：*分 成功？ 退出 否 是 25 圖 4-7 指紋識別考勤系統(tǒng)考勤過程 本章小結(jié)：本章小結(jié)： 軟件的設(shè)計應(yīng)遵循一個原則就是要充分利用好單片機 CPU 的資源，盡量不 讓其空閑。因此軟件的設(shè)計對于單片機控制系統(tǒng)來說也是很重要的，本系統(tǒng)軟 件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計使設(shè)計思路明確，且便于調(diào)試和修改。 否 將手指按在指紋識別器 3 秒鐘 是 開始 與指紋庫數(shù)據(jù)比對 記錄編號和時間 退出 26 5.系統(tǒng)測試 主要是對系統(tǒng)進行功能測試，測試系統(tǒng)是否完成預(yù)定的功能，保障系統(tǒng)滿 足學(xué)校晚歸考勤系統(tǒng)的要求，確保硬件和軟件的質(zhì)量和可用性。 5.1 用例測試用例測試 下面是對系統(tǒng)測量的兩組數(shù)據(jù)，例 1 是對學(xué)生 2008041532 一周晚歸情況的記錄 數(shù)據(jù)。例 2 是對七位學(xué)生在 3 月 1 號只一天的晚歸記錄情況。學(xué)生考勤管理模 塊的測試用例如下： 例 1：學(xué)生 2008041532 簽到時間如表 5-1。 用例學(xué)生學(xué)號簽到時間是否晚歸 例 120080415322012.03.01 22:15否 例 220080415322012.03.02 22:45否 例 320080415322012.03.03 23:15是 例 420080415322012.03.04 22:08否 例 520080415322012.03.05 22:48否 例 620080415322012.03.06 22:09否 例 720080415322012.03.06 22:18否 表 5-1 學(xué)生 2008041532 簽到時間 表 5-1 是學(xué)生 2008041532 三月 1 日至 7 日共 7 天的簽到時間，23:00 之前簽 到屬于正?；厮奚幔?3:00 之后屬于晚歸，記錄數(shù)據(jù)顯示該生晚歸一次,晚歸時 間是 2012 年 3 月 3 日。 例 2：表 5-2 七名學(xué)生簽到時間 用例學(xué)生學(xué)號簽到時間是否晚歸 例 12008041532 2012.03.01 21:35否 例 22008041533 2012.03.01 22:39否 例 32008041534 2012.03.01 22:59否 例 42008041535 2012.03.01 22:48否 例 52008041536 2012.03.01 22:37否 例 62008041537 2012.03.01 23:35是 例 72008041538 2012.03.01 22.39否 圖 5-2 七名學(xué)生簽到時間和晚歸情況 圖 5-2 顯示的測試結(jié)果中，七名學(xué)生在 2012 年 3 月 1 日有一名同學(xué)是在 23:00 之后回宿舍，屬于晚歸情況，學(xué)號是 2008041537。 27 5.2 測量誤差分析測量誤差分析 本次系統(tǒng)測試測量誤差多方面。首先，有指紋識別器讀取指紋錯誤，不同 同學(xué)的指紋識別時混淆，記錄晚歸情況不實。其次，手指上可能帶有臟物及可 能的化學(xué)腐蝕物，按指紋前手指保持清潔和干燥，如果有水或者其他物體遮擋 都會影響指紋讀取和識別。另外，系統(tǒng)設(shè)置時間與現(xiàn)實準確時間相差太大，也 會造成記錄的數(shù)據(jù)有誤差。 5.3 展望展望 根據(jù)測試用例對本系統(tǒng)進行測試，測試出來結(jié)果跟預(yù)期結(jié)果一樣，說明本 系統(tǒng)達到了預(yù)期的功能要求。在軟件的功能實現(xiàn)上面已經(jīng)達到了要求，但是對 數(shù)據(jù)輸入的驗證存在問題。建議的改進：引入更多的數(shù)據(jù)驗證代碼和服務(wù)器端 的數(shù)據(jù)驗證代碼。所以軟件在能力上已經(jīng)達到了要求。限制方面最主要的是對 輸入數(shù)據(jù)的限制，也就是說用戶盡量輸入符合規(guī)范的數(shù)據(jù)。對輸入的界面、方 式以及驗證在后面可以慢慢修改。功能已經(jīng)完成并有一定的糾錯能力可以使用。 隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)和管理的發(fā)展，各種酒店、賓館、寫字樓、智能大廈、 政府機關(guān)和企事業(yè)單位、高級物業(yè)管理部門等，對指紋考勤系統(tǒng)的需求正發(fā)生 著重大的變化，其核心是考勤實現(xiàn)智能化管理。 在社會的進步和科技的發(fā)展的前提下，人類社會進入了信息化時代。在此 基礎(chǔ)上各個領(lǐng)域都會不斷的發(fā)展，鑒于此，此設(shè)計還有很大的發(fā)展空間，芯片 方案的選擇，更多元化的控制，更人性化的操作，當然還有存儲空間的擴大， 這些都是之后的考勤系統(tǒng)發(fā)展的方向和未來?？傮w來說，在以后各種新型的、 智能化理論成果不斷發(fā)展下，指紋考勤系統(tǒng)還會有更加繁多的變化。 28 6.系統(tǒng)的抗干擾措施 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，系統(tǒng)工作的可靠性、安全 性在很大程度上取決于抗干擾技術(shù)，我們可以從硬件和軟件方面提高系統(tǒng)的抗 干擾性。 6.1 系統(tǒng)硬件抗干擾措施系統(tǒng)硬件抗干擾措施 本指紋考勤系統(tǒng)在印刷電路板設(shè)計過程中，從尺寸的選擇、元器件的布置、 地線布置、電源線布置以及去耦電容的配置等各方面均充分考慮系統(tǒng)可靠性的 要求，采取了如下的抗干擾措施： 1.抑制和切斷干擾源 單片機、指紋識別模塊等耗能較大芯片的電源端與接地端之間并接 0.01f 的獨石電容，以減少與電源間的耦合作用。高頻電容的布線，連線靠近電源端 并盡量粗短。地線盡量加粗，系統(tǒng)中地線一般使用 30mil（1mil0.0254mm） ， 最粗達到了 100mil。布線時避免 90 度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。電路板合理分 區(qū)，用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。給單片機電源加 SPY0029 穩(wěn)壓器，給指紋 識別模塊和液晶顯示模塊加降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器 AE2596，以減小電源噪 聲對系統(tǒng)的于擾。單片機和大功率器件（如繼電器）的地線單獨接地，以減小 相互干擾。大功率器件（如繼電器）放在電路板邊緣，與敏感元件（單片機） 遠離。 2.提高敏感器件的抗干擾性能 ATMEGA128 單片機自帶硬件看門狗電路。看門狗（Watch Dog）在計算機 系統(tǒng)中是一個最忠實的可信賴的硬件，用來保證系統(tǒng)長久運行。ATMEGA128 單片機的看門狗的清除時問周期為 0.75s，如果看門狗的計數(shù)在固定的時間間隔 內(nèi)被程序指令不斷地清除而不產(chǎn)生溢出，表明程序運行正常。但若在規(guī)定的時 間間隔里看門狗的計數(shù)未被清除而產(chǎn)生溢出，則表示程序運行正常，CPU 自動 使系統(tǒng)復(fù)位處理（相當于硬件復(fù)位） 。 6.2 系統(tǒng)軟件抗干擾措施系統(tǒng)軟件抗干擾措施 為提高系統(tǒng)軟件可靠性，在系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，采取了如下可靠性措施。 單片機在運行過程中，如果受到較強的干擾，系統(tǒng)內(nèi)各芯片的工作方式控 制字極易受到破壞，使各輸入/輸出口失去原來定義的功能，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常 工作，針對這種情況，在循環(huán)處理程序中定期地、有條件地對各方式控制單元 進行重復(fù)的初始化，這樣方式控制字一旦被破壞，還可以及時得到修復(fù)。 單片機最易受干擾的是內(nèi)部程序計數(shù)器 PC 的值，在受到強電干擾時，PC 的值會改變，使 CPU 誤將程序從正確位置跳到一些無意義的區(qū)域內(nèi)執(zhí)行，導(dǎo)致 程序運行跑飛。在程序模塊間和程序之后增設(shè)由若干個空操作指令和條無條 29 件跳轉(zhuǎn)指令組成的陷阱。一旦程序跑飛跌落陷阱，便轉(zhuǎn)入相應(yīng)的失控處理程序， 在進行了工作單元的初始化及有關(guān)控制字的設(shè)定后，跳到正常的循環(huán)處理程序 中，從而恢復(fù)程序的正確流程。 結(jié) 束 語 指紋識別考勤系統(tǒng)是基于生物特征識別技術(shù)的一項高科技安全設(shè)施，近年 來在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為現(xiàn)代化建筑智能化的標志之一。對于 一些核心機密部門，如重要機關(guān)、科研實驗室、檔案館、民航機場等場所，指 紋考勤系統(tǒng)可以提供高效、智能、便捷的授權(quán)控制。由于指紋具有攜帶方便、 人人各異、終生不變的特點，因此利用指紋識別作為身份認證的手段，與傳統(tǒng) 的鑰匙、密碼相比，大大提高安全可信性。 本論文主要設(shè)計實現(xiàn)了一種指紋考 勤系統(tǒng)，具體地闡述了指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括系統(tǒng)功能的確定、系統(tǒng) 的硬件設(shè)計、系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及系統(tǒng)抗干擾措施。 對本次畢業(yè)設(shè)計的順利完成我做了如下總結(jié)： 1. 回顧和總結(jié)了指紋識別技術(shù)及其應(yīng)用，對指紋考勤系統(tǒng)的可行性進行了 分析，設(shè)計了指紋考勤系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。 2. 配合該實現(xiàn)方案，調(diào)研并選擇了性價比較高的指紋識別模塊、微處理器、 液晶顯示模塊和實時時鐘芯片等。 3. 結(jié)合硬件實現(xiàn)方案，進行了硬件電路設(shè)計，并完成了相應(yīng)各個模塊對應(yīng) 程序的設(shè)計實現(xiàn)和調(diào)試工作，在調(diào)試的過程中，根據(jù)出現(xiàn)的問題，對硬件和軟 件作相應(yīng)的修改和完善，直至最終定型，實現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的功能。 4. 考慮系統(tǒng)抗干擾設(shè)計原則，最后設(shè)計實現(xiàn)了印刷電路板并進行了系統(tǒng)測 試，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。 在本次設(shè)計的開發(fā)過程中還存在以下問題： 1. 指紋比對。指紋識別技術(shù)的一次性通過率比較低，往往會因此出現(xiàn)“拒 真”的現(xiàn)象，需要多次檢測才能通過，需要采用新的比對算法來提高通過 率。 2. 考勤方案設(shè)置太少，不能夠滿足更詳細的需求，這點可以通過增加學(xué)生 的屬性來細化考勤方案，還需要優(yōu)化系統(tǒng)。 總之，本系統(tǒng)基本達到了預(yù)期目標功能，系統(tǒng)運行可靠、操作簡便。 致謝 本畢業(yè)設(shè)計課題在選題及研究過程中得到李建華老師的悉心指導(dǎo)，李老師 多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱 鼓勵。李老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我 以文，而且教我做人，給以終生受益無窮之道。對李老師的感激之情是無法用 言語表達的。 30 通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問 題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在學(xué)習(xí)電路圖的方法與技巧、指紋識別技術(shù)與應(yīng)用的 過程，以及在電子產(chǎn)品設(shè)計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步，為日后 成為合格的應(yīng)用型人才打下良好的基礎(chǔ)。我在指導(dǎo)老師李老師的精心指導(dǎo)和嚴 格要求下，獲得了豐富的理論知識，極大地提高了實踐能力，并對當前電子領(lǐng) 域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的了解，這對我今后進一步學(xué)習(xí)單片機方面 的知識有極大的幫助。在此，我忠心感謝李老師的指導(dǎo)和支持。在未來的工作 和學(xué)習(xí)中，我將以更好的成績來回報老師。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學(xué)生生活的電子信息工程全體老師 和同學(xué)們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑， 直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利 完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠 摯的謝意! 參考文獻 【1】王波濤，蔡安妮，孫景鱉指紋圖像識別技術(shù)及其應(yīng)用計算機工程與應(yīng)用， 2001，7(2)：79-82 【2】王汝琳智能門禁控制系統(tǒng)M北京：電子工業(yè)出版社，200454-57. 【3】楊軍指紋識別系統(tǒng)及其應(yīng)用安防科技，2003，1：57-58 【4】 硬安青松科技股份公司指紋識別的原理和方法安防科技，2003，7：37-38 【5】奚建榮.基于局域網(wǎng)的指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.電子學(xué)報, ,2002,30(11):1923- 1927. 【6】段少雄,田捷.高效指紋考勤系統(tǒng)的研究與實際J.電子學(xué)報, ,2002,31(9):1120-1125. 【7】胡達.基于指紋識別系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)J.廣西科學(xué)院學(xué)報,2001,12:42-47. 【8】 王寶元.考勤管理系統(tǒng)J.計算機工程與應(yīng)用,2002 年,25(11):67-72. 【9】 黃少龍.指紋取像與指紋識別J.計算機工程與應(yīng)用,2003,38(16):92-98. 【10】蘇鵬.改進的指紋細節(jié)特征提取算法J.中國圖像學(xué)報, ,2002,7(12):89-94. 31 附件 附件一：系統(tǒng)原理圖 32 附件二：PCB 圖 33 附件三：實物圖 34