一種便攜式易燃爆物探測(cè)裝置設(shè)計(jì)

倪原，王紅娟，韓鵬，倪中辰，趙晨，趙陽

（1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安　710032；2.西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司 陜西 西安　710018）

一種便攜式易燃爆物探測(cè)裝置設(shè)計(jì)

倪原1，王紅娟1，韓鵬1，倪中辰2，趙晨1，趙陽1

（1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安710032；2.西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司 陜西 西安710018）

設(shè)計(jì)了一種易燃易爆危險(xiǎn)品的探測(cè)裝置，主要針對(duì)炸藥、酒精進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)裝置采用MSP430為微控制器，同時(shí)包括驅(qū)動(dòng)、顯示、按鍵、報(bào)警、拓展接口等模塊。其中爆炸物的探測(cè)是基于分子印跡壓電傳感器，傳感器利用分子印跡的專一性識(shí)別能力的特點(diǎn)，可對(duì)TNT、奧克托今等炸藥準(zhǔn)確探測(cè)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)誤差在0.05%之內(nèi)。易燃探測(cè)裝置采用酒精傳感器，可以探測(cè)空氣中濃度范圍10～1 000 ppm的酒精。該裝置具有便攜式、低功耗，體積小，靈敏度高的特點(diǎn)，可用于機(jī)場(chǎng)、地鐵等處的安全檢查。

易燃爆；炸藥；酒精；分子印跡壓電傳感器；便攜式

恐怖分子頻繁使用易燃、易爆危險(xiǎn)品，對(duì)人民財(cái)產(chǎn)和社會(huì)安定造成了極大的威脅［1］。本裝置所用到的炸藥探測(cè)技術(shù)是基于分子印跡壓電傳感器［2］，即以分子印跡聚合物為識(shí)別元件，壓電傳感器為轉(zhuǎn)換元件。其中分子印跡聚合物［3］（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）是利用分子印跡技術(shù)，制備對(duì)模板分子有特異識(shí)別性的一種高分子聚合物［4］。傳感器可以根據(jù)制備的不同類型的分子印跡聚合物特異性的檢測(cè)相對(duì)應(yīng)的爆炸物。針對(duì)酒精探測(cè)，設(shè)計(jì)了酒精傳感器及檢測(cè)電路［5］。該裝置可以對(duì)爆炸物以及超過環(huán)境所設(shè)的酒精濃度進(jìn)行聲光報(bào)警。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程包括分子印跡聚合物的制備，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

在制備檢測(cè)爆炸物用的印跡聚合物時(shí)，首先以待檢測(cè)的目標(biāo)爆炸物（如TNT）為模板分子，選擇合適的功能單體和交聯(lián)劑，在引發(fā)劑存在下進(jìn)行聚合。然后把模板分子洗脫，在聚合物中就留下了特定的空穴結(jié)構(gòu)，這種空穴能與分析物中的目標(biāo)分子（如TNT）特異性的結(jié)合，并可以探測(cè)出爆炸物［6］。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求設(shè)計(jì)了傳感器驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理、鍵盤、LCD、拓展接口電路。為了避免空氣中粉塵、水蒸氣等雜質(zhì)的干擾，設(shè)計(jì)了四路參考傳感器。酒精傳感器是利用濃度與電阻的關(guān)系，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)酒精濃度的檢測(cè)。設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的降噪，選通等，便于后續(xù)電路處理。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖Fig.1　Overall system block diagram

2　硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控電路設(shè)計(jì)

該裝置對(duì)功耗有很高的要求，對(duì)比三大主流MCU，選擇MSP430F系列單片機(jī)作為主控芯片，該微控制器可以工作在多種低功耗模式，工作電壓在1.8～3.6 V，最低電流可低至0.1 μA。選擇TI公司的MSP430F149為主控芯片。

電路設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)包括晶振、復(fù)位、電源電路。利用8 MHz的石英晶體構(gòu)成的晶振電路，為MCU提供基準(zhǔn)頻率，提高處理器的速度。復(fù)位電路采用阻容復(fù)位和低電平復(fù)位。整個(gè)系統(tǒng)采用直流5 V供電，而MSP430的工作電壓為DC3.3 V，壓降為1.7 V，故采用AMS1117-3.3 V實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

接口電路包括JTAG、按鍵、顯示、報(bào)警等。MSP430F149可以使用JTAG協(xié)議進(jìn)行斷點(diǎn)、單步、全速調(diào)試，所以設(shè)計(jì)14腳的JTAG接口實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試。按鍵控制采用將按鍵外掛在外部中斷的引腳P1.0-P1.5上的方式，相比較查詢方式節(jié)約時(shí)間。液晶顯示電路采用LCD12864液晶模塊，通過I/O接口P2.0-P2.7輸出8路并行數(shù)據(jù)可以提高顯示速度。使用LED以及蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2.2壓電傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

壓電傳感器的工作原理［7］：壓電材料在壓電效應(yīng)的作用下，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，通過對(duì)一些電信號(hào)變化量的測(cè)量，可以相應(yīng)檢測(cè)出需要檢測(cè)的物品。

由 Sauerbrey方程［8］可以看出，壓電傳感器上質(zhì)量的變化會(huì)引起輸出頻率的變化，因此測(cè)量響應(yīng)頻率的變化就可以準(zhǔn)確檢測(cè)到爆炸物。Sauerbrey方程：

F為晶體的固有諧振頻率（基頻，MHz），ΔM為晶體表面涂層質(zhì)量（g），ΔF為由涂層所引起的頻率變化（Hz），A即為涂層面積（cm2）。

本設(shè)計(jì)是根據(jù)公式一測(cè)量其頻率的變化，根據(jù)一定的變化規(guī)律［9］可以準(zhǔn)確的探測(cè)到爆炸物。傳感器的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2　傳感器驅(qū)動(dòng)電路Fig.2　Sensor driving circuit

其中U1A使得晶振起振，相當(dāng)于放大器；R1是反饋電阻，經(jīng)計(jì)算阻值為1 MΩ，使反向器在震蕩初始時(shí)工作在線性區(qū)；R10是防止放大器和晶振工作在高次諧波上；C1、C5為分壓電容。

2.3信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

傳感器驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)為8 MHz左右，頻率過大不方便后續(xù)電路的處理，首先要進(jìn)行二分頻，二分頻電路采用芯片74HC74構(gòu)建，根據(jù)其時(shí)序圖，將/Q與D端連接，即可實(shí)現(xiàn)二分頻。

為了檢測(cè)4種爆炸物該裝置設(shè)計(jì)了四路檢測(cè)電路和四路參考電路，故采用74HC4051進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，通過3個(gè)地址端S0/S1/S2的設(shè)置，選擇需要測(cè)量的通道。

2.4酒精傳感器電路設(shè)計(jì)

酒精傳感器的原理［10］：傳感器的敏感層為氧化錫（SnO2），氧化錫一加熱，空氣中的氧就會(huì)從氧化錫半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級(jí)中奪走電子，而在結(jié)晶表面上吸附著負(fù)電子，使表面電位增高，從而阻礙導(dǎo)電電子移動(dòng)，還原性氣體與半導(dǎo)體表面吸附著的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，由于氣體分子的離吸作用使其表面電位高低發(fā)生變化，傳感器的電阻值發(fā)生變化。選用MQ-3為酒精傳感器，為了便于測(cè)量，將電阻變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電壓變化，酒精傳感器檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3　酒精傳感器檢測(cè)電路圖Fig.3　Alcohol sensor circuit diagram

酒精檢測(cè)是對(duì)超過環(huán)境中所設(shè)的閾值的酒精濃度報(bào)警，利用電壓比較器U1A，通過Rp設(shè)定所測(cè)環(huán)境中的酒精閾值，超過酒精閾值時(shí)，LED熄滅，并通過單片機(jī)引腳檢測(cè)DOUT引腳來進(jìn)一步確定。當(dāng)檢測(cè)到酒精時(shí)，A、B間的電阻值減小，負(fù)載R2的電壓變大，通過測(cè)量此處的電壓，標(biāo)定電壓和濃度的關(guān)系，將 AOUT接入拓展接口的A/D模塊，并通過軟件計(jì)算。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)，爆炸物判斷，中斷響應(yīng)，A/D轉(zhuǎn)換濃度計(jì)算、顯示以及報(bào)警驅(qū)動(dòng)的功能。

按鍵控制選擇需要測(cè)量的通道，當(dāng)炸藥物探測(cè)出來后，按下相應(yīng)的按鍵，對(duì)酒精濃度進(jìn)行探測(cè)。功能設(shè)置用來顯示程序是測(cè)量、按鍵還是報(bào)警功能。總體軟件流程如圖4所示。

3.2爆炸物檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

針對(duì)炸藥檢測(cè)，測(cè)量信號(hào)頻率范圍在4 MHz左右，測(cè)周法只能測(cè)量100 Hz-2 kHz的頻率信號(hào)，故探測(cè)裝置頻率信號(hào)的測(cè)量采用測(cè)頻法。傳統(tǒng)的測(cè)頻法是先確定時(shí)間，考慮到頻率太高，采用先確定脈沖數(shù)n，在接收波形的同時(shí)測(cè)量其時(shí)間，最后通過公式二求得，頻率計(jì)算公式：

根據(jù)測(cè)頻法原理，測(cè)量需要兩個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器/計(jì)數(shù)器A選用系統(tǒng)的主時(shí)鐘，用于計(jì)時(shí)。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器B則接收外部時(shí)鐘TBCLK，用于存儲(chǔ)I/O引腳的脈沖數(shù)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的脈沖數(shù)時(shí)，讀取定時(shí)器/計(jì)數(shù)器A的值，根據(jù)公式二得出檢測(cè)到的爆炸物的頻率。

3.3酒精濃度檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

濃度的測(cè)量采取先濾波，再分段線性化處理。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的一組電壓和濃度關(guān)系如表1。

圖4　軟件總流程圖Fig.4　Total flowchart software

表1　電壓和濃度標(biāo)定Tab.1 Voltage and the concentration of the calibration

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1爆炸物檢測(cè)結(jié)果分析

1）誤差分析

在相同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（溫度25℃、濕度50%），用頻率計(jì)和所設(shè)計(jì)的裝置同時(shí)檢測(cè)相同的壓電傳感器，從大量的數(shù)據(jù)中給出部分精度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.2 Verify the accuracy of the data

從實(shí)驗(yàn)可以看出，測(cè)量結(jié)果最大誤差0.058 11%，而且都比頻率計(jì)測(cè)量值要小，平均誤差在0.027 28%，在后續(xù)軟件設(shè)計(jì)中增加濾波算法，可以進(jìn)一步減小誤差。

2）專一性分析

專一性是指分子印跡聚合物可以專一性的檢測(cè)模板分子，在恒溫25℃、50%濕度的環(huán)境下，以TNT為例，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，并提供一部分的專一性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　專一性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Specific experimental data

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，修飾分子印跡的壓電傳感器頻率降低，在和TNT結(jié)合以后，頻率再次降低，頻差明顯變化，最大可達(dá)10 kHz。

3）特異性分析

特異性是用來驗(yàn)證爆炸物A的分子印跡聚合物不會(huì)與爆炸物B反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)以修飾了TNT分子印跡聚合物的晶振和TNT以及奧克托今進(jìn)行結(jié)合，實(shí)驗(yàn)環(huán)境：恒溫25℃、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。繪制頻差對(duì)比圖如圖5所示。

圖5　頻差對(duì)比Fig.5　Compare the frequency difference

通過頻差對(duì)比表可以看出，TNT分子印跡聚合物在和TNT結(jié)合時(shí)頻差變化很大，達(dá)到十千Hz，而在和奧克托今結(jié)合時(shí)，幾乎沒有改變。

4.2酒精檢測(cè)結(jié)果分析

將酒精實(shí)際濃度與通過系統(tǒng)測(cè)量顯示的酒精濃度進(jìn)行對(duì)比，得到酒精濃度誤差分析如表4所示。

由于酒精濃度和電壓實(shí)際上不是完全的線性關(guān)系，因此利用線性擬合測(cè)量會(huì)存在一定的誤差，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出最大誤差5.01%，平均誤差為2.106%。

5　結(jié)　論

經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的便攜式易燃爆物探測(cè)裝置可以對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的爆炸物TNT、奧克托今等炸藥進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。也可以對(duì)酒精進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，同時(shí)拓展接口的設(shè)計(jì)方便以后系統(tǒng)功能的增加以及更新，可廣泛應(yīng)用到大范圍的易燃易爆危險(xiǎn)品檢測(cè)中。

表4　酒精濃度誤差Tab.4 Alcohol concentration error

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Design of a portable device to detect combustible and explosive materials

NI Yuan1，WANG Hong-juan1，HAN Peng1，NI Zhong-chen2，ZHAO Chen1，ZHAO Yang1
（1.Xi′an Technological University，Xi′an 710032，China；2.West Qiyuan Mechanical and Electrical Equipment Co.，Ltd.，Xi′an 710018，China）

Mainly for explosives，alcohol detection，we designed a device to detect Combustible and explosive materials.The device using MSP430 microcontroller，including driver，display，keypad，alarm，expanding interface module.Detection of dynamite is based on molecularly imprinted piezoelectric sensor，using molecular imprinting recognition of specific characteristics.Can accurately detect TNT、HMX and other explosives.According to experimental verification，detection Error is within 0.05%.Combustible detection device using an alcohol sensor，can detect air in concentrations ranging from 10～1 000 ppm alcohol.The device features are portable，low power consumption，small size，high sensitivity，are available for inspection at the airport，subway，and so on.

combustible and explosive；dynamite；alcohol；molecularly imprinted piezoelectric sensor；portable

TN98

A

1674－6236（2016）05-0155-03

2015-09-23稿件編號(hào)：201509162

倪 原（1955—），男，江蘇泰州人，碩士，教授。研究方向：醫(yī)學(xué)儀器。