基于指纹识别的往返跑控制系统 精品Word下载.docx
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1绪论1
2系统总体设计方案1
2.1起点控制系统1
2.2折返点控制系统2
3各单元电路设计2
3.1电源电路设计2
3.2指纹识别电路设计3
3.2.1ZFM-206模块简介3
3.2.2ZFM-206模块工作原理3
3.2.3ZFM-206模块硬件设计4
3.3单片机的选用及最小系统设计设计5
3.3.1起点单片机控制电路设计6
3.3.2折返点单片机控制电路设计6
3.4激光扫描电路的设计7
3.4.1激光发射管与光敏接收管的选择8
3.4.2激光扫描电路的设计与工作原理8
3.5计时显示模块的电路设计8
3.5.174LS245芯片介绍9
3.5.2四位数码管显示模块9
3.5.3数码管的驱动方式10
3.6无线传输模块的电路设计10
3.6.1nRF905模块简介11
3.6.2无线传输模块系统的硬件设计12
3.6.3无线传输模块系统的软件设计13
4辅助电路的设计14
5系统软硬件调试15
5.1起点设备调试15
5.2折返点设备调试15
6结束语15
致谢16
参考文献17
附录1电路总图18
附录2部分子程序20
1绪论
随着社会的发展、科技的进步，人们生活水平不断的提高，人们在追求舒适生活的同时，也没有忘记对身体素质的提高。
尤其是2008年北京奥运会的成功召开，人们已把体育运动当做成一种时尚来追求，而跑步更是人们所青睐的运动之一。
所以，很多集体场所（例如学校、军队、体育场等）出现了跑步训练热潮，且对于训练的成绩测试也有了越来越高的要求。
人们采取各种各样的训练与成绩测试，大多方法并不系统也不专业，例如人们用肉眼观察掐秒表的方式来进行对运动员的成绩考核，这些人力考核方式给教练或裁判较大的工作量，且不能有效的准确的测取运动员的成绩。
针对这些问题，本文设计的系统要求具有自动程度高、测取成绩精确、劳动量小、成本低且方便实用等特点。
2系统总体设计方案
根据控制要求,该控制系统要对运动员是否通过起点与折返点的信息进行实时监控,那么就必须将控制系统分为起点与折返点两部分。
因为系统要求具备自动身份识别功能，所以在起点设备中装备了指纹识别系统,通过无线传输模块，达到起点与折返点的实时通讯，从而完成往返跑自动控制。
2.1起点控制系统
起点设备主要有起点激光发射器和起点激光接收器两大部分组成。
我们在起点接收器上装备上指纹识别系统对运动员的指纹信息进行采集，当运动员通过起点时，起点的激光扫描电路扫描到运动员的通过信息，起点接收器将这个信号传送到对应的CPU内部进行处理。
与此同时，起点CPU同时发出对计时显示电路和起点无线收发器的对应指令，计时显示电路开始计时，并且起点无线收发器将相对应的数据通过无线传输模块发送给折返点设备。
起点设备系统设计方框图如图1所示。
图1起点控制系统方框图
2.2折返点控制系统
折返点设备跟起点设备较为相似，折返点不需要指纹采集模块与计时计数电路。
它也包括折返点发射器和折返点接收器两大部分。
当运动员通过折返点，折返点的激光扫描电路扫描到运动员的通过信号，折返点接收器将这个信号传送到对应的CPU内部进行处理,同时发送指令给对应的折返点无线传输模块，折返点收发器将相对应的信号通过无线传输送给起点设备。
折返点设备系统设计方框图如图2所示。
3各单元电路设计
3.1电源电路设计
在本文设计的控制系统中，由于涉及到很多模块需要单独的供电模块，结合到实际中应用，可将生活中较容易获取的干电池电压，经过MS1117-3.3串联线性稳压芯片，结合电容滤波后得到更为平稳的3.3V电压，用来为本系统中指纹识别模块和无线传输模块供电。
其原理图如图3所示。
C34、C36、C35、C33都是滤波电容，LED0为电源工作指示灯。
图3电源电路
3.2指纹识别电路设计
如今的科技发展，人类的身份识别技术比较多，我们熟知的都有人脸识别、指纹识别、视网膜识别更甚者有DNA识别，如此之多的身份识别技术总体而言较为复杂，造价成本高。
只有指纹识别技术较为成熟，识别度高，简单实用，所以本文中采用ZFM-206指纹采集模块对运动员的身份进行识别。
3.2.1ZFM-206模块简介
ZFM-206系列光学指纹模块是杭州指安科技有限公司推出的稳定量产的产品，其产品是以高性能DSP处理器AS601为核心，结合光学指纹传感器，在无需上位机参与管理的情况下，具有指纹录入、图像处理、指纹对比、搜索和模板储存的智能型模块［1］。
其实物图如图4所以。
ZFM-206对比与同系列产品，它具有以下优点：
（1）更人性化的窗口手指触摸感应，功耗极低，操作方便；
（2）有较高的灵敏度，无论是干湿手，都能进行准确的对指纹的识别与判断，这一点对于运动员来将相当实用；
（3）采用红色的LED高亮光源组件，可达0光衰，延长使用寿命。
（4）指纹识别性能优，无指纹图形畸变，且可支持360°
的旋转任意角度识别，使用起来更为方便（5）有较高灵活性，可自定义1～5级的安全等级，适用于不同的应用场合与环境以及还具有密码功能等等。
具有这些优点，并且市场售价并不是太高。
图4ZFM-206指纹识别模块实物图
3.2.2ZFM-206模块工作原理
人类出生7个月后，表皮指纹纹理就完全定型，保持终生不变，并且每个人的纹路都是不一样的。
基于这一特征，我们就可以对运动的指纹与提前保存下来的指纹进行比较，对比其相符性来确定运动员的身份。
ZFM-206模块主要功能包括指纹登记和指纹识别。
指纹登记主要包括指纹采集、指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征模板存储和输出显示；
指纹识别与指纹登记的前三步是一样的，完成指纹采集、预处理、特征提取后，将生成的指纹特征模块与登记时的特征模块进行匹配，最后输出匹配结果。
ZFM-206模块的工作基本流程图如图5所示。
图5ZFM-206模块工作基本流程图
ZFM-206模块的通过特殊的光学组件（同理照相机的拍照功能），可以清晰的获得手指的指纹图像，然后通过指纹算法提取指纹图像中的特征，用来代表指纹的信息。
ZFM-206模块的提取的指纹特征大小为256Bytes，2个特征文件合成一个512Bytes的指纹模板文件。
然后进行指纹处理，指纹处理有指纹对比（1:
1）和指纹识别（1：
N）两种方式。
指纹登记时，对运动员指纹进行两次录入，将两次录入图像进行预处理，合成指纹模板存储于指纹数据库。
指纹识别是对运动员的指纹图像录入处理后与数据库信息搜索进行1:
1对比，从而输出结果。
3.2.3ZFM-206模块硬件设计
ZFM-206模块即可以串行通讯，也可以用USB进行通讯。
为了方便与单片机通讯，本文中采用串行通讯。
串行通讯时，模块采用一个单排4芯间距为1.27mm的单排插座，引脚功能如表1所示。
表1ZFM-206引脚功能说明
引脚号
名称
类型
功能描述
1
Vin
in
电源正输入端。
（浅色：
红）
2
TD
out
串行数据输出。
TTL逻辑电平。
绿）
3
RD
串行数据输入。
白）
4
GND
--
信号地。
内部与电源地连接。
黑）
注：
类型栏中，in表示输入到模块，out从模块输出。
此模块通过串行通讯接口，可直接与3.3V或5V电源的单片机进行通讯：
模块的数据输出端（2脚TD）接单片机的RXD端，模块数据接收端（3脚RD）接单片机的TXD端，1脚接+3.3V电源，4脚接地。
ZFM-206采用串口方式与单片机通讯，那么必须遵循其串行协议。
采用半双工也不串行通讯。
默认波特率为57600bps，可以通过命令设置为9600～115200bps。
传送的帧格式为10位，一位0电平起始位，8位数据位（低位在前）和一位停止位，无校验位，如图6所示。
图6ZFM-206串行通讯协议
和上位机通讯时，由于上位机电压较高，通常用一个电平转换电路，采用MAX232转化接头,ZFM-206就可以和上位机进行通讯了。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+3.3V单电源供电。
由于MAX232是个比较成熟的转换器件，在这里就不对MAX232进行详细介绍。
其接口转换电路如7图所示。
图7ZFM-206与上位机串口通讯电平转换
ZFM-206模块触摸感应信号输出，高电平有效。
当运动员的手指未接触到采集窗口上的触摸屏时，触摸信号为低电平；
当手指接触到采集窗口的触摸屏上，触摸信号输出变化为高电平。
该信号送给单片机，单片机唤醒指纹识别模块，指纹模块开始工作。
因为ZFM-206模块平时只给触摸感应电路供电，因此功耗低，基于这一点，不用担心其功耗问题，所以它只有工作于不工作两种状态，没有休眠状态。
当有触摸信号输入时，模块开始工作，若不需要工作时，断开模块电源既可。
3.3单片机的选用及最小系统设计设计
由于本论文设计的系统中起点控制系统同时包含了指纹识别模块和无线传输模块，并且这两个模块都牵涉到了串口通讯，而折返点则没有指纹识别模块，所以起点采用不同于折返点的控制芯片,分别控制起点和折返点设备。
3.3.1起点单片机控制电路设计
由于指纹识别模块和上位机通讯都要用到串口通讯，选择的芯片必须包含2个或两个以上的串口。
STM32F103C8T6芯片就可满足本部分系统设计要求，并且STM32F103C8T6功能强大，外设配置丰富，性价比高。
所以在本部分系统电路中采用STM32F103CT6作为主控芯片，它属于增强型的，32位基于ARM核心Cortex-M3CPU,工作电压为2.0～3.6V，带512字节闪存程序存储器的微控制器，高达64K字节的SRAM，最高72MHz工作频率,3个12位模数转换器，1s的转换时间，2通道12位的D/A转换器，12通道DMA控制器，有80个快速I/O端口，多达4个16位的定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获、输出比较、PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，2个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗，有13个通信接口，2个I²
C接口，5个USART接口，3个SPI接口，CAN接口，USB2.0全速接口，SDIO接口。
这些丰富的外设配置，使得STM32F103C8T6大容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合，如：
电机驱动和应用控制、医疗和手持设备、PC游戏外设和GPS平台，工业应用有可编程控制器（PLC）、变频器、打印机和扫描仪、警报系统、视频对讲，和暖气通风空调系统等。
有各种低功耗模式。
使用方便，开发工具十分简单［2］。
单片机若要正常工作，都需要一个最小系统辅助芯片来完成对外围电路的控制，STM32单片机小系统包括：
复位电路
振荡电路
供电电路。
STM32的最小系统如图8所示。
图8STM32单片机最小系统
3.3.2折返点单片机控制电路设计
本论文中单片机采用的是由ATMEL公司所生产的低功耗，高性能CMOS8位的AT89S51单片机，是市场上最为常见的单片机之一。
其内含4kb的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
其功能强大，高性能，低价位，易用强等优点受到广大顾客的青睐。
AT89S51具有以下特点:
（1）4kBytesFlash片内程序存储器；
（2）128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
（3）32个外部双向输入/输出（I/O）口；
（4）2个中断优先级、2层中断嵌套中断；
（5）6个中断源；
（6）2个16位可编程定时器/计数器；
（7）2个全双工串行通信口；
（8）看门狗（WDT）电路；
（9）片内振荡器和时钟电路；
（10）与MCS-51兼容；
（11）全静态工作：
0Hz～33MHz；
（12）三级程序存储器保密锁定；
（13）可编程串行通道；
（14）低功耗的闲置和掉电模式［4］。
其引脚功能在本论文就不一一介绍了,若需要,请查看相关资料。
在折返点控制系统中，采用AT89S51芯片作为控制核心，无线收发模块和激光扫描电路的控制是由AT89S51芯片来完成的。
所以我们需要做一个最小系统来配合完成各部分电路工作。
对于51系列单片机来讲，单片机正常工作必须有五个基本电路：
电源电路、时钟电路、复位电路、程序存储器选择电路、外围电路。
所以说要做最小系统，应包括单片机、晶振电路和复位电路三个部分，然后配合外围电路，就可以完成系统的运行。
图9AT89S51最小系统
如图9，AT89S51的第40脚为单片机的电源输入端，其工作电压为3.3V～5V，我们接入+3.3V电压，第20脚为GND接地脚。
第9脚为芯片的复位信号输入端，当开机或者是开机中因干扰而使程序失控，使程序处于死循环状态情况下需要复位。
单片机的复位靠外部电路来实现，信号从RST端输入，高电平有效，只要能保持15脚高电平两个机器周期，单片机就能正常复位。
常见的复位方式有两种，一种是上电复位（自动复位）,另一种是按键复位（手动复位），我们采用的是上电自动复位。
AT89S51单片机是一种时序电路，必须有时终信号才能正常工作。
时钟信号可由晶振电路来提供，AT89S51的18脚和19脚分别为单芯片的时钟反向放大器输出端与输入端，在两端接入晶振，配合两个20PF瓷片电容就可以得到单片机所需要的时钟信号。
芯片的31脚（EA）为内部与外部程序存储器选择输入端。
AT89S51内部含4kb的程序存储器，所以通常接高电平，CPU先访问片内ROM，执行内部程序存储器中的指令，当程序计数器超过0FFFH时，将自动转向片外程序存储器，执行1000H后的指令。
若EA接低电平时，无论片内是否有程序存储器，CPU只访问片外程序存储器,这里我们采用接高电平的方式。
简单的外围电路设计完成，既可配合外围电路工作。
3.4激光扫描电路的设计
激光扫描电路设备就是在跑道的两端，分别放上激光发射装置和激光接收装置，通过检测运动员是否通过起点或者折返点，从而捕获信息，送给单片机内部进行处理。
所以激光扫描电路是两个分离的单独部分。
在检测技术上，我们选择激光作为扫描检测是因为激光具备普通光线所不具备的特点，即单色性好、相干性好、方向性好以及高亮度。
3.4.1激光发射管与光敏接收管的选择
由于每种光敏发射器和接收器都有自己的发射波长和接收波长的范围值,激光也是一样,所以在选择材料上要稍加留心,避免两种期间不匹配造成激光发射后不能接收的问题。
常用的激光管波长有很多种，在本系统中，我们选择波长为650nm的、小功率的、红色点状半导体铜头激光管进行发射激光。
接收部分我们采用XL245PT光敏二极管，其接收波长为36～1000nm，能够满足设计要求。
而且可见与不可见光均能检测，所以使用起来比较方便。
3.4.2激光扫描电路的设计与工作原理
激光扫描电路模块分为两个部分，即激光发射电路和激光接收电路，分别分布在跑道两旁,接收部分的光敏管若要对发射部分的发射管发射的激光进行精准检测，就必须严格控制两部分装置的位置,对其进行反复的校准调试。
单从电路方面来看，是比较简单的。
为发射模块和接收模块提供3.3V电压，发射模块串入300欧的电阻对激光管分压,激光发射管得到额定范围内电压,就会发出一束激光，打到跑道对面的光敏管上。
光敏接收管是一个型号为XL245PT的光敏二极管，光敏二极管相当于一个光敏电阻，它的阻值随光照条件而变化。
当在没有光照条件下，光敏二极管等同于一个无穷大电阻；
当有激光照射下，光敏二极管的电阻随之减小。
基于这一特性，我们将其与一个10Kb的电阻串联，然后接入3.3V电源，取光敏二极管非接地端电位送入单片机I/O口进行扫描电路的控制与检测。
激光扫描电路的发射与接收电路图如图10所示。
在正常激光发射与接收情况下，激光不受阻挡，光敏二级管正常接收到激光发射器发送来的激光，其阻值随光照而急剧减小，所以光敏二极管分压非常小，光敏二级管的非接地端电位也非常低，不足以触发单片机工作。
当运动员通过起跑线时，阻隔到激光束，此时的光敏二极管阻值很大，因此分压也很高，此时光敏二极管的非接地端就发送一个高电平给单片机，使其工作。
图10激光扫描电路的发射与接收
3.5计时显示模块的电路设计
计时显示模块的任务就是要对运动员的成绩进行实时的计时，考虑到实用范围，我们采用4位一体的连体数码管作为显示模块，其显示范围为00.00～99.99S。
因为数码管是无法单独工作的，必须配备一定的驱动芯片配合使用。
市场上数码管的驱动芯片有很多，本系统中考虑到性价比，采用74LS245。
3.5.174LS245芯片介绍
74LS245是一个8路同相三态双向总线收发器，可双向传输，常用来驱动LED显示以及其他设备。
74LS245既可以输出数据，也可以输入数据，这就是它的另外一个功能即双向三态功能！
其引脚图如图11所示。
图1174LS245引脚图
引脚介绍：
A—总线端B—总线端/G—三态允许端DIR—方向控制端
当单片机的I/O口总线负载达到或超过I/O口的最大负载能力时必须接入74LS245总线驱动器。
当三态允许端/G低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输，即为信号接收；
DIR=“1”，信号由A向B传输，即为信号发送。
当三态允许端/G高电平有效时，A、B均为高阻态。
3.5.2四位数码管显示模块
现在的市场上显示器件有很多,在诸多显示电路当中,四位一体的连体数码管显示电路较为简单,成本也较低,有比较广泛的应用,所以本论文中的显示模块采用四位一体的LED显示。
四位数码显示由四个单独由发光二极管封装在一起组成的“8“字形的电子器件，分别有a、b、c、d、e、f以及dp点八段组成。
按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳极是将所对应的所有发光二级管的阳极连在一起，阳极为高电平时工作；
共阴极与共阳极相反。
LED的驱动方式有两种,一种是静态驱动（直流驱动）,另一种是动态驱动,在本文中将采用后一种驱动方式,我们将在下文中对数码管的驱动方式进行详细的介绍。
在此之前我们先要了解四位数码管内部连接结构,它是将单个数码管的同名端连在一起，将公共极D1、D2、D3、D4作为四个选位端。
四位数码管内部连线如图12所示。
图12四位一体数码管内部接线图
3.5.3数码管的驱动方式
在上文中我们提到了数码管有两种驱动方式，分别是静态驱动和动态驱动。
（1）静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动。
这种驱动的优点是编程简单，显示亮度高，但是其占用I/O端口太多，占用资源太多，实际应用中很少用到。
（2）数码管动态驱动显示是单片机中最为常用的一种驱动方式之一。
动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"
a、b、c、d、e、f、g、dp"
的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
所以在本系统中将数码管的驱动方式将采用动态驱动的方式，其设计图如图13所示。
图13计时显示电路
3.6无线传输模块的电路设计
在传统的信号传输系统中，通常用导线来传递信号，在往返跑系统中，起点和折返点距离较远，若用导线进行信号传递不仅浪费较多资源，并且导线传输有如下弊端：
（1）产生电磁干扰，
（2）较长导线会存在较大的信号衰减，（3）混乱不堪的线路链接。
随着无线技术的迅速发展，无线技术代替了传统的
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