【基于指紋識別的考勤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)7000字（論文）】

11基于指紋識別的考勤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)目錄19245[摘要] 15728引言 3231211研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3285641.1研究背景 3223931.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 320322系統(tǒng)方案選擇和論證 4247122.1設(shè)計任務(wù)和相關(guān)要求 493402.2基本模塊方案 5307582.2.1MCU的選擇和驗證 572712.2.2屏顯方案 5249812.2.3輸入方案 533723指紋識別考勤系統(tǒng)的硬件設(shè)計 697803.1硬件設(shè)計整體框架 682333.252單片機主控制模塊 6229913.3LCD12864顯示模塊 746663.4AS608指紋芯片模塊 8258743.5供電模塊 8132334系統(tǒng)的軟件部分 9154.1主要功能實現(xiàn)程序 923624.2液晶顯示流程 1077044.3指紋模塊流程 1173715系統(tǒng)各部分調(diào)試 12157395.1單片機及其最小系統(tǒng)調(diào)試 12181815.24*4矩陣按鍵調(diào)試 12250365.3AS608指紋模塊調(diào)試 14155415.4LCD12864調(diào)試 1530190結(jié)束語 1618779參考文獻 16引言網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人類物理和虛擬空間不斷擴大，現(xiàn)代科技提升對身份識別的準確性、安全性和實用性，傳統(tǒng)對身份識別的方法存在很多的弊端，也無法滿足當(dāng)下人前對身份的識別需求。生物技術(shù)的不斷發(fā)展為身份識別技術(shù)提供成熟的技術(shù)支持，生物識別技術(shù)就是可以利用人體生物特征進行身份認證，生物特征是每個人獨有的，可以測量或可以自動識別、驗證對被驗證人的行為特征和生理特征，所以可以對認證特征分為行為特征和心理特征。指紋識別技術(shù)的發(fā)展是當(dāng)前生物識別技術(shù)特征發(fā)展較為成熟，每個人的指紋曲線和特征點都是不一樣的，采集方便，驗證方式快，識別系統(tǒng)獲取其特征與數(shù)據(jù)存儲模板進行對比后，判斷指紋是否符合要求。1研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1研究背景考勤系統(tǒng)在學(xué)校和辦公司的日常人員出勤的情況，更好的加強對人員的管理和了解，規(guī)范日常出勤并提高工作和學(xué)習(xí)效率，維持正常的公共秩序而且有利于公共機構(gòu)的發(fā)展。一開始使用的考勤是通過點名進行簽到，過程比較繁瑣且容易出錯，而且有嚴重的青睞出席現(xiàn)象，人們的研究出各種新型考勤來規(guī)避傳統(tǒng)考勤的不足之處REF_Ref9535\r\h[1]，隨著新的考勤系統(tǒng)的出現(xiàn)，在出勤問題上，仍然存在諸如感應(yīng)卡丟失，消費和青睞出席等情況，需要不時投入長時間的人力和支出。為了更好的解決這些問題，我們可以通過采集人體特征的考勤系統(tǒng)。相對于人體其他生理特征的指紋特征，人體指紋是每個人特有的特征，終生不變以及不可以復(fù)制的操作，在目前需要私密性高的設(shè)備以及場所都是最常用的，另外，它還具有收集簡單，處理成本低，使用壽命恒定的優(yōu)點。同時，指紋識別技術(shù)也是當(dāng)前在國家安全，訪問控制系統(tǒng)和考勤系統(tǒng)中很常見的生物特征認證技術(shù)之一。如果應(yīng)用于于人數(shù)多、工程量大的系統(tǒng)，指紋考勤的優(yōu)勢就有非常明顯的效果。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國，指紋考勤系統(tǒng)在很長一段時間大多數(shù)用于企業(yè)管理，它可以對出入人員進行管制，身份認證主要涉及系統(tǒng)里面所存儲的信息?，F(xiàn)今可以偽造，挪用，解密等傳統(tǒng)的個人身份識別方案，無法再滿足當(dāng)前社會的安全要求。采用生物特征識別技術(shù)，該技術(shù)不容易被他人替代，模仿，甚至具有無法由您自己轉(zhuǎn)移的生物特征識別，為了盡可能消除人為的不安全感。當(dāng)下的生物技術(shù)不斷的發(fā)展也成為了數(shù)字生活中最高級的安全密鑰系統(tǒng)。而且隨著技術(shù)的成熟和發(fā)展，指紋考勤產(chǎn)品價格也不是特別高，所以很多中小企業(yè)在人員管理方面都會比較傾向于使用指紋考勤系統(tǒng)，而指紋考勤產(chǎn)品的銷售數(shù)量也占很多生物識別技術(shù)產(chǎn)品銷售數(shù)量的40%。當(dāng)前有兩種常用的指紋考勤系統(tǒng)類型：嵌入式系統(tǒng)和計算機在線系統(tǒng)。國外有很多品牌的指紋考勤系統(tǒng)產(chǎn)品，知名制造商，也都在指紋考勤系統(tǒng)的研發(fā)技術(shù)上取得過好成績。在中國，指紋考勤系統(tǒng)的制造商很多，但擁有用于研發(fā)，生產(chǎn)和采集的儀器和算法技術(shù)的制造商并不多。國內(nèi)指紋考勤系統(tǒng)廠家基本分為三個層次：第一層適用于擁有各種研發(fā)采集工具和算法技術(shù)的制造商；第二層是使用別人的獲取工具，擁有自己專門的核心算法REF_Ref9933\r\h[2]；第三層主要是使用其他人的模塊來進行后端應(yīng)用程序開發(fā)。2系統(tǒng)方案選擇和論證2.1設(shè)計任務(wù)和相關(guān)要求1、本系統(tǒng)主要組成部分使用了MCU系列的STC89C52芯片，再加上12864液晶顯示屏、4*4矩陣按鈕、光學(xué)AS608指紋芯片識別模塊、存儲模塊、DS1302時鐘模塊共同構(gòu)成；2、在系統(tǒng)操作上，相對應(yīng)的按鍵能實現(xiàn)相對功能，對于指紋錄入和刪掉的功能，在使用其進行打卡時，如果該指紋沒有被錄入過，顯示屏上狀態(tài)欄會顯示“無效指紋”字眼進行提示REF_Ref10015\r\h[3]；如果曾對該指紋進行錄入，打卡的時候，顯示屏上會顯示該指紋的指紋編碼，狀態(tài)欄也會顯示“打卡成功”字眼，后臺會根據(jù)人員的打卡時間確定人員的考勤狀態(tài)并進行記錄；3、為了方便在系統(tǒng)上查詢考勤記錄并對其進行管理，設(shè)置了管理員程序，管理員能使用矩陣按鍵輸入一開始設(shè)置好的密碼，進入到管理員的界面，管理界面能夠使用矩陣按鍵進行指紋錄入、刪掉指紋、查詢打卡記錄、密碼的修改以及調(diào)整打卡時間等功能。4、系統(tǒng)配置時鐘模塊對考勤時間的設(shè)置，在打卡過程中，存儲模塊AT24C02芯片會記錄指紋的打卡時間，通過對應(yīng)功能的按鍵能進行查詢?nèi)靸?nèi)的打卡記錄，缺勤、遲到或早退，打卡成功后顯示屏?xí)@示相對應(yīng)的字眼（缺勤簽到、遲到簽到或早退簽到），打卡失敗顯示屏?xí)@示“打卡失敗”或者“無效指紋”字眼提示，說明指紋無效。2.2基本模塊方案2.2.1MCU的選擇和驗證第一種方案，主要控制芯片選用STM32芯片，芯片內(nèi)置多路的定時器、看門口狗、串口、A/D、D/A轉(zhuǎn)化等資源，程序編程和硬件配置復(fù)雜，芯片成本高，大型系統(tǒng)操作適用STM32芯片。第二種方案，采用52芯片，52芯片具有40個IO口輸出，并且集成有定時器等功能，成本劃算，硬件、編程易上手，DIY的小型系統(tǒng)作品可采用52單片機，功能也已經(jīng)夠用。因為預(yù)想的指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計沒有很多功能模塊，所以內(nèi)部資源也不會需要很多，并且金錢成本也能控制在合理范圍內(nèi)，作為一名還沒有工作的學(xué)生黨，為了更好地控制成本，因此我最后決定本次設(shè)計的指紋考勤系統(tǒng)采用STC89C52芯片。2.2.2屏顯方案第一種是選用LED1602液晶作為顯示界面，LED1602液晶能顯示有限文字、字符和數(shù)字，整體的顯示清晰美觀，焊接和編程易操作，LED1602液晶適用于顯示多個字符、有限文字和數(shù)字。第二種方案是顯示界面選用LCD12864液晶，LCD12864液晶能顯示文字、字符、數(shù)字等REF_Ref10044\r\h[4]，整體顯示明顯，并且顯示內(nèi)容的界面是LED1602液晶的兩倍，晶頻小，反應(yīng)快，更新速度很快。指紋考勤系統(tǒng)的液晶顯示屏需要顯示文字還有相關(guān)的提示（考勤的時間和指紋的編號以及考勤的狀態(tài)），而數(shù)字管只能顯示數(shù)字和單個字符，不太符合要求。所以最終決定選擇更加符合此次指紋考勤系統(tǒng)設(shè)計要求的LCD1286液晶。2.2.3輸入方案方案一，系統(tǒng)輸入方式若為獨立的按鍵，單個按鍵就需要占用單片機I/O，獨立按鍵的，程序編程容易，主要用于少數(shù)個按鍵功能的系統(tǒng)。方案二，矩陣按鍵作為系統(tǒng)輸入方式，矩陣按鍵焊接復(fù)雜，尤其在焊接過程中容易把按鍵的引腳焊接錯誤，在程序編程中也比較復(fù)雜，在應(yīng)用過程中占用單片機IO口少，主要用于帶有復(fù)雜按鍵的系統(tǒng)。由于設(shè)計的指紋考勤系統(tǒng)需要實現(xiàn)指紋錄入、撤銷、菜單按鍵以及密碼輸入，矩陣按鍵能滿足此系統(tǒng)需要的，因此指紋考勤選用矩陣按鍵作為按鍵輸入。3指紋識別考勤系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1硬件設(shè)計整體框架本次設(shè)計的考勤系統(tǒng)是采用STC89C52單片機作為主控芯片，DS1302時鐘模塊，LCD12864液晶，AT24C02存儲芯片，矩陣按鍵，AS608指紋芯片等共同組成系統(tǒng)的整體硬件。在硬件部分，主控制芯片模塊處理每個功能模塊收集的信息，并將它們處理、轉(zhuǎn)化、分析、在傳輸出去；AS608指紋芯片負責(zé)收集指紋信息并將其傳輸?shù)街骺匦酒M行處理；4*4矩陣按鍵是用于采集密碼的信息、實現(xiàn)菜單的功能，并且實現(xiàn)對指紋進行錄入和刪掉、密碼修改、設(shè)置顯示時間和上班時間的功能REF_Ref10090\r\h[5]；LCD12864模塊主要用于顯示操作界面和指紋信息（對指紋的錄入和時間的設(shè)置進行實時的顯示）；時鐘模塊能夠通過簡單的串行端口與單片機進行通訊，用于設(shè)置和記錄時鐘時間；存儲模塊是對指紋和打卡記錄進行存儲；供電模塊用于給整個系統(tǒng)供電。圖3-1系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖3.252單片機主控制模塊STC89C52芯片作為指紋識別考勤系統(tǒng)的核心控制使用，具有40個引腳、8K字節(jié)Flash的最小系統(tǒng)，同時還包含了晶振和復(fù)位的電路REF_Ref10116\r\h[6]。晶振電路是單片機最重要的部分，當(dāng)晶振起振時單片機才能正常工作，晶振電路中的電容選在21uf到29uf之間時，晶振正常起振。復(fù)位電路是通過阻容來實現(xiàn)復(fù)位，并且這個系列的單片機相應(yīng)的引腳內(nèi)部沒有下拉電阻，所以電阻必須選用10k，電容需要選用10uf，連接如圖3-2：圖3-2STC89C52最小系統(tǒng)電路圖3.3LCD12864顯示模塊指紋考勤系統(tǒng)所采用LCD12864顯示屏，在程序編程中先選擇液晶是串行通信還是并行通信，在選擇并行通信通信時，需要D0-D7引腳與芯片的P0.0~P0.7進行通信，檢測液晶相應(yīng)的地址碼上，然后在通過液晶上P25、P26、P27引腳進行驅(qū)動液晶顯示。圖3-3液晶顯示電路3.4AS608指紋芯片模塊指紋的采集是根據(jù)每個人的指紋特有局部的點、線等特點，在處理采集到的指紋的全局圖像時會對采集到的圖像進行三次的過濾采集，最后得到的每個指紋特有點、線特點存儲、判斷和處理。指紋識別的原理是比較每個人手指上皮膚的不平整來產(chǎn)生不同的指紋圖像特征。它是通過指紋采集過程中的壓力獲得的。通常使用的結(jié)構(gòu)特征有兩個層次：1）整體特征；2）局部特征REF_Ref10159\r\h[7]。AS608指紋模塊是成品模塊，采集處理圖像穩(wěn)定，登錄指紋后，STC89C52微控制器發(fā)出指令，光學(xué)傳感器將自動輸入每個指紋兩次，然后處理圖像，接著將最終比較標準的存到存儲模塊中。在進行打卡時，手指在接觸傳感器時通過壓力會在傳感器上形成圖像，接著記錄指紋，再去匹配模塊中的指紋模板，并比較（匹配方式有兩種，一種是指紋比對方式，這種方式是面向模塊中指定的一個模板進行；第二種方式叫指紋搜索方式，這種方式則是面向模塊中多個模板進行），對比完成后，模塊給出匹配結(jié)果（有兩種情況，或成功或失敗）。結(jié)果的信息通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機做出相應(yīng)的響應(yīng)來控制液晶顯示。但是這個指紋模塊僅需要3.3V電源，因此使用兩個二極管來降低5V電源，電壓最好處于3.5V左右給指紋模塊進行供電，避免燒毀指紋模塊造成短路。指紋模塊分別通過P3.0，P3.1和P3.7連接到主控制芯片的IO端口。如圖3-4AS608指紋芯片與單片機連接電路圖。圖3-4AS608指紋芯片與單片機連接電路圖3.5供電模塊考勤系統(tǒng)運行首先需要單片機的運行，所以要提供5V電壓，步進電機也是需要5V電源進行供電，電源開關(guān)閉合時，系統(tǒng)的所有功能模塊的正極連接，系統(tǒng)狀態(tài)正常，同時為各個功能模塊供電，關(guān)閉電源開關(guān)系統(tǒng)則不在運行。保障電源穩(wěn)定輸出在電源的正負極加上10uF電容，能夠確保系統(tǒng)的電壓供電穩(wěn)定，這樣就不會影響到作品的正常功能應(yīng)用。如圖3-5所示。圖3-5電源電路4系統(tǒng)軟件部分4.1主要功能實現(xiàn)程序在將系統(tǒng)各部分都連接完成后，上電后按下“進入管理界面”功能按鍵進入“菜單”界面，顯示屏?xí)崾臼褂镁仃囨I盤輸入正確密碼才能對系統(tǒng)進行后面的操作，在進行錄入指紋操作時，指紋模塊就會采集指紋的圖像信息，并將采集到的信息發(fā)送給MCU，MCU將統(tǒng)一處理接收到的指紋信息數(shù)據(jù)，對指紋的錄入時需要錄入兩次，通信判斷兩次的指紋一致才能錄入指紋成功。當(dāng)進行打卡操作時，所打卡的指紋信息需要與存儲芯片中的記錄進行比較，在比較數(shù)據(jù)的過程中將會與指紋模塊存儲指紋圖像的庫進行比對，比較的數(shù)據(jù)與記錄的信息一致，單片機將向液晶顯示屏發(fā)送提示，提示該指紋的主人“已打卡成功”（狀態(tài)根據(jù)具體打卡時間確定是缺勤、遲到或早退）；相反，如果不符合，單片機也會給液晶屏顯示的指令，則會顯示“無效指紋”REF_Ref10257\r\h[9]。管理員通過4*4矩陣按鍵輸入由0-9數(shù)字組成的六位數(shù)字密碼，進入管理菜單界面，能對指紋信息庫進行刪掉和錄入、修改密碼、設(shè)置系統(tǒng)時間和上班時間。切換到查詢功能能夠查到三天內(nèi)的打卡記錄，分別按下兩個翻頁按鍵可以向前或者向后查看考勤打卡記錄。如圖4-1所示。圖4-1主程序流程框4.2液晶顯示流程當(dāng)考勤系統(tǒng)通上電源電壓時，LED12864液晶開始初始化顯示狀態(tài)，顯示模塊是為了顯示指紋信息和菜單功能選擇，起到提示作用，然后界面顯示的提示接受到相關(guān)的內(nèi)容指令就會顯示在屏幕上，根據(jù)指示進行下一步操作，對指紋進行相關(guān)操作和查看管理界面菜單等信息REF_Ref10289\r\h[10]。如圖4-2所示：圖4-2液晶流程圖4.3指紋模塊流程指紋模塊上電后，使用半雙工異步串行通信與微控制器通信，如圖4-3所示，指紋模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，當(dāng)發(fā)送標志TI=0時，表明單片機已經(jīng)接收到來自指紋模塊的數(shù)據(jù)；在指紋模塊收到新數(shù)據(jù)過程中，直到接收標志重置為RI=0，就表示已經(jīng)接收到來自單片機的數(shù)據(jù)，指紋模塊與單片機達到了相互通信的效果。此外，模塊中還有專門的存儲區(qū)域（512字節(jié)）供給用戶使用，該區(qū)域能夠?qū)τ脩舻臄?shù)據(jù)進行斷電保護，在FLASH中有用來存儲指紋的模板的區(qū)域。圖4-3串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送、接收流程圖5系統(tǒng)各部分調(diào)試5.1單片機及其最小系統(tǒng)調(diào)試在綜合選擇了STC89C52單片機作為主控制芯片后，單片機通過最小系統(tǒng)焊接使用，如圖5-1所示，焊接成功后，往最小系統(tǒng)的插槽中插入芯片，要特別注意芯片的插放，芯片引腳極易變形，所以得檢查一下各個引腳是否插好，接通電源后再打開開關(guān)，最小系統(tǒng)開始進入工作模式，用萬用表檢查STC89C52芯片，排查有沒有存在虛焊或短路的情況，STC89C52芯片的初始內(nèi)部程序?qū)⑹顾械腗CUI/O端口頻率為1Hz方波輸出，使用LED燈檢測芯片的輸出頻率是否穩(wěn)定就能排查，排查結(jié)果確定，該芯片和最小的系統(tǒng)可以正常工作REF_Ref10329\r\h[11]，也可以通過這個方式排查出焊接失誤的情況。圖5-1最小系統(tǒng)焊接5.24*4矩陣按鍵調(diào)試選擇使用4*4矩陣鍵盤用作實現(xiàn)系統(tǒng)的密碼輸入，并實現(xiàn)其它相對應(yīng)功能，所采用的矩陣鍵盤有16個按鍵，系統(tǒng)的功能需要都用到，所以每個按鍵都相對應(yīng)有一種功能，在編程中將初始密碼設(shè)置為六個0，當(dāng)按下按鍵，進入管理員登錄界面后，如圖5-2-1所示，通過矩陣按鍵輸入六個0后，按下確認按鍵后，系統(tǒng)會先進入到設(shè)置界面，如圖5-2-2所示，可以在液晶上的提示按下相應(yīng)功能的數(shù)值按鍵，通過矩陣按鍵重置密碼（可以設(shè)置0-9數(shù)字中任意6個），如圖5-2-3所示，新密碼（六位）將通過主控制芯片保存到AT24C02存儲模塊中REF_Ref10358\r\h[12]，按下“返回上一級菜單”按鍵，退出設(shè)置界面，重新輸入一遍剛才重置的新密碼，如果可以重新進入到之前的設(shè)置界面，如圖5-2-4所示，在以上過程中再相對應(yīng)地測試實現(xiàn)“確定”、“退格”功能的按鍵，比如不小心輸錯一個數(shù)字，可以使用退格鍵，在上面的測試都能夠成功完成后，說明矩陣按鍵是可以用的，否則就需要再檢查一遍矩陣鍵盤的程序定義，還有相對應(yīng)的實物焊接，最后的調(diào)試結(jié)果證明矩陣按鍵沒有問題。圖5-2-1管理員登錄界面圖5-2-2設(shè)置界面圖5-2-3重置密碼界面圖5-2-4重新登陸進入設(shè)置界面5.3AS608指紋模塊調(diào)試考勤系統(tǒng)中的功能按鍵基本上都是5V電壓進行供電，而考勤系統(tǒng)中的指紋模塊用的是3.3V供電。所以如果直接用5V電壓對整個系統(tǒng)進行供電，其他模塊雖然可以工作，但是指紋模塊會燒壞了，但是如果直接選擇3.3V電壓進行供電的話，其他模塊又會無法正常工作，所以只要在給指紋模塊供電的部分采用電阻將5V電壓降到3.3VREF_Ref10397\r\h[13]，如圖5-3-1所示，保護指紋模塊避免燒壞，指紋模塊正常工作如圖5-3-2所示，調(diào)試結(jié)果說明指紋模塊也沒有問題。圖5-3-1指紋模塊原理圖、指紋模塊實物連接圖5-3-2錄入指紋成功5.4LCD12864調(diào)試指紋考勤系統(tǒng)的顯示選用的是LCD12864液晶，LCD12864液晶有20個引腳采用串聯(lián)焊接，在程序下載前，一一檢查LED12864液晶的引腳與單片機的IO端口之間的連接以及程序中定義的IO端口是否相互對應(yīng)，并在程序下載好之后，觀察12864顯示屏是否能按要求顯示內(nèi)容，如圖5-4-1，調(diào)試結(jié)果看出液晶能夠正常顯示，在通過功能按鍵進行液晶顯示切換時，液晶能根據(jù)按鍵功能液晶界面切換，如果未按要求顯示，就需要在LCD程序中重新檢查順序地址代碼，還要檢測電路焊接是否有虛焊和短路的情況REF_Ref10449\r\h[14]，因為這些情況都有可能導(dǎo)致LCD12864顯示屏沒有根據(jù)要求進行顯示。圖5-4-1正常顯示系統(tǒng)界面結(jié)束語此次指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計，選用單片機STC89C52為主控芯片，利用AS608指紋模塊傳感器進行采集指紋的信息進行判斷指紋是否符合要求，實現(xiàn)人員的指紋考勤系統(tǒng)。設(shè)計完成的過程中遇到的問題比想象中的多，之前的實驗課操作課我們有操作過做實物，但是以小組形式，此次設(shè)計是需要個人自己完成，理論知識的應(yīng)用不夠扎實，一開始也不是學(xué)校里的好好學(xué)子，課余的時間除了完成老師布置的任務(wù)以外，