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。