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裝置設(shè)計

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.西安啟源機電裝備股份有限公司 陜西 西安710018）

設(shè)計了一種易燃易爆危險品的探測裝置，主要針對炸藥、酒精進行探測。探測裝置采用MSP430為微控制器，同時包括驅(qū)動、顯示、按鍵、報警、拓展接口等模塊。其中爆炸物的探測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別能力的特點，可對TNT、奧克托今等炸藥準確探測，經(jīng)實驗驗證，檢測誤差在0.05%之內(nèi)。易燃探測裝置采用酒精傳感器，可以探測空氣中濃度范圍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，可用于機場、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、易爆危險品，對人民財產(chǎn)和社會安定造成了極大的威脅［1］。本裝置所用到的炸藥探測技術(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)，制備對模板分子有特異識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相對應(yīng)的爆炸物。針對酒精探測，設(shè)計了酒精傳感器及檢測電路［5］。該裝置可以對爆炸物以及超過環(huán)境所設(shè)的酒精濃度進行聲光報警。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計過程包括分子印跡聚合物的制備，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計，以及實驗結(jié)果分析。

在制備檢測爆炸物用的印跡聚合物時，首先以待檢測的目標爆炸物（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分子（如TNT）特異性的結(jié)合，并可以探測出爆炸物［6］。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求設(shè)計了傳感器驅(qū)動、信號處理、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，將濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，實現(xiàn)酒精濃度的檢測。設(shè)計信號處理電路是實現(xiàn)信號的降噪，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

2.1主控電路設(shè)計

該裝置對功耗有很高的要求，對比三大主流MCU，選擇MSP430F系列單片機作為主控芯片，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實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

接口電路包括JTAG、按鍵、顯示、報警等。MSP430F149可以使用JTAG協(xié)議進行斷點、單步、全速調(diào)試，所以設(shè)計14腳的JTAG接口實現(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以及蜂鳴器進行報警。

2.2壓電傳感器驅(qū)動電路設(shè)計

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，將機械能轉(zhuǎn)換為電能，通過對一些電信號變化量的測量，可以相應(yīng)檢測出需要檢測的物品。

由 Sauerbrey方程［8］可以看出，壓電傳感器上質(zhì)量的變化會引起輸出頻率的變化，因此測量響應(yīng)頻率的變化就可以準確檢測到爆炸物。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)計是根據(jù)公式一測量其頻率的變化，根據(jù)一定的變化規(guī)律［9］可以準確的探測到爆炸物。傳感器的驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2　傳感器驅(qū)動電路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)計算阻值為1 MΩ，使反向器在震蕩初始時工作在線性區(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信號處理電路設(shè)計

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

為了檢測4種爆炸物該裝置設(shè)計了四路檢測電路和四路參考電路，故采用74HC4051進行分時復(fù)用，通過3個地址端S0/S1/S2的設(shè)置，選擇需要測量的通道。

2.4酒精傳感器電路設(shè)計

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，空氣中的氧就會從氧化錫半導(dǎo)體結(jié)晶粒子的施主能級中奪走電子，而在結(jié)晶表面上吸附著負電子，使表面電位增高，從而阻礙導(dǎo)電電子移動，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，酒精傳感器檢測電路如圖3所示。

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

酒精檢測是對超過環(huán)境中所設(shè)的閾值的酒精濃度報警，利用電壓比較器U1A，通過Rp設(shè)定所測環(huán)境中的酒精閾值，超過酒精閾值時，LED熄滅，并通過單片機引腳檢測DOUT引腳來進一步確定。當(dāng)檢測到酒精時，A、B間的電阻值減小，負載R2的電壓變大，通過測量此處的電壓，標定電壓和濃度的關(guān)系，將 AOUT接入拓展接口的A/D模塊，并通過軟件計算。

3　軟件設(shè)計

3.1軟件總體設(shè)計

軟件設(shè)計主要實現(xiàn)按鍵檢測，爆炸物判斷，中斷響應(yīng)，A/D轉(zhuǎn)換濃度計算、顯示以及報警驅(qū)動的功能。

按鍵控制選擇需要測量的通道，當(dāng)炸藥物探測出來后，按下相應(yīng)的按鍵，對酒精濃度進行探測。功能設(shè)置用來顯示程序是測量、按鍵還是報警功能?？傮w軟件流程如圖4所示。

3.2爆炸物檢測算法設(shè)計

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

根據(jù)測頻法原理，測量需要兩個定時器，其中定時器/計數(shù)器A選用系統(tǒng)的主時鐘，用于計時。定時器/計數(shù)器B則接收外部時鐘TBCLK，用于存儲I/O引腳的脈沖數(shù)，當(dāng)達到設(shè)定的脈沖數(shù)時，讀取定時器/計數(shù)器A的值，根據(jù)公式二得出檢測到的爆炸物的頻率。

3.3酒精濃度檢測算法設(shè)計

濃度的測量采取先濾波，再分段線性化處理。實驗標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　電壓和濃度標定Tab.1 Voltage and the concentration of the calibration

4　實驗結(jié)果分析

4.1爆炸物檢測結(jié)果分析

1）誤差分析

在相同的實驗室環(huán)境下（溫度25℃、濕度50%），用頻率計和所設(shè)計的裝置同時檢測相同的壓電傳感器，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　精度驗證數(shù)據(jù)Tab.2 Verify the accuracy of the data

從實驗可以看出，測量結(jié)果最大誤差0.058 11%，而且都比頻率計測量值要小，平均誤差在0.027 28%，在后續(xù)軟件設(shè)計中增加濾波算法，可以進一步減小誤差。

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模板分子，在恒溫25℃、50%濕度的環(huán)境下，以TNT為例，進行大量的實驗，并提供一部分的專一性檢驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　專一性實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Specific experimental data

通過實驗數(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10 kHz。

3）特異性分析

特異性是用來驗證爆炸物A的分子印跡聚合物不會與爆炸物B反應(yīng)，實驗以修飾了TNT分子印跡聚合物的晶振和TNT以及奧克托今進行結(jié)合，實驗環(huán)境：恒溫25℃、實驗室環(huán)境。繪制頻差對比圖如圖5所示。

圖5　頻差對比Fig.5　Compare the frequency difference

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

4.2酒精檢測結(jié)果分析

將酒精實際濃度與通過系統(tǒng)測量顯示的酒精濃度進行對比，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際上不是完全的線性關(guān)系，因此利用線性擬合測量會存在一定的誤差，由實驗數(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)大量的實驗驗證所設(shè)計的便攜式易燃爆物探測裝置可以對實驗所測的爆炸物TNT、奧克托今等炸藥進行準確檢測。也可以對酒精進行準確檢測，同時拓展接口的設(shè)計方便以后系統(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品檢測中。

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：201509162

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