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第一章文献综述
基于PIC单片机的指纹识别门锁设计
1.1课题背景与意义
今天的工作生活中，很多的场合都需要身份的认证，而传统的基于标志的身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些力不从心。
怎样保护自己的重要文件资料，如何保证自己的隐私不被泄露？
在传统的身份认证中，我们往往使用密码加密法，但是这种方法只是"防君子不防小人"。
在高明的黑客眼里，由几个字符组成的密码脆弱得不堪一击。
现在，科技的发展让我们有了新的选择——指纹识别技术。
将指纹识别技术应用于笔记本、门锁等方面，可以对文件、财产起保护作用，并且可以进行身份识别[1]。
众所周知．世界上没有两个完全相同特征的人，没有两枚完全相同的指纹。
指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的解决方案。
指纹是人体独一无二的特征，具有随身性、唯一性、不可复制性、绝对保密性，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征[2]。
指纹识别技术不仅免除了人们记忆密码的烦恼．而且方便快捷。
只须手指轻轻一按，立即便可完成身份鉴别。
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，指纹识别技术己非常实用[3]。
随着信息化技术的不断发展，计算机安全技术和身份认证对人们越来越重要而随着基于个人特征的身份认证技术的不断完善和身份认证设备价格的下降[4]。
由此可见，指纹识别技术将在互联网通信安全、金融证券、政府机构、军事安全、电子商务等领域具有更加广阔的应用前景[5]。
1.2国内外现状
目前，单片机已越来越广泛地渗透到人们的生活、工作中，以其为核心的控制系统，具有实时控制功能强、可靠性高、实用性强、应用范围广等优点。
随着人们生活水平的不断提高，单片机控制系统无疑是人们追求的目标之一，它所给人们带来的方便也是不可否定的。
因此，了解单片机知识、掌握单片机的应用技术具有重大的意义。
单片机技术结合指纹识别系统这一系统设计，是单片机广泛应用在工业领域的一个范例。
1.2.1指纹识别原理简介
指纹识别技术的原理和其它生物识别技术的原理相似。
它是利用人体的指纹特征对个体身份进行区分和鉴定。
严格来讲，指纹识别的原理包括指纹采集原理、指纹特征提取原理和指纹特征匹配原理三大部分。
指纹采集原理主要是根据指纹的几何特性或生理特性，通过各种传感技术把指纹表现出来，形成数字化表示的指纹图案。
指纹特征分析的原理是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的原理。
其分析的对象包括纹形特征和特征点的分布、类型，以及一组或多组特征点之间的平面几何关系。
指纹特征值匹配原理是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对匹配。
匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的。
匹配运算不是对两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配[5]。
1.2.2单片机简介
单片机操作简便，成本低，功能也相对稳定。
因此本次设计采用单片机控制指纹识别模块与外围设备。
目前单片机主要有以下几类：
1.51单片机系列
Mcs-5l系列单片微处理机是美国INTEL公司在MCS-48单片机的基础上于80年代初推出的产品，具有较强的功能，适应用比较复杂的应用场合，堪称世界上性能最高的微计算机系列。
其具有以下特点：
1）集成度高：
MCS-52单片机的代表产品为8051，其内部包含了4字节的ROM，
128个字节的RAM，4+8位并行口，一个全双工串行口，二个十六位的定时计数器以及一个处理功能很强的中央处理机。
5个中断源2个优先级。
2）可靠性高：
由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰，而且单片机应用系统体积小容易屏蔽，可靠性高，可以应用于多种场台。
3）处理功能强、速度高：
Mcs一5l单片微处理机指令系统中具有加减乘除指令及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能，CPU时钟高达l2MHz，单字节乘法和除法仅需4ps就可完成，且具有特殊的多机通讯功能，可作为多机系统中的一个子系统[7]。
2.AVR单片机系列
1997年,由ATMEL公司利用Flash新技术,共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，AVR单片机。
相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机[8]。
其具有以下特点：
1）采用CMOS技术和RISC架构，实现高速（50ns）、低功耗（μA）、具有SLEEP（休眠）功能。
AVR的一条指令执行速度可达50ns（20MHz），而耗电则在1μA～2.5mA间。
2）超功能精简指令：
具有32个通用工作寄存器（相当于8051中的32个累加器），克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。
片内含有128-4K字节SRAM，可灵活使用指令运算，适合使用功能很强的C语言编程，易学、易写、易移植。
3）操作方便：
程序写入器件时，可以使用并行方式写入（用编程器写入），也可使用串行在线下载（ISP）、在应用下载（IAP）方法下载写入。
可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品升级[9]。
3.MSP430单片机系列
MSP430系列单片机是美国（）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有（）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor]。
称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的、模块和集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。
该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[10]。
其具有以下特点：
1）处理能力强：
MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
2）运算速度快：
MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。
16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现的某些算法。
3）超低功耗：
MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处[11]。
4.PIC系列
PIC单片机系列是美国微芯公司（MiCroShip）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一，高调速性能好，成本低和编程灵活性，可使用C语言编程开发。
FlashROM内的单片机程序可以反复擦写,低功耗，灵活性很强[12,13]。
其具有以下特点：
1）精简指令集：
CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令三种。
而51系列有111条指令，AVR单片机有118条指令，都比前者复杂。
2）高效率：
PIC单片机采用Haryard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）[14]。
3）驱动能力强：
PIC单片机I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。
低电平吸人电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。
相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。
它的A/D为10位，能满足精度要求。
具有在线调试及编程（ISP）功能[15]。
1.3总结
PIC单片机不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求,我们可以针对我们所要设计的产品选择我们所需的单片机类型。
PIC单片机具有优越开发环境，像普通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单片机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.从价格来看PIC单片机也处于较低位置[16]。
传统的PC机+算法的指纹识别系统存在设计结构体积大、成本高、处理速度慢而且不便于携带等缺点[17]。
而嵌入式指纹识别系统则具有体积小、外围电路简单、处理速度快、能移植到PC机开发的程序上实现片上系统等优点[18,19,20]
因此，本次设计决定使用PIC单片机与嵌入式指纹识别模块结合的方案。
参考文献
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第二章开题报告
基于PIC单片机的指纹识别门锁设计
2.1设计意义
现代社会越来越需要高效可靠的身份识别系统。
传统的门锁系统中个人身份鉴别手段如钥匙、密码、身份磁卡、IC卡等识别卡方式。
但是，传统的个人身份鉴别方式可假冒、可伪造、可盗用、可破译，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。
从消除人为不安全因素看，只有不易被他人代替、仿制、且独一无二的身份码凭证才能做到。
因此，基于人体生理特征的身份识别系统逐渐为社会所瞩目。
随着识别技术的不断成熟，随着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、面纹等识别技术纷纷从实验室中走出来，由小型机落户微机，走向民用。
而从易用性、安全性、成熟性和造价等方面综合比较，指纹识别技术将成为未来人体生理特征身份识别技术的主流之一，指纹自动识别技术开创了个人身份鉴别的新时代，将来我们生活的很多场合都要用到指纹，指纹使我们的生活更方便、安全[1]。
2.2设计目标
本设计主要针对指纹识别模块开发出基于PIC单片机的指纹识别门锁系统。
该系统使用指纹识别模块采集指纹信息保存，并与PIC单片机建立通信，单片机将根据按键选择执行不同的功能，可以实现与指纹录入、指纹比对、删除指纹数据、开锁、关锁等功能同时当前所处状态将用液晶屏显示，以方便用户使用。
2.3研究的主要内容
本设计完成一种基于PIC单片机的指纹识别门锁系统。
主要包括PIC单片机，指纹采集模块，液晶屏模块，独立按键模块，电磁锁模块。
整体设计框图如图2.1所示。
图2.1整体设计总体框图
●PIC单片机:
用于数据的处理及外围设备的控制。
●指纹采集模:
用于块完成指纹的录入、比对、删除。
●液晶屏模块:
用于将该系统当前状态及指纹数据比对成果显示出来。
●独立按键模块:
用于选择该系统的功能。
●电磁锁模块:
用于门锁的开关。
2.4拟解决的问题
本设计解决的主要问题是指纹识别模块与PIC单片机之间的通信、独立按键模块控制、液晶屏模块控制和电磁锁模块控制。
2.5研究的方法与技术路线
本设计主要有硬件模块和软件模块两个部分：
硬件设计主要包括指纹识别模块、独立按键模块、液晶屏模块及电磁锁模块，软件模块主要是指在MPLAP环境下编写C语言程序[2]。
2.5.1硬件模块
1）指纹识别模块
本次设计采用基于嵌入式的指纹识别模块，该指纹识别模块系统主要由以下几个部分构成：
指纹传感器部分、电源管理及复位部分、时钟控制部分、通讯端口部分、程序及数据存储部分。
这种结构保证了系统的可靠性和可扩展性，同时节省了硬件资源，降低了成本。
系统结构如图2.2所示。
图2.2指纹识别模块结构系统
2）液晶屏模块
本设计使用LCD12864汉字图形点阵式液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM），配置LED背光，多种软件功能（光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等）。
图2.3为LCD12864引脚图。
图2.3LCD引脚图
3）独立按键模块
键盘采用独立式键盘。
其电路结构为：
键盘一端接微处理器的一个I/O口，同时接上拉电阻值系统电源，另一端接地。
在程序中采用查询的形式，当有按键按下时，将扫描码保存起来，根据键值，执行相关程序代码，实现用户操作功能。
4）电磁锁模块
磁力锁是利用电生磁的原理，当电流通过硅钢片时，电磁锁会产生强大的吸力紧紧的吸住吸附铁板达到开锁的效果。
非常小的电流也会让电磁锁就会产生很大的磁力，有效的控制电磁锁电源的门禁系统识别人员正确后即断电，电磁锁失去吸力即可开门。
由于PIC单片机电源为5V,因此本设计采用5V电磁锁与继电器结合的方式。
当I/O口为高电平时继电器导通电磁锁吸合。
反之，电磁铁释放。
电磁锁开锁流程如图2.4所示。
图2.4电磁锁开锁流程
电磁铁驱动电路如图2.5所示。
图2.5电磁铁驱动电路
2.5.2软件模块
USART通信模块
USART是一个全双工通用同步/异步串行收发模块，该接口是一个高度灵活的串行通信设备。
USART收发模块一般分为三大部分：
时钟发生器、数据发送器和接收器。
控制为所有的模块共享。
时钟发生器由同步逻辑电路（在同步从模式下由外部时钟输入驱动）和组成。
发送时钟XCK仅用于同步发送模式下。
发送器部分由一个单独的写入缓冲器（发送UDR）、一个串行、校验位发生器和用于处理不同桢结构的控制逻辑电路构成。
使用写入缓冲器，实现了连续发送多帧数据无延时的通信。
接收器是USART模块最复杂的部分，最主要的是时钟和数据接收单元。
数据接收单元用作异步数据的接收。
除了接收单元，接收器还包括校验位校验器、控制逻辑、和两级接收缓冲器（接收UDR）。
接收器支持与发送器相同的帧结构，同时支持帧错误、数据溢出和校验错误的检测[4]。
其通信设计如图2.6所示。
图2.6USART串行通信设计
本文设计采指纹识别模块与单片机使用USART串行通信方式进行通信。
即单片机与指纹识别模块之间的通信以及单片机对该模块的控制程序。
当单片机发送指令给指纹模块后，单片机会接收到该模块的反馈信息。
其流程如图2.7所示。
图2.7串口通信流程图
2.6预计结果
设计一个基于PIC单片机的指纹识别门锁，其主要流程如下：
当没有指纹存储时，可以存储指纹，在数据存储器中存储的第一个指纹就是管理员指纹。
当有指纹存储时且用户输入的指纹与管理员匹配时，进入管理员模式，管理员可以实现添加会员指纹，删除会员指纹、开锁等功能。
在执行任务之前，必须提示输入指纹，当输入指纹与管理员指纹匹配时才能执行该项任务。
当有指纹存储时且用户输入指纹与会员指纹匹配时，则门锁打开，当输入指纹与会员指纹不匹配时，门锁不会打开。
2.7研究的总体安排与进度
进度目标要求
20XX年12月20号-12月25号
查阅文献，撰写报告和文献综述的初稿
20XX年12月26号-1月1号
对开题报告和文献综述初稿进行修改，外文翻译
20XX年1月2号-1月15号
准备PPT，开题报告答辩
20XX年1月16号-3月1号
完成系统分析设计和原型开发
20XX年3月2号-4月17号
系统实现与集成，建立完整、详细的技术文档
20XX年4月18号-5月1号
的撰写与整理，提交毕业，答辩
参考文献
[1]柴晓光,岑宝炽.民用指纹识别技术[J]．人民邮电出版社，20XX
[2]李荣正.PIC单片机原理及应用[M]（第二版）．北京航空航天大学出版社，20XX
[3]童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．第4版．北京市：
高等教育出版社，20XX
[4]USART[OL].XX百科．baike.baidu/view/1368493.
第三章外文翻译
微控制器的自动切换磁性门锁的人脸识别
HarnaniHassanRaudahAbuBakarAhmadThaqibFawwazMokhtar
FacultyofElectricalEngineering
摘要
由于人脸识别系统的鉴定能力，其被广泛用于人体身份识别，其被广泛用于人类身份识别，特别是安全领域。
本文介绍了图形用户界面（GUI）的发展。
GUI是基于面部识别系统以及外围设备接口控制器（PIC）作为输入输出控制磁力锁的开启、关闭门锁的安全系统。
GUI和PIC微控制器之间使用USB串行通信，允许从GUI输入数据传输到单片机。
本系统表明，自动切换传输模式通过PIC单片机和USB串行通信进行实施。
同时还发现，当授权GUI图像数据库被确定的时候，GUI可以成功地打开和关闭磁力锁。
关键词：
外设接口控制器（PIC）；微控制器；图形用户界面（GUI）；MATLAB；
1概述
安全目前已成为一个非常重要的问题，这是为什么大量的安全系统使用一个重要的过程作为目的，例如识别，特别是建立访问控制[1]。
人脸识别是提高建立访问控制应用程序的安全性进程的一个例子。
使用脸部识别而不是其他虹膜或指纹识别的好处是它具有少侵入性，而且更安全[2]。
基于GUI的面部识别系统的门锁控制的发展，使用微控制器是建立访问控制安全系统的一个例子。
该过程的开始时基于用户的面部信息来创建一个新的模板。
该模板与存在于模板数据库中的模板相比较，如果此模板与设置的容差相匹配，则访问的预期资源通过通信端口发送到微控制器被授予信号[3]。
目前，建立安全性成为重要问题之一来处理[2]。
为了建立人脸识别、虹膜识别、指纹识别的的访问控制，许多识别方法已被引入到提高保障制度中。
与其他相比，人脸识别是低侵入性的，而且更安全[4]。
最初，根据用户的脸部信息，创建一个新的模板。
创建的模板将会与存在于数据库中的模板进行比较。
如果两个模板之间的匹配特性在一组公差范围内，则访问将会被授予。
许多方法在面部识别系统中得以应用。
其中之一是脸特征。
这种方法适用于当脸部图像被投影到最好是定义为已知的测试图像变化的一个面空间（特征空间）。
面空间被定义为特征脸的组面的特征向量。
然后，个人识别是通过比较新的图像中的投影与可用的培训集的投影的特征空间图像[4]。
使用图形用户界面，可以大大简化这个过程。
它可以简化用户的工作，使用户无需查找命令运行的程序或者系统。
所有图形用户界面和特征脸识别方法的算法都是建立于MATLAB20XXa。
单片机之所以使用于此项目，是因为它具有高速性能、低成本和编程灵活性。
作为一个标准的计算机，该控制器还包括CPU、ROM、I/O端口和定时器。
然而，它们被设计成只执行一个特定任务来控制一个单一的系统。
此外，PIC16F877A微控制器具有一个内置的通用同步异步收发器（USART），可直接与个人电脑相连[5]。
USART模块有两种操作模式：
同步（在发射机和接收机之间需要一个同步时钟）和异步（无需同步时钟）。
USART通常使用于异步模式下。
本文分为几个部分。
第2节简要介绍了系统的开发方法。
第3节解释有关最小电路中使用的硬件实现。
第4节介绍采用单片机门锁系统电路的发展。
第5节介绍单片机编程开发。
第6章解释使用图形用户界面（GUI）的发展MATLAB软件。
第7条提供结果，讨论，最后第8节总结了整体工作。
2系统架构设计
所开发的系统被划分成两部分。
如图所示在图1中的第一部分，该系统是基于GUI的脸识别系统和第二部分是由单片机硬件实现。
基于GUI的人脸识别系统的功能作为主控制从机单元，用于单片机PIC16F877A。
在该系统中，确认图像被变换成8位的信号作为一个ASCII码通过串行通信端口连接到单片机的电路。
然后，将串行信号转换成CMOS电平信号使用MAX232。
将分析所接收的信号，由单片机磁力锁来锁上或解锁。
硬件设计
图1门锁系统流程图
3PIC16F877A单片机
PIC16F877A单片机，多达8Kx14字节flash寄存器用于本系统。
它具有368×8字节的数据存储器和256×8个字节的EEPROM数据存储器。
它5V的直流电源供电，它也由33个I/O引脚[4]。
最小的电路PIC16F877A图2中给出。
正如在图2中所示，端口1是主复位输入，可以重置PIC20MHz的晶体
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