毕业论文-基于at89c52单片机的指纹识别系统设计

毕业论文-基于at89c52单片机的指纹识别系统设计内容摘要：

常分为左箕型、右箕型、斗型 、拱型和尖拱型，如图 2 6 （ 1） 左箕型 （ 2）右箕型 （ 3）斗型 （ 4）拱型 （ 5）尖拱型 图 2 各种类型的指纹 （ ii）模式区： 模式区是指纹图像上包含了总体特征的区域，从模式区上 能够辨出指纹属于那种类型。 （ iii）核心点： 核心点位于指纹纹路的渐近中心，它常用作读取指纹和比对指纹时的参考点。 （ iv）三角点： 三角点是指纹图像中三角形纹路区域的中心点，离该点最近的三条指纹纹线构成一个近似等边三角形，三角点提供了指纹纹路计数和跟踪的起始位置。 核心点和三角 点统称为奇异点。 （ v）纹数： 作为全局特征，纹数一般是指模式区内指纹纹路的数量。 也有些算法用某两个点之间的纹路数作为指纹特征，比如两个节点之间的纹路数。 局部特征包括： (i)端点：一条纹路在此终结。 (ii)分叉点：一条纹路在此分成两条或多条纹路。 (iii)分歧点：两条平行的纹路在此分开。 (iv)孤立点：一条特别短的纹路，以至于成为一点。 (v)短纹：一条较短但不至于成为一点的纹路。 (vi)环点：一条纹路分成两条后又立即合成一条，这样形成的一个小环称为环点。 (vii)桥：两条并行的纹路在此被 搭接起来。 (viii)曲率：纹路方向改变的速度。 如图 3 7 图 3 基本纹路图案 自动指纹识别原理 指纹是手指末端皮肤上的凹凸不平的纹路，这些纹路的存在不仅增加皮肤表面的摩擦力，使我们能够拿起物品，而且指纹本身蕴含大量信息。 指纹在图案、端点和交叉点上各不相同的，也就是“特征”，这些特征每个人每个手指都不相同，根据指纹的唯一性和可靠性，我们就把一个人和他的指纹一一对应起来，通过比对指纹特征和预先保存的指纹特征，就可以验证他的身份。 自动指纹识别是通过取 像 设备采集指纹图像，然后利用 计算机技术提取指纹的特征数据，最后通过匹配算法进行比对识别。 自动识别技术主要涉及指纹图像采集、指纹图像预处理 [8]、特征提取 [7]、数据保存、指纹特征值的比对等过程。 首先通过指纹采集设备采集到人的指纹图像，并对原始的图像进行简单的处理，是指纹图像的特征信息更清晰明显。 然后，指纹特征提取算法建立指纹的特征数据，这是不可逆的转换，可以从指纹图像转换到特征数据，但不可以从特征数据转换到指纹图像，两枚不同的指纹产生不同的特征数据。 特征文件存储从指纹上找到“细节点”，也就是指纹脊线的分叉点或末梢点。 有的算法把 特征 点 和方向信息组合产生更多的数据，这些信息反映了特征点之间的关系，也有的算法处理整个指纹图像。 这些数据通常称为模板。 不管他们是怎么组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有公布一种抽象的算法。 最后通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹模板进行比较，计算他们的相似度，最终得到这两个指纹的匹配结果。 8 指纹识别系统 一个完整的指纹识别过程可分为：指纹采集、指纹图像的预处理、特征提取和指纹匹配几部分 [6]，如图 4： 图 4指纹识别过程 指纹采集 指纹由图像输入设备转化成数字信息，并将其保存在机器内部 的过程。 图像输入设备是指纹识别系统的先导硬件，它具有图像输入和数字化双重功能。 目前市场常见的指纹采集可以分为光学式取 像设备、电容式取像 设备和超声扫描。 光学式取 像 设备是根据指纹纹理和全反射原理（ FTIR）设计的。 指纹纹路有凹凸部分即谷、脊。 当光线照在玻璃表面时，由于玻璃表面压有指纹，射到纹路 凹 的 部分 光线发生全反射，反射光线由 CCD获得；而射到纹路凸的光线不发生全反射，由于脊和玻璃表面接触就吸收或者散射到其他地方，这样在 CCD上就形成了指纹图像。 而另外一种光学取 像 设备则是利用微型三棱镜，把他安装在弹性的平面 上，当手指按在上面由于脊谷压力不同，而改变微型棱镜的表面。 最后通过棱镜反射出来。 电容式取 像 设备则是由在半导体金属上集合了上万甚至十万个电容传感器。 当手指放在它上面时构成了电容传感器的另一面，由于指纹凹凸距离半导体不同而造成电容值不同，把电容值转化为电压值并记录下来就能得到指纹的灰度图像。 由于传感器容易受到静电干扰，易损坏，不如光学式的经用耐磨。 超声波扫描原理是发射超声波到指纹表面即扫描，然后再有接收设备获取反射回来的信号，由于指纹的谷脊的阻抗不同造成接收回来的能量不同，测量后就可得到指纹的灰度图像。 超声 波扫描得到的指纹图像是指纹的真实图像， 9 应用起来 方面，不受指纹上的油脂和赃物的影响，但是设备价格非常昂贵。 下表是各种取 像 设备的性能比较： 取 像 设备比较表 比较项目 光学取像设备 电容时传感器 超声波扫描 体积 大 小 中 耐用性 非常耐用 容易损坏 一般 成像能力 干手指差，但汗多的和稍胀的手指成像模糊 干手指好，但汗多的和稍胀的手指不能成像 较好 耗电 较多 较少 较多 成本 低 低 很高 表 1 各种指纹采集设备比较 图像处理 在指纹采集的过程中，不可能避免噪声的影响，图像中的断点， 叉连 很容易受到噪声的干扰，从而影响指纹特征信息的提取。 图像处理的目的就是利用信号处理技术剔 除图像中得各种噪声，把它转化为图像清晰的二值化 图像，以便提取正确的特征信息。 一般的图像处理过程是：增强滤波、二值化和细化 [10]。 增强滤波：通过滤波的方法消除指纹图像中的干扰噪声。 普通的滤波方法如低通滤波、边缘增强等对噪声的滤除效果不是很好。 因为指纹纹线具有一定的方向和频率，在频域看来就是纹线频谱处于某一 特定的位置和方向上。 因此可以选用带通滤波器。 目前主流的图像增强滤波算法都是基于这一原理。 二值化：就是把原始的灰度图像转化成只有黑白两种颜色的图像，目前二值化的方法有两种：固定门限和动态门限。 前者整个图像采用一个门限，对输入图像要求高，要求图像灰度均衡；后者则是根据不同区域选用不同门限，对输入图像要求不高。 细化 [10]：就是把经过前面处理的指纹图像的脊的宽度降到最小，去除纹线上的毛刺，从而减少因为毛刺生成的伪交叉点和断点。 特征提取 指纹的特征包括了全局特征和局部细节特征 [9]。 全局特征表述了指 纹纹线的走向，主要表现在奇异点，就是纹线方向变化较大的点，就是三角点和核心点，他们比起细节特征更加稳定可靠，是指纹特征匹配和指纹分类的重要依据。 局部细节特征主要包括了端点和分叉点，目前主要的提取方法分三类： 从细化图像上提取：把指纹图像二值化、细化后，分析指纹纹线‘骨架’上 8个相邻的像素点取值来判断细节 点 的类型和位置，再通过该点和纹线的连线 10 来计算其方向。 从灰度图像上提取 [13]：在经过增强滤波的灰度图像上，选取起始点，根据指纹方向却定追踪步长。 每前进一段距离，在追踪发向的垂直线段上的灰度投影确定纹线位置， 当遇到端点和分叉点时停止并记录。 从二值图像上提取：在二值图像上从上到下，从左到右逆时针检测像素变化以追踪脊线位置，当像素之间的角度变化大于阀值时则认为遇到了端点或者分叉点。 指纹匹配 目前匹配的方法有：图像相关匹配、纹理特征匹配、纹线匹配和细节点匹配 [12]。 前二者匹配速度快，对图像要求不高，但是忽略了细节点特征，因此正确性不高。 纹线匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。 细节特征匹配充分利用了指纹在细节点上的差异，因此简单准确得到了广泛的应用。 细节点匹配通常把匹配模板和待匹配的细 节点集对齐，设定匹配规则，统计二者对应的细节点相同的个数来衡量他们的相似度。 但是这种方法对细节的位移，旋转，形变较为敏感。 细节点匹配的难点有： ①细节点提取过程中会产生虚假细节点、丢失真细节点，并且细节点的位置，方向可能有偏差。 ②指纹图像存在平移和旋转，需要寻找参考依据以便特征对齐。 ③指纹采集过程中由于压力不均，造成图像的扭转，拉伸和形变。 ④指纹之间的重合区域小 ， 相同指纹的细节点对应关系难以确定。 第 3 章 指纹识别系统硬件设计 相关器件介绍 STC12C5A60S2 的结构与特点 STC12C5A60S2 单片机是 STC 生产的单时钟 /机器周期的单片机，是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM， 8路高速 10位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。 8051 CPU， 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051； ： STC12C5A60S2 系列工作电压： （ 5V单片机） ： 0 35MHz，相当于普通 8051 的 0～ 420MHz； 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节； 11 1280 字节 RAM； I/O 口（ 36/40/44 个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051传统 I/O 口），可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过55 mA； 7. ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（ ）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 无内部 EEPROM)； 9. 看门狗； MAX810 专用复位电路（外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K电阻到地）； :在 口有一个低压门槛比较器， 5V 单片机为，误差为 +/5%, 单片机为 ，误差为 +/3%； 源：外部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 (温漂为 +/5%到 +/10%以内 ) 1 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 /时钟，常温下 内部 R/C 振荡器频率为： 单片机为： 11MHz～ ， 单片机为： 8MHz～ 12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准； 4个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器 ,16 位定时器 T0 和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上 2路 PCA模块可再实现 2个 16位定时器； 14. 2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 ； I/O口 7路 ,传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模 式可 由 外 部中 断 唤 醒 ，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通过寄存器设置到 ), CCP1/ (也可通过寄存器设置到 )； 16. PWM(2 路） /PCA（可编程计数器阵列 ,2 路）： —— 也可用来当 2 路 D/A 使用 —— 也可用来再实现 2 个定时器 —— 也可用来再实现 2 个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 )； , 10 位精度 ADC，共 8路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次 ) (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用 12 定时器或 PCA 软件实现多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有双串口，后缀有 S2 标志的才有双串口，RxD2/(可通过寄存器设置到 )， TxD2/(可通过寄存器设置到)； ： 40 +85℃ (工业级 ) / 0 75℃ (商业级 )：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不够时，可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展 I/O 口 , 还可用 A/D 做按键扫描来节省I/O 口，或用双 CPU,三线通信，还多了串口。 图 5 STC12C5A60S2管脚图 STC12C5A60S2 单片机的内部结构框图如图 6 所示。 STC12C5A60S2 单片机中 包含中央处理器（ CPU）、程序存储器（ Flash）、数据存储器（ SRAM）、定时 /计数器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 转换、 SPI 接口、 PCA、看门狗 电路 及片内 RC 振荡器和晶体振荡电路等模块。 STC12C5A60S2 单片机包含了数据采集和控制中所需要的所有单元模块，可称得上一个片上系统。 13 图 6 STC12C5A60S2内部结构。