一款指紋識(shí)別式打卡系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

田興元　張華

摘 要：為改變公司考核手段，降低考核人員的工作難度，提高效率，該文設(shè)計(jì)了一款基于指紋識(shí)別技術(shù)的考核系統(tǒng)。該文主要涉及了硬件電路設(shè)計(jì)，采用MSP430單片機(jī)為控制部件，設(shè)計(jì)了電源電路、指紋輸入模塊、顯示及語(yǔ)音提示電路等，軟件部分采用iar軟件進(jìn)行編譯。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠通過(guò)指紋識(shí)別實(shí)現(xiàn)人員考核。

關(guān)鍵詞：考勤 指紋識(shí)別 MSP430 語(yǔ)音播報(bào)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（c）-0099-03

公司對(duì)員工考核有多種方式，包括年終考核，季度考核，日常考核等。目前已經(jīng)和某公司合作，對(duì)研發(fā)部員工進(jìn)行了打卡考核，但這種方式由于費(fèi)用等問(wèn)題，不太適合對(duì)其他員工。而其他員工的日常考核，目前采用的是人工檢查方法，工作量大，效果不佳，執(zhí)行難度大，因此，急需引進(jìn)或開(kāi)發(fā)一種智能化，且易于考核的系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)該具有以下基本功能：每個(gè)員工具有唯一識(shí)別代碼或者唯一識(shí)別符號(hào)；每天上班之后，無(wú)法打卡，下班之前，無(wú)法打卡；未打卡員工名單可被記錄下；系統(tǒng)能夠記錄足夠量的員工數(shù)，可增加或刪除員工數(shù)目。

指紋指手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生紋線，指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)是指紋線的起點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)、分叉點(diǎn)和終點(diǎn)指紋是人體獨(dú)一無(wú)二，有終身不變的特征，掃描速度快，使用方便，指紋采集頭今后更加小型化，價(jià)格會(huì)更加低廉。指紋識(shí)別技術(shù)過(guò)去應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)，逐漸走向民用市場(chǎng)[1-2]。常用的指紋采集器有光學(xué)式、硅芯片式、超聲波式。光學(xué)指紋采集器是最早的，也是最為普遍的。硅芯片式出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代末[3]。

1 系統(tǒng)功能及框圖設(shè)計(jì)

公司除研發(fā)部員工外，主要需要日?？己说膯T工包括工程部、測(cè)試部等，不考慮車間工人，日?？己藛T工人數(shù)在100人以內(nèi)，常見(jiàn)的指紋識(shí)別模塊都能滿足基本要求，考慮可擴(kuò)展性及單位考核人數(shù)需求，需選取指紋識(shí)別模塊的內(nèi)存存儲(chǔ)大于200，最好能達(dá)到500個(gè)存儲(chǔ)值以上。（見(jiàn)圖1）

打卡系統(tǒng)功能應(yīng)包括存儲(chǔ)指紋、讀取指紋、打卡關(guān)閉、打卡打開(kāi)以及指紋的添加和刪除等基本功能，除此之外，還應(yīng)該包含顯示打卡人的姓名、部門(mén)、語(yǔ)音提示打卡成功、鍵盤(pán)輸入等。鍵盤(pán)部分負(fù)責(zé)信息的輸入，控制指紋模塊信息輸入和輸出，供電部分主要提供系統(tǒng)的不同電源需求。

2 電路模塊選擇和設(shè)計(jì)

2.1 指紋識(shí)別模塊選擇

指紋識(shí)別模塊是系統(tǒng)的輸入部分，其精度和識(shí)別速率影響到使用時(shí)的快速和準(zhǔn)確性，此設(shè)計(jì)中選擇一款性能較高的指紋模塊，而不進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。指紋識(shí)別中、指紋庫(kù)、指紋采集、指紋識(shí)別、指紋比對(duì)，都是一個(gè)較為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，需要用到圖像識(shí)別、處理等技術(shù)，并且指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，單獨(dú)設(shè)計(jì)一款識(shí)別系統(tǒng)不見(jiàn)得比現(xiàn)有的識(shí)別模塊更有優(yōu)勢(shì)。指紋識(shí)別模塊種類繁多，此設(shè)計(jì)采用Arduino模塊，原因在于：模塊使用方便，只要帶有串口的單片機(jī)都可以使用，包括常見(jiàn)的51系統(tǒng)、msp430、avr單片機(jī)、pic、嵌入式單片機(jī)等；模塊自身采用光學(xué)指紋傳感器、高速dsp處理器以及超大容量的falsh芯片；指紋錄入時(shí)間小于0.5 s；工作電流小于65 mA；存儲(chǔ)量達(dá)1 000枚；搜索時(shí)間小于1 s；認(rèn)假率為0.001%；工作溫度在-20℃至+60℃之間；優(yōu)勢(shì)明顯，完全符號(hào)公司對(duì)模塊的要求。

2.2 控制單元

此設(shè)計(jì)主要面向公司的指紋打卡系統(tǒng)，功能比較簡(jiǎn)單，只需要調(diào)用串口模塊，能夠按鍵操作，能夠顯示字符和語(yǔ)音提示等基本功能，一般來(lái)說(shuō)，8051系列單片機(jī)已經(jīng)能夠滿足這些基本要求，考慮到8051單片機(jī)自身的處理速度和容量等限制，對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)及存儲(chǔ)上存在一定限制，且此系統(tǒng)必須考慮未來(lái)升級(jí)的可能性，因此系統(tǒng)控制中心必須選擇功能強(qiáng)大的單片機(jī)，可選單片機(jī)包括msp430、stm32、avr等系列單片機(jī)，綜合考慮，此系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)[4]。根據(jù)MSP430使用手冊(cè)說(shuō)明，該單片機(jī)工作，除了基本供電之外，還必須在單片機(jī)外圍配備基本的電阻、電容等元件，實(shí)現(xiàn)芯片上電啟動(dòng)、復(fù)位等基本功能，根據(jù)芯片使用說(shuō)明，配置單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 供電電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制中心單片機(jī)取用的是直流電壓，而供電系統(tǒng)一般是從三相電上直接獲取，取電方式是購(gòu)置一款交直流轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)有成熟產(chǎn)品，可將220V交流電變化成直流5 V、12 V等，考慮通用性，選擇一款5 V電源，給系統(tǒng)供電，其中交流電及其轉(zhuǎn)換電路一直處于供電狀態(tài)，除非公司停電。另，所選單片機(jī)的電壓需要3.3 V，而指紋識(shí)別和顯示模塊取電方式可以從單片機(jī)獲得，也可以從直流電源獲得，因此系統(tǒng)保留5 V直流電壓端口，另外需要一個(gè)3.3 V直流電壓，該電壓可從5 V直流電獲得。市面上，已經(jīng)有許多直流電壓升壓和降壓模塊，此設(shè)計(jì)中采用降壓芯片AMS1117-3.3，根據(jù)該模塊的使用說(shuō)明，只需要在輸入端口、輸出端口加載一個(gè)電容，大小為0.1μF，輸出端即可得到穩(wěn)定電壓，如圖3所示。

2.4 指令輸入模塊

對(duì)指紋識(shí)別模塊的操作一般可用符號(hào)鍵盤(pán)，小鍵盤(pán)或按鍵組合鍵盤(pán)以及觸摸屏等控制，考慮到此系統(tǒng)實(shí)際操作中，一般只有技術(shù)人員接觸到鍵盤(pán)并設(shè)置，考慮開(kāi)發(fā)成本及功能實(shí)現(xiàn)難以程度，此系統(tǒng)采用常規(guī)按鍵控制模式。對(duì)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行操作，根據(jù)使用說(shuō)明，一般可通過(guò)串口對(duì)其進(jìn)行間接控制，在單片機(jī)外圍接入一個(gè)鍵盤(pán)模塊即可，系統(tǒng)具有刪除指紋、添加指紋、啟動(dòng)系統(tǒng)、關(guān)閉系統(tǒng)、顯示和語(yǔ)音播報(bào)等功能，因此鍵盤(pán)模塊可采用按鍵實(shí)現(xiàn)，分別設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)按鈕、停止按鈕，用于控制系統(tǒng)的整體開(kāi)啟和關(guān)閉；設(shè)計(jì)一個(gè)功能鍵，用于選擇添加指紋還是刪除指紋，并復(fù)用向上、向下翻頁(yè)功能；設(shè)計(jì)一個(gè)功能鍵，用于確定剛剛選擇的功能以及返回上層菜單功能。根據(jù)系統(tǒng)功能，只要4個(gè)普通按鍵即可，如圖4所示。

2.5 顯示模塊及語(yǔ)音播報(bào)模塊

當(dāng)員工按下指紋時(shí)，系統(tǒng)必須給打卡員工一個(gè)反饋，此系統(tǒng)考慮采用語(yǔ)音及圖片顯示雙模式，頻幕主要顯示員工的姓名、部門(mén)和身份識(shí)別號(hào)碼等信息；語(yǔ)音一般提示“打卡成功”或者“歡迎上班”， “下班平安”或者“感謝您為本公司做出貢獻(xiàn)”等語(yǔ)句[5]?？紤]到人的視覺(jué)效果及感受，顯示屏選擇7寸屏，型號(hào)為群創(chuàng)AT070TN92，該屏采用鍍厚金插針，不易氧化，穩(wěn)定性能好，并具有觸摸功能，盡管此系統(tǒng)暫不采用觸摸式，但考慮系統(tǒng)升級(jí)的可能性，在屏幕選取上保留了升級(jí)余地，該彩屏的驅(qū)動(dòng)模塊采用是的RA8875芯片，驅(qū)動(dòng)芯片及彩屏已經(jīng)被連接成一體，實(shí)物圖背面連接如圖5所示。

語(yǔ)音模塊選擇的是ISD1820模塊，該模塊具有8～20 s單段錄音時(shí)間，考慮本設(shè)備僅僅供于短暫語(yǔ)音提示功能，時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)足夠，且該芯片為成熟芯片，僅需要在外圍添加一些控制按鈕及輸入咪頭和輸出喇叭即可，大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，咪頭和喇叭選取常規(guī)型號(hào)即可。雙排直插式芯片如圖6所示。

3 調(diào)試

此設(shè)計(jì)采用的是IAR軟件進(jìn)行編譯，有單片機(jī)自帶的JTAG下載口，下載到FLASH存儲(chǔ)器里， IAR軟件可通過(guò)JTAG接口讀取單片機(jī)內(nèi)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單片機(jī)上運(yùn)行的程序，實(shí)現(xiàn)在線仿真。IAR采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，每個(gè)模塊完成一個(gè)特定功能，主要由初始化程序、主程序、子程序等組成，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示等操作。

調(diào)試中，先檢查模塊及主板連線，接著測(cè)試各個(gè)子程序，通過(guò)LED燈的亮滅來(lái)確認(rèn)是否成功，如果有錯(cuò)誤，則進(jìn)行相應(yīng)的程序修改，最后下載到硬件電路上進(jìn)行觀察驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采用以MSP430為核心，設(shè)計(jì)出各硬件電路，為公司考核做好硬件準(zhǔn)備。通過(guò)設(shè)計(jì)，解決了公司考核的難題，用智能化的手段代替了人工繁瑣的考核方式。此方案和實(shí)踐的探索也可為其他同類公司或單位提供一種有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)

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