基于單片機(jī)的指紋考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜新法, 崔陸軍

(1.杭州天銘科技股份有限公司，杭州 311400; 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

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基于單片機(jī)的指紋考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜新法1, 崔陸軍2

(1.杭州天銘科技股份有限公司，杭州 311400; 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：為了快捷、高效地記錄員工或者學(xué)生的出勤情況，提出了一種以STC89C52RC單片機(jī)為核心的考勤管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器采集指紋，將采集到的指紋與提前建好的指紋庫中指紋信息匹配，若匹配成功，單片機(jī)會(huì)與指紋傳感器通信，讀出考勤信息并將信息發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了被考勤人員身份及時(shí)間的記錄和顯示。測試表明，該指紋考勤系統(tǒng)工作良好，具有成本低、操作簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：考勤系統(tǒng)；指紋傳感器；STC89C52RC單片機(jī)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，生活節(jié)奏日益加快，人們對考勤系統(tǒng)的功能需求提出了更高的要求[1]。對員工個(gè)人信息和考核時(shí)間的記錄，可以準(zhǔn)確地反映員工的出勤情況。傳統(tǒng)上采用紙張考勤形式，管理人員通過查崗、人工記錄、手工統(tǒng)計(jì)等，對員工進(jìn)行考核，工作強(qiáng)度大，程序繁瑣，易出錯(cuò)，真實(shí)性和實(shí)時(shí)性不高，不能準(zhǔn)確反映員工的工作情況[1]。而員工打卡的考勤方式，容易出現(xiàn)員工忘帶磁卡和人情代刷的情況[2-4]。各類微處理器的快速涌現(xiàn)和指紋識(shí)別技術(shù)的興起可有效地解決上述問題。各類新型微處理器具有運(yùn)行速度快、功耗低等特點(diǎn)，同時(shí)指紋識(shí)別技術(shù)安全可靠、準(zhǔn)確高效，指紋采集頭正朝小型化方向發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)的指紋考勤系統(tǒng)基于STC公司的STC89C52RC單片機(jī)，以FPM10A指紋采集傳感器作為硬件平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)被考勤人員信息的記錄和傳輸。

1系統(tǒng)工作原理及構(gòu)成

指紋識(shí)別屬于生物特征識(shí)別的一種，其基本原理是首先利用計(jì)算機(jī)識(shí)別軟件提取并采集指紋圖像的特征數(shù)據(jù)，然后通過指紋算法處理獲得結(jié)果[5-6]。

指紋考勤系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器進(jìn)行指紋識(shí)別。當(dāng)指紋傳感器采集到員工的指紋信息時(shí)，員工的身份信息會(huì)與提前建好的指紋庫中指紋信息比較，若指紋庫中有員工指紋信息(即身份信息)，單片機(jī)會(huì)與指紋傳感器通信，讀出考勤信息并進(jìn)行身份信息記錄。在這些操作過程中，語音提示模塊會(huì)發(fā)出語音提示，系統(tǒng)人機(jī)界面也會(huì)相應(yīng)顯示，提示使用者進(jìn)行下一步操作。與此同時(shí)，單片機(jī)會(huì)與時(shí)間模塊DS1302通信，讀取對應(yīng)時(shí)間并記錄，將考勤人員的身份信息與時(shí)間信息按照一定的規(guī)律存儲(chǔ)在AT24C02中。需要統(tǒng)計(jì)考勤信息時(shí)，單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信，將此前記錄的各類信息發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)處理。指紋考勤系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

指紋考勤系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為微處理器核心芯片。該單片機(jī)是靈巧的8位CPU，擁有系統(tǒng)可編程Flash，能夠靈活、有效地完成對整個(gè)系統(tǒng)的控制。該指紋考勤系統(tǒng)的主要組成部分包括指紋傳感器、液晶顯示器、時(shí)間和語音模塊、STC89C52單片機(jī)、數(shù)據(jù)外部存儲(chǔ)模塊、通信模塊CH340等。

2關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1指紋傳感器

常見的指紋傳感器有兩種：光學(xué)指紋傳感器和半導(dǎo)體指紋傳感器。光學(xué)指紋傳感器中因有棱鏡而體積較大，一般是半導(dǎo)體指紋傳感器體積的10倍之多[7]。半導(dǎo)體指紋傳感器的制造工藝復(fù)雜，成本偏高。鑒于實(shí)際需求，本文選用性價(jià)比較高的光學(xué)指紋傳感器。該FPM10A光學(xué)指紋傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)串口，集成了指紋采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、刪除、對比等功能，可建立指紋庫，搜索或者刪除指定位置的指紋；通過外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片的方式進(jìn)行大容量指紋存儲(chǔ)和讀取，不需要其他任何外部元件就可以直接與單片機(jī)通信。該傳感器工作性能穩(wěn)定，認(rèn)假率極低，使用方便且易維護(hù)。

2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用AT24C02。AT24C02是一個(gè)2 k位串行的CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，支持I2C總線協(xié)議。傳送數(shù)據(jù)模式一般為A0、A1和A2組成的000～111，共8種情況。通過器件地址輸入端A0、A1及A2，可將8個(gè)(最大可級聯(lián)的器件個(gè)數(shù))器件鏈接至數(shù)據(jù)總線。在存儲(chǔ)信息容量比較大時(shí)，可以根據(jù)I2C總線協(xié)議擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。本系統(tǒng)的AT24C02硬件電路如圖2所示。

圖2　AT24C02的硬件電路圖

2.3CH340通信模塊

在該指紋考勤系統(tǒng)中，單片機(jī)需要通過一定的電平轉(zhuǎn)換才能與上位機(jī)通信，在通信過程中需要設(shè)定通信的總線方式。本文選用CH340的USB總線方式進(jìn)行通信，CH340不僅可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)通信，還為單片機(jī)提供電源。因此，系統(tǒng)不需要另外設(shè)計(jì)供電電路，整個(gè)硬件電路更加優(yōu)化簡潔?；贑H340的供電模塊硬件電路如圖3所示。

圖3　CH340供電模塊的硬件電路圖

2.4時(shí)鐘模塊

系統(tǒng)采用DS1302時(shí)鐘模塊來準(zhǔn)確獲取各類時(shí)間信息。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種時(shí)鐘芯片，具有低功耗和涓細(xì)電流充電功能，可對年、月、周、日、時(shí)、分、秒等進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，并且具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302時(shí)鐘電路由于接口簡單、價(jià)格低廉，因此被廣泛使用。它在通信方式上采用串行數(shù)據(jù)，能夠在斷電時(shí)提供可編程的充電保護(hù)功能。系統(tǒng)采用的DS1302時(shí)鐘模塊硬件電路如圖4所示。

圖4　DS1302時(shí)鐘模塊的硬件電路圖

2.5下位機(jī)顯示模塊

在下位機(jī)顯示方面，本文采用的低功耗帶中文字庫的128×64液晶顯示器，具有4位/8位并行、2線或3線串行的多種接口方式，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)的漢字，以及128個(gè)16×8點(diǎn)的ASCII字符集。它的顯示分辨率為128×64。該模塊的運(yùn)行操作指令簡單，工作電壓和功耗較低。與同類型圖形點(diǎn)陣液晶模塊相比，由128×64液晶顯示器構(gòu)成的下位機(jī)顯示方案，硬件電路結(jié)構(gòu)與顯示程序更為簡潔，且成本較低。在使用該考勤系統(tǒng)時(shí)，128×64液晶顯示器作為一個(gè)人機(jī)交互界面，主要為使用者提醒操作步驟。該下位機(jī)顯示模塊的硬件電路如圖5所示。

圖5　128×64液晶顯示器的硬件電路圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件編程采用模塊化編程思想，各主要模塊采用獨(dú)立的子函數(shù)，供主程序調(diào)用。主要的程序模塊包括：上電初始化程序、指紋采集及處理程序、LCD顯示程序、時(shí)鐘程序、語音提醒程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和串口通信程序等。系統(tǒng)軟件的整體框架流程如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件的整體框架流程

采用模塊化系統(tǒng)編程的方式，不僅方便編程，而且可將錯(cuò)誤程序局限在各個(gè)小的模塊中，便于系統(tǒng)調(diào)試，提高系統(tǒng)編程的靈活性和可靠性。

4系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

管理員錄入自身指紋，驗(yàn)證成功后，進(jìn)入管理功能操作界面；員工錄入自身指紋，驗(yàn)證通過后，記錄員工身份及時(shí)間等考勤信息，并通過串口與上位機(jī)通信。整個(gè)指紋考勤機(jī)的操作流程如圖7所示。

圖7　指紋考勤機(jī)的操作流程

指紋考勤系統(tǒng)的功能主要分為兩大類：一類是員工考勤時(shí)使用的功能，即“考勤功能”；另一類是管理員設(shè)定指紋機(jī)時(shí)間，建立或刪除指紋庫，查詢員工考勤信息等，并且可利用串口調(diào)試助手查看上位機(jī)軟件接收的各種考勤信息(見圖8)，即“管理員功能”。

實(shí)際測試表明，本文設(shè)計(jì)的指紋考勤系統(tǒng)可滿足員工和管理員在不同場合下的考勤需求，功能完備，操作簡單，考勤準(zhǔn)確率高。

圖8　指紋考勤系統(tǒng)內(nèi)部記錄信息示意圖

5結(jié)語

指紋考勤系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為核心，由指紋傳感器PFM10A、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)間模塊、顯示模塊等組成。在核心單片機(jī)與指紋傳感器使用I2C總線模式通信時(shí)，以數(shù)據(jù)包形式整體收發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)，斷電時(shí)可啟動(dòng)數(shù)據(jù)保護(hù)功能，因此其數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。整個(gè)指紋考勤系統(tǒng)功能完備，層次分明，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，為安全、簡潔、高效記錄員工考勤信息提供了一種可行方法和途徑。

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(責(zé)任編輯：王長通)

收稿日期：2016-03-06

基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210362)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(13A460118,14B460011)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(131PPTGG416-1)

作者簡介：杜新法(1980-)，男，山西長治人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

文章編號：1671-6906(2016)03-0030-04

中圖分類號：TP212. 6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.007

Design of Fingerprint Attendance System Based on MCU

DU Xin-fa1， CUI Lu-jun2

( 1.T-MAX(Hangzhou)Industrial Co.Ltd.， Hangzhou 311400；2.Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:In order to record the employee or students’ attendance status in a simple, rapid, efficient way, a attendance management system is proposed based on the STC89C52RC single-chip. The system takes optical fingerprint sensor to collect information and be matched with the fingerprint database built by users before. If there is a match, microcontroller will communicate with fingerprint sensor, read the attendance information and sent it to host machine for processing that implemented the record and display of attendance information and time. The test shows that the fingerprint attendance system works well, with the advantages of low cost, simple operation, strong anti-jamming capability, etc.

Key words:attendance system; fingerprint sensor; STC89C52RC single-chip