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一款指纹识别式打卡系统硬件电路设计

发布时间:2018-11-23 01:06:05 文章来源:未来智讯    
    一款指纹识别式打卡系统硬件电路设计作者: 田兴元 张华   摘 要:为改变公司考核手段,降低考核人员的事务难度,提高效率,该文设计了一款基于指纹识别技能的考核系统。该文主要涉及了硬件电路设计,选取MSP430单片机为抑制部件,设计了电源电路、指纹输入模块、显示及语音提示电路等,软件局部选取iar软件进行编译。试验结果证明,该系统可以通过指纹识别实现人员考核。
  关键词:考勤 指纹识别 MSP430 语音播报
  中图分类号:TP311.52 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)10(c)-0099-03
  公司对员工考核有多种方式,包括年终考核,季度考核,日常考核等。目前已经和某公司合作,对研发部员工进行了打卡考核,但这种方式由于费用等问题,不太符合对其他员工。而其他员工的日常考核,目前选取的是人工检查方法,事务量大,效果不佳,执行难度大,因此,急需引进或开发一种智能化,且易于考核的系统。该系统应该具有以下基本功能:每个员工具有唯一识别代码或者唯一识别符号;每天上班之后,无法打卡,下班之前,无法打卡;未打卡员工名单可被记录下;系统可以记录足够量的员工数,可增加或删除员工数目。
  指纹指手指末端正面皮肤上凸凹不平产生纹线,指纹细节特征点是指纹线的起点、联合点、分叉点和终点指纹是人体独一无二,有终身不变的特征,扫描速度快,使用方便,指纹采集头今后更加小型化,价格会更加低廉。指纹识别技能过去应用于刑侦系统,逐步走向民用市场[1-2]。常用的指纹采集器有光学式、硅芯片式、超声波式。光学指纹采集器是最早的,也是最为普遍的。硅芯片式出现于20世纪90年代末[3]。
  1 系统功能及框图设计
  公司除研发部员工外,主要需要日常考核的员工包括工程部、测试部等,不考虑车间工人,日常考核员工人数在100人以内,常见的指纹识别模块都能满足基本要求,考虑可扩展性及单位考核人数需求,需采用指纹识别模块的内存存储大于200,最好能达到500个存储值以上。(见图1)
  打卡系统功能应包括存储指纹、读取指纹、打卡关闭、打卡打开以及指纹的添加和删除等基本功能,除此之外,还应该包含显示打卡人的姓名、部门、语音提示打卡成功、键盘输入等。键盘局部负责信息的输入,抑制指纹模块信息输入和输出,供电局部主要提供系统的不同电源需求。
  2 电路模块选择和设计
  2.1 指纹识别模块选择
  指纹识别模块是系统的输入局部,其精度和识别速率影响到使用时的快速和正确性,此设计中选择一款本能较高的指纹模块,而不进行单独设计。指纹识别中、指纹库、指纹采集、指纹识别、指纹比对,都是一个较为复杂的环节,需要用到图像识别、处理等技能,并且指纹识别技能已经趋向成熟,单独设计一款识别系统不见得比现有的识别模块更有优势。指纹识别模块种类繁多,此设计选取Arduino模块,原因在于:模块使用方便,只要带有串口的单片机都能够使用,包括常见的51系统、msp430、avr单片机、pic、嵌入式单片机等;模块自身选取光学指纹传感器、高速dsp处理器以及超大容量的falsh芯片;指纹录入时间小于0.5 s;事务电流小于65 mA;存储量达1 000枚;搜索时间小于1 s;认假率为0.001%;事务温度在-20℃至+60℃之间;优势明显,完全符号公司对模块的要求。
  2.2 抑制单元
  此设计主要面向公司的指纹打卡系统,功能对照大略,只需要调用串口模块,可以按键操作,可以显示字符和语音提示等基本功能,一般来说,8051系列单片机已经可以满足这些基本要求,考虑到8051单片机自身的处理速度和容量等限制,对于系统响应及存储上存在一定限制,且此系统必须考虑未来升级的可能性,因此系统抑制中心必须选择功能强大的单片机,可选单片机包括msp430、stm32、avr等系列单片机,综合考虑,此系统选取MSP430系列单片机[4]。根据MSP430使用手册说明,该单片机事务,除了基本供电之外,还必须在单片机外围配备基本的电阻、电容等元件,实现芯片上电启动、复位等基本功能,根据芯片使用说明,配置单片机最小系统如图2所示。
  2.3 供电电源电路设计
  系统抑制中心单片机取用的是直流电压,而供电系统一般是从三相电上直接获取,取电方式是购置一款交直流转换器,已经有成熟产品,可将220V交流电变化成直流5 V、12 V等,考虑通用性,选择一款5 V电源,给系统供电,其中交流电及其转换电路一直处于供电状态,除非公司停电。另,所选单片机的电压需要3.3 V,而指纹识别和显示模块取电方式能够从单片机获得,也能够从直流电源获得,因此系统保留5 V直流电压端口,另外需要一个3.3 V直流电压,该电压可从5 V直流电获得。市面上,已经有许多直流电压升压和降压模块,此设计中选取降压芯片AMS1117-3.3,根据该模块的使用说明,只需要在输入端口、输出端口加载一个电容,大小为0.1μF,输出端即可得到稳定电压,如图3所示。
  2.4 指令输入模块
  对指纹识别模块的操作一般可用符号键盘,小键盘或按键组合键盘以及触摸屏等抑制,考虑到此系统实际操作中,一般惟有技能人员接触到键盘并设置,考虑开发成本及功能实现难以程度,此系统选取常规按键抑制模式。对指纹识别模块进行操作,根据使用说明,一般可通过串口对其进行间接抑制,在单片机外围接入一个键盘模块即可,系统具有删除指纹、添加指纹、启动系统、关闭系统、显示和语音播报等功能,因此键盘模块可选取按键实现,分辨设计一个启动按钮、中断按钮,用于抑制系统的总体开启和关闭;设计一个功能键,用于选择添加指纹还是删除指纹,并复用向上、向下翻页功能;设计一个功能键,用于确定刚刚选择的功能以及返回上层菜单功能。根据系统功能,只要4个普通按键即可,如图4所示。
  2.5 显示模块及语音播报模块
  当员工按下指纹时,系统必须给打卡员工一个反馈,此系统考虑选取语音及图片显示双模式,频幕主要显示员工的姓名、部门和身份识别号码等信息;语音一般提示“打卡成功”或者“欢迎上班”, “下班安全”或者“感谢您为本公司做出贡献”等语句[5]。考虑到人的视觉效果及感受,显示屏选择7寸屏,型号为群创AT070TN92,该屏选取镀厚金插针,不易氧化,稳定本能好,并具有触摸功能,只管此系统暂不选取触摸式,但考虑系统升级的可能性,在屏幕采用上保留了升级余地,该彩屏的驱动模块选取是的RA8875芯片,驱动芯片及彩屏已经被连接成一体,实物图背面连接如图5所示。
  语音模块选择的是ISD1820模块,该模块具有8~20 s单段录音时间,考虑本设备仅仅供于短暂语音提示功能,时长已经足够,且该芯片为成熟芯片,仅需要在外围添加一些抑制按钮及输入咪头和输出喇叭即可,大大降低系统的设计难度,咪头和喇叭采用常规型号即可。双排直插式芯片如图6所示。
  3 调试
  此设计选取的是IAR软件进行编译,有单片机自带的JTAG下载口,下载到FLASH存储器里, IAR软件可通过JTAG接口读取单片机内信息,实时监测单片机上运行的程序,实如今线仿真。IAR选取结构化、模块化设计方法,每个模块完成一个特定功能,主要由初始化程序、主程序、子程序等组成,通过软件编程实现系统的数据处理、存储、显示等操作。
  调试中,先检查模块及主板连线,接着测试各个子程序,通过LED灯的亮灭来确认是否成功,如果有错误,则进行相应的程序批改,最终下载到硬件电路长进行观察验证。
  4 结语
  文章选取以MSP430为核心,设计出各硬件电路,为公司考核做好硬件筹备。通过设计,解决了公司考核的难题,用智能化的手段代替了人工繁琐的考核方式。此方案和实践的探索也可为其他同类公司或单位提供一种有益的尝试。
  参考文献
  [1] 王崇文,李见为,郑治伟,等.一种基于点模式匹配的指纹识别方法[J].重庆大学学报:自然科学版,2002,25(6):27-31.
  [2] 夏文忠.指纹识别在普通话考试系统中的应用[J].电脑知识与技能,2015,11(17).
  [3] 黄果.基于指纹识别技能的网络考勤系统设计[J].福建电脑, 2015,31(9):123.
  [4] 杨平,王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技能,2008,27(12):48-50.
  [5] 王虎升,李金环,袁宪锋,等.基于STM32的嵌入式语音播报系统的设计[J].北京结合大学学报:自然科学版,2011,25(3):11-15.
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