张素文，许诗诗，危文豪

(武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070)

指纹具有唯一性和方便性，指纹锁的安全性能高且只需接触指纹传感器约0.5～1.0 s就能实现开锁功能，方便快捷。随着指纹技术和半导体技术的发展，指纹锁已经被广泛应用到军事、保密等机构，笔者设计了一款价格低、性能高的指纹锁，特别适用于百姓家庭和现代化办公室。

系统通过指纹传感器采集指纹，以专用指纹识别集成电路TFS9064芯片为核心，结合89C52单片机来进行指纹识别和锁头控制。该系统具有按键输入和液晶显示输出功能，通过TFS9064进行指纹的识别，单片机控制驱动电机的正反转，推动门锁上的锁舌进出，实现门锁的开、关以及指纹锁的全部功能。

1 指纹识别技术

指纹自动识别技术主要包括指纹图像采集、指纹图像预处理、特征提取和特征匹配等过程[1]。指纹识别的基本流程如图1所示。

图1 指纹识别基本流程

指纹识别首先进行指纹图像采集，然后进行预处理和特征提取，建立数据库。将待识别的指纹与数据库中的指纹特征进行匹配，若匹配成功，则锁头打开。

图像预处理步骤分为图像的归一化、方向图计算、图像增强、图像二值化和图像细化[2]。

指纹特征分为3类:全局特征、局部特征和局部全局特征。特征提取把指纹图像的纹线走向、纹线断点、交叉点等用数值的形式表示，充分体现了指纹唯一性的特征[3]。通常指纹特征可以分为两类:细节点和单独点。细节点用来匹配指纹图像;单独点包括中心点和三角点。

指纹匹配的方法有很多，包括基于图像的匹配、脊模式匹配、细节点匹配，以及基于图形的匹配[4]。指纹细节点具有唯一性和稳定性，且表达方式简单，因此绝大多数指纹匹配算法是基于指纹细节点的匹配[5]。

2 系统硬件设计

(1)系统硬件结构框图如图2所示。

图2 系统硬件结构框图

该系统采用双CPU设计，主要由以下几部分构成:指纹传感器、指纹处理器、主控制器、人机交互模块以及锁头执行模块。指纹处理芯片TFS9064为整个系统的核心部分。

指纹传感器选用ATW300采集指纹图像;指纹处理器选用TFS9064芯片作为指纹信息的处理芯片;主控制器选择STC89C52单片机。人机交互模块采用一般按键和液晶显示器LCD12864;锁头执行模块在89C52的控制下，完成对锁舌进出的准确控制，实现门锁的基本功能。

(2)指纹采集与识别模块。图3为指纹的采集与识别模块。指纹传感器ATW300通过指纹处理器TFS9064对指纹进行采集，TFS9064内部有FMCU8KB嵌入式微控制器、FID116KMG指纹识别处理模块、32可编程接口及SPI/FLASH接口[6]。TFS9064通过 SPI接口与指纹传感器连接。为了扩大指纹识别库的容量，系统采用AT26DF161，外扩了64 k的FLASH。

图3 指纹采集与识别模块

(3)主控制电路设计。图4为主控制电路图，主控制器采用STC89C52单片机，完成的任务主要有:向指纹处理芯片发送控制指令;响应外部中断，完成输入功能;控制液晶显示器;控制锁头执行等。

(4)键盘及LCD显示电路设计。键盘输入及LCD显示电路如图5所示，系统由4个输入按钮、LCD12864输出显示以及喇叭语音提示组成。LCD12864本身不带字库，需要自己建立所需的字模数组[7]。4个按钮的功能分别为上翻、下翻、确定和返回，结合操作界面就能完成各种操作。喇叭用来播放语音提示信息，使操作更具人性化。

图4 主控制器电路图

图5 键盘输入及LCD显示电路图

(5)锁头执行模块设计。锁头执行模块主要包括5V直流电机、驱动芯片L9110、锁舌以及一些机械传动部件。电机驱动电路图如图6所示。

图6 电机驱动电路图

3 系统软件设计

系统的软件设计主要是对主控制器89C52进行编程，89C52与指纹处理器TFS9064通过串口进行通信，通过发送命令，实现指定的指纹提取、比对、转存等一系列功能，可提高编程的效率[8]。

3.1 系统总体软件设计

系统的主程序流程如图7所示。开机后按任意键，系统对串口和外部中断0等进行初始化，然后对指纹进行采集和匹配，若匹配成功则进入主界面菜单，主界面有两个功能选项，分别是开锁和设置选项，这两个功能通过主程序调用外部中断0子程序实现。

图7 主程序流程图

3.2 主要模块程序设计

图8 外部中断0服务子流程图

(1)外部中断处理程序设计。外部中断0服务子流程图如图8所示，首先判断是否开锁，如果是则打开锁，如果不是则进入设置界面，在该界面中可选择指纹位置编号，进而对该位进行注册或删除操作，当操作完成时则返回设置界面。

(2)指纹注册程序设计。指纹注册子程序流程图如图9所示，在程序中对指纹进行两次注册，通过按键改变指纹的ID号，从而确定指纹的位置，向从机(TFS9064)发送指纹注册指令，输入指纹，主机通过判断返回码来确定指纹是否注册成功[9]。

图9 指纹注册子程序流程图

(3)指纹匹配程序设计。指纹匹配在指纹处理芯片TFS9064上实现，当需要开锁时，将预存的指纹模板与现场采集到的指纹进行特征匹配，并将匹配结果返回给主控制器89C52，由89C52进行其他的外围控制。指纹识别程序流程图如图10所示。

(4)指纹删除程序。在该程序中首先选择指纹删除的位置，即指纹在从机存储位置的ID号，向从机发送指纹删除指令并等待接收5个字节的返回码，主机通过判断返回码的相关位来确定指纹是否删除成功，从而在LCD屏幕上显示相关信息并发送提示音[10]。指纹删除子程序如下:

图10 指纹识别程序流程图

该程序中有一个选择分支，用于校验主机接收到的返回码，判断指纹是否删除成功。程序执行完后返回设置菜单。

4 试验结果

设计的系统实物图及注册或删除指纹界面如图11和图12所示。对系统进行测试:先录入一枚完好的指纹，然后用该手指的指纹去开锁，经过50次左右的测试，每次都能将锁打开。但存在手指若被划伤则锁没打开的个别现象。

图11 实物图

图12 注册或删除指纹界面

在测试过程中发现，将同一个指纹多次注册或采用指纹特征点较多的手指指纹进行注册，都可以提高系统的识别效率，缩短开锁时间。

5 结论

笔者设计了一款家庭用指纹电子锁的硬件和软件。该系统通过ATW300指纹传感器，经指纹识别集成电路芯片TFS9064处理和单片机控制，实现了指纹锁的功能。试验结果表明:系统工作稳定，识别效率高，成本低，功耗低，可满足设计要求。

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