易燃易爆物探測系統設計*

倪 原 韓 鵬 趙 晨 趙思瑤 李 楠

(1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)(2.西安機電信息技術研究所 西安 710065)

?

易燃易爆物探測系統設計*

倪 原1韓 鵬1趙 晨1趙思瑤1李 楠2

(1.西安工業大學電子信息工程學院 西安 710021)(2.西安機電信息技術研究所 西安 710065)

設計一種具有特異性識別能力的易燃易爆物探測系統,采用自制的和市場上已有的特異性傳感器,能夠準確地檢測出酒精、汽油、TNT、奧克托今、黑索金等易燃易爆物的含量,并具有報警功能。整體電路分為檢測電路、處理電路、控制顯示電路等。文中設計的傳感器驅動電路能夠很好地將傳感器探測到的易燃易爆物含量信息轉化成晶振頻率和電壓-濃度信息,經過分頻電路和A/D轉換電路的處理,并將處理后的信號送給MSP430單片機系統,系統通過對頻率和電壓-濃度信息的處理,顯示頻率、濃度值,過大時會自動報警。該設計采用軟硬件結合的技術能夠準確、可靠地檢測出易燃易爆物的含量及濃度信息。

傳感器; 易燃易爆物; MSP430單片機

Class Number D631

1 引言

人類進入21世紀以后,各類易燃易爆物爆炸[1]事件不斷發生,特別是2015年8月13號天津港國際物流中心區域內瑞海公司所屬易燃易爆物倉庫發生特大爆炸,遇難者人數達到165人,使人們深深感受到危險無處不在,所以對于易燃易爆物的早期監控、及早發現是非常重要的[2]。本設計的檢測部分為兩部分。第一部分是在充分了解爆炸物品特性的基礎上,制得具有特異性識別能力的分子印跡[3],并將其與高精密度的壓電傳感器牢固結合制成特異性傳感器[4],能夠特異性地分別與TNT、奧克托今、黑索金等易燃易爆物結合,通過頻率驅動電路可以產生不同的晶振頻率,再通過分頻電路然后送給MSP430單片機進行進一步處理,可以將變化了的頻率信息和標準頻率信息顯示到液晶屏上,頻率超過閾值會引起報警;第二部分是利用市面上高效、可靠的酒精和汽油傳感器設計檢測電路,能夠準確地將濃度信息轉化為電壓信息,并通過MSP430單片機[5～6]自帶的A/D轉化模塊將模擬信號轉化為數字信號,再經過單片機進一步的處理,在液晶上顯示相應的危險物品及其濃度信息,同時濃度過大會報警提示。

設計過程主要包括特異性傳感器設計,傳感器驅動電路設計,分頻電路設計,A/D轉換模塊的設計,酒精、汽油濃度-電壓特性曲線的求取,軟件設計,結果分析。

2 系統總體設計

圖1 易燃易爆物探測系統總體框圖

系統的總體框圖如圖1所示,檢測模塊由十個傳感器組成,其中自制傳感器模塊由八個傳感器組成,分別為特異性識別TNT的傳感器、特異性識別奧克托今的傳感器、特異性識別黑索金的傳感器、特異性識別硝銨的傳感器,其中每個特異性傳感器分別配有一個參考傳感器用于對比頻率的變化;另外兩個傳感器分別為酒精傳感器和汽油傳感器,通過傳感器驅動電路將傳感器檢測到的信號轉化成電信號,輸入微控制器進一步處理,并將檢測結果顯示到液晶屏上,當檢測結果超過閾值時,報警器立即報警。

3 爆炸物傳感器簡介

該傳感器是以Sauerbrey方程理論為基礎,利用已經制備好的具有特異性識別能力的分子印跡與晶振緊密結合從而制得具有特異性識別能力的傳感器,這種傳感器只能與特定的易燃易爆物結合,結合后會影響晶振頻率的變化,通過檢測頻率即可得到易燃易爆物的成分及含量。本課題分別可制得TNT分子印跡傳感器、奧克托今分子印跡傳感器、黑索金分子印跡傳感器[7～10]。

4 傳感器驅動電路設計

該模塊驅動電路分為兩部分,自制特異性傳感器驅動電路和酒精、汽油傳感器驅動電路[11]。

1) 自制傳感器驅動電路,用于驅動特異性傳感器產生穩定的晶振頻率,為后續頻率的檢測準備,驅動電路圖如圖2所示。

圖2 自制傳感器驅動電路

2) 酒精、汽油傳感器驅動電路,用于將酒精、汽油傳感器所檢測到的濃度信息轉換為電信號輸入微控制器進行進一步處理,驅動電路如圖4。圖中1、6為加熱電壓,2、3短接并接到電源正端,4、5短接并通過電阻可調電阻R6接地,輸入到微控制器的信號即為R6兩端的電壓信號,但由于酒精傳感器負載R6兩端的電壓會出現大于微控制器參考電壓的情況,使測量數據不準確,所以要設計一個減法器以降低輸入到微處理器內部的電壓信號,所以酒精傳感器的驅動電路由酒精傳感器、電壓跟隨器、減法器組成,具體電路如圖3所示。

汽油傳感器檢測電路由汽油傳感器、電壓跟隨器組成,具體電路如圖4所示。

圖3 酒精傳感器檢測電路

圖4 汽油傳感器檢測電路

5 分頻電路設計

分頻電路用于將晶振驅動電路得到的8MHz左右的頻率進行二分頻,便于后續微處理器的處理與顯示,電路如圖5所示。

圖5 分頻電路設計

6 酒精、汽油濃度-電壓曲線的描繪

通過實驗,將傳感器置于不同濃度酒精、汽油環境中,并且記錄濃度對應的電壓信息,得到大量數據,利用Matlab處理數據,得到濃度-電壓函數關系,如圖6、圖7所示。

圖6 酒精濃度-電壓特性曲線

7 軟件設計

軟件模塊的核心是以Sauerbrey方程和氣體濃度-電壓關系為理論基礎建立函數關系式,求取相應變量的Sauerbrey方程如下:

(1)

它描述的是晶振上粘附物質量的微小變化會極大的影響晶振頻率[12],我們通過檢測頻率變化,可以判定吸附物的類型,同時導出晶振片上吸附物的質量,并且顯示。

圖7 汽油濃度-電壓特性曲線

酒精、汽油傳感器濃度-電壓函數曲線,可以利用微處理器將單片機接收到的電壓信號轉化為所對應的濃度信號,并且顯示所檢測物及對應濃度。

酒精、汽油濃度-電壓函數關系分別如下式(2)和式(3)所示:

y=6.8e-0.08x3-7.2e-0.05x2+0.025x+1.1

(2)

y=2.3e-0.08x3-2.8e-0.05x2+0.012x+0.48

(3)

通過理論建立軟件整體流程圖如圖8所示。

微處理器處理晶振頻率模塊的流程圖如圖9所示。

圖8 軟件整體 流程圖

圖9 晶振頻率處理 電路流程圖

酒精、汽油濃度檢測模塊的流程圖如圖10所示。

圖10 酒精、汽油濃度檢測電路

8 實驗測量結果及誤差分析

8.1 特異性傳感器所得數據分析

表1 頻率對比結果顯示

1) 微處理器對未處理晶振和處理后晶振所產生頻率分析和處理,會將未處理晶振及對應處理后晶振所測得頻率顯示到LCD上,通過記錄處理前后晶振頻率的變化,并計算得到處理前后頻率變化情況,如表1所示。

通過實驗可知標準4MHz頻率會在4MHz～4.000267MHz之間波動,誤差小于0.00667%,而處理前后晶振頻率差值在KHz量級。

2) 處理后晶振特異性分析

特異性是用來驗證易燃易爆物A的分子印跡[13]聚合物不會與易燃易爆物B反應,實驗以修飾了TNT分子印跡聚合物的晶振分別與TNT和奧克托今進行結合,實驗環境:恒溫25℃,實驗室環境,所得測試結果如表2所示。

表2 處理后晶振特異性分析

通過實驗所得數據可以得出TNT分子印跡聚合物在和TNT結合時頻差變化很大,達到30KHz以上,而在和奧克托今結合時,頻率變化在10KHz以內。

8.2 酒精、汽油傳感器所測得數據分析

分別建立實物電路,在一定濃度下,用萬用表測得的濃度所對應電壓值與設計微處理系統測得的電壓值對應如表3所示。

表3 酒精、汽油濃度對應電壓值及電壓對應濃度值

通過對比可以看出此設計的微處理系統可以更精確地記錄濃度所對應的電壓信息,再結合對應算法公式可以很好地顯示出當前所測氣體的濃度值。

9 結語

經過大量實驗及數據分析得出,本設計合理,所制作的探測儀可以很好地檢測出復雜場合危險物品的存在及含量情況,可用于危險品的檢測。

[1] 丁文,竇玉玲,王國保,等.爆炸物的探測技術綜述[J].爆破器材,2011,40(5):33-37. DING Wen, DOU Yuling, WANG Guobao, et al. A summary of explosive detection techniques[J]. Blasting Equipment,2011,40(5):33-37.

[2] 聶濤,楊金柱.國外爆炸物檢測技術綜述[J].國防技術基礎,2009,38(1):34-37. NIE Tao, YANG Jinzhu. Review of foreign explosive detection technology[J]. National Defense Technology Foundation,2009,38(1):34-37.

[3] 王永健,白姝,孫彥.分子印跡聚合物的設計合成[J].離子交換與吸附,2001,17(4):360-378. WANG Yongjian, BAI Mei, SUN Yan. The design and synthesis of molecularly imprinted polymer[J]. Ion Exchange and Adsorption,2001,17(4):360-378.

[4] 劉勤,周永新,劉蔭棠.分子烙印傳感器的研究進展[J].分析化學,1999,27(11):1341-1347.

LIU Qin, ZHOU Yongxin, LIU Yintang. Research progress of molecular imprinting sensor[J]. Analytical Chemistry,1999,27(11):1341-1347.

[5] 沈建華,楊艷琴,翟曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用——TI MSP430大學計劃教材[M].北京:清華大學出版社,2004. SHEN Jianhua, YANG Yanqin, ZHAI Xiaoshu. 16 ultra low power single chip microcomputer principle and application of MSP430 series MSP430 TI University plan teaching material[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2004.

[6] 王玲,王中訓,王恒.基于MSP430單片機的多路無線溫度檢測系統[J].現代電子技術,2011,34(1):125-127. WANG Ling, WANG Zhongxun, WANG Heng. Multi channel wireless temperature detection system based on MSP430 single chip[J]. Modern Electronic Technology,2011,34(1):125-127.

[7] Kriz D, Mosbach K. Competitive amperometric morphine sensor based on an agarose immobilized molecularly imprinted polymer[J]. Anal Chim Acta,1995,300:71-75.

[8] Kriz D, Ramstrom O, Svensson A, et al. A biomimetic sensor based on a molecularly imprinted polymer as a recognition element combined with fiber-optic detection[J]. Anal Chem,1995,67:2142-2144.

[9] Piletsky S A, Piletskaya E V, Elgersma A V, et al. Atrazine sensing by molecularly imprinted membranes[J]. Biosens Bioelectron,1995,10:959-964.

[10] Sellergren B, Shea K J. Chiral ion-exchange chromatography correlation between solute retention and a theoretical ion-exchange model using imprinted Polymers[J]. J. Chromatogr. A,1993,654(1):17-28.

[11] 劉天旺.Protel99SE電路設計應用教程[M].北京:電子工業出版社,2007. LIU Tianwang. Protel99SE circuit design application tutorial[M]. Beijing: Electronics Industry Press,2007.

[12] 晉曉勇,高志賢,陳慧.壓電生物傳感器及其研究進展[J].生命的化學,2002,22(4):385-387. JIN Xiaoyong, GAO Zhixian, CHEN Hui. Piezoelectric biosensor and its research progress[J]. Life Chemistry,2002,22(4):385-387.

[13] 史瑞雪,郭成海,鄒小紅,等.分子印跡技術研究進展[J].化學進展,2002,14(3):182-191. SHI Ruixue, GUO Chenghai, ZOU Xiaohong, et al. Research progress in molecular imprinting technology[J]. Chemical Development,2002,14(3):182-191.

Design of Inflammable and Explosive Materials Detection System

NI Yuan1HAN Peng1ZHAO Chen1ZHAO Siyao1LI Nan2

(1. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021) (2. Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065)

A system with specific recognition ability of inflammable and explosive detection is designed, using the homemade and the market specific sensor can accurately detect the content of alcohol, gasoline, TNT, Octogen, RDX and other inflammable and explosive substances, and it has an alarm function. The whole circuit is divided into detection circuit, display circuit, control circuit, processing circuit. In this paper, the design of the driving circuit can detect the inflammable and explosive substances content information and transform them into a crystal oscillator frequency and voltage concentration information, after frequency dividing circuit and A/D conversion circuit, and the processed signal is sent to MSP430 single chip system, through the frequency and voltage concentration information processing, the system can display the value of frequency and concentration, it will be alarmed automatically when the value is too much. This design uses a combination of hardware and software technology can accurately and reliably detect the content of flammable and explosive substances and concentration information.

sensor, inflammable and explosive materials, MSP430 single chip microcomputer

2016年7月5日,

2016年8月25日

陜西省科技廳工業攻關項目“用于爆炸物探測的生化傳感器及檢測裝置開發”(編號:2012K09-23)資助。

倪原,男,碩士,教授,碩士生導師,研究方向:信息處理與智能控制、生物醫學信號處理與儀器檢測。韓鵬,男,碩士研究生,研究方向:檢測技術與自動化裝置。趙晨,女,博士,研究方向:特異性物質檢測與識別。趙思瑤,女,碩士研究生,研究方向:控制工程。李楠,男,工程師,研究方向:計算機應用技術。

D631

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.038