基于STC89C516RD+单片机的手持式电子鼻的设计

摘要：文章实现了一种手持式的电子鼻，可用于识别与检测不同种类的气体／气味。此电子鼻系统以单片机为核心，控制各种功能模块与电子器件，实现了数据采集、存储、无线传输三大功能。通过单片机与掌上电脑(PDA)进行数据交换，此电子鼻系统具有比较强的分析能力，可以应用于多种实际场合。
关键词：单片机；MOS气体传感器；电子鼻；手持式

0 引言
    嗅觉跟人类的生活息息相关。在日常生活中，包括烟草、食品、化妆品等在内的许多行业仍然需要人的嗅觉来对样品进行识别和判断。而在实际应用的时候，人和动物的嗅觉能力往往受到很多条件的限制，存在着诸多弊端：培养专职嗅觉的人员成本高、周期长；人工鉴别的个体差异性、主观性比较大；在恶劣的环境条件下，如存在有毒气体或刺激性气体的时候，显然不适合长时间的人工作业。
    为了解决人工嗅觉在实际应用中遇到的问题，才有了电子鼻的诞生。电子鼻是一种能够模拟动物嗅觉的电子装置，它包括气体采样器、气体传感器阵列和模式识别系统三大功能部件，能够识别单一和复杂的气味或气体。在过去的几十年内，电子鼻已被应用到许多领域，例如食品质量控制、饮料及香料工业、环境监测、医疗诊断以及航天项目等等。电子鼻具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。自第一台商用电子鼻于1994年在国外诞生起，世界上从事电子鼻产品研究与开发的科研机构逐年增多。但是目前国内对电子鼻的研究及开发还刚起步，鲜有商用化的电子鼻产品。针对这一现状，本文开发了一套低成本的、便携化的电子鼻系统。

1 工作原理
    电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，其识别气味的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，以及不同的响应曲线。例如，气体甲可在某个传感器上产生高响应的电压信号，而在其他传感器上产生低响应。同样地，对气体乙产生高响应的传感器，对气体甲则不敏感，产生低响应电压信号。因此整个传感器阵列对不同气体的响应图案是不同的，正是这种区别，才使得系统能根据传感器阵列的响应图案来识别气味。

    图1是测量金属氧化物半导体(MOS)气体传感器响应电压信号的原理图。在测试之前MOS气体传感器通常须加热到2500℃(或更高)，才能正常地工作。在测试过程中，MOS气体传感器与样品气体／气味发生化学反应后，会改变自身气体敏感膜的电导率及电阻值，从而导致与之串联的取样电阻的端电压发生改变。因取样电阻的阻值固定，故通过即时地提取取样电阻的端电压即信号电压，便可以得到MOS气体传感器的响应曲线。在本文的测试中设定加热电压和测试电压均为5V。

2 硬件设计
2．1 硬件结构
    本电子鼻系统由两大部分组成：信息采集终端(采集终端)与信息处理终端(处理终端)，见图2。采集终端负责采集MOS气体传感器阵列的信号电压，而处理终端则通过一个掌上电脑(PDA)来完成数据的分析与处理。这两大终端的数据交换通过两个无线模块来完成。

    图3是采集终端与处理终端的结构框图。其中采集终端由三大部分构成：采样系统、电路系统以及传感器阵列。采样系统包括气体传感器腔体、微犁气泵和三通电磁阀。电路系统由以下功能模块及电源组成：单片机、ADC模块、DAC调理模块、存储模块、无线模块及锂电池。传感器腔体内放置着由8个商用TGS气体传感器组成的传感器阵列。整个采集终端的工作能耗在6W左右，在容量为3800Amh的锂电池供电的情况下，能够连续地工作3．2h。处理终端的组成为：无线模块、RS232串口转USB接口模块(RS232 to USB)、单片机和PDA。处理终端既能获取并处理来自采集终端的数据，又能发出指令以控制采集终端的所有动作。
2．2 采集终端
    采集终端的主要作用是采集及存储MOS气体传感器阵列的响应信息，并通过无线模块发送到处理终端。采集终端的电路设计主要分为以下几个模块：
    1)单片机的最小电路模块，用于控制其它所有的模块及元件；
    2)ADC模块，用于采集MOS气体传感器阵列的信号电压；
    3)DAC调理模块，即D／A转换并调理模块，用于输出并调理加热电压的信号；4)存储模块，用于存储ADC模块采集的数据；
    5)无线模块，用于发送与接收数据或指令；
    6)微型气泵，三通电磁阀的开关与切换的控制。
2．2．1 单片机管脚设置
    本文所采用的单片机型号是STC89C516RD+，封装形式为POFP。它具有36个可操作的I／O口，I／O分配见图4。由于单片机外围电路涉及的模块与电子元件较多，I／O资源不够分配，故需要扩展I／O口。本文采用8个型号为MAX4634的四路模拟多路复用器／开关对单片机的P0口进行扩展。MAX4634共用4个通道可选择：N01、N02、N03和N04。可通过单片机的2个I／O来控制MAX4634的选择管脚A0与A1的电平状态，从而切换该开关的通道。对应关系如下：A0=0，A1=0，选中NO1；A0=1，A1=0，选中NO2；A0=0，A1=1，选中NO3；A0=1，A1=1，选中NO4。因此单通道的P0口可被扩展为四通道的P0口，其中两个通道NO1、NO2分别连接至存储模块和无线模块。
2．2．2 ADC模块
    ADC模块由A／D转换芯片TLC1549和八路模拟多路复用器／开关MAX4617组成，见图4。TLC1549为10位精度单通道A／D芯片，分辨率为4．88mV(1LSB)。通过控制单片机的3个I／O-P32、P33、P34的电平状态，可改变MAX4617的3个选择管脚A、B、C的逻辑状态，从而切换其8路开关。因此该ADC模块能采集由8个MOS气体传感器构成的阵列的响应信号电压。

2．2．3 DAC调理模块
    DAC调理模块的电路设计如图5所示。其中的D／A转换芯片TLC5615由单片机的I／O-P15、P16、P17直接控制，在稳压二极管TLC431的作用下，输出模拟电压信号。该电压信号在经过运算放大器芯片LM324处理后，用作传感器阵列的加热电压。

2．2．4 存储模块
    存储模块由地址锁存器LS373与Flash存储器AT29C040构成，见图6。AT29C040的容量是512kB，具有2048个扇区。通过单片机的管脚ALE可以控制LS373。

    当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；当ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。单片机既能向存储模块写入数据，也能读取数据并发送。
2．2．5 无线模块
    无线模块的正常工作电压是3．3V，而电源提供的电压是5V，故需要用到低压差电压调节器LM1117进行降压处理。并且P0口须接10k上拉电阻后，方可连接至无线模块的管脚上，见图7。该无线模块的工作频段为433MHz，最高工作速率50kbps，内置125个频道，能满足多点通信和调频通信的需要。

2．2．6 控制模块
    微型气泵和三通电磁阀的开关与切换由单片机的I／O-P42、P43来控制。通过改变这两个I／O的电平状态，即可实现整个控制电路的通与断，见图8。

2．3 处理终端
    处理终端由无线模块、单片机、RS232串口转USB接口模块(RS232 to USB)以及PDA组成。无线模块与单片机的接口设计电路与上述采集终端是一样的。因为PDA上只有USB接口，故需设计RS232串口转USB接口电路以完成单片机与PDA之间的数据交换。设计电路见图9。

3 软件设计
    本电子鼻系统的软件分为两大部分。采集终端上的软件是在Keil uVision2开发环境下用C语言编写的，编写好的源程序通过RS232串口烧录到STC89C516KD+单片机中；处理终端上的软件是基于LabVIEW7．1(National Instrumentation，美国)平台在PDA(WindowsXP系统)上开发的。本文对该系统进行了简单的验证试验，测试样品为白酒。通过数轮的测试表明该电子鼻系统及软件运行正常，达到了预期的功能要求。测试的软件界面见图10。从图中可以看出电子鼻在一轮完整的测试过程中，须经历4个阶段；基态阶段、采样阶段、保持阶段及恢复阶段。在基态阶段，三通电磁阀切换至空气通道，传感器阵列的电压信号为一条水平基线。待三通电磁阀切换至样品气体通道后，系统进入采样阶段，传感器阵列开始响应，数秒后电压信号值上升至峰值再趋于平稳，待接近平衡后，系统进入保持阶段，三通电磁阀保持样品气体通道不变。最后进入恢复阶段，三通电磁阀切换回空气通道，传感器阵列的响应曲线迅速下降，直至恢复到基线位置。

     图11是该电子鼻系统的软件流程图。在开始测试前，须先在PDA上设定测试过程4个阶段的时间值：基态时间、采样时间、保持时间及恢复时间。然后由PDA发出“开始”指令，系统开始测试。采集终端在收到该指令后，内部的单片机会按照指令，通过定时器来控制好4个阶段的时间。首先单片机会控制DAC调理模块输出加热电压用来加热传感器阵列，然后再控制ADC模块采集传感器阵列的信号电压，并选择将获取的数据存到存储模块中，或者直接由无线模块反馈给接收端的PDA做分析与处理。待数据采集完毕，PDA发出“结束”指令，系统停止工作。
在进行下一轮的测试前，须让PDA发出“复位”指令使系统清零后，方可进行新一轮的测试。此外在测试的过程中，可以通过PDA发出指令来控制微型气泵和三通电子阀的开关。在测试停止后，可以通过“打开”指令来读取之前获取的传感器阵列的数据及响应曲线。

4 结束语
    本文针对国内鲜有电子鼻产品开发这一现状，实现了一套基于STC89C516RD+单片机的手持式电子鼻系统。此系统具有低成本、便携化的特点。系统分为采集终端与处理终端两大部分，采集终端负责获取MOS气体传感器阵列的响应信号，处理终端则分析与处理获取的信号。两个终端之间通过无线通信的方式完成数据的交换。最后通过简单的实验初步地验证了系统的性能，表明此电子鼻系统具备一定的市场应用潜力。