基于STC89C516RD+單片機的手持式電子鼻的設計

摘要：文章實(shí)現了一種手持式的電子鼻，可用于識別與檢測不同種類(lèi)的氣體／氣味。此電子鼻系統以單片機為核心，控制各種功能模塊與電子器件，實(shí)現了數據采集、存儲、無(wú)線(xiàn)傳輸三大功能。通過(guò)單片機與掌上電腦(PDA)進(jìn)行數據交換，此電子鼻系統具有比較強的分析能力，可以應用于多種實(shí)際場(chǎng)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(jué)跟人類(lèi)的生活息息相關(guān)。在日常生活中，包括煙草、食品、化妝品等在內的許多行業(yè)仍然需要人的嗅覺(jué)來(lái)對樣品進(jìn)行識別和判斷。而在實(shí)際應用的時(shí)候，人和動(dòng)物的嗅覺(jué)能力往往受到很多條件的限制，存在著(zhù)諸多弊端：培養專(zhuān)職嗅覺(jué)的人員成本高、周期長(cháng)；人工鑒別的個(gè)體差異性、主觀(guān)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(shí)候，顯然不適合長(cháng)時(shí)間的人工作業(yè)。
為了解決人工嗅覺(jué)在實(shí)際應用中遇到的問(wèn)題，才有了電子鼻的誕生。電子鼻是一種能夠模擬動(dòng)物嗅覺(jué)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三大功能部件，能夠識別單一和復雜的氣味或氣體。在過(guò)去的幾十年內，電子鼻已被應用到許多領(lǐng)域，例如食品質(zhì)量控制、飲料及香料工業(yè)、環(huán)境監測、醫療診斷以及航天項目等等。電子鼻具有廣闊的應用前景和巨大的市場(chǎng)價(jià)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(kāi)發(fā)的科研機構逐年增多。但是目前國內對電子鼻的研究及開(kāi)發(fā)還剛起步，鮮有商用化的電子鼻產(chǎn)品。針對這一現狀，本文開(kāi)發(fā)了一套低成本的、便攜化的電子鼻系統。

1 工作原理
電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應圖案來(lái)識別氣味的電子系統，其識別氣味的主要機理是在陣列中的每個(gè)傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，以及不同的響應曲線(xiàn)。例如，氣體甲可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應的電壓信號，而在其他傳感器上產(chǎn)生低響應。同樣地，對氣體乙產(chǎn)生高響應的傳感器，對氣體甲則不敏感，產(chǎn)生低響應電壓信號。因此整個(gè)傳感器陣列對不同氣體的響應圖案是不同的，正是這種區別，才使得系統能根據傳感器陣列的響應圖案來(lái)識別氣味。

圖1是測量金屬氧化物半導體(MOS)氣體傳感器響應電壓信號的原理圖。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(guò)程中，MOS氣體傳感器與樣品氣體／氣味發(fā)生化學(xué)反應后，會(huì )改變自身氣體敏感膜的電導率及電阻值，從而導致與之串聯(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(guò)即時(shí)地提取取樣電阻的端電壓即信號電壓，便可以得到MOS氣體傳感器的響應曲線(xiàn)。在本文的測試中設定加熱電壓和測試電壓均為5V。

2 硬件設計
2．1 硬件結構
本電子鼻系統由兩大部分組成：信息采集終端(采集終端)與信息處理終端(處理終端)，見(jiàn)圖2。采集終端負責采集MOS氣體傳感器陣列的信號電壓，而處理終端則通過(guò)一個(gè)掌上電腦(PDA)來(lái)完成數據的分析與處理。這兩大終端的數據交換通過(guò)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)完成。

圖3是采集終端與處理終端的結構框圖。其中采集終端由三大部分構成：采樣系統、電路系統以及傳感器陣列。采樣系統包括氣體傳感器腔體、微犁氣泵和三通電磁閥。電路系統由以下功能模塊及電源組成：?jiǎn)纹瑱C、ADC模塊、DAC調理模塊、存儲模塊、無(wú)線(xiàn)模塊及鋰電池。傳感器腔體內放置著(zhù)由8個(gè)商用TGS氣體傳感器組成的傳感器陣列。整個(gè)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，能夠連續地工作3．2h。處理終端的組成為：無(wú)線(xiàn)模塊、RS232串口轉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(lái)自采集終端的數據，又能發(fā)出指令以控制采集終端的所有動(dòng)作。