易燃易爆物探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

倪 原 韓 鵬 趙 晨 趙思瑤 李 楠

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)(2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 西安 710065)

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易燃易爆物探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

倪 原1韓 鵬1趙 晨1趙思瑤1李 楠2

(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021)(2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 西安 710065)

設(shè)計(jì)一種具有特異性識(shí)別能力的易燃易爆物探測(cè)系統(tǒng),采用自制的和市場(chǎng)上已有的特異性傳感器,能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)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(bào)警功能。整體電路分為檢測(cè)電路、處理電路、控制顯示電路等。文中設(shè)計(jì)的傳感器驅(qū)動(dòng)電路能夠很好地將傳感器探測(cè)到的易燃易爆物含量信息轉(zhuǎn)化成晶振頻率和電壓-濃度信息,經(jīng)過(guò)分頻電路和A/D轉(zhuǎn)換電路的處理,并將處理后的信號(hào)送給MSP430單片機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)通過(guò)對(duì)頻率和電壓-濃度信息的處理,顯示頻率、濃度值,過(guò)大時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。該設(shè)計(jì)采用軟硬件結(jié)合的技術(shù)能夠準(zhǔn)確、可靠地檢測(cè)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(jī)

Class Number D631

1 引言

人類(lèi)進(jìn)入21世紀(jì)以后,各類(lèi)易燃易爆物爆炸[1]事件不斷發(fā)生,特別是2015年8月13號(hào)天津港國(guó)際物流中心區(qū)域內(nèi)瑞海公司所屬易燃易爆物倉(cāng)庫(kù)發(fā)生特大爆炸,遇難者人數(shù)達(dá)到165人,使人們深深感受到危險(xiǎn)無(wú)處不在,所以對(duì)于易燃易爆物的早期監(jiān)控、及早發(fā)現(xiàn)是非常重要的[2]。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)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(chǔ)上,制得具有特異性識(shí)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(jié)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(jié)合,通過(guò)頻率驅(qū)動(dòng)電路可以產(chǎn)生不同的晶振頻率,再通過(guò)分頻電路然后送給MSP430單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理,可以將變化了的頻率信息和標(biāo)準(zhǔn)頻率信息顯示到液晶屏上,頻率超過(guò)閾值會(huì)引起報(bào)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(shè)計(jì)檢測(cè)電路,能夠準(zhǔn)確地將濃度信息轉(zhuǎn)化為電壓信息,并通過(guò)MSP430單片機(jī)[5～6]自帶的A/D轉(zhuǎn)化模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),再經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)一步的處理,在液晶上顯示相應(yīng)的危險(xiǎn)物品及其濃度信息,同時(shí)濃度過(guò)大會(huì)報(bào)警提示。

設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括特異性傳感器設(shè)計(jì),傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì),分頻電路設(shè)計(jì),A/D轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì),酒精、汽油濃度-電壓特性曲線的求取,軟件設(shè)計(jì),結(jié)果分析。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 易燃易爆物探測(cè)系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,檢測(cè)模塊由十個(gè)傳感器組成,其中自制傳感器模塊由八個(gè)傳感器組成,分別為特異性識(shí)別TNT的傳感器、特異性識(shí)別奧克托今的傳感器、特異性識(shí)別黑索金的傳感器、特異性識(shí)別硝銨的傳感器,其中每個(gè)特異性傳感器分別配有一個(gè)參考傳感器用于對(duì)比頻率的變化;另外兩個(gè)傳感器分別為酒精傳感器和汽油傳感器,通過(guò)傳感器驅(qū)動(dòng)電路將傳感器檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),輸入微控制器進(jìn)一步處理,并將檢測(cè)結(jié)果顯示到液晶屏上,當(dāng)檢測(cè)結(jié)果超過(guò)閾值時(shí),報(bào)警器立即報(bào)警。

3 爆炸物傳感器簡(jiǎn)介

該傳感器是以Sauerbrey方程理論為基礎(chǔ),利用已經(jīng)制備好的具有特異性識(shí)別能力的分子印跡與晶振緊密結(jié)合從而制得具有特異性識(shí)別能力的傳感器,這種傳感器只能與特定的易燃易爆物結(jié)合,結(jié)合后會(huì)影響晶振頻率的變化,通過(guò)檢測(cè)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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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

1) 自制傳感器驅(qū)動(dòng)電路,用于驅(qū)動(dòng)特異性傳感器產(chǎn)生穩(wěn)定的晶振頻率,為后續(xù)頻率的檢測(cè)準(zhǔn)備,驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示。

圖2 自制傳感器驅(qū)動(dòng)電路

2) 酒精、汽油傳感器驅(qū)動(dòng)電路,用于將酒精、汽油傳感器所檢測(cè)到的濃度信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入微控制器進(jìn)行進(jìn)一步處理,驅(qū)動(dòng)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(guò)電阻可調(diào)電阻R6接地,輸入到微控制器的信號(hào)即為R6兩端的電壓信號(hào),但由于酒精傳感器負(fù)載R6兩端的電壓會(huì)出現(xiàn)大于微控制器參考電壓的情況,使測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,所以要設(shè)計(jì)一個(gè)減法器以降低輸入到微處理器內(nèi)部的電壓信號(hào),所以酒精傳感器的驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)電路

圖4 汽油傳感器檢測(cè)電路

5 分頻電路設(shè)計(jì)

分頻電路用于將晶振驅(qū)動(dòng)電路得到的8MHz左右的頻率進(jìn)行二分頻,便于后續(xù)微處理器的處理與顯示,電路如圖5所示。

圖5 分頻電路設(shè)計(jì)

6 酒精、汽油濃度-電壓曲線的描繪

通過(guò)實(shí)驗(yàn),將傳感器置于不同濃度酒精、汽油環(huán)境中,并且記錄濃度對(duì)應(yīng)的電壓信息,得到大量數(shù)據(jù),利用Matlab處理數(shù)據(jù),得到濃度-電壓函數(shù)關(guān)系,如圖6、圖7所示。

圖6 酒精濃度-電壓特性曲線

7 軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊的核心是以Sauerbrey方程和氣體濃度-電壓關(guān)系為理論基礎(chǔ)建立函數(shù)關(guān)系式,求取相應(yīng)變量的Sauerbrey方程如下:

(1)

它描述的是晶振上粘附物質(zhì)量的微小變化會(huì)極大的影響晶振頻率[12],我們通過(guò)檢測(cè)頻率變化,可以判定吸附物的類(lèi)型,同時(shí)導(dǎo)出晶振片上吸附物的質(zhì)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(shù)曲線,可以利用微處理器將單片機(jī)接收到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為所對(duì)應(yīng)的濃度信號(hào),并且顯示所檢測(cè)物及對(duì)應(yīng)濃度。

酒精、汽油濃度-電壓函數(shù)關(guān)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(guò)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(cè)模塊的流程圖如圖10所示。

圖10 酒精、汽油濃度檢測(cè)電路

8 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及誤差分析

8.1 特異性傳感器所得數(shù)據(jù)分析

表1 頻率對(duì)比結(jié)果顯示

1) 微處理器對(duì)未處理晶振和處理后晶振所產(chǎn)生頻率分析和處理,會(huì)將未處理晶振及對(duì)應(yīng)處理后晶振所測(cè)得頻率顯示到LCD上,通過(guò)記錄處理前后晶振頻率的變化,并計(jì)算得到處理前后頻率變化情況,如表1所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知標(biāo)準(zhǔn)4MHz頻率會(huì)在4MHz～4.000267MHz之間波動(dòng),誤差小于0.00667%,而處理前后晶振頻率差值在KHz量級(jí)。

2) 處理后晶振特異性分析

特異性是用來(lái)驗(yàn)證易燃易爆物A的分子印跡[13]聚合物不會(huì)與易燃易爆物B反應(yīng),實(shí)驗(yàn)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(jìn)行結(jié)合,實(shí)驗(yàn)環(huán)境:恒溫25℃,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,所得測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 處理后晶振特異性分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以得出TNT分子印跡聚合物在和TNT結(jié)合時(shí)頻差變化很大,達(dá)到30KHz以上,而在和奧克托今結(jié)合時(shí),頻率變化在10KHz以?xún)?nèi)。

8.2 酒精、汽油傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)分析

分別建立實(shí)物電路,在一定濃度下,用萬(wàn)用表測(cè)得的濃度所對(duì)應(yīng)電壓值與設(shè)計(jì)微處理系統(tǒng)測(cè)得的電壓值對(duì)應(yīng)如表3所示。

表3 酒精、汽油濃度對(duì)應(yīng)電壓值及電壓對(duì)應(yīng)濃度值

通過(guò)對(duì)比可以看出此設(shè)計(jì)的微處理系統(tǒng)可以更精確地記錄濃度所對(duì)應(yīng)的電壓信息,再結(jié)合對(duì)應(yīng)算法公式可以很好地顯示出當(dāng)前所測(cè)氣體的濃度值。

9 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析得出,本設(shè)計(jì)合理,所制作的探測(cè)儀可以很好地檢測(cè)出復(fù)雜場(chǎng)合危險(xiǎn)物品的存在及含量情況,可用于危險(xiǎn)品的檢測(cè)。

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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

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目“用于爆炸物探測(cè)的生化傳感器及檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)”(編號(hào):2012K09-23)資助。

倪原,男,碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:信息處理與智能控制、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理與儀器檢測(cè)。韓鵬,男,碩士研究生,研究方向:檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。趙晨,女,博士,研究方向:特異性物質(zhì)檢測(cè)與識(shí)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(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

D631

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.038