基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監(jiān)測器設(shè)計詳解

?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，因此對于甲醛的監(jiān)測顯得尤為重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，甲醛的監(jiān)測主要朝著實時響應(yīng)、操作簡化、低功耗、低成本方向發(fā)展。目前，國內(nèi)也有一些人做了關(guān)于甲醛監(jiān)測的儀器，他們都采用國外電化學(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)體材料點作為傳感器件，基于WIFI通訊的低成本、低功耗甲醛監(jiān)測器。

1 硬件設(shè)計

1.1 傳感器器件設(shè)計

傳感器器件是甲醛監(jiān)測器的核心，它直接決定甲醛監(jiān)測器的性能。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)體傳感器具有對有機氣體靈敏度高、響應(yīng)時間快（≤10s）、易大批量生產(chǎn)、價格便宜等特點。我們的傳感器件設(shè)計成八陣列的形式，它具有八個材料點，每個材料點可以獲取一種氣體信息，八個材料點就可以獲取八種信號，八種信號再構(gòu)成一個特征圖譜，把這個特征圖譜與數(shù)據(jù)庫中的圖譜對比就能對未知氣體進行識別。

如圖1所示，該器件以0.38mm厚的氧化鋁陶瓷片為載體材料，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)在上面印有信號電極和加熱材料，信號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材料點，加熱采用鉑絲加熱，并且在每個器件上都集成有測溫鉑絲，用于器件溫度的實時監(jiān)控。因為器件需要加熱，我們將陶瓷片通過不銹鋼支撐架固定在轉(zhuǎn)接電路板上。最后將信號電極與轉(zhuǎn)接電路板的電極通過金絲球焊連接起來。為了保護材料芯片，器件需加一個外殼，它由不銹鋼薄片通過沖壓成型工藝制成。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

模組主要由傳感器信號采集、溫度信號采集、光熱控制、通訊模塊等構(gòu)成，如圖2所示。模組以STC12C5A60S2單片機作為核心器件，它內(nèi)部集成有8路A/D（10位）可用作信號采集、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I/O可用作數(shù)字開關(guān)，對芯片進行控制，它內(nèi)部還集成了2K的EEPROM可用作數(shù)據(jù)的存儲。

1.2.1 信號采集

信號采集主要是采集金屬氧化物半導(dǎo)體材料的電阻信號。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)，單片機通過1路A/D采集匹配電阻與材料之間的電壓，又因為匹配電阻的阻值是己知的，因此可以很容易地求出材料的電阻值。匹配電阻由八個標(biāo)準電阻組成，它們連接在一個八路開關(guān)上由單片機的3個I/O控制通斷來自動實現(xiàn)匹配電阻與材料的最佳匹配。傳感器器件的八個材料點也與一個八路開關(guān)連接，并由3個I/O控制通斷順序，這樣就可以分別測出八個材料點的電阻值。該傳感器電阻測量范圍是100Ω～100MΩ。

1.2.2 溫度采集

溫度測量的原理如圖4所示。因為鉑的電阻與溫度有良好的線性關(guān)系，所以測溫電阻為鉑電阻絲。通過測量電阻絲的電阻，再進行溫度標(biāo)定就能建立電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)標(biāo)定的溫度電阻關(guān)系就能通過測量電阻絲的電阻換算得到溫度值。因為我們印的鉑電阻的阻值較小，室溫大概30Ω，所以我們采用恒流源的方式測電阻。恒流源產(chǎn)生一個恒定的5mA電流經(jīng)過測溫電阻絲，單片機采集測量測溫電阻絲兩端的電壓通過簡單的運算就能求出電阻絲的電阻值。經(jīng)測試，本模塊的測溫精度在±2℃，符合實驗要求。

1.2.3 光熱控制

因為金屬氧化物半導(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，所以我們設(shè)計了通過單片機控制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)需求的不同可通過它的引腳4的兩個電阻調(diào)整輸出電壓值，本實驗控制在3.6V左右。單片機的一個I/O與引腳5相連，當(dāng)引腳5為低電平“0”時穩(wěn)壓開關(guān)芯片輸出3.6V，燈珠發(fā)光對材料進行光激發(fā)，當(dāng)輸出高電平“1”時芯片輸出0V，停止光激發(fā)。我們采用紫外燈珠，波長在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)計一個加熱部分，其原理如圖6所示。單片機設(shè)置好加熱電壓值，經(jīng)過D/A將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)過一個運放放大信號，放大后的電壓信號通過一個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，通過溫度采集我們就能獲取當(dāng)前溫度，再通過溫度PID控制程序，我們就能將加熱溫度控制在一個固定的值上。

1.2.4 通訊模塊

本模塊可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的RS232通訊，也可以實現(xiàn)WIFI無線通訊。單片機的引腳RXD（P30）、TXD（P31）通過MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為EIA電平，從而實現(xiàn)單片機與PC機的RS232通訊。WIFI無線通訊則是通過WIFI模塊將單片機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WIFI標(biāo)準的數(shù)據(jù)類型。通過設(shè)置模塊的網(wǎng)絡(luò)名稱、密碼、IP、端口號、串口參數(shù)等可實現(xiàn)單片機與PC機或智能手機之間的通訊。

1.3 外殼設(shè)計

整體的外殼設(shè)計如圖7所示。外殼設(shè)計主要是根據(jù)模組的尺寸、電源的形式、接口位置、方便拆卸等來考慮。本款模組的長是102mm，寬是40mm，高是30mm。電源既要能用電池供電又要可以通過外接電源供電。綜上考慮，外殼由3個部分組成：電路板倉、器件倉、電池倉。電路板通過6個通孔固定在外殼上蓋上，同時電路板會與外殼形成一個封閉的倉，即器件倉，在器件倉的上表面再打一些小孔，氣體通過擴散經(jīng)過這些小孔與器件發(fā)生反應(yīng)。電池固定在正面，它通過兩根線與電路板連接，電源線與電路板是可拔插的，以方便電池的拆卸。外接電源接口、開關(guān)、指示燈固定在外殼的尾部。

2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件部分分為兩個部分：單片機部分與客戶端部分。單片機軟件采用C語言編寫，它包含初始化函數(shù)、信號獲取函數(shù)、溫度獲取函數(shù)、數(shù)據(jù)處理函數(shù)、溫度標(biāo)定函數(shù)、存儲函數(shù)等。程序流程圖如圖8所示，單片機首先初始化，然后等待與客戶端連接，當(dāng)連接成功后就判斷當(dāng)前指令是工作模式還是調(diào)試模式，調(diào)試模式則進行溫度標(biāo)定，標(biāo)定的結(jié)果存儲在單片機的內(nèi)部存儲當(dāng)中，如果是工作模式則根據(jù)客戶端的指令做出相應(yīng)的操作，最后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過WIFI無線傳輸?shù)娇蛻舳孙@示出來。客戶端如果是PC機則基于LabVIEW編寫，它主要實現(xiàn)WIFI無線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理與顯示。客戶端若是Android智能手機則基于Java開發(fā)相應(yīng)的APP應(yīng)用程序，該APP主要實現(xiàn)WIFI無線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。通過實驗測試證明，Android智能手機與甲醛監(jiān)測器通信正常。

3 電子鼻的性能測試

靈敏度是甲醛監(jiān)測器的重要性能參數(shù)之一。我們將TiO2作為氣體敏感材料制作成傳感器器件，并用我們的甲醛監(jiān)測器將加熱溫度分別控制在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃五個不同的溫度，且在紫外光激發(fā)的條件下對100ppm甲醛進行了靈敏度測試，如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在紫外光激發(fā)的情況下75℃時我們的甲醛監(jiān)測器的敏感度最大，達到了1802.03。

在紫外光激發(fā)、加熱溫度75℃的條件下，我們就傳感器對不同濃度的甲醛的靈敏度做了測試，結(jié)果顯示在10ppm時我們的傳感器還具有很高的靈敏度。

通過上面的實驗結(jié)果說明，我們設(shè)計的甲醛監(jiān)測器是可行的。

4 結(jié)束語

本甲醛監(jiān)測器有以下幾個特點：

（1）既可以進行熱激發(fā)又可以進行光激發(fā)，相對于傳統(tǒng)熱激發(fā)溫度要200℃以上才能得到較好的材料性能，本系統(tǒng)在光激發(fā)下只需75℃就能達到最好的性能，大大降低了功耗。

（2）本系統(tǒng)尺寸小，便于攜帶。

（3）本系統(tǒng)可以實現(xiàn)WIFI無線通訊，這為傳感器聯(lián)網(wǎng)和遠程監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。

（4）本系統(tǒng)成本低且對甲醛的靈敏度好。