易燃易爆物探测系统设计*

倪 原 韩 鹏 赵 晨 赵思瑶 李 楠

(1.西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)(2.西安机电信息技术研究所 西安 710065)



易燃易爆物探测系统设计*

倪 原1韩 鹏1赵 晨1赵思瑶1李 楠2

(1.西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021)(2.西安机电信息技术研究所 西安 710065)

设计一种具有特异性识别能力的易燃易爆物探测系统,采用自制的和市场上已有的特异性传感器,能够准确地检测出酒精、汽油、TNT、奥克托今、黑索金等易燃易爆物的含量,并具有报警功能。整体电路分为检测电路、处理电路、控制显示电路等。文中设计的传感器驱动电路能够很好地将传感器探测到的易燃易爆物含量信息转化成晶振频率和电压-浓度信息,经过分频电路和A/D转换电路的处理,并将处理后的信号送给MSP430单片机系统,系统通过对频率和电压-浓度信息的处理,显示频率、浓度值,过大时会自动报警。该设计采用软硬件结合的技术能够准确、可靠地检测出易燃易爆物的含量及浓度信息。

传感器; 易燃易爆物; MSP430单片机

Class Number D631

1 引言

人类进入21世纪以后,各类易燃易爆物爆炸[1]事件不断发生,特别是2015年8月13号天津港国际物流中心区域内瑞海公司所属易燃易爆物仓库发生特大爆炸,遇难者人数达到165人,使人们深深感受到危险无处不在,所以对于易燃易爆物的早期监控、及早发现是非常重要的[2]。本设计的检测部分为两部分。第一部分是在充分了解爆炸物品特性的基础上,制得具有特异性识别能力的分子印迹[3],并将其与高精密度的压电传感器牢固结合制成特异性传感器[4],能够特异性地分别与TNT、奥克托今、黑索金等易燃易爆物结合,通过频率驱动电路可以产生不同的晶振频率,再通过分频电路然后送给MSP430单片机进行进一步处理,可以将变化了的频率信息和标准频率信息显示到液晶屏上,频率超过阈值会引起报警;第二部分是利用市面上高效、可靠的酒精和汽油传感器设计检测电路,能够准确地将浓度信息转化为电压信息,并通过MSP430单片机[5～6]自带的A/D转化模块将模拟信号转化为数字信号,再经过单片机进一步的处理,在液晶上显示相应的危险物品及其浓度信息,同时浓度过大会报警提示。

设计过程主要包括特异性传感器设计,传感器驱动电路设计,分频电路设计,A/D转换模块的设计,酒精、汽油浓度-电压特性曲线的求取,软件设计,结果分析。

2 系统总体设计

图1 易燃易爆物探测系统总体框图

系统的总体框图如图1所示,检测模块由十个传感器组成,其中自制传感器模块由八个传感器组成,分别为特异性识别TNT的传感器、特异性识别奥克托今的传感器、特异性识别黑索金的传感器、特异性识别硝铵的传感器,其中每个特异性传感器分别配有一个参考传感器用于对比频率的变化;另外两个传感器分别为酒精传感器和汽油传感器,通过传感器驱动电路将传感器检测到的信号转化成电信号,输入微控制器进一步处理,并将检测结果显示到液晶屏上,当检测结果超过阈值时,报警器立即报警。

3 爆炸物传感器简介

该传感器是以Sauerbrey方程理论为基础,利用已经制备好的具有特异性识别能力的分子印迹与晶振紧密结合从而制得具有特异性识别能力的传感器,这种传感器只能与特定的易燃易爆物结合,结合后会影响晶振频率的变化,通过检测频率即可得到易燃易爆物的成分及含量。本课题分别可制得TNT分子印迹传感器、奥克托今分子印迹传感器、黑索金分子印迹传感器[7～10]。

4 传感器驱动电路设计

该模块驱动电路分为两部分,自制特异性传感器驱动电路和酒精、汽油传感器驱动电路[11]。

1) 自制传感器驱动电路,用于驱动特异性传感器产生稳定的晶振频率,为后续频率的检测准备,驱动电路图如图2所示。

图2 自制传感器驱动电路

2) 酒精、汽油传感器驱动电路,用于将酒精、汽油传感器所检测到的浓度信息转换为电信号输入微控制器进行进一步处理,驱动电路如图4。图中1、6为加热电压,2、3短接并接到电源正端,4、5短接并通过电阻可调电阻R6接地,输入到微控制器的信号即为R6两端的电压信号,但由于酒精传感器负载R6两端的电压会出现大于微控制器参考电压的情况,使测量数据不准确,所以要设计一个减法器以降低输入到微处理器内部的电压信号,所以酒精传感器的驱动电路由酒精传感器、电压跟随器、减法器组成,具体电路如图3所示。

汽油传感器检测电路由汽油传感器、电压跟随器组成,具体电路如图4所示。

图3 酒精传感器检测电路

图4 汽油传感器检测电路

5 分频电路设计

分频电路用于将晶振驱动电路得到的8MHz左右的频率进行二分频,便于后续微处理器的处理与显示,电路如图5所示。

图5 分频电路设计

6 酒精、汽油浓度-电压曲线的描绘

通过实验,将传感器置于不同浓度酒精、汽油环境中,并且记录浓度对应的电压信息,得到大量数据,利用Matlab处理数据,得到浓度-电压函数关系,如图6、图7所示。

图6 酒精浓度-电压特性曲线

7 软件设计

软件模块的核心是以Sauerbrey方程和气体浓度-电压关系为理论基础建立函数关系式,求取相应变量的Sauerbrey方程如下:

(1)

它描述的是晶振上粘附物质量的微小变化会极大的影响晶振频率[12],我们通过检测频率变化,可以判定吸附物的类型,同时导出晶振片上吸附物的质量,并且显示。

图7 汽油浓度-电压特性曲线

酒精、汽油传感器浓度-电压函数曲线,可以利用微处理器将单片机接收到的电压信号转化为所对应的浓度信号,并且显示所检测物及对应浓度。

酒精、汽油浓度-电压函数关系分别如下式(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)

通过理论建立软件整体流程图如图8所示。

微处理器处理晶振频率模块的流程图如图9所示。

图8 软件整体 流程图

图9 晶振频率处理 电路流程图

酒精、汽油浓度检测模块的流程图如图10所示。

图10 酒精、汽油浓度检测电路

8 实验测量结果及误差分析

8.1 特异性传感器所得数据分析

表1 频率对比结果显示

1) 微处理器对未处理晶振和处理后晶振所产生频率分析和处理,会将未处理晶振及对应处理后晶振所测得频率显示到LCD上,通过记录处理前后晶振频率的变化,并计算得到处理前后频率变化情况,如表1所示。

通过实验可知标准4MHz频率会在4MHz～4.000267MHz之间波动,误差小于0.00667%,而处理前后晶振频率差值在KHz量级。

2) 处理后晶振特异性分析

特异性是用来验证易燃易爆物A的分子印迹[13]聚合物不会与易燃易爆物B反应,实验以修饰了TNT分子印迹聚合物的晶振分别与TNT和奥克托今进行结合,实验环境:恒温25℃,实验室环境,所得测试结果如表2所示。

表2 处理后晶振特异性分析

通过实验所得数据可以得出TNT分子印迹聚合物在和TNT结合时频差变化很大,达到30KHz以上,而在和奥克托今结合时,频率变化在10KHz以内。

8.2 酒精、汽油传感器所测得数据分析

分别建立实物电路,在一定浓度下,用万用表测得的浓度所对应电压值与设计微处理系统测得的电压值对应如表3所示。

表3 酒精、汽油浓度对应电压值及电压对应浓度值

通过对比可以看出此设计的微处理系统可以更精确地记录浓度所对应的电压信息,再结合对应算法公式可以很好地显示出当前所测气体的浓度值。

9 结语

经过大量实验及数据分析得出,本设计合理,所制作的探测仪可以很好地检测出复杂场合危险物品的存在及含量情况,可用于危险品的检测。

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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

陕西省科技厅工业攻关项目“用于爆炸物探测的生化传感器及检测装置开发”(编号:2012K09-23)资助。

倪原,男,硕士,教授,硕士生导师,研究方向:信息处理与智能控制、生物医学信号处理与仪器检测。韩鹏,男,硕士研究生,研究方向:检测技术与自动化装置。赵晨,女,博士,研究方向:特异性物质检测与识别。赵思瑶,女,硕士研究生,研究方向:控制工程。李楠,男,工程师,研究方向:计算机应用技术。

D631

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.038