一种爆炸物探测系统设计

倪 原，王 芳，陆文总，孟祥艳，潘海仙

（西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032）

制造爆炸事件一直以来都是恐怖分子危害国家安定和国民人身财产安全的主要手段，所以检测爆炸物的技术在不断研究、发展和改进，爆炸物检测主要有块状炸药探测和微量炸药探测[1-3]。本文介绍的是基于分子印迹压电传感器的微量炸药探测系统。系统使用的传感器输出方波信号，设计两路传感器输入，一路为检测传感器；一路为参考传感器。设计思想是在电路中提取检测传感器和参考传感器的相对输出，两路信号经混频得到频率差信号[3]，频差信号经过变换后送入单片机，软件对外部输入信号计算后进行数码管显示。由于设计中要处理四路爆炸物的检测，所以单片机外围需要设计多路开关和按键选择，通过多路开关确定4路信号中的哪一路输入给单片机，从而确定被测爆炸物的种类。

1 系统总体设计

文中使用的传感器是基于分子印迹和压电晶体[6]制作而成，能够对被测物进行识别[3]。实验中所用晶振的频率在几～十几MHz左右，传感器结合被测物之后的频率变化量在几～十几kHz左右，故而在电路处理中设计参考电路和检测电路以实现输出传感器与被测物结合反应后的频差信号[4]。

如图1所示，检测一种被测物需要在混频电路前设计两路处理电路，分别对检测传感器和参考传感器的输出信号进行处理，电路参数保持一致，以便维持模拟电路处理部分两路频率信号的稳定。

图1 探测系统原理框图Fig.1 Detection system block diagram

2 分子印迹压电传感器的信号处理

2.1 分子印迹压电传感器的工作原理

2.2 检测电路与处理电路设计

设计中有四路被测爆炸物，检测电路相同，但是实际参数设置不同。传感器输出方波信号，检测传感器因为结合被测物发生反应，故而输出频率（f0m）下降；参考传感器不发生与被测物的结合，故输出频率（fr）与检测传感器未结合被测物的输出频率（f0）一致。 设计中提取的频差就是 fd=（ fr）-（f0m），混频器可以得到两输入信号的和频分量、差频分量的叠加信号。混频器输入要求是正弦波，所以频率为（f0m）和（fr）两路方波信号需要进行波形变换，转换成正弦波作为混频器的输入，混频后得到频差信号的输出，正弦波经过低通滤波整形后可以得到频率为fd的方波信号，该信号既可作为单片机的输入信号，做下一步的频率测量和显示。

2.3 模拟混频电路

高频电子电路中常常需要将信号频率变换为另一频率，这样不仅能满足各种无线电设备的需求，而且有利于提高设备的性能。对信号进行频率变换，实际上是指新频率等于信号原来频率与某一参考频率的和或差。混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。参考信号VL需要是与输入信号VS等幅的信号。因为模拟相乘器的输出频率是包含两个输入频率和差的叠加信号，故模拟乘相器加滤波器即可得到和频或者差频，构成混频器。

设载波频率为fS，参考频率为fL；输入信号为vS=VScos（2πfS），参考信号为 vL=VLcos（2π fL），则混频后 Sout=VSVLcos[2π（fS+fL）]+VSVLcos[2π（fS-fL）]。 再经过低通滤波器即可得到两输入信号的频率差信号。

本系统采用MC1496设计混频电路，如图2所示，Port1和Port2分别输入相同幅度不同频率（fS和fL）的正弦波信号，经过电路后由OUT输出fS和fL的差频分量、和频分量的叠加信号，根据差频的范围设计合适的低通滤波器，从而滤除和频分量。

图2 MC1496混频电路Fig.2 MC1496 Mixer circuit

2.4 多路选择电路设计

4路被测物经过模拟电路处理后接入多路开关的4个通道，多路开关使能状态下（INH=1）输入的地址码CBA用了决定通道选通状态，从而将被测物的差频方波信号接入单片机做频率的计算和显示[8]。

图3 多路开关与单片机连接原理图Fig.3 Multiplexer and microcontroller connection schematic

系统设计检测四路被测物，所以多路开关只需要BA两个地址码编译选通通道，OUTPUTA，OUTPUTB，OUTPUTC，OUTPUTD为四路fdA，fdB，fdC，fdD方波信号，通道选通后经过OUTPUT接入单片机的P1.1口。CD4051的INH，B，A分别接单片机的P2.3，P2.0，P2.1口。DD4051使能条件下，BA的状态（00，01，10，11）分别接通（fdA， fdB， fdC， fdD）信号的通道。INH 的状态决定了CD4051是否处于选通功能，INH为高电平时CD4051不允许信号接入单片机，INH为低电平时CD4051。设计3个按键，分别接单片机的P1.0，P1.3，P1.4口，3个按键的功能分别设定为CD4051的开关键、通道选通加、通道选通减。

2.5 显示控制电路设计

如图4所示，使用MAX7219显示驱动芯片能够有效地节省单片机IO口资源，该驱动芯片与单片机仅需要三根引线，CLK时钟序列输入端。最大速率为10 MHz在时钟的上升沿，数据移入内部移位寄存器。下降沿时，数据从DOUT端输出。DIN串行数据输入端口。在时钟上升沿时需要显示的数据被载入内部的16位寄存器。LOAD载入数据。连续数据的后16位在LOAD端的上升沿时被锁定。MAX7219芯片可一次驱动8个7段数码管，根据不同的位选点亮不同位置的数码管。

图4 MAX7219与数码管连接图Fig.4 MAX7219 and digital tube connection diagram

3 软件设计

软件包括：按键扫描模块，LED显示，多路选通模块，信号处理模块。

3.1 按键扫描模块设计

如图5所示，单片机检测到有按键按下时程序进入按键中断服务程序，设 P1IO口对应键号分别为0x01、0x08，0x10，相应按键按下时所对应键值分别为 0x18、0x11，0x09，Key Process_x（）中根据键值分别编写处理程序，其中x取值为0、3、4。

3.2 多路选通模块设计

连接P1.0的按键按下时使能CD4051，连接P1.3的按键按下时通道选择上移，连接P1.4的按键按下时通道选择上移。使能多路开关的按键KeyProcess_0（）中置位使能标志，使得按键中断处理中使能按键优先级最高，通道选择处理程序中必须先判断多路开关是否使能，再决定通道上移或者下移。

图5 按键扫描中断服务程序流程图Fig.5 Key scan interrupt service routine flow chart

图6 按键处理程序流程图Fig.6 Key treatment program flow chart

选通的频率信号由P1.1接入单片机，程序设计中将P1.1口设置为输入的IO，允许P1.1中断，设置上升沿（下降沿）触发中断，单片机检测到脉冲信号上升沿（下降沿）时P1IFG1.1置位，进入到P1口中的断服务程序，完成脉冲信号的计数和记录当前脉冲到来时定时器A寄存器TACCR0中的值，若是第一个脉冲则将TACCR0的值存入变量Cap_first；否则将存入变量Cap_last，其中P1IFG1.1需要手动软件清零，以便于下次中断事件置位，流程图如图7所示。

图7 信号捕获中断服务程序流程图Fig.7 Signal capture interrupt service routine flow chart

定时时间到时程序执行定时器的中断服务程序，若还没有检测到脉冲则存储脉冲个数的变量Pulse_count赋零；否则定时时间内捕获到的脉冲个数储存到Pulse_count，捕获到的脉冲总周期的时长为Pulse_time，置位频率计算标志，流程图如图8所示。

图8 定时器中断服务程序流程图Fig.8 Timer interrupt service routine flow chart

3.3 信号处理模块设计

主程序中检测到频率计算标志置位后结合通道选择值调用频率计算程序，各种爆炸物有不同的阈值频率值，达到阈值的频率值就认为有爆炸物结合到传感器上，能够显示出当下传感器结合了被测物之后检测传感器相对于参考传感器的输出频率差值，并且显示出该爆炸物对应的种类，实现爆炸物探测的定性分析。

图9 主程序流程图Fig.9 Main program flow chart

4 结 论

文中设计的探测系统各项功能能够满足要求，其中文中提出的频率测量方法充分利用了MSP430单片机的高性能和片内资源,所设计的硬件电路性能良好，可靠性高，成本低，解决了10 Hz-65 kHz范围内的频率准确测量问题，相对误差均保持在0.05%以内,并能够实现测试通道选择、测试数据显示、报警、通信等功能。

[1]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.