毕业设计基于MCS51单片机的指纹识别系统设计.docx

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毕业设计基于MCS51单片机的指纹识别系统设计

学士学位论文  

基于单片机的指纹识别系统设计

TheDesignoffingerprintidentificationSystemBasedonSingleChip

论文作者：

指导教师：

系别：

物理与工程技术系

专业：

电子科学与技术

提交论文日期：

论文答辩日期：

学位授予单位：

四川文理学院

摘要

随着信息时代的发展,自动指纹识别技术已经广泛地应用于公安、海关、银行、网络安全等需要进行身份识别领域。

本文概述了自动指纹识别系统的研究现状和发展状况，介绍了指纹识别系统的算法流程，以及在此基础上的指纹图像的分割算法和指纹图像细化算法。

并完成基于单片机的指纹识别系统硬件电路设计。

本文应用ZMF-206指纹识别模块，设计基于单片机的指纹识别硬件电路系统，形成一个独立的指纹识别控制系统。

该系统能够实现单片机和指纹模块之间的串口通信，通过操作独立式键盘按键，向指纹模块的DSP芯片发送相应指令，从而执行录入用户、添加用户、认证用户、删除指定用户、删除全部用户、用户匹配等功能，适用于需要进行身份识别的领域。

关键词：

控制系统；指纹识别；单片机；串口通信

Abstract

Withthedevelopmentoftheinformationage,automaticfingerprintidentificationtechnologyhasbeenwidelyusedinpublicsecurity,customs,bank,networksecurity,andotherareasoftheidentificationisrequired.Thispapersummarizestheresearchstatusanddevelopmentstatusofautomaticfingerprintidentificationsystem,thealgorithmflowofthefingerprintidentificationsystemareintroduced,andonthebasisofthefingerprintimagesegmentationalgorithm,andfingerprintimagethinningalgorithm.Andfinishthefingerprintidentificationsystembasedonsinglechipmicrocomputerhardwarecircuitdesign.

ZMF-206fingerprintidentificationmoduleisappliedinthisarticle,thedesignforfingerprintrecognitionbasedonsinglechipmicrocomputerhardwarecircuitsystem,fingerprintidentificationcontrolsystemtoformanindependent.ThesystemcanrealizeserialcommunicationbetweenSCMandfingerprintmodule,bymanipulatingtheindependenttypekeyboardkey,tothefingerprintmoduleofDSPchiptosendcorrespondinginstructions,toperforminputuser,addusers,authenticatetheuser,deletetospecifyuser,deletealluser,usermatching,andotherfunctions,applicabletotheneedforidentificationofareas.

Keywords:

controlsystem;Fingerprintidentification;SerialCommunications;MCU（MicrocontrollerUnit）

第一章绪论

1.1研究的背景及意义

科学技术的迅猛发展为人类的生产生活带来了极大的便利，大大地推动了现在社会的进步和发展。

在网络化时代的今天，我们每个人都拥有大量的认证密码，比如开机密码、邮箱密码、银行密码、论坛登陆密码等等；并配备了各种钥匙，如门锁钥匙，汽车钥匙，保险柜钥匙等。

这些都是传统的安全系统所采用的方式，随着社会的发展，其安全性越来越脆弱。

而我们的生活随时都需要进行个人身份的确认和权限的认定。

指纹特征是人终生不变的特征之一，而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零。

人体指纹含有天然的密码信息，其具有作为密码信息必须具备的三个重要性质[1]：

①广泛性，指每一个正常人都有指纹。

②唯一性，指每一个人的指纹都不同。

③终生不变性，指非意外事故指纹终身不变。

因此，指纹识别技术，作为一种可靠的生物识别技术[1]，受到了人们的重视。

尽管人们已经对自动指纹识别技术作了深入广泛的研究，指纹识别技术也获得了不少应用，但是指纹识别的应用在目前并没有获得普及，这主要是因为指纹识别在识别准确性和识别速度方面还远远不能满足很多实际应用的要求。

这就要求研究指纹识别环节中若干问题，这对于问题的解决很有意义。

1.2指纹识别技术

1.2.1指纹识别技术发展现状

指纹识别算法的研究方向主要分为：

基于图像的识别算法和基于特征的识别算法[2]。

基于图像的识别算法认为，指纹图像的频域和空域信息可以用来唯一表示并识别不同的指纹[2]。

它是一种使用全局信息进行识别的方法，例如使用指纹图像的Fourier频谱来表示和识别指纹。

这类算法的问题在于图像特征难以定义和匹配，因此算法的拒识率和误识率较高。

基于特征的指纹识别算法是找到并比对指纹的特征[2]。

指纹特征的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征。

目前大多数的自动指纹识别系统使用的都是这类算法。

指纹特征多种多样，有特征点、奇异点、域方向图、脊线数目，甚至脊线线型等。

对应的匹配方法可以分为：

基于点模式的匹配，基于脊线的匹配，基于纹理的匹配以及多种细节特征混合的匹配方法。

大多数基于特征的识别算法专注于脊线上的末梢点和分叉点，该方法根据各个特征点的位置和方向来表示和区分指纹，从而使指纹识别问题转化为判断两个特征点集间的最大相似度（最大重合度）的问题。

提取该细节特征有多种方法：

基于灰度指纹图像直接提取，基于二值图像的特征提取，基于细化图像的特征提取。

目前许多公司和研究视梅在指纹识别技术领域都取得了突破性的进展，推出许多指纹识别与传统IT技术完美结合的应用产品，这些产品已经被越来越多的用户所认可。

中科院自动化所智能生物信怠系统研究组和北京数字指通软件技术有限公司对自动指纹识别技术进行了长期的理论研究和应用系统开发，指纹图像的识别准确率和识别速度已达到国际先进水平。

另外，一些公司和机构结合社会应用的实际需求，开发了各种类型的具有独立知识产权的嵌入式指纹识别模块、指纹应用系统软件等，用户反映良好。

指纹识别技术多用于对安全性要求比较高的领域，丽在商务移动办公领域颇其建树的富圭通、三星及等国际知名品牌都拥有技术与应用较为成熟的指纹识别系统[4]。

与国外相比，我国在自动指纹识别技术的研究水平上还存在一定的差距。

主要表现在：

（1）指纹录入设备的质量还不太过关：

（2）自动指纹识别算法研究水平还有待提高，在应用上的表现为产品适应性和易用性较差，对干、湿一些的指纹往往不能正确区别，对指纹录入时的旋转、平移比较敏感。

1.2.2指纹识别技术的特点

指纹特征是人终生不变的特征之一，而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零。

人体指纹含有天然的密码信息，其具有作为密码信息必须具备的四个重要性质：

①广泛性，指每一个正常的人都有指纹。

②唯一性，指每一个人的指纹都不同。

指纹的细节由细微纹点和纹线的起点、终点、分叉等组成。

正是这些无穷无尽的细节特征组合构成了指纹的唯一性．事实上，甚至包括双胞胎，世界上两个指纹相同的概率小于1／109，几乎为零，这就构成了指纹的第一大特点。

③终生不变性，指纹终身不变即指纹的图案永远不会改变，从人的出现到死后的分解为止（除非指纹受到伤害）。

④指纹与主体的不可分离性：

即指纹不存在丢失、遗忘、被窃取的可能。

指纹的使用比起其它证卡来说更快捷、安全、准确、无干扰，可实现快速登录注册，系统兼容性好，也就是说可以独立或者通过联网构成系统并且很容易并入各类证卡和定义识别系统中。

因此，指纹识别技术的应用范围极广。

指纹识别系统主要包括四部分：

指纹图像采集，指纹图像预处理，指纹特征提取和指纹特征匹配。

论文涉及指纹的图像分割、细化和匹配。

就现有文献和产品来看，对低质量的指纹图像的处理效果还远不能令人满意。

要想使设计的细节特征提取算法能够对低质量指纹图像也能可靠工作。

指纹匹配算法的性能主要决定于所提取到的特征点的数目、位置和相互关系的可靠性。

要想设计一个对较多真正特征点缺失、较多伪特征点出现和较大形变均不敏感的指纹匹配算法，也是一件十分困难的事。

计算复杂性是自动指纹识别技术中一个重要的研究课题。

实际应用要求最好自动指纹识别系统能对识别任务实时做出响应，而让指纹匹配算法同时达到高速度和高准确率也是一个难题。

1.3本课题的内容

以MCS-51系列单片机作为控制核心，设计并制作指纹识别控制系统。

本系统采用模块化的总体结构设计，依据实现的各种功能，把整个系统分成几个功能模块，使得系统简洁明了。

同时使得系统程序可读性加强，方便程序的完善和修改。

各模块之间联系紧密，共同构成完整的系统。

控制器设计首先要了解指纹识别系统的理论要求，再通过软硬件实现整个指纹识别的模拟过程。

该系统能够实现单片机和指纹模块之间的串口通信，通过操作独立式键盘按键，向指纹模块的DSP芯片发送相应指令，从而执行录入用户、添加用户、认证用户、删除指定用户、删除全部用户、以及管理个人身份信息等功能。

第二章指纹识别系统实现原理

2.1人类指纹特征

我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：

总体特征和局部特征。

2.1.1指纹的总体特征

总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括基本纹路图案[5]：

环型（loop），弓型（arch），螺旋型（whorl）。

其他的指纹图案都基于这三种基本图案。

指纹的脊纹形式是适应之间的球状表面和半圆形顶端以及横行的指间屈基线生长的，除少数弓形纹之外，绝大多数是箕、斗型纹（约占95%），（三种纹形的大致分布概率如表2.1）

基本纹型

弓型

箕型

斗型

分布概率

5%

60%

35%

表2.1纹形的大致分布概率

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。

中心线的按我国是指纹分析法，指纹分三大类型（如图2.1），三大种形态。

箕型斗型弓型

图2.1指纹的纹形

（1）箕形纹（Loop）：

有一条以上完整的基性线组成中心花纹。

箕形线的对侧有一个三角的上下之线包围着中心花纹。

按箕技的流向分为桡侧箕形纹（反箕）和尺侧箕形纹（正箕）两种。

按中心花纹的结构形态又可分为普通箕、闭口箕、叶形箕、横箕和类似斗的箕。

箕形纹中心和三角之间的距离和纹线数量多少不一，有的只有1－2条线，多数为十条线左右，个别的可达30余条。

（2）斗型纹（Whorl）:

中心花纹呈环、螺、曲状，由内向外扩展与上下包围线汇合形