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)、無線傳輸三大功能。通過單片機(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)際場合。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；MOS氣體傳感器；電子鼻；手持式

0 引言
嗅覺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)仍然需要人的嗅覺來對樣品進(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)專職嗅覺的人員成本高、周期長；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，顯然不適合長時(shí)間的人工作業(yè)。
為了解決人工嗅覺在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題，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、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價(jià)值。自第一臺(tái)商用電子鼻于1994年在國外誕生起，世界上從事電子鼻產(chǎn)品研究與開發(fā)的科研機(jī)構(gòu)逐年增多。但是目前國內(nèi)對電子鼻的研究及開發(fā)還剛起步，鮮有商用化的電子鼻產(chǎn)品。針對這一現(xiàn)狀，本文開發(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)傳感器對被測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，對氣體乙產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器，對氣體甲則不敏感，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)圖案來識(shí)別氣味。

圖1是測量金屬氧化物半導(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。在測試過程中，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。在本文的測試中設(shè)定加熱電壓和測試電壓均為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，而處理終端則通過一個(gè)掌上電腦(PDA)來完成數(shù)據(jù)的分析與處理。這兩大終端的數(shù)據(jù)交換通過兩個(gè)無線模塊來完成。

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：單片機(jī)、ADC模塊、DAC調(diào)理模塊、存儲(chǔ)模塊、無線模塊及鋰電池。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。