基于51單片機(jī)的電子鼻的設(shè)計探討

湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院 王 燁

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基于51單片機(jī)的電子鼻的設(shè)計探討

湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院 王 燁

【摘要】在航空航天、環(huán)境保護(hù)、化工控制、公安消防和臨床診斷等多個領(lǐng)域，電子鼻都得到了廣泛的應(yīng)用?；谶@種認(rèn)識，本文對基于51單片的電子鼻的設(shè)計問題展開了探討，先對電子鼻使用的51單片機(jī)性能及特點展開了介紹，然后對電子鼻的設(shè)計思路和軟硬件設(shè)計問題展開了研究，從而為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

【關(guān)鍵詞】51單片機(jī)；電子鼻；設(shè)計

0 引言

從國內(nèi)外發(fā)展情況來看，電子鼻的設(shè)計和制造成本較高，并且體型普遍較大，以至于導(dǎo)致電子鼻的應(yīng)用受到了限制。而使用51單片機(jī)進(jìn)行電子鼻的設(shè)計，不僅能夠降低電子鼻的制造成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)電子鼻的便攜式設(shè)計。此外，設(shè)計基于51單片機(jī)的電子鼻還能不對吸入氣體量進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且準(zhǔn)確進(jìn)行氣體的識別，所以將有利于電子鼻的推廣應(yīng)用。

1 電子鼻使用的51單片機(jī)的性能及特點

電子鼻的設(shè)計，可以使用型號為STC89C516RD+的8位51單片機(jī)。該種單片機(jī)封裝形式為PLCC，具有成本低、性能穩(wěn)定、易操作、結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強(qiáng)和兼容性好等多種應(yīng)用優(yōu)勢。從單片機(jī)工作性能上來看，其工作電壓為5V，工作頻率為22.1185MHz，擁有1280字節(jié)隨機(jī)存儲器和36個I/O口。由于具有電可擦寫可編程功能，該單片機(jī)能夠通過擦除已有信息進(jìn)行重新編程，并且能夠確保系統(tǒng)掉電時數(shù)據(jù)不丟失。此外，該種單片機(jī)使用在系統(tǒng)可編程方式，可以在幾秒內(nèi)利用串口進(jìn)行所需C語言源程序文件。使用該種單片機(jī)時，需要在單片機(jī)外圍進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路和振蕩電路的設(shè)置，以確保單片機(jī)正常獨立工作。因為，單片機(jī)的輸入和輸出串口為TTL電平，與計算機(jī)串口的RS-232電平不兼容，需要使用電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)二者通信。

2 基于51單片機(jī)的電子鼻的設(shè)計

2.1 電子鼻設(shè)計思路

從原理上來看，電子鼻的工作原理就是模擬人的嗅覺形成過程。使用51單片機(jī)進(jìn)行電子鼻的設(shè)計，單片機(jī)將相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞，可以進(jìn)行傳感器采集的信號的識別、分析和處理，然后將結(jié)果顯示出來。而設(shè)計一種多種人機(jī)交互方式的便攜式電子鼻，則能夠?qū)⑺鸭降男畔⒗脽o線或有線方式發(fā)送給周圍信息處理終端，從而使電子鼻的使用更加人性化和多樣化。為此，可以使用電子鼻服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行低成本、無線化的電子鼻設(shè)計。在實際應(yīng)用電子鼻的過程中，電子鼻終端能夠根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行傳感器陣列的更換，然后通過各種網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，以便由電子鼻工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。而通過將電子鼻終端應(yīng)用在各種場合，則能夠使系統(tǒng)得到不斷學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，繼而使系統(tǒng)識別能力得到提升，所以將有利于電子鼻技術(shù)的推廣應(yīng)用。

2.2 電子鼻硬件設(shè)計

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

從電子鼻硬件結(jié)構(gòu)上來看，該系統(tǒng)應(yīng)該由信息發(fā)送端和信息接收端構(gòu)成。其中，信息發(fā)送端負(fù)責(zé)進(jìn)行金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器陣列信號電壓的采集，接收端可以利用移動計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)模式的識別，并且完成數(shù)據(jù)的分析和處理。而利用無線模塊，這兩個終端將能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。進(jìn)一步分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)送端由采樣系統(tǒng)、傳感器陣列和電路系統(tǒng)構(gòu)成。接收端則由無線模塊、接口模塊、單片機(jī)和移動計算機(jī)組成，能夠進(jìn)行發(fā)送端數(shù)據(jù)的處理，并且進(jìn)行發(fā)送端所有動作的控制。在系統(tǒng)工作的過程中，接收端會進(jìn)行各種指令的發(fā)送［1］。收到指令后，發(fā)送端將作出不同動作響應(yīng)，如切換電磁閥氣路通道、加熱氣體傳感器陣列和控制傳感器電壓信號等。

2.2.2 系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計

在系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計方面，發(fā)送端采樣系統(tǒng)由微型氣泵、傳感器腔體和三通電磁閥構(gòu)成。在傳感器腔體兩側(cè)，各有一個通孔分別是氣體入口和出口。其出口需要與微型氣泵入口連接，入口則需要與三通電磁閥出口連接。而微型氣泵出口直接與空氣連接，三通電磁閥入口擁有兩個可切換通道，即空氣通道和樣品氣體通道。在系統(tǒng)采集樣品氣體前，需將電磁閥切換至空氣通道進(jìn)行傳感器腔體清洗。清洗完成后，三通電磁閥將切換至樣品提起通道進(jìn)行樣品氣體吸入［2］。而樣品氣體進(jìn)入腔體后會與傳感器陣列發(fā)生反應(yīng)，從而使系統(tǒng)獲得需要的數(shù)據(jù)信息。

在系統(tǒng)發(fā)送端工作的過程中，主要需要完成的任務(wù)就是進(jìn)行氣體傳感器陣列響應(yīng)信息的采集和存儲，需要利用無線模塊進(jìn)行信息的發(fā)送。所以發(fā)送端電路系統(tǒng)主要由系統(tǒng)最小工作電路、電壓信號提取電路、ADC模塊、存儲模塊等多個電路及模塊構(gòu)成，系統(tǒng)最小工作電路即為51單片機(jī)，能夠獨立工作。系統(tǒng)發(fā)送端的傳感器陣列為MOS氣體傳感器陣列，由7個商用TGS氣體傳感器組成，每個傳感器型號都不相同，分別對香煙煙霧、烹調(diào)臭味、氨氣、硫化氫、丁烷、甲烷等不同氣體具有較高的靈敏度。使用這些氣體傳感器時，需要將其加熱至250℃以上才能對氣體進(jìn)行有效感應(yīng)［3］。所以在傳感器內(nèi)部，需要設(shè)置加熱電阻。

系統(tǒng)工作的過程中，傳感器信號提取電路的取樣電阻將與傳感器串聯(lián)，其兩端設(shè)有測試電壓。在傳感器與氣體發(fā)生反應(yīng)后，傳感器內(nèi)部氣體敏感模的電導(dǎo)率會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致取樣電阻的端電壓產(chǎn)生變化。通過采集這一電壓信號，將能夠得知傳感器氣敏膜電阻隨時間變化關(guān)系。而系統(tǒng)ADC模塊主要可以進(jìn)行陣列信號電壓采集，由A/D轉(zhuǎn)換芯片和八路模擬多路復(fù)用器組成。在實際工作過程中，ADC模塊需要同時進(jìn)行八個氣體傳感器電壓信號的采集，可以通過控制單片機(jī)三個I/O端口的電平狀態(tài)進(jìn)行八路模擬開關(guān)的選擇管腳控制。而通過進(jìn)行8路開關(guān)的實時切換，則能夠完成8個MOS氣體傳感器構(gòu)成的陣列響應(yīng)信號電壓的采集。此外，接收端存儲模塊由地質(zhì)鎖存器和閃存芯片構(gòu)成，具有較大存儲容量，并且擁有編程時間短、讀寫數(shù)據(jù)占用資源少和能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)保護(hù)等功能。

2.2.3 系統(tǒng)接收端設(shè)計

在電子鼻接收端設(shè)計方面，接收端可以利用無線模塊進(jìn)行發(fā)送端數(shù)據(jù)的接收，然后利用單片機(jī)引腳進(jìn)行串口通信?？紤]到移動計算機(jī)上只有USB接口，沒有RS232串口，所以還需要進(jìn)行串口轉(zhuǎn)接口電路的設(shè)計，然后利用該電路實現(xiàn)單片機(jī)與移動計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。具體來講，就是使用內(nèi)置有USB上拉電阻的轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行異步串口、同步串口和并口等接口的轉(zhuǎn)換。從接收端總體設(shè)計上來看，無線模塊是重要組成部分。為實現(xiàn)發(fā)送端與接收端的無線通信，可以使用單片射頻收發(fā)器進(jìn)行無線模塊的設(shè)計。利用該收發(fā)器，需要在單片機(jī)和無線模塊之間進(jìn)行上拉電阻的連接［4］。而無線模塊的工作頻段為433MHz，工作速率最高可達(dá)50kbps，其中有125個頻道，可以使多點通信和調(diào)頻通信的需要得到滿足。從工作模式上來看，無線通信模塊擁有兩種節(jié)電模式和兩種工作模式，無線模塊的工作狀態(tài)由工作模式?jīng)Q定，所以需要預(yù)先設(shè)置好。

2.3 電子鼻軟件設(shè)計

電子鼻的軟件設(shè)計可以劃分成兩部分，即發(fā)送端軟件編寫和接收端的軟件編寫。在Keil uVision2開發(fā)環(huán)境中，使用C語言就可以進(jìn)行發(fā)送端和接收端的51單片機(jī)軟件程序的編寫。編寫完成后，可以利用RS232串口直接進(jìn)行源程序的燒錄。此外，還需要使用LabVIEW7.1平臺進(jìn)行接收端中的移動計算機(jī)軟件平臺的開發(fā)。完成系統(tǒng)所有軟件程序編寫后，則需要進(jìn)行所有軟件的調(diào)試，然后進(jìn)行簡單的驗證性試驗［5］。而通過試驗可以發(fā)現(xiàn)，電子鼻系統(tǒng)及軟件運行正常，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的功能要求。

3 結(jié)論

總而言之，在生活的許多領(lǐng)域，電子鼻都能夠得到應(yīng)用。而使用51單片機(jī)進(jìn)行一種便攜式電子鼻的設(shè)計，并且使該種電子鼻能夠進(jìn)行多種氣味的識別和分析，則能夠使電子鼻的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓展。因此，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電子鼻的設(shè)計問題也將得到進(jìn)一步研究，而本文提出的基于51單片機(jī)的電子鼻的設(shè)計也將得到進(jìn)一步完善，從而使其獲得一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］宋凱，王祁，張振平.基于單傳感器溫度調(diào)制的無線電子鼻系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀器儀表學(xué)報，2011（1）﹕150-156.

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［3］潘輝.基于氣體傳感器的仿生電子鼻設(shè)計［J］.信息技術(shù)，2012（3）﹕128-132.