基于单片机指纹识别系统的设计

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1、摘 要随着时代的发展，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钥匙、口令、密码、身份证件，甚至IC卡等识别方式，由于它们具有可假冒、可伪造、可盗用、可破译的弱点，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。随着识别技术的不断成熟和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、瞳孔和面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来。目前，从实用的角度看，指纹识别技术是优于其它生物识别技术的身份鉴别方法。关键词：指纹识别；单片机；图像处理目 录 绪 论1一、指纹识别的概述2（一）指纹识别的历史2（二）指纹识别的发展前景3（三）指纹识别中的基

2、本概念3二 、单片机MCS-51系统6（一）MCS系列单片机简介6（二）MCS-51存储器结构8（三）MCS-51单片机的引脚功能12（四） MCS-51单片机的中央处理器16三、指纹识别系统的硬件设计18（一）指纹识别系统硬件结构概述18（二）指纹识别功能描述18（三）指纹识别系统工作原理及硬件特性20四、指纹识别系统的软件设计23（一）识别指纹的总体特征和局部特征23（二）指纹识别系统的流程24（三）指纹识别系统串行口工作方式25（四）单片机图像处理设计26结 论29参考文献30致 谢31绪 论进入21世纪后，由于国际反恐、互联网应用等因素的推动，在全球范围内，指纹识别技术得到了更加广泛的

3、应用，指纹识别市场进入高速发展阶段。据国际生物认证组织（International Biometric Group）的预测，到2008年，整个生物认证市场的总量将达到46亿美元，并将保持每年36以上增长速度。出现这种惊人的高速增长不是偶然的，比尔盖茨就曾做过这样的断言：生物识别技术，利用人的生理特征，例如像指纹等来识别个人的身份，将成为今后几年IT产业的重要革新。盖茨有这段言论是因为据相关数据显示，每年由于证件或密码遗失而造成的损失巨大。这是因为各种密码被破解的概率越来越高，或者由于年龄的曾长记忆力随之下降的原因导致的。而指纹在所有的生物特征中，相对稳定、不随年龄而变化和采集较为便捷，同时它的

4、研究历史最长、相对更为成熟。与现有的智能卡、身份证号码和密码的身份识别系统相比，指纹识别的性价比最高，也更适于应用到大众生活中。因此指纹识别以其革命性的便捷和安全性成为一个理想的卓越的解决方案。一、指纹识别的概述（一）指纹识别的历史利用人体特有的生物特征，如指纹、声音、行为等进行身份识别成为目前研究的热点，并发展成为一种被称为“生物检测学”（Biometrics）的专门学科，其相关的技术也被称之为“生物特征识别技术”，而实现该项功能的计算机系统则被称之为“生物识别系统”。 我国在广泛应用指纹的漫长历史中，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。中国也是世界公认的指纹发源地

5、之一。 公元1788年，梅耶（J. Mayer）首次著文指出了至今仍然被承认的指纹的两个重要特性，一是没有人的指纹是完全相同的（唯一性），另外一个是指纹的式样终身不会改变（稳定性）。 公元1823年，珀金杰（J. Purkinie）首次把指纹纹形分成了9类。 公元1858年，赫谢尔（W. Herschel）规定与官方定契约必需捺指纹。公元1880年，福尔茨（Henry Fauld）发表了指纹认证的论文，第一次科学地提出了指纹的个体性和唯一性。指纹唯一性的发现，使得指纹作为一种更为有效的鉴别方法而得到采用。 公元1889年，亨利（E. R. Henry）在总结前人研究成果的基础上，提出基于指纹细

6、节特征识别（Minutia-Based）的理论，并提出了用指纹识别来进行确定罪犯身份的设想，从而奠定了现代指纹学的基础。直到两个世纪后的今天，采用基于Minutia-Based的指纹识别算法仍是主流。 公元1892年，英国的弗朗西斯?盖尔顿（Francis Galton）爵士对指纹进行了广泛的研究，写了FingerPrint一书，向世人介绍了用于单个指纹分类的细节特征，首次系统地阐述了指纹学。完善地确立了一整套指纹识别的方法，并且用于刑事侦察中对犯罪嫌疑人的甄别和鉴定。 随着个人电脑的普及，人们在办公及处理个人资料的过程中，越来越多地依赖电脑，因此电脑中的信息，如程序、文件和数据的保密也越来越

7、重要。由于采用密码容易发生遗忘或被窃用等弊端，故此，出现了类似指纹登录、指纹授权、指纹文件锁、指纹硬盘、指纹U盘、指纹手机以及指纹PDA等大量的应用软件与硬件产品。（二）指纹识别的发展前景指纹行业是一个新兴的行业，本身具有很高的科技含量，相对利润高发展前景广阔。经专家预计，指纹产品将是未来IT产业新的增长点：利润率最高、发展潜力最大。据不完全统计，2004年指纹类产品平均利润率就已经为385%，指纹产品行业是各行业及投资者最好的选择目标。于是，世界顶尖的指纹识别技术得到了全球范围内的高度重视，指纹识别技术的应用如火如荼地迅速发展起来。目前，国内已经有不少企业在参与指纹识别技术的开发和应用。指纹

8、技术在现代生活和工作中的应用已越来越普遍，例如：指纹考勤、指纹社保、指纹银行、指纹商场、指纹接送幼儿等等生活和工作的新现象已广为人知，指纹技术正在日益刷新着我们的现代化生活方式。指纹识别已经与人们的生活休戚相关，指纹识别技术在全球范围内已经彻底拉开了“指纹时代”的巨幕。（三）指纹识别中的基本概念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一小部分，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象读取设备，同时飞速发展的个人计算机运

9、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，指纹识别技术已经非常实用。我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的。依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。这种依靠人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹识别是生物识别技术的一种。指纹识别是成熟的生物识别(B

10、iometric)技术，由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术，希望可以籍此技术来应付现行系统安全所面临的的挑战。要把人体的特证用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以据此识别出人的身份。基于这些特征，人们发展了指纹识别、面部识别、发音识别等多种生物识别技术，目前许多技术都已经成熟并得以应用，其中的指纹识别技术更是生物识别技术的热点。指纹识别技术可以分为两类，即验证(Verification)和辨识(Identifi

11、cation)。 验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对（one-to-one matching），来确认身份的过程。作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识（ID，PIN）联系起来。随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据厍中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配（one-to-many matching）”。 验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。例如验证系统一般只考虑对完整的

12、指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对；验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；另外在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。 除了验证的一对一和辨识的一对多比对方法，在实际应用中还有“一对几个匹配（one-to-few matching）”。一对几个匹配主要应用于只有“几个(few)”用户的系统中，“几个”所包含的数目一般为520人。一对几个匹配一般使用与一对一匹配相同的方法。（四）课题内容与意义指纹识别技术相对于其他识别方法有许多独到之处，具有很高的实用性和可行性。因此，指纹识别成为最流行、最方便、最可靠的身份认证方式，己经在社会生活的诸多方面得到广泛应用。这

13、是由于指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的指纹，指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的指纹，同时指纹样本易于采集，难以伪造，便于开发，实用性强，可以利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。本文主要通过对MCS-51系列单片机的结构和功能进行分析，来研究基于单片机指纹识别系统的内部结构特点和功能阐述以及工作原理，更好的了解了指纹识别系统的未来前景。二 、单片机MCS-51系统（一）MCS系列单片机简介单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（RO

14、M、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。MCS是Intel公司单片机系列的符号。Intel公司推出有MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。其中MCS-51系列单片机典型机型包括51和52两个子系列。在51子系列中，主要有8031、8051、875l三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，只是片内程序存储器有所不同。MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世

15、以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。MCS51子结构及功能如图2-1： 图2-1 MCS51结构框图8位CPU。片内带振荡器及时钟电路。128B片内数据存储器。4KB片内程序存储器（8031/80C31无）。程序存储器的寻址范围为64KB。片外数据存储器的寻址范围为64KB。21B特殊功能寄存器。48根I/O线。1个全双工串行I/O接口，可多机通信。2个16位定时器/计数器。中断系统有5个

16、中断源，可编程为两个优先级。111条指令，含乘法指令和除法指令。布尔处理器。使用单5V电源。52子系列的产品主要有8032、8052、8752三种机型。与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256B，片内程序存储器增至8KB（8032/80C32无），有26B的特殊功能寄存器，有3个16位定时器/计数器，有6个中断源。其他性能均与5l子系列相同。其对应的低功耗CHMOS工艺器件分别为80C32、80C52和87C52。（二）MCS-51存储器结构MCS-51的存储器可分为：程序存储器 数据存储器 特殊功能存储器。8051单片机。在系统结构上采用哈佛型，与冯诺依曼型结构（程序和数据共用一

17、个存储器）的通用计算机不同，它将程序和数据分别放在两个存储器内，一个称为程序存储器，另一个称为数据存储器。因此，8051的存储器在物理结构上分程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），有4个物理上相互独立的存储空间，即片内ROM和片外ROM，片内RAM和片外RAM，其配置如图2-2图2-2 MCS51机的内存结构图1.程序存储器 一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。程序相当于给微处理器处理问题的一系列

18、命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序、数据和表格等信息。对于内部无ROM的8031单片机，它的程序存储器必须外接，空间地址为64kB，此时单片机的端必须接地。强制CPU从外部程序存储器读取程序。对于内部有ROM的8051等单片机，正常运行时，则需接高电平，使CPU先从内部的程序存储中读取程序，当PC值超过内部ROM的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。 8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H0FFFH，单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将

19、从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意： 其中一组特殊是0000H0002H单元，系统复位后，PC为0000H，单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。 另一组特殊单元是0003H002AH，这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如表2-3所示：表2-3 0003H002AH特殊单元范围功能用途0003H000AH外部中断0中断地址区000BH0012H定时/计数器0中断地址区。 0013H001AH外部中断1中断地址区001BH0

20、022H定时/计数器1中断地址区。0023H002AH串行中断地址区。可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，每段只有8个地址单元是不能存下完整的中断服务程序的，因而一般也在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行,这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。2.数据存储器数据存储器也称为随机存取数据存储器。MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上

21、都分为两个地址空间，一个是内部数据存储区和一个外部数据存储区。MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储（不同的型号有分别），它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。8051内部RAM共有256个单元，这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H7FH单元（共128个字节）为用户数据RAM。从80HFFH地址单元（也是128个字节）为特殊寄存器（SFR）单元。从图2-4中可清楚地看出它们的结构分布 图2-4特殊寄存器 片外RAM一般由静态RAM芯片组成。用户可以根据需要确定扩展存储器的容量，MCS-51单片机访问片外R

22、AM可用1个特殊功能寄存器数据指针寄存器DPTR寻址。由于DPTR为16位，可寻址的范围为0KB64KB，因此，扩展片外RAM的最大容量是64KB。片外RAM的地址范围为0000H-0FFFFH，其中在0000H-00FFH区间与片内数据存储器空间是重叠的。CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。3.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）也称为专用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的运行状态。很多功能也通过特殊功能寄存器来定义和控制程序的执行。 MCS-51有21个特殊功能寄存器，它们被离散地分布在内部RAM的80HFFH地址中，这些寄存的功能已作了专门的规定，用户不能修改其结

23、构。特殊功能寄存器分布一览表，表2-5特殊功能寄存器特殊功能寄存器标识符号地址寄存器名称ACC0E0H累加器B0F0HB寄存器PSW0D0H程序状态字SP81H堆栈指针DPTR82H、83H数据指针（16位）含DPL和DPHIE0A8H中断允许控制寄存器IP0B8H中断优先控制寄存器P080HI/O口0寄存器P190HI/O口1寄存器P20A0HI/O口2寄存器P30B0HI/O口3寄存器PCON87H电源控制及波特率选择寄存器SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行数据缓冲寄存器TCON88H定时控制寄存器TMOD89H定时器方式选择寄存器TL08AH定时器0低8位TH08CH定时器

24、0高8位TL18BH定时器1低8位TH18DH定时器1高8位 （三）MCS-51单片机的引脚功能 HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图2-6图2-6MCS-51单片机的引脚排列1.引脚信号功能介绍（1）主电源引脚VCC和VSS VCC为+5V电源端； VSS为电压接地端。 （2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMO

25、S单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。 （3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10F的电容，以保证可靠地复位。 VCC掉电期间

26、，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（50.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。 ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。 对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此

27、引脚用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部

28、程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。 对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。 （4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能

29、为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同

30、。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 表2-7各口线的第二功能定义表P3各口线的第二功能定义口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0） P3.3 13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 （四） MCS-51单片机的中央处理器 中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主

31、要由运算部件和控制部件组成。 1.运算部件：它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。 MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了B寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，B中存入除数及余数。 MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、M

32、CS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”.运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。 MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。 2.控制部件

33、 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。三、指纹识别系统的硬件设计（一）指纹识别系统硬件结构概述指纹识别系统主要包括：单片机最小系统、指纹采集部分、串口通信电路、外部存储部分、开关按钮，供电系统组成。其结构框图如图所示。指纹识别系统单片机采用8051单片机

34、，它是整个控制器的核心部件。MAX232作为接口芯片用于实现指纹传感器串口的RS-232信号与8051串行口的TTL信号的相互转换。电源部分包括DC+5V及保护电路。图3-1系统结构框图（二）指纹识别功能描述基于单片机MCS-51的指纹识别系统是由8051处理器、68128RAM和EEPROM芯片等构成，具有指纹录入、图像处理、指纹对比、搜索和模版储存等功能的智能型模块。它通过与之相配套的指纹传感器，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。该系统控制的核心是单片机8051，因为通过比较DSP芯片，处理速度较快和存储量较大，但性价比较低。而选取单片机MCS-51主要原因是功耗低、

35、可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，128x8bit内部RAM，能满足设计要求。指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰，再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上的唯一性特征。通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。指纹图像获

36、取：通过专门的指纹采集仪可以采集活体指纹图像。目前，指纹采集仪主要有活体光学式、电容式和压感式。对于分辨率和采集面积等技术指标，公安行业已经形成了国际和国内标准，但其他还缺少统一标准。根据采集指纹面积大体可以分为滚动捺印指纹和平面捺印指纹，公安行业普遍采用滚动捺印指纹。另外，也可以通过扫描仪、数字相机等获取指纹图像。指纹图像压缩：大容量的指纹数据库必须经过压缩后存储，以减少存储空间。主要方法包括JPEG、WSQ、EZW等。指纹图像处理：包括指纹区域检测、图像质量判断、方向图和频率估计、图像增强、指纹图像二值化和细化等。纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。纹形从属于型，以中

37、心线的形状定名。我国十指纹分析法将指纹分为三大类型，九种形态。一般，指纹自动识别系统将指纹分为弓形纹（弧形纹、帐形纹）、箕形纹（左箕、右箕）斗形纹和杂形纹等。图3-2指纹形态指纹形态和细节特征提取：指纹形态特征包括中心（上、下）和三角点（左、右）等，指纹的细节特征点主要包括纹线的起点、终点、结合点和分叉点。指纹比对：可以根据指纹的纹形进行粗匹配，进而利用指纹形态和细节特征进行精确匹配，给出两枚指纹的相似性得分。根据应用的不同，对指纹的相似性得分进行排序或给出是否为同一指纹的判决结果。（三）指纹识别系统工作原理及硬件特性工作原理：当指纹传感器收到指纹信息，将通过串口给单片机发送命令，单片机同意并

38、接收相应的信息，指纹传感器采集的指纹转换成RGB格式，并且数据传输到单片机，单片机通过存储在EEPROM中的固化程序执行大量的模式识别和图像处理相关计算，当用户的指纹被确认，单片机将命令执行机构动作，开关开。硬件特性：80C51单片机是在8051的基础上发展起来的，8051单片机与80C51单片机从外形看是完全一样的，其指令系统、引脚信号、总线等完全一致（完全兼容），主要差别就在于芯片的制造工艺上。80C51的制造工艺是在8051基础上进行了改进。8051系列单片机采用的是HMOS工艺：高速度、高密度；80C51系列单片机采用的是CHMOS工艺：高速度、高密度、低功耗；也就是说80C51单片机

39、是一种低功耗单片机。图3-3 指纹识别系统工作原理图（四）指纹识别系统硬件电路设计本系统采用8051作为指纹识别系统的核心处理器，使用单片机内部的4K程序存储器，接+5V电源。复位电路则采用简单RC复位电路，同时又可与一些需要复位的外围电路相连，达到复位与单片机同步。/EA/Vpp为访问内部或外部程序存储器的选择信号.由于8051单片机有4K的内部程序存储器，又外接了128Kx8的EEPROM存储器，故该引脚必须接+5V高电平./PSEN为外部程序存储器读选通控制信号.此电路中无扩展程序存储器.故该脚悬空.串口通信接口设计采用MAX232实现TTL与RS-232的转换，实现与计算机通信。（五）

40、电源电路设计当指纹识别系统工作时，需要+5V电源，为了使整个系统结构紧凑，在本设计中，将220v交流电源到+5V直流电的转换电路和识别控制器集成在一块电路板上，其中的电路原理图如图当220V通过变压器后，得到10伏电源Vi，在电路的输入端与公共地之间，加上经整流后的不稳定直流电压Vi，在输出端便能得到固定的输出电压。为了改善纹波特性，在输入端外接电容，一般取值为0. 33uF，并紧接在稳压块的输入端；在输出端连接电容，这样可以改善输出电压的纹波特性，一般选为0. 1 uF 。输入电压的选择依据是： 式中： 稳压块允许的最大输入电压； 稳压块的输出电压； 2V稳压块输入与输出之间的最小压差。在输

41、入、输出之间外接二极管D1，可以起到输出端路保护作用，防止输出短路时负载电容向7805放电。四、指纹识别系统的软件设计（一）识别指纹的总体特征和局部特征总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。纹形根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类环型（loop，又称斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。模式区就是指纹上包括了总体特征的区域，在此区域可以分辨出指纹是属于哪一种类型的。指纹识别算法有时只使用模式区的数据，有时则使用所取得的完整指纹。核心点位于指纹纹路的渐进中心，在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于核心点的，即只能处理和

42、识别具有核心点的指纹。三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点，或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。纹数是指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹路时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。局部特征是指指纹上节点的特征，这些具有某种特征的节点称为细节特征或特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的细节特征，却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或转折。这些断点、分叉点和转折点就称为特征点，就是这些特征点提供了指纹惟一性的确认信息，其中最典型的是终结

43、点和分叉点，其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括：方向（节点可以朝着一定的方向）、曲率（描述纹路方向改变的速度）、位置（节点的位置通过x/y坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的）。（二）指纹识别系统的流程指纹识别系统核心技术流程如图所示。指纹识别系统主要集中在对指纹仪的操作以及使用人员信息登记、数据库管理、记录查询等功能的编程。开发工具采用Visual C+6.0。在利用VC开发程序之前应先安装FDU2000指纹仪的SDK。对SDK的有效应用分为两种：隐式链接和显示链接两种方式。在本系统中采用的是隐式链接，将SDK安装目录下的相应的动态库文件(P1mDl

44、l. dll文件)拷入系统目录或其它系统可以找到的目录中，同时将Lib目录下的导入库文件(P1mD11. lib文件)加入工程设置的“Link一General一Object/library module”栏中以及将Inc目录下的头文件P1mD11. h加入工程的头文件中，并在*. cpp文件中包含相应头文件即可。接下来就可以开始编写应用程序的代码了。（三）指纹识别系统串行口工作方式串行口工作方式MCS-51单片机的串行口是一个可同时接受数据和发送数据全双工的接口，该串行口可以设定四种工作方式：移位寄存器（方式0） 8位数据UART方式（方式1） 9位数据波特率固定UART方式（方式2） 9位数

45、据位波特率可变UART方式（方式3）。MCS-51串行通讯的方式选择、接受和发送控制以及串行口的状态标志等均由特殊功能寄存器完成。对它初始化编程只需用两个控制字分别写入特殊功能寄存器SCON(98H) 和电源控制寄存器PCON (87H)中即可。SCON是MCS-51的一个可位寻址的SFR，串行数据通信的方式选择，接受和发送控制以及串行口的状态标志由专用寄存器SCON控制和指示。复位时所有位被清“0”PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，地址为87H。PCON的最高位SMOD是串行口波特率倍增位。当SMOD=1时，波特率加倍，复位时，SMOD=0（四）单片机图像处理设

46、计将指纹识别程序传送到单片机中，通过调用指纹程序来对指纹传感器出入的指纹图像数据进行数字滤波处理。单片机主程序流程设计：单片机主程序如下： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0023H AJMP RECE ORG 0040HMAIN：MOV SP，#60H MOV SCON，#50H ；串口初始化 MOV TMOD，#20H MOV TH1，#0F3H MOV TL1，#0F3H MOV PCON，#00H ；设置波特率 SETB TR1 ；启动定时器1 SETB EA ；开放中断 SETB ES ；开放串行中断L3： CLR 00H CLR 01H CLR 02H CLR 03

47、H CLR 04H MOV R6，#00H MOV DPTR，#1000HL2： JB 03H，L1 SJMP L2L1： ACALL SEND AJMP L3在中断服务子程序中，为区别所接收的信号是联络信号还是字节数、是数据还是校验和，需要设立不同的标志位，为此在可位寻址的RAM 68128中设定位地址 00H 接收联络信号标志位 01H 接收字节数标志位 02H 接收数据标志位 03H 接收文件结束标志位在初始化时，这些位均为0。在中断服务子程序中，将接收到的字节数存入R7中，接收的数据存入片外RAM从1000H开始的单元中。结 论系统针对目前的指纹识别设别存储量小、处理速率慢的现状，采用

48、高性能的51系统单片机作为处理核心，实际实现了一款高性能的网络指纹采集识别终端。系统利用数据处理服务器海量存储及处理速度高，可实现快速复杂匹配算法的优点。系统采集苏率高，识别性能好。系统可广泛应用月各类企业考勤应用。参考文献1 河桥,段清明,邱春玲.单片机原理及应用.北京：中国铁道出版社，2007.122 冯星奎,李林艳，颜祖泉.一种新的指纹图像细化算法.中国图像图形学报，1999， 4(10)835-838.3吕凤军.数字图象处理编程入门一一做一个自己的Photoshop.北京：清华大学出版社，1999.4 刘文星，王雄沂，母国光.纹线跟踪及其在细化指纹后处理中的应用.光电子傲光，2002，

49、13 (2)：184-187.5 刘家锋，唐降龙，赵泉.一个基于特征点匹配的联机指纹鉴别系统.哈尔滨工业大学学报，2002.34 (1)：132-1366 简兵，庄镇泉等.基于脊线跟踪的指纹图细节提取算法.电路与系统学报，2001 7 刘旭，田捷.自动指纹识别算法在嵌入式系统的实现 J.计算机工程与应用，2002.8 周毅，等著.基于SPI协议的实现，计算机仿真.2003.9 窦振中.单片机外围器件实用手册(存储器分册)北京：北京航空航天大学出版社，20O0 10 李华MCS-51系列单片机实用接口技术北京：北京航空航天大学出版社，199811 张培仁，孙占辉，张村峰基于c语言编程MCS一51单片机原理与应用M北京：清华大学出版社，2003