基于生物识别技术的门禁系统 6 黑龙江大学 毕业论文Word文件下载.docx
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依靠这种唯一性和稳定性，指纹识别与电子信息技术结合的指纹门禁系统具有可靠性高、不可复制、操作简易等特点。
本文利用指纹模块、单片机、门锁驱动、LCD显示构成的门禁系统，可实现指纹开门、指纹录入、指纹管理等功能，在实际应用中与传统设备相比具有很大优越性，传统的机械锁如有较多用户使用，就需要有很多钥匙给每个用户，这样即对安全性造成威胁同时钥匙的管理也难度很大，而指纹锁完全没用这种问题，指纹具有唯一性，当取消某人进入门禁资格时删除指纹库中该人信息即可，本课题采用PIC16F877单片机作为主控器与指纹模块串行通信同时驱动LCD与门锁驱动实现了基于指纹识别门禁系统。
关键词
指纹识别；
指纹门禁；
单片机控制指纹模块；
单片机门锁
Abstract
Withtheprogressofscienceandtechnology,people’requirementforaccesssecuritysystemhasbecomeincreasinglydemanding.Whileatthesametime,sometraditionalaccesstechnologycannotsatisfytherequirementsofsocialsecurity.Theappearanceoffingerprintidentificationbasedonbiologicalrecognitionmakesuptheshortageofthetraditionalauthenticationdevices.Everyone’skintexture,includingfingerprint,differinpattern,breakpointsandintersectionwhichareuniqueandlifelongunchangeable.Withthisuniquenessandstability,fingerprintdoorsystemfeaturingtheintegrationoffingerprintidentificationandelectronicinformationtechnologyhasthefeatureofhigherreliability,unsociablyandsimpleoperation,etc.
Byusingfingerprintmodule,SCM,doorlocks,LCDdisplaydriverofentranceguardsystem,fingerprintdoor,fingerprints,fingerprintmanagementfunctioncanbeachieved.Ithasgreatadvantagesinactualapplicationscomparedtothetraditionalequipment.Whenthetraditionalmechanicallockisusedbymoreconsumers,itneedstohavemanykeystogiveeachuser,whichwillthreatenthesecurityandincreasethedifficultyofmanagement.Whilefingerprintlocksdonothavethiskindofproblemsbecauseoffingerprint’uniqueness.Someone’permissionintothedoorcanbecanceledbydeletinghisinformationinthefingerprintstorehouse.ThissubjectofusingPIC16F877microcontrollerasthemasterandthefingerprintmoduleandserialcommunicationwhiledrivingLCDdriverrealizedthedooraccesscontrolsystembasedonfingerprintidentification.
KeyWords
FingerprintAccessControl;
MCUcontrolfingerprintmodule;
microcontrollerlocks
目录
摘要I
AbstractII
目录1
第一章前言1
1.1课题研究背景及目的1
1.2指纹识别技术简介2
1.2.1指纹识别（Fingerprint）技术2
1.2.2指纹特征3
1.2.3指纹应用系统简介4
1.2.4指纹识别模块SFG-3.1介绍5
1.3PIC系列单片机介绍7
1.3.1简介7
1.3.2产品特点7
第二章整体系统设计9
2.1功能描述9
2.1.1指纹开门9
2.1.2录入指纹9
2.1.3删除指纹9
2.2系统硬件结构9
2.3系统软件结构10
2.3.1系统职能模块10
第三章系统硬件设计11
3.1硬件构成11
3.2设备通信11
3.2.1模块参数11
3.3电路搭建11
3.3.1微控器与指纹模块及LCD11
3.3.2微控器与键盘及门锁驱动12
第四章系统软件设计13
4.1指纹模块控制程序13
4.1.1指纹比对13
4.1.2指纹录入15
4.1.3指纹删除16
4.2其他模块驱动17
4.2.1LCD显示程序17
4.2.2键盘程序17
4.3系统主程序19
第五章仿真调试21
5.1Proteus仿真环境介绍21
5.2功能仿真22
5.2.1指纹开门22
5.2.2指纹录入23
5.2.3删除数据24
结论26
参考文献27
致谢28
第一章前言
1.1课题研究背景及目的
当前的门禁系统大多数还是采用传统的机械门锁，而传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开。
例如大街上随处可见的开锁公司，在出入人很多的门禁钥匙的管理很麻烦，钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。
而在人员较多且出入较频繁却对安全要求严格的半公共场所，如我院的单片机实验室，要求对出入人员的身份验证，而且出入人员也经常更换，可能某个班级做完课程设计就不再来了，那么他的验证身份就要取消，可见如此复杂的门禁功能需求是传统机械锁无法实现的，我们不可能给每个人配一把钥匙。
门禁系统的安全性是许多系统要首先考虑的问题，尽管使用者一向都相当讨厌安全检查机制介入他们的工作中，但管理者仍然需要这样的一种检查访问与使用情形的手续与方法。
如果没有办法清楚明确的辨认使用者身分的话，那么你也将无法确认是那位使用者，以及他究竟操作了什么行动[14]。
现行的许多计算机系统中，包括许多非常机密的系统，都是使用“用户账户+密码”的方法来进行用户的身份认证和访问控制的。
实际上，这种方案隐含着一些问题。
例如，密码容易被忘一记，也容易被别人窃取。
而且，如果用户忘记了他的密码，他就不能进入系统，当然可以通过系统管理员重新设定密码来重新开始工作，但是一旦系统管理员忘记了自己的密码，整个系统也许只有重新安装后才能工作。
密码被别人盗取更是一件可怕的事情，为用心不良的人可能会进一步窃取公司机密数据、可能会盗用别人的名义做不正当的事情、甚至从银行、“ATM”终端上提取别人的巨额存款。
实际上，密码的盗取比较容易，别人只要留意你在计算机终端前输入口令时的击键动作就可以知道你的密码，甚至可以通过你的生日、年龄、姓名或者其他一些信息猜出你的密码—许多人使用自己的生日作为密码，密码还可以被破解—众所周知，高度机密的美国一些军事机构计算机网络曾不止一次被黑客侵入，黑客们实际上就是破解了这些计算机网络的某一合法用户的密码来开始的。
尽管现行系统通过要求用户及时改变他们的口令来防止盗用口令行为，但这种方法不但增加了用户的记忆负担，也不能从根本上解决问题除了计算机网络及其应用系统外，一些传统的需要进行身份验证的场合，也存在着类似的安全性问题。
另一个例子是考勤机，它的使用方便了企业进行职工的考勤管理，但使领导头疼的是经常有人弄虚作假，代别人打卡。
丢了钥匙不仅打不开门，还要当心坏人拾到你的钥匙盗取你的家财，其他使用钥匙的场合同样也有如此的问题。
这些问题都说明，现行的系统安全性技术己经遭遇严峻的挑战!
为了解决这些问题，就出现了射频卡锁，电子密码锁，这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度，但随着这两种电子锁的不断应用，它们本身的缺陷就逐渐暴露，射频卡锁的问题是信息容易复制，卡片与读卡机具之间磨损大，故障率高，不能完全验证卡片所有人身份，安全系数低。
密码锁的问题是密码容易泄露，不确定开锁人身份，又无从查起，安全系数很低。
而基于生物识别的指纹识别技术的出现弥补了传统身份验证设备的不足，每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，是唯一的，并且终生不变。
依靠这种唯一性和稳定性，指纹识别与电子信息技术结合的指纹门禁系统具有可靠性高、不可复制、操作简易等特点[4]。
本课题将对基于嵌入式系统与指纹识别模块开发的指纹门禁系统进行设计。
实现如下功能：
（1）对进入实验室人员进行指纹身份验证
人员进入实验室按入指纹，系统对录入指纹与指纹库已有指纹比对，如录入指纹存在，则在提示通过并打开门锁。
（2）新人员指纹录入
系统验证管理人员管理权限后，可进行指纹录入，按入指纹，指纹图像特征码合格后录入指纹库。
（3）已有指纹信息删除管理。
系统验证管理人员管理权限后，对已不再需要进入实验室的人员的指纹信息进行管理，输入指纹编号选择删除，提示成功后成功删除该条指纹信息[2]。
1.2指纹识别技术简介
1.2.1指纹识别（Fingerprint）技术
每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的，并且终生不变。
依靠这种唯一性和稳定性，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。
这就是指纹识别技术。
自动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而可靠的算法研究。
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。
为此，指纹识别技术己经非常简单实用了。
由于计算机处理指纹时，只是涉及了指纹的一些有限的信息，而且比对算法并不是精确匹配，其结果也不能保证100%准确。
指纹识别系统的特定应用的重要衡量标志是识别率。
主要由两部分组成，拒判率（FRR）和误判率（FAR）。
我们可以根据不同的用途来调整这两个值。
FRR和FAR是成反比的。
尽管指纹识别系统存在着可靠性问题，但其安全性也比相同可靠性级别的用户账户+密码方案的安全性高得多[3]。
1.2.2指纹特征
指纹其实是比较复杂的。
与人工处理不同，许多生物识别技术公司并不直接存储指纹的图像。
多年来在各个公司及其研究机构产生了许多数字化的算法。
（1）纹形
其他的指纹图案都基于这三种基本图案。
仅仅依靠纹形来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，通过更详细的分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便快捷。
如图1-1所示。
图1-1指纹特征纹形
（2）模式区
模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。
有的指纹识别算法只使用模式区的数据。
指纹识别算法使用了所取得的完整指纹而不仅仅是模式区进行分析和识别。
（3）核心点
核心点位于指纹纹路的渐进中心，它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，即只能处理和识别具有核心点的指纹。
核心点对于指纹识别算法很重要，但没有核心点的指纹它仍然能够处理。
（4）三角点
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一数跟踪的开始之处。
（5）纹数
纹数指模式区内指纹纹路的数量。
在计算指纹的纹数时，一般先在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[5]。
1.2.3指纹应用系统简介
应用系统利用指纹识别技术可以分为两类，即验证和辨识。
如图1-2所示，验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对，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。
验证其实是回答了这样一个问题:
“他是他自称的这个人吗？
”这是应用系统中使用得较多的方法[6]。
图1-2指纹应用系统
1.2.4指纹识别模块SFG-3.1介绍
光学式指纹识别模块“SFG-301”光学式指纹识别模块是圣非格科技有限公司根据门禁、门锁、考勤、保险箱（柜）行业需求而推出的最新产品。
它由高性能“DSP”处理器、大容量“FLASH”和彩色“CMOS”等芯片构成，具有指纹录入、图像处理、模板存储、指纹比对和指纹搜索等功能的智能型模块。
实物如图1-3所示。
图1-3SFG-301指纹模块实物图
（1）主要技术指标
指纹模块主要技术指标如表1-1所示。
表1-1指纹模块参数表
序号
项目
参数
备注
1
工作电压
DC3.6-7.0V
2
工作电流
100mA
3
峰值电流
150mA
4
安全等级
5
1-5级
拒真率
＜0.1%
安全等级为3时
6
认假率
＜0.001%
7
图像处理时间
＜0.4秒
8
搜索时间
＜1秒
9
存储容量
120/375/800枚
10
UART
波特率9600×
N
11
USB1.1
12
温度
-20℃—50℃
（2）串行通讯
引脚定义如表1-2所示。
表1-2引脚参数表
引脚号
名称
定义
描述
VIN
电源输入
电源正输入
TD
数据发送
串行数据输出
RD
数据接收
串行数据输入
NC
未定义
GND
电源和信号地
模块通过串行通讯接口，可直接与采用3.3V或者5V电源的单片机进行通讯；
指纹模块的数据发送端（TD）接上位机的数据接收端（RXD），指纹模块的数据接收端（RD）接上位机的数据发送端（TXD）。
1.3PIC系列单片机介绍
1.3.1简介
PIC单片机系列是美国微芯公司（Microchip）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。
CPU采用“RISC”结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。
而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。
采用Harvard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200nS），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。
此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。
PIC系列单片机共分三个级别，即基本级、中级、高级。
其中又以中级的PICl6F873（A）、PICl6F877（A）用的最多。
1.3.2产品特点
（1）精简指令使其执行效率大为提高。
PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:
1的代码压缩，速度提高4倍。
（2）产品上市零等待。
采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。
（3）PIC有优越开发环境。
OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。
PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。
就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况。
（4），其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
（5）彻底的保密性。
PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。
目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。
（6）自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。
（7）睡眠和低功耗模式。
虽然PIC在这方面已不能与新型的“TI－MSP430”相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的[1]。
本课题将采用SFG-301指纹模块与PIC16f877单片机串行通信制作。
第二章整体系统设计
2.1功能描述
用于实验室的指纹门禁系统，主要功能就是用手指开门。
用手指开门之前，指纹库中必须要有指纹特征信息，所以就要有录入指纹这一项功能。
为了实现对指纹库中的指纹进行管理，因此要有删除指纹这一项功能。
2.1.1指纹开门
根据每个人指纹的唯一性，以指纹作为钥匙。
通过在系统中的预先建档，将个人的指纹通过指纹采集器存储到存储器中。
当用户有访问需要时，指纹采集器采集用户指纹的特征信息，与指纹库中信息比对，决定用户是否有访问的权限。
如果用户拥有需要的权限，那么，在验证通过之后，门禁系统输出一个锁控信号给门锁设备，实现对门的控制，如果用户没有相应的权限，验证后会给出验证失败的信息。
2.1.2录入指纹
要使用指纹库中的信息，这就要求系统具有录入指纹的功能，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，通过光电转换后，将指纹特征值和对应的编号存储到存储器中。
而录入指纹之前需要首先验证当前用户是否具有录入管理权限，这里“SFG-301”模块默认1-5号指纹编号对应的人员为管理员身份。
2.1.3删除指纹
由于实验室的使用者有变更，所以要求该门禁系统具有删除指纹的功能，即将个人的指纹的特征信息从存储器中删除。
进行删除操作前需要验证管理员身份。
删除分为两种操作：
按照指纹删除和按照编号删除。
第一种选择删除操作后按入要删除的指纹，验证后确定操作。
第二种由管理员通过键盘输入要删除人员的编号执行删除操作。
2.2系统硬件结构
根据上述功能，本次设计系统的硬件部分主要包括指纹识别模块、微控器、液晶显示器、键盘、电控锁。
指纹识别模块主要完成指纹的采集、识别，指纹特征信息的存储、删除等操作。
微控器作为系统的上位机，控制整个系统，对各个部分发出指令和控制。
液晶显示器显示时间和提示操作信息以及显示管理操作菜单。
和键盘一起组成人机交互界面。
本次设计指纹门禁系统的硬件结构如图2-1所示。
图2-1系统硬件示意图
2.3系统软件结构
2.3.1系统职能模块
按操作流程或系统职能，软件主要由以下几部分构成:
（1）指纹开门，按入指纹信息，系统核对指纹库是否存在匹配指纹，如果存在则执行开锁命令，否则输出开锁失败信息。
（2）录入指纹该部分的功能是采集并存储指纹特征信息。
在采集新的指纹特征信息之前必须要管理者授权，也就是管理者指纹比对通过后，输入新指纹的功号，再采集新指纹的特征信息。
（3）删除指纹该部分的作用是删除存储过的指纹特征信息。
该项功能只有管理者才有此权限，所以，再执行删除操作之前，现验证管理者指纹。
该项操作包括两种操作方式:
按ID号删除和按指纹删除。
第三章系统硬件设计
3.1硬件构成
指纹门禁系统的硬件部分主要包括指纹识别模块、微控器、液晶显示器、键盘、电控锁构成。
指纹识别模块选用圣非格科技有限公司的指纹识别独立模块SFG-301。
SFG-301是一款具有串行通信接口的指纹识别系统独立模块，能方便自如地集成于各类识别应用产品中。
SFG-301由指纹处理模块和指纹采集模块组成。
光学指纹采集模块采用CMOS芯片采集高质量的指纹图像，自带CPU处理器的指纹处理模块采用斯玛特优异的指纹算法提取指纹图像特征值用于完成指纹比对功能，指纹特征值加密数据后存储于处理模块的闪存中。
处理模块通过串口与外围控制器通信。
液晶显示器选用SMC160IALCD显示模块。
SMC1601A是标准西文字符型液晶显示模块，显示16个字符。
键盘为4×
4键盘，微控器为PIC16F877。
3.2设备通信
3.2.1模块参数
SFG-301模块外部接口是标准RS-232串口，在命令工作模式下，上位机可以通过RS-232串口发送各种指令控制模块。
3.3电路搭建
3.3.1微控器与指纹模块及LCD
SFG-301指纹识别模块1（VIN），6（GND）分别接+5V电源与地，引脚2（TD），3（RD）分别连接PIC16F877上RC7与RC6。
LCD模块RD接单片机RC6（TX）并接电源、地。
电路如图3-1所示。
图3-1指纹模块及LCD部分电路图
3.3.2微控器与键盘及门锁驱动
微控器PIC16F877的RD0-RD7与键盘连接，“RB1”向门锁驱动输出开关量信号。
低电平为关，高电平为开[9]。
电路
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