基于STC89C516RD+單片機的手持式電子鼻的設(shè)計

摘要：文章實現(xiàn)了一種手持式的電子鼻，可用于識別與檢測不同種類的氣體／氣味。此電子鼻系統(tǒng)以單片機為核心，控制各種功能模塊與電子器件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲、無線傳輸三大功能。通過單片機與掌上電腦(PDA)進行數(shù)據(jù)交換，此電子鼻系統(tǒng)具有比較強的分析能力，可以應(yīng)用于多種實際場合。
關(guān)鍵詞：單片機；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行識別和判斷。而在實際應(yīng)用的時候，人和動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候，顯然不適合長時間的人工作業(yè)。
為了解決人工嗅覺在實際應(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別系統(tǒng)三大功能部件，能夠識別單一和復(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)療診斷以及航天項目等等。電子鼻具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場價值。自第一臺商用電子鼻于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)圖案來識別氣味的電子系統(tǒng)，其識別氣味的主要機理是在陣列中的每個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，氣體甲可在某個傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)的電壓信號，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。因此整個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，故通過即時地提取取樣電阻的端電壓即信號電壓，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
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電壓，而處理終端則通過一個掌上電腦(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、ADC模塊、DAC調(diào)理模塊、存儲模塊、無線模塊及鋰電池。傳感器腔體內(nèi)放置著由8個商用TGS氣體傳感器組成的傳感器陣列。整個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作。