畢業論文--基于單片機的指紋識別系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 b 指紋二值化圖像 圖 c 指紋細化圖像 圖 3 指紋圖像的二值化及細化結果 從分割后的二值化處理圖像中，我們可以看到，整個灰度變成了黑白的二值圖像圖，圖像的條紋比較清楚，它的實現有助于壓縮數據量和細化的實現。 細化將黑白二值圖像細化成了單個像素帶寬的指紋圖像，由于模板的選擇不同，上圖中的細化圖像一定程度上存在毛刺、分叉、斷點等不理想的情況。所以在特征提出前還需稍加處理，細 化好的模板選擇可以提高圖片的質量和細化運算的速度。 8 . 指紋圖像的特征提取 . 指紋特征提取概述 特征提取就是對細化后的指紋圖像提取表示其特征的信息的操作。前面所敘述的指紋圖像預處理目的就是為指紋的特征提取和最終識別建立一個良好的基礎，以保證整個系統識別率比較高。對于自動指紋識別技術而言，選擇一種合適的、能表達指紋唯一性的特征量是非常關鍵的。一般說來，這種特征應有以下性質： (1) 單一性：要求這種特征能夠充分體現指紋的唯一性。 (2) 可測試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應用。 (3) 緊湊性：要求提取的特征不應包含指紋唯一性 以外的冗余信息，并且信息量要盡量小，便于存儲、管理和計算。 (4) 魯棒性：要求這種特征對噪聲的存在與指紋形變不敏感。 對于特征點提取的常用算法很多，如： (1) 基于二值化的特征提取方法：這種算法對于預處理和增強后得指紋圖像進行二值化，然后再提取特征點。 (2) 基于直接灰度的特征提取方法：這種方法直接從灰度圖像出發，通過分析圖像的紋理屬性和拓撲結構提取特征點。 (3) 基于細化圖像的特征提取方法：這種方法是將指紋圖像處理后得到細化圖像，通過細化圖像提取特征點。 為了比較兩個指紋是否相同，需要從指紋圖像中提取出能表示指紋唯一性的特征。 Galton 提出的指紋細節點是人工指紋匹配中最常用的特征。指紋由脊線和谷線交替構成，在大多數地方紋線連續且相互平行，而某些局部不連續的地方構成了細節點。 Galton 定義了 4 種細節點類型：分叉點，端點，環、島，并指出細節點具有唯一性，可以用于指紋匹配。 目前已定義的特征類型己達 150 多種，但是這些擴展的特征往往不易提取相互區分，并且它們都可以由端點和分叉點的組合進行描述，這使得端點和分叉點成為最常用的結構特征，也稱為細節特征，它被認為是最穩定、最容易檢查的，而且占全部特征點的 80％以上。提取出的特征點還必須經過 偽特征點的去除，盡可能地去除掉由于二值化、細化處理等過程引入的偽特征點。最后確定出特征點的類型、位置、方向。 . 指紋特征提取和去偽特征 目前在細化二值圖像中提取細節特征多是用 8 鄰域法，該方法比較簡單，在得到可靠的細化二值圖像后，只需要一個 3 3 的模板便可將端點和分叉點提取 9 出來。對于細化二值圖像，像素點的灰度值只有兩種情況。 在提取指紋圖像的細節特征中，由于圖像質量和噪聲的干擾，存在大量的偽特征點，實驗表明一幅質量較差的圖像在經過預處理，細節特征提取后可能產生多達一兩萬個細節特征點，其中包含了大量的偽特征點，這 些偽特征點的存在，不但使匹配的速度大大降低，還使指紋識別性能急劇下降，造成識別系統的拒真率和誤識率的上升，因此在進行指紋匹配之前，應對細節特征進行驗證，盡可能將偽特征點去除，同時保留真特征點。 圖 4 通過判斷后得到的特征點分布圖 這個特征點分布結果圖包含了特征點和偽特征點。在匹配前還需對毛刺、小橋等偽特征點加以識別和處理，這樣有助于后面匹配的進行，使匹配更加精確無誤和快速。 . 指紋圖像的匹配 指紋匹配要解決的是對兩幅給定指紋圖像的特征模式進行比對，判斷這兩幅圖像是否來自同一個人的同一手指。指紋匹配是自動 指紋識別的最后一步，也是非常關鍵的一步。 指紋圖像匹配方面，主要有基于圖像，脊線結構和特征點的方法。基于特征點的匹配算法具有簡單、快速、魯棒性等優點。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細節點坐標模型來做細節匹配。它利用脊線上的端點和分叉點這兩種關鍵點來鑒定指紋。通過將細節點表示為點模式，一個指紋識別問題可以轉化為一個點模式匹配問題。點匹配算法是通過某些變換，如平移變換、旋轉變化、伸縮變換，可以把兩個點集中的對應點匹配起來。 10 3. 硬件系統設計 . 系統總體設計 . 系統功能簡述 本系統是針對指紋采集、識別模塊開發出的 指紋識別系統。該系統使用指紋模塊搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉化成數據的形式發送出去。它利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成采集任務，并將顯示出指紋模塊采集指紋圖像各個流程及比對的結果。簡單的描述本次設計的功能即使用指紋模塊檢測、錄入指紋，將比對結果顯示。 該系統的主要功能有以下幾個方面： (1) 指紋錄入。能進行指紋的錄入，二次錄入無誤后，記錄該指紋數據。 指紋圖像通過專門的指紋采集儀采集 。 (2) 指紋識別。能進行指紋的識別 ，指紋識別出錯時，報警提示。圖像采集完成后，與庫中已存在指紋進行對比，與所有有權限用戶信息對比后，若無相符信息即提示報警。 (3) 指紋管理。能進行指紋數據的管理，添加和刪除指紋數據。對添加到庫中的用戶指紋進行權限管理，設置最高權限用戶，并能夠對其進行添加和刪除管理。 (4) 操作顯示。通過按鍵進行指紋系統的功能選擇，采用數碼管與 LED（ Light Emitting Diode，發光二極管 ）指示燈綜合提示操作內容。若信息經核對相符，即提示該用戶擁有權限，若不相符，即提示非法操作。 . 系統電路設計 系統電路框架是根據設計任務要 求，對系統所需元件、設備參數進行必要的計算，通過認真研究、分析、比較選定設備型號，再將設備、元件通過可靠的接口電路聯系起來構成的一個完整的系統。綜合考慮系統的性能和穩定性要求，以保證所設計的系統達到預期的要求。主控芯片選用 AT89S52 單片機。系統總 體框圖如圖 5 所示： 11 圖 5 系統總體框圖 系統主要由 MCU（ Microcontroller Unit，微程序控制器）、 LED 屏（ Large Electronic Display，大型電子展示 ）、指紋模塊組成。系統的工作過程主要是當檢測到有按鍵按下時先由 MCU 通 過串口通信控制指紋模塊對指紋進行采集、錄入、存儲、比對。然后，根據所得的數據對其它接口器件，如顯示屏、蜂鳴器、指示燈進行響應操作。 . 系統核心部件單片機 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系統可編程Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器 技術制造，與工業 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程， 亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8K 字節 Flash， 256 字節 RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針，三個 16 位定時器 /計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及 時鐘電路 。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89S52 引腳圖如圖 6，其主要引腳功能介紹如下： AT89S52 單片機 數碼 顯示管 指紋模塊 獨立按鍵 指示燈 蜂鳴器 電源、時鐘電路 12 圖 6 AT89S52引腳圖 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動8 個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數據復用。在這種模式下， P0不具有內部上拉電阻。在 FLASH 編程時， P0 口也用來接收指令字節；在程序校驗時，輸出指令字節。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫 “ 1” 時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 此外， 和 分別作定時器 /計數器 2 的外部計數輸入（ ）和定時器 /計數器 2 的觸發輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節。 端口引腳第二功能： T2（定時器 /計數器 T2 的外部計數輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數器 T2 的捕捉 /重載觸發信號和方向控制） MOSI（在 系統編程 用） MISO（在系統編程用） SCK（在系統編程用） P2 口： P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因， 13 將輸出電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數據存儲器（例如執行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地址。在這種應用中， P2口使用很強的內部上拉發送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部 數據存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內容。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫 “1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 FLASH 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。 端口引腳第二功能： RXD(串行 輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時 /計數器 0) T1(定時 /計數器 1) WR(外部數據存儲器寫選通 ) RD(外部數據存儲器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存 編程和程序校驗的控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機 器周期以上高電平將是單片機復位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC 指令才能將 ALE 激 活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置 ALE 禁止位無效。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數據存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 14 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執行內部程序存儲器的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內部時鐘發生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 此外，片上資源包括看門狗定時器、 UART、定時器 0 和定時器 1，以及定時器 2。 . 其他模塊電路 . 電源模塊 整個模塊采用 USB 供電，以按鍵式開關啟動或關閉電源。當按下電源鍵時，電源開啟，電源指示燈點亮。 圖 7 電源模塊電路 . 時鐘模塊 時鐘電路用來產生單片機 工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調電容，形成反饋電路，就構成了一個穩定的自激振蕩電路。時