一种便携式易燃爆物探测装置设计

倪原，王红娟，韩鹏，倪中辰，赵晨，赵阳

（1.西安工业大学 陕西 西安　710032；2.西安启源机电装备股份有限公司 陕西 西安　710018）

一种便携式易燃爆物探测装置设计

倪原1，王红娟1，韩鹏1，倪中辰2，赵晨1，赵阳1

（1.西安工业大学 陕西 西安710032；2.西安启源机电装备股份有限公司 陕西 西安710018）

设计了一种易燃易爆危险品的探测装置，主要针对炸药、酒精进行探测。探测装置采用MSP430为微控制器，同时包括驱动、显示、按键、报警、拓展接口等模块。其中爆炸物的探测是基于分子印迹压电传感器，传感器利用分子印迹的专一性识别能力的特点，可对TNT、奥克托今等炸药准确探测，经实验验证，检测误差在0.05%之内。易燃探测装置采用酒精传感器，可以探测空气中浓度范围10～1 000 ppm的酒精。该装置具有便携式、低功耗，体积小，灵敏度高的特点，可用于机场、地铁等处的安全检查。

易燃爆；炸药；酒精；分子印迹压电传感器；便携式

恐怖分子频繁使用易燃、易爆危险品，对人民财产和社会安定造成了极大的威胁［1］。本装置所用到的炸药探测技术是基于分子印迹压电传感器［2］，即以分子印迹聚合物为识别元件，压电传感器为转换元件。其中分子印迹聚合物［3］（Molecularly Imprinted Polymers，MIPs）是利用分子印迹技术，制备对模板分子有特异识别性的一种高分子聚合物［4］。传感器可以根据制备的不同类型的分子印迹聚合物特异性的检测相对应的爆炸物。针对酒精探测，设计了酒精传感器及检测电路［5］。该装置可以对爆炸物以及超过环境所设的酒精浓度进行声光报警。

1　系统总体设计

设计过程包括分子印迹聚合物的制备，硬件设计，软件设计，以及实验结果分析。

在制备检测爆炸物用的印迹聚合物时，首先以待检测的目标爆炸物（如TNT）为模板分子，选择合适的功能单体和交联剂，在引发剂存在下进行聚合。然后把模板分子洗脱，在聚合物中就留下了特定的空穴结构，这种空穴能与分析物中的目标分子（如TNT）特异性的结合，并可以探测出爆炸物［6］。

根据系统的功能需求设计了传感器驱动、信号处理、键盘、LCD、拓展接口电路。为了避免空气中粉尘、水蒸气等杂质的干扰，设计了四路参考传感器。酒精传感器是利用浓度与电阻的关系，将浓度信号转换成电压信号输出，实现酒精浓度的检测。设计信号处理电路是实现信号的降噪，选通等，便于后续电路处理。

系统的总体框图如图1所示。

图1　系统总体框图Fig.1　Overall system block diagram

2　硬件电路设计

2.1主控电路设计

该装置对功耗有很高的要求，对比三大主流MCU，选择MSP430F系列单片机作为主控芯片，该微控制器可以工作在多种低功耗模式，工作电压在1.8～3.6 V，最低电流可低至0.1 μA。选择TI公司的MSP430F149为主控芯片。

电路设计的最小系统包括晶振、复位、电源电路。利用8 MHz的石英晶体构成的晶振电路，为MCU提供基准频率，提高处理器的速度。复位电路采用阻容复位和低电平复位。整个系统采用直流5 V供电，而MSP430的工作电压为DC3.3 V，压降为1.7 V，故采用AMS1117-3.3 V实现电压的转换。

接口电路包括JTAG、按键、显示、报警等。MSP430F149可以使用JTAG协议进行断点、单步、全速调试，所以设计14脚的JTAG接口实现软硬件调试。按键控制采用将按键外挂在外部中断的引脚P1.0-P1.5上的方式，相比较查询方式节约时间。液晶显示电路采用LCD12864液晶模块，通过I/O接口P2.0-P2.7输出8路并行数据可以提高显示速度。使用LED以及蜂鸣器进行报警。

2.2压电传感器驱动电路设计

压电传感器的工作原理［7］：压电材料在压电效应的作用下，将机械能转换为电能，通过对一些电信号变化量的测量，可以相应检测出需要检测的物品。

由 Sauerbrey方程［8］可以看出，压电传感器上质量的变化会引起输出频率的变化，因此测量响应频率的变化就可以准确检测到爆炸物。Sauerbrey方程：

F为晶体的固有谐振频率（基频，MHz），ΔM为晶体表面涂层质量（g），ΔF为由涂层所引起的频率变化（Hz），A即为涂层面积（cm2）。

本设计是根据公式一测量其频率的变化，根据一定的变化规律［9］可以准确的探测到爆炸物。传感器的驱动电路如图2所示。

图2　传感器驱动电路Fig.2　Sensor driving circuit

其中U1A使得晶振起振，相当于放大器；R1是反馈电阻，经计算阻值为1 MΩ，使反向器在震荡初始时工作在线性区；R10是防止放大器和晶振工作在高次谐波上；C1、C5为分压电容。

2.3信号处理电路设计

传感器驱动电路的信号为8 MHz左右，频率过大不方便后续电路的处理，首先要进行二分频，二分频电路采用芯片74HC74构建，根据其时序图，将/Q与D端连接，即可实现二分频。

为了检测4种爆炸物该装置设计了四路检测电路和四路参考电路，故采用74HC4051进行分时复用，通过3个地址端S0/S1/S2的设置，选择需要测量的通道。

2.4酒精传感器电路设计

酒精传感器的原理［10］：传感器的敏感层为氧化锡（SnO2），氧化锡一加热，空气中的氧就会从氧化锡半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附着负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子移动，还原性气体与半导体表面吸附着的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，传感器的电阻值发生变化。选用MQ-3为酒精传感器，为了便于测量，将电阻变化转化成相应的电压变化，酒精传感器检测电路如图3所示。

图3　酒精传感器检测电路图Fig.3　Alcohol sensor circuit diagram

酒精检测是对超过环境中所设的阈值的酒精浓度报警，利用电压比较器U1A，通过Rp设定所测环境中的酒精阈值，超过酒精阈值时，LED熄灭，并通过单片机引脚检测DOUT引脚来进一步确定。当检测到酒精时，A、B间的电阻值减小，负载R2的电压变大，通过测量此处的电压，标定电压和浓度的关系，将 AOUT接入拓展接口的A/D模块，并通过软件计算。

3　软件设计

3.1软件总体设计

软件设计主要实现按键检测，爆炸物判断，中断响应，A/D转换浓度计算、显示以及报警驱动的功能。

按键控制选择需要测量的通道，当炸药物探测出来后，按下相应的按键，对酒精浓度进行探测。功能设置用来显示程序是测量、按键还是报警功能。总体软件流程如图4所示。

3.2爆炸物检测算法设计

针对炸药检测，测量信号频率范围在4 MHz左右，测周法只能测量100 Hz-2 kHz的频率信号，故探测装置频率信号的测量采用测频法。传统的测频法是先确定时间，考虑到频率太高，采用先确定脉冲数n，在接收波形的同时测量其时间，最后通过公式二求得，频率计算公式：

根据测频法原理，测量需要两个定时器，其中定时器/计数器A选用系统的主时钟，用于计时。定时器/计数器B则接收外部时钟TBCLK，用于存储I/O引脚的脉冲数，当达到设定的脉冲数时，读取定时器/计数器A的值，根据公式二得出检测到的爆炸物的频率。

3.3酒精浓度检测算法设计

浓度的测量采取先滤波，再分段线性化处理。实验标定的一组电压和浓度关系如表1。

图4　软件总流程图Fig.4　Total flowchart software

表1　电压和浓度标定Tab.1 Voltage and the concentration of the calibration

4　实验结果分析

4.1爆炸物检测结果分析

1）误差分析

在相同的实验室环境下（温度25℃、湿度50%），用频率计和所设计的装置同时检测相同的压电传感器，从大量的数据中给出部分精度数据如表2所示。

表2　精度验证数据Tab.2 Verify the accuracy of the data

从实验可以看出，测量结果最大误差0.058 11%，而且都比频率计测量值要小，平均误差在0.027 28%，在后续软件设计中增加滤波算法，可以进一步减小误差。

2）专一性分析

专一性是指分子印迹聚合物可以专一性的检测模板分子，在恒温25℃、50%湿度的环境下，以TNT为例，进行大量的实验，并提供一部分的专一性检验数据如表3所示。

表3　专一性实验数据Tab.3 Specific experimental data

通过实验数据可以发现，修饰分子印迹的压电传感器频率降低，在和TNT结合以后，频率再次降低，频差明显变化，最大可达10 kHz。

3）特异性分析

特异性是用来验证爆炸物A的分子印迹聚合物不会与爆炸物B反应，实验以修饰了TNT分子印迹聚合物的晶振和TNT以及奥克托今进行结合，实验环境：恒温25℃、实验室环境。绘制频差对比图如图5所示。

图5　频差对比Fig.5　Compare the frequency difference

通过频差对比表可以看出，TNT分子印迹聚合物在和TNT结合时频差变化很大，达到十千Hz，而在和奥克托今结合时，几乎没有改变。

4.2酒精检测结果分析

将酒精实际浓度与通过系统测量显示的酒精浓度进行对比，得到酒精浓度误差分析如表4所示。

由于酒精浓度和电压实际上不是完全的线性关系，因此利用线性拟合测量会存在一定的误差，由实验数据可以看出最大误差5.01%，平均误差为2.106%。

5　结　论

经大量的实验验证所设计的便携式易燃爆物探测装置可以对实验所测的爆炸物TNT、奥克托今等炸药进行准确检测。也可以对酒精进行准确检测，同时拓展接口的设计方便以后系统功能的增加以及更新，可广泛应用到大范围的易燃易爆危险品检测中。

表4　酒精浓度误差Tab.4 Alcohol concentration error

［1］石光明，徐更光，王廷增.爆炸危险品探测存在的问题及对策［J］.公安大学学报，2003（3）:50-52.

［2］聂涛，杨金柱.国外爆炸物检测技术综述［J］.国防技术基础，2009（l）:34-37.

［3］张成梅，梅涛，孔德义，等.痕量爆炸物的化学、生物、MEMS传感器探测技术［J］.微纳电子技术，2003，40（7）:482-491.

［4］孟祥承.爆炸物及毒品的探测技术 ［J］.核电子学与探测术，2003，23（4）:371.

［5］丁文，窦玉玲，王国保.爆炸物的探测技术综述［J］.爆破器材，2011，40（5）:33-37.

［6］赵颖.用于爆炸物检测放大荧光聚合物的合成及小型TNT传感器的初步研究［D］.长春:吉林大学，2006.

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［10］彭军.传感器与检侧技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

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稿件编号：201509162

倪 原（1955—），男，江苏泰州人，硕士，教授。研究方向：医学仪器。