指纹防盗锁的创新研究与报告

大学生创新实验项目结题报告书
一、课题名称：
指纹防盗锁的创新研究
二、课题提出的背景：
指纹识别是目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的技术。

指纹识别作为识别技术已经有几个世纪的历史了。

指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，特征点如嵴、谷和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值可以非常的详尽，以便可靠地
指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场的应用有着很大的潜力。

三、课题研究的目的和意义：
指纹识别技术是生物特征识别领域中最为成熟的一门应用技术，具有悠久的历史。

长期以来，指纹识别技术主要应用于刑事侦查与司法鉴定领域，不被大多数人所了解。

计算机与信息处理技术的飞速发展，为这门历史悠久的应用技术开拓了更为广阔的市场，指纹识别技术与相关产品越来越多地应用于民用市场。

生物识别技术（Biometric Identification Technology）是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。

生物特征是唯一的（与他人不同）、可以测量或可以自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。

生物识别系统对生物特性进行取样，提取其唯一特征并进行身份认证。

典型的生物识别系统的系统结构如图1.1：
图1.1 生物识别系统结构框图
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ID+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。

有关机构的调查表明，因为忘记密码而产生的问题已经成为IT厂商售后服务的最常见问题之一。

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。

例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。

一些犯罪通过伪造证件进入机密场所以窃取机密信息，有的犯罪伪造签证和护照非法入境或移民，这是因为传统的证件使用了易于伪造、未经加密的纸制证件。

为了防范这类事件的发生，人们需要一种直接的身份认证手段，这就是“人体生物特征识别技术”。

他根据每个人自身所具有的生物特征来对每个人的真实身份进行鉴别。

这些生物特征大都具有“人格有异”、“终身不变”和“随身携带”的特点，确保认证的精确性和可靠性。

指纹识别在各种生物特征识别领域中综合性能较好，因此指纹识别技术在认证系统中被广泛应用。

四、课题的研究方法：
通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。

原始指纹图像需要进行滤波除噪、脊线增强、动态二值化、方向信息计算、初分类、背景分割、纹线间隔估计等处理。

然后进
六、总体结构及原理
㈠指纹识别的采集及其参数
指纹具有惟一性（随身携带、难以复制、人人不同、指指相异）。

根据指纹学理论，将两人指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为1/1050 。

指纹还具有终身基本不变的相对稳定性。

指纹在胎儿六个月时已完全形成，随着年龄的增长，尽管人的指纹在外形大小、纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可能出
现新细线特征，但从总体上看，同一手指的指纹纹线类型、细节特征的总体布局等无明显变化。

指纹的这些特点为身份鉴定提供了客观依据。

指纹识别过程可以分为4个步骤：采集指纹图像、提取特征、保存数据和比对。

通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。

指纹辨识软件建立指纹的数字表示特征数据，软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的特征点，这些数据(通常称为模板)，保存为1K大小的记录。

最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的
图像的数字信号,通过计算机并口或USB口输入计算机。

由于不需要附加卡,这种带USB口的CMOS指纹传感器有成本低且安装方便的特点,很受市场欢迎。

(2)硅晶体电容式传感器录入
硅晶体电容式传感器是最近在市场上才出现的。

这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。

电容传感器通过电子度量设计来捕捉指纹。

电容设备能结合大约100,000导体金属阵列的传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的
手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面。

电容器的电容值因两极间的距离而变化，这里指的是脊（近的）和谷（远的）之间的距离。

压感式表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凹凸）转化为相应的电子信号。

硅晶体电容式不需要光线参与,小型化有优势,并且不需要指尖移动,而是一次成像如果能够克服目前一些产品容易受静电影响击穿(尤其在我国北方干燥季节)的缺陷,它将是未来最受欢迎的指纹传感器。

(3)超声波录入
这些像素提高灵敏度。

硅晶体电容式传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏，另外，它们并不象玻璃一样耐磨损，从而影响了使用寿命。

总之，各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。

我们在下面给出三种主要技术的比较。

几种取像设备的性能比较
采集设备与方法不同，所采集到的指纹图像也不同。

绝大多数指纹图像是单色图像，我们把没有色调变化的单色图像称为二值图或黑白图，具有色调变化的单色图像称灰度图。

灰度图含有更加丰富的图像信息，有利于指纹识别与对比。

依照对色调变化的表现力，灰度图分为2bit、4 bit、6 bit、8 bit几个不同等级，一般较多采用的是8 bit (256级)灰度。

3、指纹的特征
指纹分类是基于指纹脊或谷的整体流向以及指纹的核心点。

指纹分类的主要
目的是方便大容量指纹库的管理，并减小搜索空间，加速指纹匹配过程。

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。

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：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）
纹形的大致分布概率
基本纹型弓型箕型斗型
分布概率5% 60% 35%
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。

纹形从属于型，以中心线的形状定名。

按我国是指纹分析法，指纹分三大类型（如图2.1），五大种形态。

可见，型与形是类与种的关系。

箕型斗型弓型
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
汇合形成两个以上的三角的纹线，称为斗型纹。

分为环形、螺形、囊形、双箕形、杂形五种。

斗型纹的中心花纹，在由一条环、螺、曲等纹线构成时，与两侧三角相对的弧形线凸面，必须是不折、不断的，并且不与来自从三角中的其它纹线相接。

(3)弓型纹(Arch): 由弓形线和横直线层叠而成，中心花纹与上下包围线无明显界限，因此也没有真正的三角区。

分弧形和帐形纹两种。

(4)弧形纹：由平缓的或略微突起的弧形线组成的一种结构简单的花纹形式。

(5)帐形纹：由平行的和突起的弧形线组成。

花纹中部有直立的或倾斜的纹线，将弧形线撑起呈帐蓬状。

指纹类型的三类九种，是按我国现行的十指指纹分析法划分的。

这是一种基本分类，也叫两极分类法。

实际上指纹种类远不只这些。

指纹的局部特征
局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的节点称为特征点。

两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征—特征点，却不可能完全相同。

指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。

这些断点、分叉点和转折点就称为"特征点"。

就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息。

特征点的分类有以下几种(如图),最典型的是端点和分叉点。

指纹特征示意图
很多研究者试图解决指纹分类问题，但至今分类算法的误识率仍较高。

如何提高指纹分类的准确率在自动指纹识别研究中是一个较关键的问题。

应用于指纹匹配的指纹特征
在指纹特征中由于中心点、三角点、端点、叉点、纹型、相对纹密度、纹曲率等元素的分布对于某一个特定人的指纹来说，在他的一生中永远不会改变，具有终生不变性和惟一性，因而被称为永久性特征。

永久性特征在手指前端的典型区域(也被称为中心花纹区)中最为清晰和明显，其分布也最均匀，是指纹匹配的主要参数。

4、指纹图像处理与识别
节特征。

自动指纹识别系统中一般把指纹的类型分为弓、左箕、右箕、斗、杂和不可分六类。

细节特征主要由其位置和方向确定，因此细节特征一般只考虑纹线的端点和分叉点（包括汇合点），眼和桥等也用相应的分叉点表示，不再特殊区分，在有的系统中，还将细节特征与中心之间、或细节特征之间的纹线数提取并记录下来。

提取后的特征还需要进行后处理以去掉假特征。

(3)指纹特征比对即比较现场提取的某一个指纹特征点集合和原先建立的
数据库中的某一个指纹特征点集合的相似程度。

通常用代价函数(或匹配能量)来表示相似程度,取合适的门限将给出该两组指纹特征是否来自同一枚指头的判断。

特征比对的方法有点图松弛匹配方法、最小距离图法和Delaunay三角形化变换等。

5、指纹算法的具体性能评价指标
就一个自动指纹识别系统来说，其指纹识别算法的精确度是整个系统性能指标中最为关键的指标。

所谓指纹识别算法的精确度是指其识别与提取的特征数量
其定义为：FRR=拒识的指纹数目/考察的指纹总数目×100%。

b.误识率(False Accept Rate,FAR)：误识率又称认假率，指将不同的指纹误认为是相同的指纹，而加以接收的出错概率。

其定义为：FRR=错判的指纹数目/考察的指纹总数目×100%。

(2)拒登率
拒登率(Error Registration Rate，ERR)是用来描述指纹设备的适应性。

其定义为：ERR=出现不能登录及处理的指纹数目/考察的指纹总数目×100%。

ERR指的是指纹设备出现不能登录及处理的指纹的概率，拒登率ERR过高将会严重影响设备的使用范围。

(3)速度
指纹识别系统的工作速度主要由采集时间、图像处理时间、比对时间和平均识别速度几项指标构成。

采集时间通常包含了采集的操作时间和图像的传输时间；图像处理时间，指的是从计算机处理指纹图像到提取出所有特征、输出特征
数据库管理方便等。

容易看出,上述指标互相是有矛盾和抵触的,单一指标衡量算法性能很可能是片面的、不科学的。

所以,从全面的角度衡量性能指标是有必要的。

其中，FAR和FRR是一对相互矛盾的技术指标，在大多数“一对一”比对中，如普通的指纹门禁、指纹证件、权限管理与文件保护等指纹应用场合，考虑到指纹的多样性和不易仿冒性，对FAR指标的要求可适当放宽，而把设备的易用性和方便性放在第一位，要求FRR值尽可能地低。

但是在“一对多”以及高安全度的
应用场合，则要求FAR尽可能低，以避免误认他人。

事实上在多数指纹设备中，可以通过改变系统识别的阈值设定来选择FAR和FRR的数值。

高安全性的指纹设备通常具有对活体指纹生命特征的识别能力，能够在很大程度上防止假手指作弊，但也正因为如此，常常容易受各种因素变化（干燥、脱皮、污染、干扰和使用时压力或摆放不当）的影响而把真手指当做假手指拒认，从而使其易用性指标下降。

如何处理安全性与易用性这一对矛盾，是指纹设备选购时另一个值得注意的问题。

一般除非是用于无人值守的高安全性场合，指纹设
公
方便进行二次开发应用。

⑴ DSP微处理器
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。

其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。

再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。

它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数
以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。

它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：
（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；
（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；
（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；
的
两个算术/逻辑单元（ALU）
指令缓存（16K字节）
16K × 16位片上RAM是由四块4K × 16位双重存取RAM（DARAM ）（32K 字节）区块组成
16K × 16位单等待状态片光盘（32K字节）
8M× 16位外部存储器的最大寻址空间
32位外部并行总线内存，支持外部存储器接口与通用输入/输出（GPIO）功能以及无缝接口（EMIF的）：
异步静态RAM（SRAM）
异步的EPROM
同步DRAM（SDRAM）
同步脉冲RAM（SBRAM）
仿真/调试跟踪功能，保存最后16程序计数器（PC）的不连续性和最后32
3、TFS-M12(B)指纹开发模块
（1）外观及结构图
（3）指纹模块通讯协议
DSP 模块作为从设备，由主设备发送相关命令对其进行控制。

命令接口： 19200bps 1 起始位 1 停止位（无校验位）主设备发送的命令及 DSP 模块的应答按数据长度可分为两类：
1）= 8 字节，数据格式如下：
说明:
说明:
CMD,Q3的定义同上
Len：数据包有效数据长度，16位，由两字节组成
Hi(Len) ：: 数据包长度高8位
Low(Len) ：: 数据包长度低8位
CHK：校验和，为第2字节到第6字节的异或值
数据包格式：
说明：
3) 添加指纹（命令/应答均为 8 字节）
为确保有效性，用户必须录入 3 次指纹，主机须向 DSP 模块发送 3 次命令。

i)第 1 次
说明：三次命令中用户号与用户权限应为相同值。

4)删除指定用户（命令/应答均为 8 字节）
8) 比对 1：N（命令/应答均为 8 字节）
9)取用户权限（命令/应答均为 8 字节）
说明：比对等级取值为 0-9，取值越大比对越严格，默认值为 5
12) 采集图像并上传（命令为 8 字节/应答>8 字节）
命令数据格式：
应答数据格式：
1) 数据头：
应答数据格式：
1）数据头：
2）数据包：
说明：特征值数据长度 Len - 3 恒为 193 字节。

14) 下传特征值与采集指纹比对（命令>8 字节/应答为 8 字节）
命令数据格式：
1）数据头：
2）数据包：
说明：特征值数据长度 Len - 3 恒为 193 字节。

应答数据格式：
16)下传指纹特征值与 DSP 模块数据库指纹比对 1：N（命令>8 字节/应答为 8 字节）
命令数据格式：
1）数据头：
1）数据头：
2）数据包：
说明：特征值数据长度 Len - 3 恒为 193 字节。

18) 下传特征值并按指定用户号存入 DSP 模块数据库（命令>8 字节/应答为 8 字节）
命令数据格式：
1）数据头：
1）数据头：
2）数据包：
说明：
数据包中数据长度 Len 恒为 "3 * 用户数 + 2"。

用户信息数据格式如下:
20)设置/读取指纹采集等待超时时间（命令/应答均为 8 字节）
5、USB 模块
USB 模块的作用是完成控制模块和PC 机的通讯，本设计采用的是USBASP 下载线，它完全符合USB1.1的标准，而且设计起来也不会非常的难。

USBASP 下载线
6、锁具驱动机构设计
系统要求通过控制电机的正反转实现锁具的开启与关闭。

就要求将电机的旋转运动转换为直线运动，即要把电机的运动通过机构进行运动线性转换。

为了能够到达运动的线性转换，这里采用了齿轮传动和丝杠传动机构。

以下为锁具驱动机构原理图。

C51控制模块
USB 模块
PC 机
USB 模块结构
AT89S51 完成菜单的设计和控制外围电路的作用。

指纹识别模块
键盘
时钟芯片
DS1302
液晶模块（有中文字库）
步进电机
USB 模块
控制模块结构
锁具机构原理图
7、系统功能
（1）指纹识别模块功能
模块共实现：指纹保护模式、指纹保护解除模式、指纹注册模式、指纹删除
模式、指纹保护旁路模式。

指纹保护模式：当模块处于该模式，管理员或者使用
者的指纹识别通过后，模块进入指纹保护解除模式；指纹识别不通过，则一直处
于该模式。

指纹识别时，如果指纹识别通过，则会通过LCD显示指纹识别通过；如果指纹识别不通过，则会通过LCD显示指纹识别未通过，直到手指离开传感器。

（2）控制模块功能
该部分用键盘控制各个部分协调工作，并完成菜单的设计。

控制模块功能
功能1 时间的显示和设置（日期、星期、时间）
功能2 使用模式的选择和设置（模式0：密码+指纹；模式1：仅用指纹）
功能3 按下“开门”键，根据使用模式进入不同的界面，最后运行步进电机
功能4 使用密码保护，并可以设置密码（密码是6位的）
功能5 设置步进电机的转速和圈数，并可以进行测试
功能6 查看开关门记录（最多可以保存50个记录，超过的将自动覆盖最旧的记录）功能7 删除记录（将全部记录删除）
（3） PC机功能
主要是读取时间和记录，并设置一些参数
PC机功能
功能1 读取时间并显示出来，可以进行时间设置
功能2 设置使用模式（模式0：密码+指纹；模式1：仅用指纹）
功能3 设置密码（密码是6位的）
㈢系统硬件设计
1、电源电路
系统的工作电压是+5V，可以由外接电源经LM7805稳压后得到，也可以由
2、 AT89S51单片机
概述
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价
比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工
时钟电路
总线控制
CPU
ROM/EPROM/FLASH
4K 字节
RAM 128字节SFR 21个
定时/计数器
2个
串行口全双工 1个并行口4个RST EA ALE PSEN
XTAL2XTAL1
P0P1P2P3
V CC
V SS
中断系统5中断源、2优先级
INT0RXD TXD
INT1
AT89S51结构框图
3、控制模块
控制模块主要由AT89S51和外围电路(复位电路、按键、时钟芯片、步进电机驱动电路、LCD12864模块等)构成。

（1）AT89S51及其复位电路
AT89S51及其复位电路
使用时注意事项：
EA V管脚的使用：如果EA接地，则单片机只执行外部程序存储器的
(1) /PP
指令，地址为0000H～FFFFH。

如果EA接VCC，则单片机执行片内程序存储器的指令（0000H～1FFFH）；如果需要，可自动转到执行片外程序存储器的指令（2000H～FFFFH）。

所以在没有片外程序存储器时，应该把这个管脚接地
(2)P0口的使用：它是一个八位、开漏极、双向IO口。

当用做通用I/O口时，每个引脚可驱动8个TTL负载；当用做输入时，每个端口首先置1。

P0口也可以做访问片外数据存储器和程序存储器时的低八位地址/数据总线复用口。

这种情况下，P0口内含上拉电阻。

在Flash编程时，P0口输入代码数据；在Flash校验时，P0口输出代码数据。

在进行编程时校验时，需外接上拉电阻。

复位电路
本文采用的是硬件复位方法，虽然可以使用上机复位，但是为了方便于调试，故采用硬件复位。

Flash编程（本文采用的是串行编程）
AT89S51串行编程电路、串行编程和校验波形
2、按键
本设计一共用了3个按键，它的电路图如下图：
串口电路
4、时钟芯片DS1302
概述
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片,内含有一个实时时钟/日
历和31 字节静态RAM,通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路.提供秒分时日日期.月年的信息,每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式.DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线:1 RES 复位,2 I/O 数据线,3 SCLK串行时钟.时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信.DS1302 工作时功耗很低,保持数据和时钟信息时功率小于1mW.DS1302 是由DS1202 改进而来,增加了以下的特性.双电源管脚用于主电源
•在DS1202 基础上增加的特性;
对Vcc1 有可选的涓流充电能力;
双电源管用于主电源和备份电源供应;
备份电源管脚可由电池或大容量电容输入;
附加的7 字节暂存存储器;
1 DS130
2 的基本组成和工作原理
时钟芯片电路
5、步进电机驱动电路
步进电机
使用的是四线两相/12L小型步进电机，他的工作电压是3～
5V，步进角7.5°/15°。

它的管脚配置是：将电机的轴朝上，把
引脚对着自己，下面两个从右到左分别是 A、非 A ; 上面两个
从右到左分别是B、非B 。

可以使用各种专门的驱动芯片驱动，也可以自己搭H桥驱动，一个H桥接A和非A,另一个H桥接B和非B。

按时序图给相应的高低电平就可以了。

驱动电路
本文是用ULN2003是高耐压、大电流
达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管
组成，它每一路相当于一个反相器。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个
2.7K 的基极电阻,在5V的工作电压
下它能与TTL和CMOS 电路直接步进电机驱动芯片接线图
相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关状态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

6、LCD12864模块。