基于准静态电容层析技术的液体违禁品检查仪

ADI公司生产的AD7143芯片，其工作电压为2．6～3．6 V，并配有一个工作电压在1．65～3．6 V的I2C串行接口，基本可以满足常见MCU的工作电压范围。为了节约功耗，在闲暇时芯片会转入低功耗模式，此时工作电耗仅为50μA。其内部构成主要包括∑-△转换器、基准电压、激励源、电容数字转换器(CDC)、温度补偿器和一个I2C接口，通过该接口可实现单片机对AD7143内部寄存器和转换结果的控制。
选用ATmega16作为整个系统的核心MCU，完成对外围器件的控制和最终的数据处理工作。ATmega16基于增强的AVR精简指令集结构的低功耗8位CMOS微控制器，有着先进的指令集和单时钟周期指令执行时间。
ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而有效缓减了系统功耗和处理速度之间的矛盾。其内核有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)连接，使得一条指令能够在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，大大提高了代码效率。
ATmega16单片机通过串行通信收集电容传感器测量得到的电容值，从而判断被测液体是否属于违禁品。单片机各引脚与外围模块相连，控制整个系统的运行并实现相应的系统功能，包括系统初始化、电容传感器初始化、电容值采集与处理及测量结果显示等。因此，ATmega 16单片机在整个系统中具有非常重要的作用。系统连接图如图5所示。

图5中，MOSI和MISO引脚用于串行通讯；AJ1，AJ2用于按键输入；PA0～PA7用于连接LCD1602液晶屏显示测量数据；RXD，TXD用于控制MAX3232芯片的发送与接收状态；LED1，LED2用于状态指示灯的控制；C3，C6和Y1组成了频率为16 MHz的时钟电路，能够为ATmega16单片机提供稳定的高精度时钟信号。

软件流程图如图6所示。按照流程图对单片机编程，完成了整个设计。

4 实验结果
根据混合物介电常数公式：ε=ε1×P1+ε2×P2(P1和P2为溶质体积分数，ε1和ε2为对应的溶质的介电常数)易得50％的酒精介电常数为51. 4，在表1中介于危险品和安全液体之间，将其作为分界点更为严格。如果该电极能够准确区分50％的酒精和水则该电极灵敏度已经达到较高水平。因此对不同组分的酒精进行了一组实验，检测结果如图7(a)所示。同时，改变容器的形状和厚度，对不同液体进行检测，检测结果如图7(b)所示。

可以看到在检测过程中，50％的酒精与水显著区分开来，证明该系统具有足够的区分度。而对在壁厚4 mm以下的容器中，常见液体也能够被区分开来。

5 结语
利用准静态电容层析技术的液体探测器能够区分液体违禁品和普通液体，且体积小，功耗低，实现了快速、安全、无辐射的检测，在检测过程中无需打开容器，单次检测时间在2 s以内，方便快捷，满足了日常安检的需求。
由于测得的电容值很小，为了加强检测精度，可以考虑提高激励信号频率和幅度的方法。此外为了提高设计可靠性，保证探测精度，除了对电极的屏蔽性需要多加考虑之外，整个仪器的外部屏蔽也相当重要。