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1、本科毕业论文基于单片机的指纹识别系统设计摘 要科学技术的发展在让社会进步的同时，也让传统的安全管理系统受到威胁。生物识别技术的出现给身份识别的研究带来了突飞猛进的发展。每个人都有着自己特有的特征，用本身的特征来验证身份有着得天独厚的优势。本文概述了自动指纹识别系统的研究现状和指纹识别系统的算法流程，以及在此基础上的指纹图像的分割算法和指纹图像细化算法，并完成基于单片机的指纹识别系统硬件电路设计。应用TFS-M51指纹识别模块，设计基于单片机的指纹识别硬件电路，形成一个独立的指纹识别系统。该系统实现单片机和指纹模块之间的串口通信。通过操作独立式键盘按键，向指纹模块的DSP芯片发送相应指令，从而执
2、行添加用户、删除指定用户、删除全部用户、认证用户，以及管理用户权限等功能。关键词：生物识别技术；指纹识别；串口通信；单片机ABSTRACTThe development of science and technology made the social go forward, but at the same time it also makes the traditional safety management system under threaten at the same time. The emergence of biometric technologies brought a ra
3、pid development for the research of identification. For everyone has their own special features, with the characteristics of itself to verify identity has a unique advantage. Automatic fingerprint identification technology has been widely used in public security, such as the customs, the bank, the n
4、etwork security and other places which need identification. This article provides an overview of the research of fingerprint identification system in present situation and the algorithm flow of it. On this basis, to do an analysis of the fingerprint image segmentation algorithm and the fingerprint i
5、mage thinning algorithm, including the microcontroller-basedfingerprint identification system hardware circuit design.With the application of TFS-M51 fingerprint module, I designed a hardware circuit system of fingerprint identification based on the MCU, in order to form an independent fingerprint i
6、dentification system. The means of communication between MCU and fingerprint module in the system is based on serial communication. MCU sends a corresponding instruction to the fingerprint DSP chip module through stand-alone keyboard keys, in order to execute the functions, such as Add User, Delete
7、the Specified User, Delete All Users, Authenticated Users, and Manage User Permissions and so on.Key words: Biometric technology; Fingerprint identification; Serial Communications; MCU (Microcontroller Unit)目 录1.绪论11.1.研究的背景及意义11.2.指纹识别技术11.2.1.指纹识别技术特点11.2.2.指纹识别技术发展现状21.3.系统概述32.指纹识别原理42.1.指纹图像的分割
8、42.1.1.指纹图像分割概述42.1.2.均值方差法42.2.指纹图像的细化62.2.1.指纹图像细化的预处理62.3.指纹图像的特征提取82.3.1.指纹特征提取概述82.3.2.指纹特征提取和去伪特征82.4.指纹图像的匹配93.硬件系统设计103.1.系统总体设计103.1.1.系统功能简述103.1.2.系统电路设计103.2.系统核心部件单片机113.3.其他模块电路143.3.1.电源模块143.3.2.时钟模块143.3.3.按键模块153.3.4.显示模块153.3.5.复位模块163.3.6.下载口模块163.4.指纹模块173.4.1.TFS-M51指纹识别模块173.4
9、.2.TMS320VC5501 芯片184.软件系统设计204.1.TFS-M51指纹识别模块指令系统204.1.1.通信方式204.1.2.主要通讯协议命令说明214.2.单片机的程序设计244.2.1.键盘管理及指示灯响应程序设计244.2.2.LED显示模块设计274.2.3.通信模块程序设计285.调试305.1.单片机的程序下载305.2.串口调试306.总结和展望35参考文献36致 谢38附 录39附录A 单片机最小系统电路图39附录B PCB图40附录C 元器件布局图41附录D 单片机最小系统实物图42附录E 单片机最小系统元器件清单43附录F 程序清单441. 绪论1.1. 研
10、究的背景及意义科学技术的迅猛发展为人类的生产生活带来了极大的便利，大大地推动了社会的进步和发展。以往我们采用各种钥匙来保护安全，如门锁钥匙，汽车钥匙，保险柜钥匙等；在网络化的社会中，每个人都拥有大量的认证密码，比如设备开机密码、邮箱密码、银行密码、论坛登陆密码等等，但这些都是传统的安全系统所采用的方式，容易被遗忘、丢失，甚至是遭人破解，随着社会的发展，其安全性越来越脆弱。而我们的生活随时都需要进行个人身份的确认和权限的认定。生物识别技术的发展让这一问题得到很好地解决。指纹特征是人终生不变的特征之一，而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零。人体指纹含有天然的密码信息，它具有作为密码信息必须具备
11、的四个重要性质：(1) 广泛性，指每一个正常的人都有指纹。(2) 唯一性，指每一个人的指纹都不同。指纹的细节由细微纹点和纹线的起点、终点、分叉等组成。正是这些无穷无尽的细节特征组合构成了指纹的唯一性事实上，甚至包括双胞胎，世界上两个指纹相同的概率小于1/109，几乎为零。 (3) 终生不变性，即指纹的图案永远不会改变，从人的出现到死后的分解为止（除非指纹受到伤害）。(4) 指纹与主体的不可分离性：即指纹不存在丢失、遗忘、被窃取的可能。因此，指纹识别技术，作为一种可靠的生物识别技术，受到了人们的重视。尽管人们已经对自动指纹识别技术作了深入广泛的研究，指纹识别技术也获得了不少应用，但是其应用在目前
12、并没有获得普及，这主要是因为指纹识别在识别准确性和识别速度方面还远远不能满足很多实际应用的要求。这就需要研究指纹识别环节中若干问题，以助问题的解决。1.2. 指纹识别技术相对于其它生物识别认证技术而言，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。1.2.1. 指纹识别技术特点指纹的使用比起其它证卡来说更快捷、安全、准确、无干扰，可实现快速登录注册，系统兼容性好，也就是说可以独立或者通过联网构成系
13、统并且很容易并入各类证卡和定义识别系统中。因此，指纹识别技术的应用范围极广。在实际应用中，有相当一部分要处理的指纹图像的质量是比较差的。指纹识别系统主要包括5部分：指纹图像采集，指纹图像预处理，指纹图像二值化及细化，指纹特征提取和指纹特征匹配，如图1所示。就现有文献和产品来看，对低质量的指纹图像的处理效果还远不能令人满意，对于质量很差的图像，如果不经过特殊的增强处理，是很难正确地进行特征提取的。指纹采集指纹库输出结果指纹匹配预处理（极值滤波、一次平滑、锐化、二次平滑）生成指纹图像二值化细化提取特征值图1 指纹识别流程图指纹匹配算法的性能主要取决于所提取到的特征点的数目、位置和相互关系的可靠性。
14、要想设计一个对较多真正特征点缺失、较多伪特征点出现和较大形变均不敏感的指纹匹配算法，也是一件十分困难的事。计算复杂性是自动指纹识别技术中一个重要的研究课题。实际应用要求最好自动指纹识别系统能对识别任务实时做出响应，而让指纹匹配算法同时达到高速度和高准确率也是一个难题。1.2.2. 指纹识别技术发展现状指纹识别算法的研究方向主要分为：基于图像的识别算法和基于特征的识别算法。基于图像的识别算法认为，指纹图像的频域和空域信息可以用来唯一表示并识别不同的指纹，它是一种使用全局信息进行识别的方法。这类算法的问题在于图像特征难以定义和匹配，因此算法的拒识率和误识率较高。基于特征的指纹识别算法是找到并比对指
15、纹的特征。指纹特征的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征。目前大多数的自动指纹识别系统使用的都是这类算法。指纹特征多种多样，有特征点、奇异点、域方向图、脊线数目，甚至脊线线型等。对应的匹配方法可以分为：基于点模式的匹配，基于脊线的匹配，基于纹理的匹配以及多种细节特征混合的匹配方法。大多数基于特征的识别算法专注于脊线上的末梢点和分叉点，该方法根据各个特征点的位置和方向来表示和区分指纹，从而使指纹识别问题转化为判断两个特征点集间的最大相似度(最大重合度)的问题。提取该细节特征有多种方法：基于灰度指纹图像直接提取，基于二值图像的特征提取，基于细化图像的特征提取。目前许多公司和研究机构在指纹识别技术领域都
16、取得了突破性的进展，推出许多指纹识别与传统IT技术完美结合的应用产品，这些产品已经被越来越多的用户所认可。中科院自动化所智能生物信息系统研究组和北京数字指通软件技术有限公司对自动指纹识别技术进行了长期的理论研究和应用系统开发，指纹图像的识别准确率和识别速度已达到国际先进水平。另外，一些公司和机构结合社会应用的实际需求，开发了各种类型的具有独立知识产权的嵌入式指纹识别模块、指纹应用系统软件等，用户反映良好。指纹识别技术多用于对安全性要求比较高的领域，丽在商务移动办公领域颇具建树的富圭通、三星及IBM等国际知名品牌都拥有技术与应用较为成熟的指纹识别系统。与国外相比，我国在自动指纹识别技术的研究水平
17、上还存在一定的差距。主要表现在：指纹录入设备的质量还不太过关；自动指纹识别算法研究水平还有待提高，在应用上的表现为产品适应性和易用性较差，对干、湿一些的指纹往往不能正确区别，对指纹录入时的旋转、平移比较敏感。1.3. 系统概述本系统主要由指纹识别模块、单片机、电源、复位电路、时钟电路、指示灯、按键和数码显示管等构成，在无需上位机参与管理的情况下，构成具有指纹录入、指纹对比、搜索和管理等功能的智能型模块。并采用C语言构建系统程序，通过执行不同的按键动作，使单片机向模块发送相应指令，以完成对应功能。完成后整体可构成一个独立的指纹识别系统，或作为一个完整的外部设备。2. 指纹识别原理2.1. 指纹图
18、像的分割2.1.1. 指纹图像分割概述在指纹识别系统中，指纹图像分割是图像预处理的一部分。指纹分割的最基本的依据是图像某些特征和特征集合。图像特征是指纹图像的固有属性，如灰度值，邻域关系，纹线的扭曲程度等。特征集合则是几种的结合。通过提取图像特征,可将原始图像映射到特征空间，使图像特征在特征空间中呈现一定的分布。这里主要分析基于块特征的图像分割。代表块特征的指纹图像分割目前研究趋势为多种块基本特征如灰度均值、块灰度方差、块方向图等综合运用和重新定义块特征。其中块指的是将图像分个成一个个小的图像块。图像均值就是对每一个单位块的灰度值取均值，方差则反映该块中各点与均值的偏差性，这可以很好的反映纹理
19、的变化趋势。一般来说，常见的方向场的计算分为掩模法和公式法两大类。Lin Hong等人开发的基于最小均方估计算法，即公式法如下： （1） （2） （3）（4）它是利用正交坐标系下，原点到它们组成的坐标点的有向线段与X的正半轴的夹角可来表示该子块的块方向。这种方法最大的优点是易实现，很好体现出纹理，但缺点是对于变化太快的部分出错。此方法的实现是利用方向滤波器。2.1.2. 均值方差法在图像分割概述中，已经提到基于块特征的指纹图像分割。在这部分将重点介绍均值法差法的计算方法。该算法基于背景区灰度方差小，而指纹区方差大的思想，将指纹图像分成块，计算每一块的方差，如果该块的方差小于阈值为背景，否则为前
20、景。具体步骤分以下三步：首先，将低频图分成MM大小的无重叠方块，方块的大小以一谷一脊为宜。然后，计算出每一块的均值和方差。设指纹图像I的大小为HL，I(i，j)为像素点(i，j)的灰度，AVE和VAR分别为原指纹图像的均值和方差，AVE和VAR可以通过公式（5）和公式（6）计算得到。（5）（6）最后，如果计算得到的方差几乎接近于零就认为是背景，对于方差不为零的区域再进行阈值分割算法，这种算法主要是根据计算得到的方差来决定其是否为背景区。在使用方差均值法之前还要使用归一法将图变为低频图。归一化的目的是把不同原图像的对比度和灰度调整到一个固定的级别上，为后续处理提供一个较为统一的图像规格。指纹图像
21、的归一化公式如式（7）所示，当大于平均值时为加。（7）其中AVE0和VAR0为期望的灰度均值和方差。下面的图像为指纹图像归一化和分割后的结果。 a 指纹原始图片 b 归一处理图片 c 分割后图像图2 指纹图像的归一及分割处理结果从图中可以看到用方差均值法分割既适用于比较圆滑的指纹，又适用纹线变化很大的指纹图像。在归一化处理降频和通过区域均值方差的后得到的图像条纹清晰，轮廓分明，对于后面的细化和匹配有很大的帮助。2.2. 指纹图像的细化2.2.1. 指纹图像细化的预处理这部分预处理主要为二值化。由于指纹图像脊、谷相间，因此指纹图像的处理常是将指纹图像二值化。灰度图像二值化是将灰度图变换为只有黑和
22、白两种灰度的图像。这样不仅可以压缩原指纹图像的数据量，而且也方便后面的细节特征的提取。灰度图二值化的基本思想是选取适当的灰度阈值，将灰度图像转化为二值图像。根据是否将图像分块处理，又分全局阈值算法和局部阈值算法两种，全局阈值算法是将整幅图像以一个阈值处理，而局部阈值算法则把原图分成若干个子图，在每个子图中确定闽值，在进行二值化，由于指纹图像在不同区域的亮度和对比度是有差别的，因而全局阈值算法不适用。灰度图二值化的基本思路是选取适当的灰度阈值，将灰度图像转化为二值图像。一般的图像处理中的二值化算法主要是计算整幅图像的灰度平均值，然后将该值作为门限，高于该门限的像素点就置1，反之置0。这种方法虽然
23、简单，但是对噪声较大，图像质量不好的指纹会产生较大的二值化噪声。采用动态局部阈值，即满足这种条件下的灰度值为128，不满足则灰度值为255。再根据前面判断的是否为背景即Icc值的来修正：灰度值为128且Icc为1时（非背景指纹纹线时），Icc值为0，像素值置为0。背景和灰度值为255的纹线像素置为1，这做法的目的是去除不确切的点。此时背景为白，纹线为黑。二值化后的图像中的点还要进行修改，修改条件为：当像素为1时，它周围点不大于3个为像素1点则修改为0；当像素为0时，它周围不小于7个点为像素1的点，则修改为1。这种修改是为了使图像连续圆滑。指纹图像细化处理由于灰度过渡区的存在，指纹细化是指纹图像
24、预处理中的一个重要环节，因为一般的特征提取都是在细化的基础上进行的，如果细化不好，将无法使用常规的特征提取算法提取细节特征信息。细化可以便我们得到绞线的单像素的骨架。所谓“骨架”，是指图像中央的骨骼部分，是描述图像几何及拓扑性质的重要方法之一。获取一个图像骨架的过程通常称为对图像“细化”的过程。在文字识别、地质构造识别、工业零件形状识别或图像理解中，先对被处理图像进行细化有助于突出形状特点和减少冗余信息。细化处理是指在指纹图像二值化以后，在不影响纹线连通性的基础上，删除纹线的边缘像素，直到纹线为单像素宽为止。理想细化后的纹线骨架应该是原始纹线的中间位置，并保持纹线的连通性、拓扑结构和细节特征。
25、一种好的细化算法应该满足下列条件：(1) 收敛性：迭代必须是收敛的。(2) 连通性；不破坏纹线的连接性。(3) 拓扑性：不引起纹线的逐步吞食，保持原图像的基本结构特性。(4) 保持性：保护指纹的细节特征。(5) 细化性：骨架纹线的宽度为1个像素，即单像素宽。(6) 中轴性：骨架尽可能接近条纹中心线。(7) 快速性：算法简单，速度快。已有的算法迭代按迭代方式的不同分为串行算法和并行算法。在串行细化算法中，当前迭代的结果不仅取决于前一次的迭代图像，而且与当前处理情况有关；而在并行方式中，当前迭代仅仅是由前一次的迭代情况决定，串行细化算法的处理结果依赖于对像素处理的先后顺序，因而像素点的消除或保留不
26、可预测。并行细化算法对图像进行细化时利用相同的条件同时检测所有像素点，其结果具有各向同性，因此从算法原理上并行算法优于串行算法。不同的文献上有不同的关于细化方法，如王家隆等以及王业琳等的细化模板，制约细化的直观表现在计算速度、毛刺和断点上。因而细化中选择一个好的模板是关键。模板分为保留模板和消除模板，消除模板就是根据条件判定这点去除作为背景的模板；保留模板则是根据条件判定这点保留作为前景的模板。这样就可以将较粗的图像曲线细化成很细的以像素为单位的线，大大减少了图像的信息量，有利于匹配的高效进行。细化结果如图3所示： 图a 指纹分割图像 图b 指纹二值化图像 图c 指纹细化图像图3 指纹图像的二
27、值化及细化结果从分割后的二值化处理图像中，我们可以看到，整个灰度变成了黑白的二值图像图，图像的条纹比较清楚，它的实现有助于压缩数据量和细化的实现。细化将黑白二值图像细化成了单个像素带宽的指纹图像，由于模板的选择不同，上图中的细化图像一定程度上存在毛刺、分叉、断点等不理想的情况。所以在特征提出前还需稍加处理，细化好的模板选择可以提高图片的质量和细化运算的速度。2.3. 指纹图像的特征提取2.3.1. 指纹特征提取概述特征提取就是对细化后的指纹图像提取表示其特征的信息的操作。前面所叙述的指纹图像预处理目的就是为指纹的特征提取和最终识别建立一个良好的基础，以保证整个系统识别率比较高。对于自动指纹识别
28、技术而言，选择一种合适的、能表达指纹唯一性的特征量是非常关键的。一般说来，这种特征应有以下性质：(1) 单一性：要求这种特征能够充分体现指纹的唯一性。(2) 可测试性：适用于指纹匹配算法，便于在匹配算法中应用。(3) 紧凑性：要求提取的特征不应包含指纹唯一性以外的冗余信息，并且信息量要尽量小，便于存储、管理和计算。(4) 鲁棒性：要求这种特征对噪声的存在与指纹形变不敏感。对于特征点提取的常用算法很多，如：(1) 基于二值化的特征提取方法：这种算法对于预处理和增强后得指纹图像进行二值化，然后再提取特征点。(2) 基于直接灰度的特征提取方法：这种方法直接从灰度图像出发，通过分析图像的纹理属性和拓扑
29、结构提取特征点。(3) 基于细化图像的特征提取方法：这种方法是将指纹图像处理后得到细化图像，通过细化图像提取特征点。为了比较两个指纹是否相同，需要从指纹图像中提取出能表示指纹唯一性的特征。Galton提出的指纹细节点是人工指纹匹配中最常用的特征。指纹由脊线和谷线交替构成，在大多数地方纹线连续且相互平行，而某些局部不连续的地方构成了细节点。Galton定义了4种细节点类型：分叉点，端点，环、岛，并指出细节点具有唯一性，可以用于指纹匹配。目前已定义的特征类型己达150多种，但是这些扩展的特征往往不易提取相互区分，并且它们都可以由端点和分叉点的组合进行描述，这使得端点和分叉点成为最常用的结构特征，也
30、称为细节特征，它被认为是最稳定、最容易检查的，而且占全部特征点的80以上。提取出的特征点还必须经过伪特征点的去除，尽可能地去除掉由于二值化、细化处理等过程引入的伪特征点。最后确定出特征点的类型、位置、方向。2.3.2. 指纹特征提取和去伪特征目前在细化二值图像中提取细节特征多是用8邻域法，该方法比较简单，在得到可靠的细化二值图像后，只需要一个33的模板便可将端点和分叉点提取出来。对于细化二值图像，像素点的灰度值只有两种情况。在提取指纹图像的细节特征中，由于图像质量和噪声的干扰，存在大量的伪特征点，实验表明一幅质量较差的图像在经过预处理，细节特征提取后可能产生多达一两万个细节特征点，其中包含了大
31、量的伪特征点，这些伪特征点的存在，不但使匹配的速度大大降低，还使指纹识别性能急剧下降，造成识别系统的拒真率和误识率的上升，因此在进行指纹匹配之前，应对细节特征进行验证，尽可能将伪特征点去除，同时保留真特征点。图4 通过判断后得到的特征点分布图这个特征点分布结果图包含了特征点和伪特征点。在匹配前还需对毛刺、小桥等伪特征点加以识别和处理，这样有助于后面匹配的进行，使匹配更加精确无误和快速。2.4. 指纹图像的匹配指纹匹配要解决的是对两幅给定指纹图像的特征模式进行比对，判断这两幅图像是否来自同一个人的同一手指。指纹匹配是自动指纹识别的最后一步，也是非常关键的一步。指纹图像匹配方面，主要有基于图像，脊
32、线结构和特征点的方法。基于特征点的匹配算法具有简单、快速、鲁棒性等优点。目前最为常用的方法是FBI提出的细节点坐标模型来做细节匹配。它利用脊线上的端点和分叉点这两种关键点来鉴定指纹。通过将细节点表示为点模式，一个指纹识别问题可以转化为一个点模式匹配问题。点匹配算法是通过某些变换，如平移变换、旋转变化、伸缩变换，可以把两个点集中的对应点匹配起来。3. 硬件系统设计3.1. 系统总体设计3.1.1. 系统功能简述本系统是针对指纹采集、识别模块开发出的指纹识别系统。该系统使用指纹模块搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指纹图像，并将采集到的图像转化成数据的形式发送出去。它利用人体指纹各异性和不变性，为
33、用户提供加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成采集任务，并将显示出指纹模块采集指纹图像各个流程及比对的结果。简单的描述本次设计的功能即使用指纹模块检测、录入指纹，将比对结果显示。该系统的主要功能有以下几个方面：(1) 指纹录入。能进行指纹的录入，二次录入无误后，记录该指纹数据。指纹图像通过专门的指纹采集仪采集。(2) 指纹识别。能进行指纹的识别，指纹识别出错时，报警提示。图像采集完成后，与库中已存在指纹进行对比，与所有有权限用户信息对比后，若无相符信息即提示报警。(3) 指纹管理。能进行指纹数据的管理，添加和删除指纹数据。对添加到库中的用户指纹进行权限管理，设置最高权
34、限用户，并能够对其进行添加和删除管理。(4) 操作显示。通过按键进行指纹系统的功能选择，采用数码管与LED（Light Emitting Diode，发光二极管）指示灯综合提示操作内容。若信息经核对相符，即提示该用户拥有权限，若不相符，即提示非法操作。3.1.2. 系统电路设计系统电路框架是根据设计任务要求，对系统所需元件、设备参数进行必要的计算，通过认真研究、分析、比较选定设备型号，再将设备、元件通过可靠的接口电路联系起来构成的一个完整的系统。综合考虑系统的性能和稳定性要求，以保证所设计的系统达到预期的要求。主控芯片选用AT89S52单片机。系统总体框图如图5所示： AT89S52 单片机数
35、码显示管指纹模块独立按键指示灯蜂鸣器电源、时钟电路图5 系统总体框图系统主要由MCU（Microcontroller Unit，微程序控制器）、LED屏（Large Electronic Display，大型电子展示）、指纹模块组成。系统的工作过程主要是当检测到有按键按下时先由MCU通过串口通信控制指纹模块对指纹进行采集、录入、存储、比对。然后，根据所得的数据对其它接口器件，如显示屏、蜂鸣器、指示灯进行响应操作。3.2. 系统核心部件单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C5
36、1 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存
37、，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52引脚图如图6，其主要引脚功能介绍如下：图 6 AT89S52引脚图P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”
38、时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX） 在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。端口引脚第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双
39、向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对
40、P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号
41、。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片
42、机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是
43、使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。此外，片上资源包括看门狗定时器、UART、定时器0和定时器1，以及定时器2。3.3. 其他模块电路3.3.1. 电源模块整个模块采用USB供电，以按键式开关启动或关闭电源。当按下电源键时，电源开启，电源指示灯点亮。图 7 电源模块电路3.3.2. 时钟模块时钟电路用来产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。通过在芯片的外部XTAL1和XTAL2两个引脚跨接晶体振荡器和微
44、调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡电路。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，本设计中采用的晶振频率为11.0592MHz，电容为33pF。11.0592图 8 时钟模块电路3.3.3. 按键模块键盘是最常用的输入设备，是实现人机对话的纽带。按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。编码键盘采用硬件方法产生键码。每按下一个键，键盘能自动生成键盘代码，键数较多，且具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其键码由软件确定，这种键盘键数较少，硬件简单，广泛应用于各种单片机应用系统，在单片机控制电路中，可把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。独立式
45、实际上就是一组独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O口连接，即每个按键独占一条口线，这种接法简单。矩阵式键盘也称行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵。本设计中键盘数目较少，且为安装方便，因此采用独立式接法。图9 按键模块电路3.3.4. 显示模块采用八位共阳数码管，显示原理跟单个LED的显示原理完全相同，在段控线和位控线都串接一个电阻，以提高其输出功率，在这里采用220欧母电阻。显示及驱动电路如图10所示：图 10 显示及驱动电路3.3.5. 复位模块复位电路用于产生复位信号，通过RST引脚送入单片机，复位是单片机的初始操作，其主要功能是:为一些专用寄存器设置初始状态、程序状
46、态字PSW清0、程序计数器PC被赋值为0000H等，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需安装复位键以重新启动。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，完成复位操作共需要24个状态周期，本设计使用频率为11.0592MHz的晶振，所以复位信号持续时间应大致超过2s才能完成复位操作。本设计采用按键复位。图 11 复位模块电路3.3.6. 下载口模块采用RS-232接口，从PC机将程序下载至单片机芯片当中，实现编程实际应用。本次设计采用9芯针接口，其主要包括DCD(Data Carrier Detect)载波检测引脚，RXD(R
47、eceived Data)接收数据引脚，TXD(Transmit Data)发送数据引脚，DTR(Data Terminal Ready)数据终端准备就绪引脚，SGND(Signal Ground)信号地引脚，DSR(Data Set Ready)数据准备就绪引脚，RTS(Request To Send)请求发送引脚，CTS(Clear To Send)清除发送引脚，RI(Ring Indicator)振铃提示引脚。在RS-232标准中，字符以一串行的比特串来一个接一个的串行方式传输，优点是传输线少，配线简单，传送距离可以较远。最常用的编码格式是异步起停格式，它使用一个起始比特后面紧跟7或8 个数据比特，然后是可选的奇偶校验比特，最后是一或两个停止比特。图 12 下载口模块3.4. 指纹模块3.4.1. TFS-M51指纹识别模块TFS-M51 指纹开发模块是深圳市十指科技有限公司最新推出的，以 TI 公司的 TMS320VC5501 高速 DSP
