基于STC89C516RD+單片機(jī)的手持式電子鼻的設(shè)計(jì)

摘要：文章實(shí)現(xiàn)了一種手持式的電子鼻，可用于識(shí)別與檢測(cè)不同種類的氣體／氣味。此電子鼻系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，控制各種功能模塊與電子器件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、無(wú)線傳輸三大功能。通過(guò)單片機(jī)與掌上電腦(PDA)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，此電子鼻系統(tǒng)具有比較強(qiáng)的分析能力，可以應(yīng)用于多種實(shí)際場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；MOS氣體傳感器；電子鼻；手持式

0 引言
    嗅覺(jué)跟人類的生活息息相關(guān)。在日常生活中，包括煙草、食品、化妝品等在內(nèi)的許多行業(yè)仍然需要人的嗅覺(jué)來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行識(shí)別和判斷。而在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，人和動(dòng)物的嗅覺(jué)能力往往受到很多條件的限制，存在著諸多弊端：培養(yǎng)專職嗅覺(jué)的人員成本高、周期長(zhǎng)；人工鑒別的個(gè)體差異性、主觀性比較大；在惡劣的環(huán)境條件下，如存在有毒氣體或刺激性氣體的時(shí)候，顯然不適合長(zhǎng)時(shí)間的人工作業(yè)。
    為了解決人工嗅覺(jué)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，才有了電子鼻的誕生。電子鼻是一種能夠模擬動(dòng)物嗅覺(jué)的電子裝置，它包括氣體采樣器、氣體傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)三大功能部件，能夠識(shí)別單一和復(fù)雜的氣味或氣體。在過(guò)去的幾十年內(nèi)，電子鼻已被應(yīng)用到許多領(lǐng)域，例如食品質(zhì)量控制、飲料及香料工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷以及航天項(xiàng)目等等。電子鼻具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)價(jià)值。自第一臺(tái)商用電子鼻于1994年在國(guó)外誕生起，世界上從事電子鼻產(chǎn)品研究與開(kāi)發(fā)的科研機(jī)構(gòu)逐年增多。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)電子鼻的研究及開(kāi)發(fā)還剛起步，鮮有商用化的電子鼻產(chǎn)品。針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文開(kāi)發(fā)了一套低成本的、便攜化的電子鼻系統(tǒng)。

1 工作原理
    電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來(lái)識(shí)別氣味的電子系統(tǒng)，其識(shí)別氣味的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣體都有不同的靈敏度，以及不同的響應(yīng)曲線。例如，氣體甲可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)的電壓信號(hào)，而在其他傳感器上產(chǎn)生低響應(yīng)。同樣地，對(duì)氣體乙產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器，對(duì)氣體甲則不敏感，產(chǎn)生低響應(yīng)電壓信號(hào)。因此整個(gè)傳感器陣列對(duì)不同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使得系統(tǒng)能根據(jù)傳感器陣列的響應(yīng)圖案來(lái)識(shí)別氣味。

    圖1是測(cè)量金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)氣體傳感器響應(yīng)電壓信號(hào)的原理圖。在測(cè)試之前MOS氣體傳感器通常須加熱到2500℃(或更高)，才能正常地工作。在測(cè)試過(guò)程中，MOS氣體傳感器與樣品氣體／氣味發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)改變自身氣體敏感膜的電導(dǎo)率及電阻值，從而導(dǎo)致與之串聯(lián)的取樣電阻的端電壓發(fā)生改變。因取樣電阻的阻值固定，故通過(guò)即時(shí)地提取取樣電阻的端電壓即信號(hào)電壓，便可以得到MOS氣體傳感器的響應(yīng)曲線。在本文的測(cè)試中設(shè)定加熱電壓和測(cè)試電壓均為5V。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
    本電子鼻系統(tǒng)由兩大部分組成：信息采集終端(采集終端)與信息處理終端(處理終端)，見(jiàn)圖2。采集終端負(fù)責(zé)采集MOS氣體傳感器陣列的信號(hào)電壓，而處理終端則通過(guò)一個(gè)掌上電腦(PDA)來(lái)完成數(shù)據(jù)的分析與處理。這兩大終端的數(shù)據(jù)交換通過(guò)兩個(gè)無(wú)線模塊來(lái)完成。

    圖3是采集終端與處理終端的結(jié)構(gòu)框圖。其中采集終端由三大部分構(gòu)成：采樣系統(tǒng)、電路系統(tǒng)以及傳感器陣列。采樣系統(tǒng)包括氣體傳感器腔體、微犁氣泵和三通電磁閥。電路系統(tǒng)由以下功能模塊及電源組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)、ADC模塊、DAC調(diào)理模塊、存儲(chǔ)模塊、無(wú)線模塊及鋰電池。傳感器腔體內(nèi)放置著由8個(gè)商用TGS氣體傳感器組成的傳感器陣列。整個(gè)采集終端的工作能耗在6W左右，在容量為3800Amh的鋰電池供電的情況下，能夠連續(xù)地工作3．2h。處理終端的組成為：無(wú)線模塊、RS232串口轉(zhuǎn)USB接口模塊(RS232 to USB)、單片機(jī)和PDA。處理終端既能獲取并處理來(lái)自采集終端的數(shù)據(jù)，又能發(fā)出指令以控制采集終端的所有動(dòng)作。
2．2 采集終端
    采集終端的主要作用是采集及存儲(chǔ)MOS氣體傳感器陣列的響應(yīng)信息，并通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到處理終端。采集終端的電路設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)模塊：
    1)單片機(jī)的最小電路模塊，用于控制其它所有的模塊及元件；
    2)ADC模塊，用于采集MOS氣體傳感器陣列的信號(hào)電壓；
    3)DAC調(diào)理模塊，即D／A轉(zhuǎn)換并調(diào)理模塊，用于輸出并調(diào)理加熱電壓的信號(hào)；4)存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)ADC模塊采集的數(shù)據(jù)；
    5)無(wú)線模塊，用于發(fā)送與接收數(shù)據(jù)或指令；
    6)微型氣泵，三通電磁閥的開(kāi)關(guān)與切換的控制。
2．2．1 單片機(jī)管腳設(shè)置
    本文所采用的單片機(jī)型號(hào)是STC89C516RD+，封裝形式為POFP。它具有36個(gè)可操作的I／O口，I／O分配見(jiàn)圖4。由于單片機(jī)外圍電路涉及的模塊與電子元件較多，I／O資源不夠分配，故需要擴(kuò)展I／O口。本文采用8個(gè)型號(hào)為MAX4634的四路模擬多路復(fù)用器／開(kāi)關(guān)對(duì)單片機(jī)的P0口進(jìn)行擴(kuò)展。MAX4634共用4個(gè)通道可選擇：N01、N02、N03和N04?？赏ㄟ^(guò)單片機(jī)的2個(gè)I／O來(lái)控制MAX4634的選擇管腳A0與A1的電平狀態(tài)，從而切換該開(kāi)關(guān)的通道。對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：A0=0，A1=0，選中NO1；A0=1，A1=0，選中NO2；A0=0，A1=1，選中NO3；A0=1，A1=1，選中NO4。因此單通道的P0口可被擴(kuò)展為四通道的P0口，其中兩個(gè)通道NO1、NO2分別連接至存儲(chǔ)模塊和無(wú)線模塊。
2．2．2 ADC模塊
    ADC模塊由A／D轉(zhuǎn)換芯片TLC1549和八路模擬多路復(fù)用器／開(kāi)關(guān)MAX4617組成，見(jiàn)圖4。TLC1549為10位精度單通道A／D芯片，分辨率為4．88mV(1LSB)。通過(guò)控制單片機(jī)的3個(gè)I／O-P32、P33、P34的電平狀態(tài)，可改變MAX4617的3個(gè)選擇管腳A、B、C的邏輯狀態(tài)，從而切換其8路開(kāi)關(guān)。因此該ADC模塊能采集由8個(gè)MOS氣體傳感器構(gòu)成的陣列的響應(yīng)信號(hào)電壓。

2．2．3 DAC調(diào)理模塊
    DAC調(diào)理模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。其中的D／A轉(zhuǎn)換芯片TLC5615由單片機(jī)的I／O-P15、P16、P17直接控制，在穩(wěn)壓二極管TLC431的作用下，輸出模擬電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)在經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器芯片LM324處理后，用作傳感器陣列的加熱電壓。

2．2．4 存儲(chǔ)模塊
    存儲(chǔ)模塊由地址鎖存器LS373與Flash存儲(chǔ)器AT29C040構(gòu)成，見(jiàn)圖6。AT29C040的容量是512kB，具有2048個(gè)扇區(qū)。通過(guò)單片機(jī)的管腳ALE可以控制LS373。

    當(dāng)ALE信號(hào)有效時(shí)，P0口傳送的是低8位地址信號(hào)；當(dāng)ALE信號(hào)無(wú)效時(shí)，P0口傳送的是8位數(shù)據(jù)信號(hào)。單片機(jī)既能向存儲(chǔ)模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)，也能讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送。
2．2．5 無(wú)線模塊
    無(wú)線模塊的正常工作電壓是3．3V，而電源提供的電壓是5V，故需要用到低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117進(jìn)行降壓處理。并且P0口須接10k上拉電阻后，方可連接至無(wú)線模塊的管腳上，見(jiàn)圖7。該無(wú)線模塊的工作頻段為433MHz，最高工作速率50kbps，內(nèi)置125個(gè)頻道，能滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要。

2．2．6 控制模塊
    微型氣泵和三通電磁閥的開(kāi)關(guān)與切換由單片機(jī)的I／O-P42、P43來(lái)控制。通過(guò)改變這兩個(gè)I／O的電平狀態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制電路的通與斷，見(jiàn)圖8。

2．3 處理終端
    處理終端由無(wú)線模塊、單片機(jī)、RS232串口轉(zhuǎn)USB接口模塊(RS232 to USB)以及PDA組成。無(wú)線模塊與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)電路與上述采集終端是一樣的。因?yàn)镻DA上只有USB接口，故需設(shè)計(jì)RS232串口轉(zhuǎn)USB接口電路以完成單片機(jī)與PDA之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖9。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本電子鼻系統(tǒng)的軟件分為兩大部分。采集終端上的軟件是在Keil uVision2開(kāi)發(fā)環(huán)境下用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，編寫(xiě)好的源程序通過(guò)RS232串口燒錄到STC89C516KD+單片機(jī)中；處理終端上的軟件是基于LabVIEW7．1(National Instrumentation，美國(guó))平臺(tái)在PDA(WindowsXP系統(tǒng))上開(kāi)發(fā)的。本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)試樣品為白酒。通過(guò)數(shù)輪的測(cè)試表明該電子鼻系統(tǒng)及軟件運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期的功能要求。測(cè)試的軟件界面見(jiàn)圖10。從圖中可以看出電子鼻在一輪完整的測(cè)試過(guò)程中，須經(jīng)歷4個(gè)階段；基態(tài)階段、采樣階段、保持階段及恢復(fù)階段。在基態(tài)階段，三通電磁閥切換至空氣通道，傳感器陣列的電壓信號(hào)為一條水平基線。待三通電磁閥切換至樣品氣體通道后，系統(tǒng)進(jìn)入采樣階段，傳感器陣列開(kāi)始響應(yīng)，數(shù)秒后電壓信號(hào)值上升至峰值再趨于平穩(wěn)，待接近平衡后，系統(tǒng)進(jìn)入保持階段，三通電磁閥保持樣品氣體通道不變。最后進(jìn)入恢復(fù)階段，三通電磁閥切換回空氣通道，傳感器陣列的響應(yīng)曲線迅速下降，直至恢復(fù)到基線位置。

     圖11是該電子鼻系統(tǒng)的軟件流程圖。在開(kāi)始測(cè)試前，須先在PDA上設(shè)定測(cè)試過(guò)程4個(gè)階段的時(shí)間值：基態(tài)時(shí)間、采樣時(shí)間、保持時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間。然后由PDA發(fā)出“開(kāi)始”指令，系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)試。采集終端在收到該指令后，內(nèi)部的單片機(jī)會(huì)按照指令，通過(guò)定時(shí)器來(lái)控制好4個(gè)階段的時(shí)間。首先單片機(jī)會(huì)控制DAC調(diào)理模塊輸出加熱電壓用來(lái)加熱傳感器陣列，然后再控制ADC模塊采集傳感器陣列的信號(hào)電壓，并選擇將獲取的數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ)模塊中，或者直接由無(wú)線模塊反饋給接收端的PDA做分析與處理。待數(shù)據(jù)采集完畢，PDA發(fā)出“結(jié)束”指令，系統(tǒng)停止工作。
在進(jìn)行下一輪的測(cè)試前，須讓PDA發(fā)出“復(fù)位”指令使系統(tǒng)清零后，方可進(jìn)行新一輪的測(cè)試。此外在測(cè)試的過(guò)程中，可以通過(guò)PDA發(fā)出指令來(lái)控制微型氣泵和三通電子閥的開(kāi)關(guān)。在測(cè)試停止后，可以通過(guò)“打開(kāi)”指令來(lái)讀取之前獲取的傳感器陣列的數(shù)據(jù)及響應(yīng)曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文針對(duì)國(guó)內(nèi)鮮有電子鼻產(chǎn)品開(kāi)發(fā)這一現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了一套基于STC89C516RD+單片機(jī)的手持式電子鼻系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有低成本、便攜化的特點(diǎn)。系統(tǒng)分為采集終端與處理終端兩大部分，采集終端負(fù)責(zé)獲取MOS氣體傳感器陣列的響應(yīng)信號(hào)，處理終端則分析與處理獲取的信號(hào)。兩個(gè)終端之間通過(guò)無(wú)線通信的方式完成數(shù)據(jù)的交換。最后通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)初步地驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能，表明此電子鼻系統(tǒng)具備一定的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。