基于WIFI的無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器，它的傳感器器件采用八個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體材料組成的陣列。它既有熱激發(fā)也有光激發(fā)的功能。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、光熱控制、存儲(chǔ)等功能。它還可以通過(guò)WIFI與PC或智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊。本系統(tǒng)以TiO2作為氣敏材料，通過(guò)紫外光激發(fā)，溫度控制在75℃左右對(duì)甲醛氣體進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明100ppm甲醛的響應(yīng)靈敏度達(dá)1802.03。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該甲醛檢測(cè)器的設(shè)計(jì)是可行的。

0 引言

甲醛是一種有毒氣體，它廣泛存在于家居裝飾材料中，危害著人們的身體健康，因此對(duì)于甲醛的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，甲醛的監(jiān)測(cè)主要朝著實(shí)時(shí)響應(yīng)、操作簡(jiǎn)化、低功耗、低成本方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)也有一些人做了關(guān)于甲醛監(jiān)測(cè)的儀器，他們都采用國(guó)外電化學(xué)傳感器，但成本較高。本文開發(fā)了一款八陣列金屬氧化物半導(dǎo)體材料點(diǎn)作為傳感器件，基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監(jiān)測(cè)器。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器器件設(shè)計(jì)

傳感器器件是甲醛監(jiān)測(cè)器的核心，它直接決定甲醛監(jiān)測(cè)器的性能。本系統(tǒng)采用金屬氧化物半導(dǎo)體作為傳感器件的材料。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器具有對(duì)有機(jī)氣體靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快(≤10s)、易大批量生產(chǎn)、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。我們的傳感器件設(shè)計(jì)成八陣列的形式，它具有八個(gè)材料點(diǎn)，每個(gè)材料點(diǎn)可以獲取一種氣體信息，八個(gè)材料點(diǎn)就可以獲取八種信號(hào)，八種信號(hào)再構(gòu)成一個(gè)特征圖譜，把這個(gè)特征圖譜與數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖譜對(duì)比就能對(duì)未知?dú)怏w進(jìn)行識(shí)別。

如圖1所示，該器件以0.38mm厚的氧化鋁陶瓷片為載體材料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)在上面印有信號(hào)電極和加熱材料，信號(hào)電極采用鉑為原料做成插齒電極，金屬氧化物半導(dǎo)體材料則印在插齒電極上形成八個(gè)材料點(diǎn)，加熱采用鉑絲加熱，并且在每個(gè)器件上都集成有測(cè)溫鉑絲，用于器件溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因?yàn)槠骷枰訜?，我們將陶瓷片通過(guò)不銹鋼支撐架固定在轉(zhuǎn)接電路板上。最后將信號(hào)電極與轉(zhuǎn)接電路板的電極通過(guò)金絲球焊連接起來(lái)。為了保護(hù)材料芯片，器件需加一個(gè)外殼，它由不銹鋼薄片通過(guò)沖壓成型工藝制成。在外殼的上方開有6mm×5mm的孔，它用作光激發(fā)。

1.2 模組設(shè)計(jì)

模組主要由傳感器信號(hào)采集、溫度信號(hào)采集、光熱控制、通訊模塊等構(gòu)成，如圖2所示。模組以STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心器件，它內(nèi)部集成有8路A/D(10位)可用作信號(hào)采集、電源電量采集等等，2路PWM可作為D/A(8位)用作加熱控制，36個(gè)I/O可用作數(shù)字開關(guān)，對(duì)芯片進(jìn)行控制，它內(nèi)部還集成了2K的EEPROM可用作數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.2.1 信號(hào)采集

信號(hào)采集主要是采集金屬氧化物半導(dǎo)體材料的電阻信號(hào)。其原理如圖3所示，由5V電壓供電，金屬氧化物半導(dǎo)體材料與匹配電阻串聯(lián)，單片機(jī)通過(guò)1路A/D采集匹配電阻與材料之間的電壓，又因?yàn)槠ヅ潆娮璧淖柚凳羌褐?，因此可以很容易地求出材料的電阻值。匹配電阻由八個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻組成，它們連接在一個(gè)八路開關(guān)上由單片機(jī)的3個(gè)I/O控制通斷來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)匹配電阻與材料的最佳匹配。傳感器器件的八個(gè)材料點(diǎn)也與一個(gè)八路開關(guān)連接，并由3個(gè)I/O控制通斷順序，這樣就可以分別測(cè)出八個(gè)材料點(diǎn)的電阻值。該傳感器電阻測(cè)量范圍是100Ω～100MΩ。

1.2.2 溫度采集

溫度測(cè)量的原理如圖4所示。因?yàn)殂K的電阻與溫度有良好的線性關(guān)系，所以測(cè)溫電阻為鉑電阻絲。通過(guò)測(cè)量電阻絲的電阻，再進(jìn)行溫度標(biāo)定就能建立電阻與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定的溫度電阻關(guān)系就能通過(guò)測(cè)量電阻絲的電阻換算得到溫度值。因?yàn)槲覀冇〉你K電阻的阻值較小，室溫大概30Ω，所以我們采用恒流源的方式測(cè)電阻。恒流源產(chǎn)生一個(gè)恒定的5mA電流經(jīng)過(guò)測(cè)溫電阻絲，單片機(jī)采集測(cè)量測(cè)溫電阻絲兩端的電壓通過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算就能求出電阻絲的電阻值。經(jīng)測(cè)試，本模塊的測(cè)溫精度在±2℃，符合實(shí)驗(yàn)要求。

1.2.3 光熱控制

因?yàn)榻饘傺趸锇雽?dǎo)體材料在光激發(fā)下性能有很大的提高，且工作溫度也大幅降低，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了通過(guò)單片機(jī)控制LED燈珠光激發(fā)部分，其原理圖如圖5所示。我們采用可調(diào)穩(wěn)壓開關(guān)芯片LM2596ADJ作為光激發(fā)控制的核心，根據(jù)需求的不同可通過(guò)它的引腳4的兩個(gè)電阻調(diào)整輸出電壓值，本實(shí)驗(yàn)控制在3.6V左右。單片機(jī)的一個(gè)I/O與引腳5相連，當(dāng)引腳5為低電平“0”時(shí)穩(wěn)壓開關(guān)芯片輸出3.6V，燈珠發(fā)光對(duì)材料進(jìn)行光激發(fā)，當(dāng)輸出高電平“1”時(shí)芯片輸出0V，停止光激發(fā)。我們采用紫外燈珠，波長(zhǎng)在365～370nm，功耗1W。

金屬氧化物半導(dǎo)體材料最佳工作溫度一般較高，所以本模塊需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱部分，其原理如圖6所示。單片機(jī)設(shè)置好加熱電壓值，經(jīng)過(guò)D/A將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放放大信號(hào)，放大后的電壓信號(hào)通過(guò)一個(gè)三極管輸出最終的加熱電壓。加熱電壓加載在加熱鉑絲上，隨著加熱電壓的變化，加熱功耗也在變化，器件的溫度也隨之變化，通過(guò)溫度采集我們就能獲取當(dāng)前溫度，再通過(guò)溫度PID控制程序，我們就能將加熱溫度控制在一個(gè)固定的值上。