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1、广西大学本科毕业设计 飞机场安检系统目 录第一章 前言11.1 背景11.2 设计内容11.2.1 金属检测部分11.2.2 身份识别1第二章 金属检测32.1 金属检测机概述32.2 金属探测器工作原理42.2.1 传感器原理42.2.2 基本检测电路及其原理52.3 金属探测器的系统构成8第三章 旅客身份认证113.1 身份识别技术概述113.2 非接触式IC卡技术123.2.1 IC卡技术简介123.2.2 Mifare 1 S70 卡163.3 一体化指纹IC卡设备的设计方法19第四章 系统硬件设计234.1 LPC2210ARM微处理器244.1.1 LPC2210ARM微处理器简介
2、244.1.2 LPC2210ARM微处理器内部结构概述254.2 系统电源264.3 系统复位294.4 天线电路设计304.5 FLASH模块324.6 串行通信模块334.7 调试端口（JTAG）模块36第五章 系统软件设计375.1 金属探测模块软件设计375.2 指纹识别模块软件设计385.3 非接触式IC卡读卡器主程序设计405.4 指纹识别模块接口程序设计445.5 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
3、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
4、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。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
5、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
6、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
7、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。2.2 金属探测器工作原理2.2.1 传感器原理
8、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: （2-1）其中，为介质的磁导率，为相对磁导率，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： (2-2)由公式(2-2)可知，当线圈有效探测范围内无金属物时， (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
9、效探测范围内出现铁磁性金属物时，会变大，B随也会变大。(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、
10、银、铜、铅、锌等)和顺磁体(如锰、铬、钦等) ，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) 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
11、好的结合现有的先进的控制技术。(1) 差拍式检测电路 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，得到和，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: 从上式看出，当振荡电路的参数确定以后，振荡频率与电感量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,通常，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略大于，与在混频器中混频
12、，可得到两种频率，即和。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。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，
13、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
14、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。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
15、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：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MC 1996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
