基于STM32的實習教學考勤機設計

郭予新 田豐慶 張偉

【摘要】設計針對現在高校實習教學中的考勤問題，分析市場上的各種考勤機優缺點，并設計了一款基于STM32的指紋考勤機，采用STM32F103VE為主控芯片，通過SD卡保存、交換學生數據，實現了現有指紋考勤機的所有功能，同時很好解決了實習教學人員不固定、地點不固定、網絡不確定、電源不確定等因素。最后經過測試可以達到預期目標。

【關鍵詞】指紋考勤;嵌入式系統;STM32

1.引言

根據教育部的要求[1]和培養學生的需要，各高等院校都根據自身專業的特點，都加強了學生實踐教學環節的培養力度。但是實踐教學比較靈活，每次實踐活動時間相對較短，參加班級不同，地點不同，同時每個班級上學期間又要參加多個的實踐教學活動。這給實踐教學的學生管理提出了很高的要求，僅學生考勤一項就費時費力占據相當的精力。

在所有使用中的各種考勤機中指紋考勤機最適合這種考勤，人到了指紋一定到，無需另外加帶其它東西，使用方便，技術相對成熟，這對人數眾多的學生考勤來說是最好的選擇方式。目前市場上的指紋考勤系統主要有兩種，一種是考勤機，另一種是考勤系統。

一般的考勤機可以輸入1000個人物模型，但是輸入相對較慢，這對人數眾多的學生來說不方便;同時學生信息的存取不方便，這對學生來說上學期間有多個實習，不能每次都輸入指紋。考勤機的應用適用于固定人群，且人數不太多的單位工作人員考勤。

考勤系統是基于網絡的考勤機，已有不少學者對考勤系統在學校的應用做了研究[2][3]，但都應用于教學地點固定的理論教學，而實踐教學地點不固定，并且相距很遠，也不一定有網絡，致使考勤系統難于應用于實踐教學，即便是對理論教學來說，考勤系統其制造、使用維護成本較高，不是一般學校所能承受的。

2.考勤機硬件系統設計

本文基于學生實踐環節特點，設計考勤機主要是為滿足實踐教學中應用。根據實踐教學的特點進行設計。（1）實踐教學中學生是以班為單位同時進行的，在設計中，學生的信息也以班為單位進行存儲。（2）實踐教學中每個班級根據專業、方向的不同，參加的實習內容也不同，考勤機里的的學生信息能隨時更換。（3）每次實習只有1周-3周，學校會有很多實習同時開始，考勤機里的學生信息要能隨時更換（4）每次實習的地點不同，甚至不在學校，考勤地點不一定有電源也不一定有網絡，考勤機要應對使用方便。

圖1 考勤機硬件組成

本設計根據實踐教學的特點提出了一種新的考勤系統模式，介于網絡考勤系統與單獨考勤機之間。以單獨的考勤機為原型，將學生信息以班級為單位用電腦存儲，文件采用文本格式。考勤機使用時從SD卡中讀取學生信息，每個時段考勤完成后也將保存到SD卡中，這樣可以實現，每次實習不管是哪個班級，學生信息可以隨時更新，而不需要每次都進行輸入。考勤機采用開關電源供電和12V電源供電，兩種方式，以方便學生在實習時隨時使用，12V電源主要是地外出時可以用汽車電源供電。考勤機硬件組成如圖1所示。

2.1 指紋模塊

本系統采用的是模塊，該模塊以DSP處理器為核心，處理光學指紋傳感器所得數據，模塊處理結果可以與STM32串口通信，SX-T13模塊結合傳統的特征點和抽象圖像信息，做到高識別率，低誤識。

SX-T13模塊的性能指標：該模塊采用3.3V電壓供電，這與STM32單片機供電電壓一樣，通信速率可以用軟件進行配置，9600bps-115200bps，默認值是115200bps，模塊本身帶有512K flash，可以實現1：1比對、1：N比對，其指紋比對速度達到250個用戶每秒。模塊還支持的操作有：用戶注冊、刪除用戶、復位模塊、自動校準指紋圖像傳感器背景亮度、獲取用戶總數、讀取圖像并提取特征值、獲取圖像、設置/獲取比對等級、獲取光學傳感器的背景亮度、獲取模塊序列號、獲取注冊用戶ID值、校準傳感器等30個功能命令，使用壽命100萬次，能滿足大多數的指紋應用場合。

圖2 STM32開發平臺硬件框圖

圖3 系統主流程圖

2.2 STM32開發平臺

本開發平臺以STM32F103VE為主控芯片。STM32系列芯片是由意法半導體公司以ARM Cortex-M3為內核開發生產的32位單片機，專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計。F103為增強型系列，其時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品。

開發平臺采用1117為CPU電源芯片來保證系統運行時的穩定性。硬件平臺框圖如圖2所示，主要性能指標包括：CPU處理器：STM32F103VE，時鐘頻率72MHz，接口資源：USART 3個，USB 1個，RS232串口 1個，下載方式：JTAG或SWD（見圖2）。

3.考勤機軟件設計

系統上電后，首先進行系統硬件初始化和加載學生信息，之后系統自動進入指紋檢測模式，此外還有指紋錄入，指紋刪除等模式可以通過按鍵選擇。考慮到考勤周期應該較長，長時間不工作系統進入省電模式。系統主程序流程圖如圖3所示。

4.系統測試

為了驗證考勤機在實際使用中的的性能、可行性、穩定性，在電氣121-4進行電子制作實習時行了測試，對每個人進行了指紋錄入與指紋考勤情況進行匯總，匯總情況如表1所示。測試過程中需注意：第一，傳感器檢測面與手指指肚要清潔，以保證能錄入到清晰、準確指紋，第二，手指錄入面要與檢測面盡量一致，以保證兩次錄入采集到的特征值一致。一般的檢測不成功，主要問題是指紋錄入面與檢測面不一致（見表1）。

表1 考勤機功能測試表

測試

對象 測試

項目 供電

方式 測試

人數 測試

次數 成功

次數 成功率 速度

（每次）

電氣121 指紋錄入 開關電源 26 1次/人 26 100% <1 S

指紋考勤 開關電源 26 5次/人 120 92.3% <1 S

電氣122 指紋錄入 開關電源 27 1次/人 27 100% <1 S

指紋考勤 開關電源 27 5次/人 135 100% <1 S

電氣123 指紋錄入 蓄電池 26 1次/人 26 100% <1 S

指紋考勤 蓄電池 26 5次/人 120 100% <1 S

電氣124 指紋錄入 蓄電池 26 1次/人 26 100% <1 S

指紋考勤 蓄電池 26 5次/人 120 100% <1 S

5.結論

本文采用STM32單片機、SX-T13指紋模塊和SD卡相結合的模式，設計了一款適用于高校實驗實習教學使用的考勤機，此考勤機體積較小，移動方便，能獨立完成考勤的各個環節，同時還可以借助于SD卡隨時更換考勤人員，滿足實驗實習的各種需求，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]宋根萍，鄭珍珍.工科實踐教學與創新人才培養的初步探索[J].教育教學論壇.2012（08）.

[2]薛亞許，陳金玉.學校指紋考勤系統的設計與實現[J].微型機與應用，2011（01）.

[3]章通.高校課堂指紋考勤系統的設計與實現[D].重慶大學，2011.

通訊作者：田豐慶。