飞机场安检系统毕业论文.docx
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飞机场安检系统毕业论文
目
录
第一章
前言
..................................................
1
1.1
背景
..................................................
1
1.2
设计内容..............................................1
1.2.1
金属检测部分....................................
1
1.2.2
身份识别........................................
1
第二章
金属检测..............................................
3
2.1
金属检测机概述........................................
3
2.2
金属探测器工作原理....................................
4
2.2.1
传感器原理......................................
4
2.2.2
基本检测电路及其原理
............................5
2.3
金属探测器的系统构成..................................
8
第三章
旅客身份认证.........................................
11
3.1
身份识别技术概述.....................................
11
3.2
非接触式IC卡技术....................................
12
3.2.1
IC卡技术简介...................................
12
3.2.2
Mifare1S70卡................................
16
3.3
一体化指纹IC卡设备的设计方法........................
19
第四章
系统硬件设计.........................................
23
4.1
LPC2210ARM微处理器..................................
24
4.1.1
LPC2210ARM微处理器简介.........................
24
4.1.2
LPC2210ARM微处理器内部结构概述
.................25
4.2
系统电源.............................................26
4.3
系统复位.............................................29
4.4
天线电路设计.........................................
30
4.5
FLASH模块...........................................
32
.
4.6
串行通信模块.........................................
33
4.7
调试端口（JTAG）模块.................................
36
第五章
系统软件设计.........................................
37
5.1
金属探测模块软件设计.................................
37
5.2
指纹识别模块软件设计.................................
38
5.3
非接触式IC卡读卡器主程序设计
........................40
5.4
指纹识别模块接口程序设计.............................
44
5.5
LCD接口程序设计.....................................
47
第六章
结束语...............................................
51
参考资料.....................................................
52
致谢.........................................................
53
第一章前言
1.1背景
最近几年国内外民航的安全管理水平上了一个很大的台阶。
但随着美国
911恐怖事件的发生，国际恐怖活动日益活跃，尤其对国内外民航的安全保障机制形成了新的挑战。
在这种大环境下，如何加强对民航旅客安全检查和监控的重要性日益突出。
为此国内外民航企业纷纷采取各种措施以更好地应接挑战。
机场作为民航旅客出入的唯一门户，近年来对其安全保障亦随之愈加重视。
除加强各种管理手段之外更陆续开始加强机场安全检查系统，将旅客在地面登上飞行器之前的所有安全相关信息采集整理存储起来，以便在事中及时发现制止各类安全隐患。
遍历911事件之后的国内外各大机场，包括美国肯尼迪机场、英国希思罗机场、德国法兰克福机场、新加坡机场等国外大型机场，我国广州白云机
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场、北京首都机场等都已建成初具规模的机场安全检查系统。
1.2设计内容
本设计拟实现一个简易的飞机场安检系统，能够实现飞机场安检系统的主要功能，对旅客行李中是否带有金属物品进行检测及对旅客身份的认证。
整个系统由两部分组成，一部分完成金属物品的检测，另一部分实现对旅客身份的识别和认证。
1.2.1金属检测部分
设计一个简易的金属检测机，采用单片机控制，能够对行李中的金属物品进行检测和报警。
1.2.2身份识别
设计一个身份识别装置，采用指纹识别和密码识别相结合的方式，将指纹信息和个人ID（身份证号码）存入射频式IC卡中，对旅客进行检测时先采集到旅客的指纹信息，然后通过读卡器读出旅客卡中的指纹信息，将两者进行比对，相同则通过，不同则报警。
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第二章金属检测
2.1金属检测机概述
全球第一台金属探测器诞生于1960年，最初的金属探测器主要应用于工
矿企业，其为检查矿产纯度和提高效益的得力帮手。
随后于1970年，随着社
会的不断发展，金属探测器被引入一个新的应用领域—安全检查，其广泛运
用于民航、公安、缉私和边防等领域，也就是今天我们所使用的金属探测器
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的雏形，它的出现意味着人类对安全的认知已步入了一个新的时代。
在70
年代，随着航空业迅速发展，劫机和危险事件的发生使航空及机场安全逐渐
受到重视，于是在机场众多设备中金属探测门扮演着排查违禁物品的重要角
色。
金属检测机的具体产品类型包括检针机、安检门、各型金属检测机等，
虽然名称各异，但均基于电磁感应原理工作，我们可以将其统称为金属检测
机。
在食品加工业、化工医药业、纺织服装业、木材加工业、机场或其它安
检场所等金属检测机均有着广泛而重要的应用：
在食品加工业，原材料与成
品均需通过金属检测机的严格检验；在纺织服装业，成衣必须通过金属检测
机的严格检验，此时金属检测机通常以检针机的形式出现；在木材加工业，
通过金属检测机检验后的原木材料可有效减少加工锯齿的损坏及防止工伤事故的产生：
在机场、重要会议等安检场所，旅客、与会人员等通常要求接受相应的安全检查，此时金属检测机则以安检门的形式出现。
金属检测机作为一种广泛应用于食品加工业、纺织服装业、木材加工业、机场或其它安检场所的机电设备，其性能指标主要体现在检测精度和操控性两个方面，其中操控性决定于检测机的控制系统实现。
金属检测机通常提供一定数量与精度的电磁感应探头，各探头并行排列形成检测通道。
其基本的工作原理与过程可简要描述如下：
被检测物品在传送带的输送下以一定的速度通过检测区域（各检测通道），当被测物不含有金属时正常通过，当电磁感应探头探测到金属（通常为断针等）存在时，检测机即通过一定的方式（声光报警、停机等）提示工作人员。
生产规模的不断扩大对金属检测机自动化水平与管理维护效率提出了
更高的要求。
当前金属检测机控制系统除实现基本的监控功能外，对工作人员的操控方式、工作参数的调整与设置、故障与工况的记录与查询、检测精度的设定、检测结果的定位、网络监控等功能也有了更多的需求。
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2.2金属探测器工作原理
2.2.1传感器原理
金属探测器是采用线圈的电磁感应原理来探测金属的。
根据电磁感应原
理，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，将发生如下现象和效应：
（1）线圈介质条件的变化：
当金属物接近通电线圈时，将使通电线圈周围的磁场发生变化，对于半径为R的单匝圆形电感线圈，当其中人通过交变电流IImcost时，线圈周围空间产生交变磁场，根据毕奥—萨伐尔定律
可计算出线圈中心轴线上一点的磁感应强度B为:
BdBx
dBsin
2
R
I
R
IR2
0
2
dl
3
4
r
r
2r
IR2
0
rR2Im
cost
（2-1）
2x2
R2
3/2
2x2
R2
3/2
其中，0
r，
为介质的磁导率，
r为相对磁导率，0为真空磁导率。
对于紧密缠绕N匝的线圈，线圈中心轴线上一点的磁感应强度则为：
B
N0
rR2I3/2mcost
2x2
R2
（2-2）
由公式（2-2）可知，当线圈有效探测范围内无金属物时，r1（非金属
的相对磁导率），线圈中心磁感应强度B保持不变，当线圈有效探测范围内出
现铁磁性金属物时，r会变大，B随r也会变大。
（2）涡流效应：
根据电磁理论，我们知道，当金属物体被置于变化的磁
场中时，金属导体内就会产生自行闭合的感应电流，这就是金属的涡流效应。
涡流要产生附加的磁场，与外磁场方向相反，削弱外磁场的变化。
据此，将
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.
一交流正弦信号接入绕在骨架上的空心线圈上，流属靠近线圈时，金属产生的涡流磁场的去磁作用会削弱线圈磁场的变化。
金属的电导率越大，交变电流的频率越大，则涡电流强度越大，对原磁场的抑制作用越强。
通过以上分析可知，当有金属物靠近通电线圈平面附近时，无论是介质
磁导率的变化，还是金属的涡流效应均能引起磁感应强度B的变化。
对于非
铁磁性的金属[包括抗磁体（如：
金、银、铜、铅、锌等）和顺磁体（如锰、铬、
钦等）]r1，较大，可以认为是导电不导磁的物质，主要产生涡流效应，
磁效应可忽略不计；对于铁磁性金属（如：
铁、钻、镍）r很大，也较大，
可认为是既导电又导磁物质，主要产生磁效应，同时又有涡流效应。
正是基于这样的理论，可以寻找一种适合的传感器来感应线圈的磁场变
化，并把磁场信号的变化转变成电信号的变化，从而实现单片机的控制。
正
是本着这样一个设计思路来构建系统的硬件电路。
2.2.2基本检测电路及其原理
目前，国内感应式金属探测器根据基木原理和检测线路的不同，大致可
分为差拍式、自激感应式。
而在国外的探测设备中采用更多的是平衡式，而
且平衡式的结构更稳定可靠，性能更佳，能更好的结合现有的先进的控制技
术。
（1）差拍式检测电路
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探测线圈
探测振荡器f1
输
混频器放大器滤波器
出
探测振荡器f2
图2-1差拍式检测框图
检测电路如图2-1所示，其中它包括了两个振荡器频率，经过混频器对
频率进行处理后，得到（f1f2）和（f2f1），再经过高频滤波器滤波得到需要
的差频信号，经放大器放大直接送给输出电路。
探测振荡器的振荡频率f1:
f1
1
2LC
从上式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率f1与电感量L和不
变的电容C有关，电感量的增减与被测物体的性质和大小有关。
当被探测物
体是铁磁性材料时，由于导磁率高，使探测线圈的总电感量增加，变成LL1
当被检测物体是非磁性材料的金属，由于金属物体的涡流损耗，使探测线圈
的电感量减少，变成LL2,通常L1L2，它们的大小取决于被探测物体
的性质和形状。
参考振荡器的振荡频率f2略大于f1，f1与f2在混频器中混
频，可得到两种频率，即（f1f2）和（f2f1）。
再通过滤波器选取需要的差频
信号（后者）送入放大器，经放大后输出，推动灯光显示或者报警。
（2）自激感应式检测电路
自激振荡式金属探测器多数采用LC振荡器作为金属物体的探测电路，工
厂或矿山应用较多。
其检测电路框图如图2-2所示。
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震荡检波报警
线圈微分放大输出显示
控制
图2-2自激振荡式框图
探测线圈安装在输送矿石或其它物料的传送带，作为振荡器振荡回路的电感。
由于在冶金矿山中应用较多，所以要求此振荡器对磁性矿石的影响有一定的抑制作用，对于弱磁性的锰钢件具有一定的探测灵敏度。
振荡器在正常情况下输出等幅的交流电压，检波后为不变的直流电压，因而输出微分信号为零。
当金属物体经过线圈时，振荡器的振幅降低后又恢复，检波后的直流电压产生一个降低的波动，经微分电路微分后，将有脉冲信号输出。
此脉冲信号经放大器放大后，推动继电器动作，输出接点信号控制金属物体取出装置，并进行显示或报警。
（3）平衡式检测电路
图2-3所示为本次设计中我们所采用的检测电路。
从图中可以清晰地了解平衡式金属探测器的基本原理。
根据电磁场理论，发射线圈产生的交变磁场在两个差动连接的接收线圈中分别产生一个同频、反相、等幅的感应电动
势，两者相消即形成接收平衡。
当含有金属杂质的物品通过传感器时，线圈
周围的磁场由于物品的进入发生变化，在接收线圈处检测出这个磁场变化引
起的电压差，通过滤波电路滤除高频于扰信号，放大所需的低频电压信号，
送给相应的显示、报警电路信号引起动作。
平衡式探测器的另一个特点在于
它的传感器部分比其他形式的传感器多采用了一个平衡补偿线圈。
根据以往
的设计经验可知，电子元件有一定的使用寿命和工作范围，当工作环境复杂
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时，很容易受到外界的干扰，不能按正常特性工作。
当传感器的接收信号山
于外界干扰产生较大变化时，检波信号必然要受到影响。
根据自动控制理论
中的闭环负反馈控制原理，要保证输出信号受外界干扰减小的话，需要增加
对自身输入信号的补偿，所以需增加一个补偿线圈。
振荡电路滤波电路功率放大电路
发射
线圈
平衡调节电路传感器部分
显示
滤波、放大电路检波电路接收线圈
报警
图2-3平衡式检测电路框图
通过以上的分析可知，平衡式检测电路工作特性更稳定，并能有效的去
除外界带来的电磁干扰或由于震动、冲撞引起的磁场变化带来的干扰。
2.3金属探测器的系统构成
如图2-4所示为本次设计所采用的金属探测器的系统组成框图。
它由电
涡流传感器、正弦波振荡器、滤波电路、检波电路、信号处理电路、LCD显
示电路、电源电路组成：
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.
正
传
调
滤
信号
波
处理
弦
制
动
波
感
解
作
振
调
电
荡
器
电
滤
信号
路
器
路
波
处理
图2-4金属探测器系统组成框图
1.探测线圈由三根儿何参数相同的平面线圈组成，它们分别构成两个LC
正弦波振荡电路的电感部分，在电路中以平衡差动方式工作，用来检侧当金
属物出现时线圈电感参数的变化。
线圈特性的好坏，对系统的分辨率、灵敏
度和稳定性有重大影响。
2.检波线路是山模拟乘法器来完成检波的任务，采用MOTOROLA公司的MC1996模拟乘法器。
它利用的原理是相敏原理，它的输出为两个正弦波正交分解的量。
此时，电路分成两个对称的测量电路，分别经滤波电路后对所得的
新的信号量进行处理。
3.信号处理电路是由多级放大和滤波电路组成的，它将电涡流传感器检
测到的微小变化电压值多级放大，根据测量到的不同等级电压值判断检测金
属含量或者颗粒大小。
4.LCD显示和报警电路用来完成人机对话功能，可以方便地参看和修改
参数，调节相应的检测灵敏度和精度，同时在检测到金属杂质时报警提醒工
作人员。
5.电源电路提供以上各电路所需的工作电压。
整个系统上电后开始运行，光电开关检测被测产品是否到达被测区域入口,确定后启动AD转换器对模拟信号电压进行采样转换成数字信号，同时数
据送给微处理器处理判断是否超出预定电压值，由此判断是否含有金属，使
自动报瞥显示电路立即动作，电机停止运转，同时点亮相应的LED灯数，液晶显示系统状态为“停止”。
系统控制结构图如图2-5所示。
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.
LPC2210ARMLCD显示
检测通道
传送皮带
电机Atmega128蜂鸣器
LED点阵
图2-5系统控制结构图
由于采集到的信息是连续变化的模拟量，不能被单片机直接处理，所以
必须把这些模拟量转换成数字量后才能够输入到单片机中进行处理，这里选
用了经济实用的ADC0809型AD转换器来进行模数转换。
ADC0809型芯片内部
结构见图2-6。
START
EOC
CLK
OE
时
序与
控
制
IN7
8路模拟
逐位逼近寄存器
D7
开关
比较器
SAR
三态输
IN0
出锁存
器
树状开关
D0
ADDC
地址锁
ADDB
A/D
存及译
ADDA
码
电阻网络
ALE
VREF（+）
VREF（-）
图2-6ADC0809型芯片内部结构
ADC0809是8位逐次逼近型AD转换器，片内有八路模拟开关，可对八路模
拟电压量实现分时转换，转换速度为100us（即10千次秒）。
当地址锁存允
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.
许信号ALE=1时，3位地址信号A、B、C送入地址锁存器，选择8路模拟量中
的一路实现AD转换。
Word资料
.
第三章旅客身份认证
3.1身份识别技术概述
传统身份识别技术是指基于特定持有物（如：
身份证）和基于特定知识
（如：
密码）进行身份鉴定的一种技术，其应用如：
人们通过信用卡和密码可
以实现在ATM机上取款。
传统方法的缺点是：
特定持有物易丢失、被盗和遗
忘。
特定知识则存在记忆上的问题。
密码太复杂，容易遗忘；密码简单（如：
生日、电话号码等），则容易被破译和猜测。
因此，传统身份识别技术己不能满足许多行业（如政府管理部门、电信、金融、商业等）对身份识别技术的要求。
随着生物技术的发展，基于生物特征识别的身份识别技术已渐渐成为身份识别的重要手段。
生物识别技术（BiemotricIdentificationTechnology）是利用人体生
物
特征进行身份认证的一种技术。
生物特征是唯一的（与他人不同），可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。
身体特征包括：
指纹、掌型、视网膜、虹膜、人体气味、脸型、手的血管和DNA等；行为特征包括：
签名、语音、行走步态等。
每个人的这些特征都与别人
不同，且终生不变，可以根据它们鉴别身份。
显然，相对于传统的身份证、密码等，生物特征“随身携带”，不存在遗失、遗忘的问题，更难于用穷举法和智能方法破解。
生物特征识别作为身份鉴别的一种快捷而便利的手段己经越来越广泛地应用在众多基于网络的服务等应用领域。
人们已经发展了手形识别、指纹识别、面部识别、发音识别、虹膜识别、签名识别等多种生物识别技术。
目前人体特征识别技术市场上占有率最高的
Word资料
.
是指纹仪和手形机，这两种识别方式也是目前技术发展中最成熟的。
与传统身份鉴定相比，生物识别技术具有以下特点：
1.随身性：
生物特征是人体固有的特征，与人体是唯一绑定的，具有随
身性。
2.安全性：
人体特征本身就是个人身份的最好证明，满足更高的安全需
求。
3.唯一性：
每个人拥有的生物特征各不相同。
4.稳定性：
生物特征如指纹、虹膜等人体特征不会随时间等条件的变化而变化。
5.广泛性：
每个人都具有这种特征。
6.方便性：
生物识别技术不需记忆密码与携带使用特殊工具（如钥匙），不会遗失。
基于以上特点，生物识别技术具有传统的身份鉴定手段无法比拟的优点。
采用生物识别技术，可不必再记忆和设置密码，对重要的文件、数据和交易都可以利用它进行安全加密，有效地防止恶意盗用，使用更加方便。
迄今为止，最为人们所关注、最为成熟的生物识别技术就是指纹识别。
指纹具有以下7个方面的特性使其成为身份识别技术的首选：
1.普遍性，即每个人都具有（除极少数无指残疾人或先天性无指纹者，但这本身就是一个特征）；
2.唯一性，即不同的人甚至同一个人不同的指头，指纹都不相同；
3.永久性，即终生不变性；
4.可采集性，即可以通过一定的设备和手段采集到；
5.可行性，即在对资源、环境、操作等条件要求不苛刻的条件下可以达到
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