基于STC12 單片機(jī)的智能指紋考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛懷崗，林關(guān)成，曹靜

（1.渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，陜西渭南 714099；2.渭南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西渭南 714099）

人事考勤制度是現(xiàn)代企業(yè)管理的重要組成部分，其在提高員工的時(shí)間觀念和工作效率，改善企業(yè)風(fēng)貌，提升企業(yè)形象等方面發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的考勤方式主要包括手工簽到、打卡鐘、IC 卡或磁卡考勤等，存在管理效率較低、統(tǒng)計(jì)工作復(fù)雜以及代簽或代打卡等問題，耗費(fèi)了大量人力、物力、財(cái)力，存在明顯的不足[1-2]。隨著生物特征識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)也日趨成熟，逐漸成為生物特征識(shí)別技術(shù)中較為流行的一個(gè)分支[3-4]。指紋雖然面積不大，但其蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)信息量卻相當(dāng)大，在認(rèn)證和識(shí)別時(shí)，能夠做到準(zhǔn)確高效而且速度較快[5-6]。由于其識(shí)別的高度準(zhǔn)確性和使用的方便性，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到安防加密、人事考勤等領(lǐng)域，用以研究開發(fā)指紋考勤機(jī)、指紋考勤系統(tǒng)等產(chǎn)品。

針對(duì)傳統(tǒng)考勤方式的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于光學(xué)指紋識(shí)別技術(shù)的考勤系統(tǒng)，通過STC12C5A60S2單片機(jī)和指紋識(shí)別模塊采集人員考勤信息，利用上位機(jī)實(shí)時(shí)查看人員考勤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代企業(yè)和事業(yè)單位的自動(dòng)考勤和考勤數(shù)據(jù)的分析處理，系統(tǒng)具有體積小、準(zhǔn)確率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約了考勤時(shí)間，提高了考勤效率，可有效防止代人打卡、簽到和遲到早退等現(xiàn)象，提升了企事業(yè)單位考勤管理的信息化水平。

1 智能指紋考勤系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

根據(jù)企事業(yè)單位考勤工作流程，智能指紋考勤系統(tǒng)首先需要通過上位機(jī)注冊(cè)或者刪除指紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)工號(hào)、姓名、部門等人員信息和對(duì)應(yīng)指紋的錄入和保存，然后采用光學(xué)指紋模塊，進(jìn)行指紋識(shí)別打卡簽到。系統(tǒng)下位機(jī)將識(shí)別成功的指紋信息保存后，通過USB 轉(zhuǎn)TTL 接口將人員的考勤簽到信息發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信與傳輸顯示。系統(tǒng)上位機(jī)可設(shè)定上、下班時(shí)間，保存簽到記錄和人員姓名、打卡時(shí)間及打卡狀態(tài)等考勤數(shù)據(jù)信息，還可控制下位機(jī)播放音頻文件，進(jìn)行語音播報(bào)提示。同時(shí)，通過上位機(jī)可根據(jù)人員姓名和打卡時(shí)間，查詢員工的考勤記錄。如果遇到重名的員工，還可以進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分，打卡時(shí)間精確到秒。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)上述系統(tǒng)功能需求，以單片機(jī)作為中央處理芯片，智能指紋考勤系統(tǒng)主要由電源供電模塊、按鍵操作模塊、指紋采集與識(shí)別模塊、USB 轉(zhuǎn)TTL 通信模塊和語音播報(bào)模塊等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.2.1 單片機(jī)選型

MSP430 單片機(jī)是16 位高性能單片機(jī)，其內(nèi)部具有精簡(jiǎn)指令集，作為一種混合信號(hào)處理器，可以根據(jù)實(shí)際需求把數(shù)字電路、模擬電路和微處理器都集成到一個(gè)單片機(jī)芯片上，外部IO 資源較為豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)算，但是在編程上卻較為復(fù)雜。STC12C5A60S2 系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)，具有速度高、功耗低和超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051 系列單片機(jī)，而且運(yùn)行速度是傳統(tǒng)8051 單片機(jī)的8～12 倍，其內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路以及2 路PWM 和8 路高速(250 kB/s)10 位A/D 轉(zhuǎn)換電路[7]。

通過對(duì)比MSP430 單片機(jī)與STC12C5A60S2 單片機(jī)，它們的處理速度和性能都能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，但是MSP430 編程復(fù)雜。因此，綜合考慮系統(tǒng)功能需求、編程難易程度以及性價(jià)比等因素，智能指紋考勤系統(tǒng)選擇STC12C5A60S2 單片機(jī)。

1.2.2 語音模塊選型

ISD4004 語音模塊是一款低功耗的錄放音模塊，可以對(duì)多段語音信息進(jìn)行處理，其內(nèi)置串行通信接口可以與單片機(jī)直接相連，但是該模塊的編程較為復(fù)雜，且播放音質(zhì)較低；MY1690-16S 是由串口控制的插卡語音芯片，支持MP3、WAV 格式雙解碼，也可外接U 盤或USB 數(shù)據(jù)線播放音頻文件。用戶可以存入不同的音頻文件，作為小型的MP3 使用。該模塊連接外置喇叭后語音內(nèi)容可外放，功率約為3 W，是一款高性價(jià)比的語音模塊。

性能對(duì)比分析可知，ISD4004 語音模塊編程復(fù)雜，且價(jià)格偏高；MY1690 語音模塊使用方便，價(jià)格低廉。綜合考量制作性價(jià)比以及使用便捷性等方面，智能指紋考勤系統(tǒng)選擇MY1690 語音模塊。

2 智能指紋考勤系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案要求，系統(tǒng)主控模塊選用STC12C5A60S2 單片機(jī)，該型單片機(jī)性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、成本低廉、功耗低，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的可靠性，其指令集完全兼容8051 系列單片機(jī)，儲(chǔ)存空間可達(dá)61 kB，便于儲(chǔ)存較大的程序[8]。STC12C5A60S2 最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路和供電電源。晶振電路由一個(gè)晶體振蕩器和兩個(gè)電容組成，可產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘頻率信號(hào)，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快，該設(shè)計(jì)中晶振選用頻率為11.059 2 MHz，電容容量選為30 pF。復(fù)位電路由電阻和電容串聯(lián)構(gòu)成，系統(tǒng)上電或按下復(fù)位鍵時(shí)對(duì)電容進(jìn)行充放電，在電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；松開復(fù)位鍵或電容充滿后，電阻上電流和電壓均下降為0，使得單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，系統(tǒng)中的傳感器處于確定的初始狀態(tài)，并從該初始狀態(tài)開始運(yùn)行。供電電源的工作電壓范圍為3.3～5 V，從直流穩(wěn)壓電源獲取5 V 直流電壓，按下開關(guān)鍵可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。

2.2 按鍵電路設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)采用兩個(gè)獨(dú)立按鍵作為考勤打卡按鍵。在打卡前按下開啟鍵打開指紋識(shí)別模塊，然后進(jìn)行指紋識(shí)別，識(shí)別結(jié)束后按下結(jié)束鍵關(guān)閉指紋識(shí)別模塊。獨(dú)立按鍵的工作原理：當(dāng)按鍵被按下后，將拉低對(duì)應(yīng)I/O 端口的電平，此時(shí)電路與GND 導(dǎo)通，單片機(jī)通過按鍵掃描程序可以讀取所對(duì)應(yīng)I/O 端口的電平狀態(tài)[5]。因此，只要通過檢測(cè)單片機(jī)I/O 端口的電平狀態(tài)即可判斷按鍵的開關(guān)狀態(tài)，從而判斷是哪個(gè)按鍵被按下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的按鍵功能。

2.3 語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)采用MY1690-I2P 語音模塊播報(bào)提示音，通過上位機(jī)可設(shè)定上班時(shí)間和下班時(shí)間，控制下位機(jī)音頻文件的播放，在遲到或早退時(shí)如有人打卡，可播報(bào)語音提示：“早上好，您已遲到或者您已早退，再見”，實(shí)現(xiàn)對(duì)考勤結(jié)果的提醒。MY1690-I2P 語音模塊通過串口的方式與單片機(jī)連接并進(jìn)行通信，通過讀取模塊中TF 卡所存儲(chǔ)的語音，實(shí)現(xiàn)語音信息播報(bào)。在與單片機(jī)連接的電路中，MY1690 模塊中所用到的引腳為RX 引腳、5V 引腳、GND 引腳以及SK1、SK2 引腳。模塊的RX 引腳為異步串口的輸入引腳，連接單片機(jī)的P3.1 口，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；GND 引腳接地，5 V 引腳連接電源，而SK1 和SK2 引腳為外界無源喇叭的連接引腳。MY1690-I2P 語音播報(bào)電路如圖2 所示。

圖2 MY1690語音播報(bào)電路

2.4 指紋模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ATK-AS608 高性能光學(xué)指紋模塊電路，其芯片內(nèi)置了DSP 運(yùn)算單元，同時(shí)將指紋識(shí)別算法集成于模塊內(nèi)部，可高效快速地采集識(shí)別指紋信息。通過串口方式與單片機(jī)的電路連接，簡(jiǎn)單易用。ATK-AS608 指紋模塊的VCC 端為模塊的電源輸入端，由于ATK-AS608 指紋模塊采用3.3 V 電源供電，而智能指紋考勤系統(tǒng)采用5 V 電源供電，其間需要增加AMS1117 降壓模塊，將系統(tǒng)供電電壓5 V 轉(zhuǎn)換為指紋模塊電路所需的工作電壓3.3 V，TXD引腳與RXD 引腳分別為串行數(shù)據(jù)的輸出引腳和輸入引腳，分別連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口P1.2 和數(shù)據(jù)輸入口P1.3，與單片機(jī)之間通過串口的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸，單片機(jī)通過串口對(duì)指紋模塊進(jìn)行控制[9-10]。VCC 端與GND端連接AMS1117降壓模塊，然后再分別連接系統(tǒng)的電源端和接地端。ATKAS608 指紋模塊電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 ATK-AS608指紋模塊電路

2.5 通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用Visual Studio 2019 進(jìn)行開發(fā)，目前大多數(shù)PC 端無串口，僅有USB 端口，因此，系統(tǒng)與上位機(jī)之間采用USB 轉(zhuǎn)TTL 串口的方式與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。STC125A60S2 單片機(jī)具有雙串口，設(shè)計(jì)中采用CH340 芯片實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)TTL 接口電路設(shè)計(jì)，將CH340 芯片的TXD 引腳與RXD 引腳分別連接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出口P3.0 和數(shù)據(jù)輸入口P3.1，通過USB 線連接電腦的USB 接口后即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC端之間的數(shù)據(jù)傳輸，為指紋模塊的連接和通信電路的設(shè)計(jì)提供了便利。

3 智能指紋考勤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能指紋考勤系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要由通信模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊等組成。通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)建立通信、斷開通信、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等功能[11]。軟件啟動(dòng)后將自動(dòng)掃描上位機(jī)PC 可用的通信端口，然后添加到下拉列表框中以供選擇，選擇好相應(yīng)的通信端口后，點(diǎn)擊“打開”按鈕，軟件便會(huì)打開選定的端口與下位機(jī)建立通信連接。如果通信端口打開正常，則會(huì)顯示串口名稱。數(shù)據(jù)查詢模塊用于查詢考勤記錄的編號(hào)、時(shí)間和打卡狀態(tài)信息。軟件打開時(shí)默認(rèn)顯示所有歷史數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)過多，可通過時(shí)間段進(jìn)行查詢。查詢時(shí)間段時(shí)需要輸入開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，用鼠標(biāo)直接點(diǎn)擊輸入框會(huì)彈出時(shí)間選擇界面，鼠標(biāo)雙擊后，可以使用鍵盤輸入相應(yīng)的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，通過開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間以數(shù)據(jù)表格呈現(xiàn)方式快速精準(zhǔn)查詢考勤數(shù)據(jù)[12-13]。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，主程序首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，在上位機(jī)考勤信息錄入界面輸入個(gè)人信息后，通過指紋模塊錄入指紋圖像并存入指紋庫(kù)中，完成指紋注冊(cè)過程。然后利用按鍵讀取輸入的考勤打卡指紋，調(diào)用指紋庫(kù)，通過指紋模塊對(duì)所輸入的考勤指紋進(jìn)行識(shí)別匹配。如果指紋匹配不成功，警示燈亮一次后蜂鳴器響三聲進(jìn)行報(bào)警，提示重新輸入指紋后識(shí)別；若指紋匹配成功，則提示考勤打卡成功，單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)[14-15]。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程

3.2 指紋錄入程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，按下考勤開啟鍵使指紋模塊處于指紋錄入狀態(tài)，當(dāng)指紋模塊采集到指紋圖像信息時(shí)，需要兩次錄入指紋才能生成特征指令并存儲(chǔ)到指紋信息庫(kù)，其具體運(yùn)行過程為：指紋模塊內(nèi)置DSP 單元發(fā)送取圖像指令，等待接收應(yīng)答包。當(dāng)DSP單元讀取到指紋圖像信息時(shí)，發(fā)送生成特征指令，等待接收應(yīng)答包；再次發(fā)送取圖像指令及發(fā)送生成特征指令，結(jié)束判斷后輸入存儲(chǔ)ID，等待接收應(yīng)答包后完成指紋的錄入。指紋模塊的錄入程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 指紋錄入程序設(shè)計(jì)流程

3.3 指紋考勤程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在進(jìn)行指紋考勤時(shí)，指紋模塊中接收到讀取觸摸感應(yīng)狀態(tài)，指紋模塊內(nèi)置DSP單元發(fā)送讀取圖像指令，等待接收應(yīng)答包；當(dāng)DSP 單元讀取到指紋圖像信息時(shí)，會(huì)生成指紋特征信息并發(fā)送特征指令，等待接收應(yīng)答包后發(fā)送搜索指令，在指紋信息庫(kù)中提取檢索到的指紋并顯示指紋信息，為后續(xù)指紋識(shí)別匹配提供數(shù)據(jù)[16]。指紋考勤程序設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 指紋考勤程序設(shè)計(jì)流程

4 智能指紋考勤系統(tǒng)調(diào)試與功能測(cè)試

智能考勤系統(tǒng)軟件部分主要由單片機(jī)程序和上位機(jī)軟件及輔助程序等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件調(diào)試主要是對(duì)系統(tǒng)各部分功能代碼和性能進(jìn)行測(cè)試。首先，利用Keil μVision 自帶的斷點(diǎn)調(diào)試工具對(duì)單片機(jī)部分的軟件程序及流程進(jìn)行調(diào)試，程序編寫完成后可進(jìn)入編譯器中檢查代碼編寫是否有錯(cuò)誤，如果檢查出錯(cuò)誤可進(jìn)行更改然后再次編譯程序。如果程序編譯失敗，可進(jìn)入斷點(diǎn)調(diào)試，在斷點(diǎn)調(diào)試的工具欄中逐行對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。斷點(diǎn)調(diào)試完成后，可點(diǎn)擊編譯按鈕對(duì)程序重新進(jìn)行編譯。完成程序調(diào)試后即可生成HEX 鏡像文件，將鏡像文件燒錄進(jìn)單片機(jī)即可進(jìn)行下一步測(cè)試。然后，按照系統(tǒng)功能模塊劃分，對(duì)上位機(jī)程序部分的每項(xiàng)功能逐一進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤調(diào)整修改，直至全部完成功能和性能測(cè)試。

智能考勤系統(tǒng)硬件部分主要由指紋模塊、MY1690 語音模塊、獨(dú)立按鍵、5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電源模塊、ATK-AS608 指紋模塊、AMS1117 降壓模塊以及LED指示燈、三極管、蜂鳴器、電容、電阻等器件連接組成。系統(tǒng)硬件的調(diào)試主要是對(duì)系統(tǒng)各電路模塊的調(diào)試。首先，根據(jù)軟件的引腳定義與單片機(jī)的IO 端口進(jìn)行連接，正確區(qū)分模塊引腳連接的正負(fù)極，確保傳感器的引腳連接無誤。其次，在電路的焊接與連接中，需要確定元器件是否焊接良好，確保不存在虛焊。然后，調(diào)試單片機(jī)與上位機(jī)的通信端口，確保串口選擇正確。最后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。

5 結(jié)束語

該文提出了基于單片機(jī)的智能指紋考勤系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，通過STC12 單片機(jī)和指紋識(shí)別模塊采集考勤信息，利用上位機(jī)實(shí)時(shí)查看考勤狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了企事業(yè)單位的自動(dòng)考勤和考勤數(shù)據(jù)的分析處理。智能考勤系統(tǒng)體積小、準(zhǔn)確性高、速度快、節(jié)省了考勤時(shí)間，提高了考勤效率，可有效防止代人打卡、簽到和遲到早退等現(xiàn)象，提升了企事業(yè)單位考勤管理的信息化水平，具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值。