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一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2016-10-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:設(shè)計(jì)了一款無(wú)線,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)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)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)氣體進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明100ppm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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307645.htm

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(kāi)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,基于通訊的低成本、低功耗甲醛。

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。

一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

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訜幔覀儗⑻沾善ㄟ^(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(kāi)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(kāi)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)。

一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

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),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(kāi)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(kāi)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。

一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

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。

一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

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(kāi)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(kāi)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。

一種WIFI無(wú)線甲醛監(jiān)測(cè)器的設(shè)計(jì)

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。

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1.2.4 通訊模塊

本模塊可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的RS232通訊,也可以實(shí)現(xiàn)WIFI無(wú)線通訊。單片機(jī)的引腳RXD(P30)、TXD(P31)通過(guò)MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為EIA電平,從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的RS232通訊。WIFI無(wú)線通訊則是通過(guò)WIFI模塊將單片機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WIFI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。通過(guò)設(shè)置模塊的網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)、密碼、IP、端口號(hào)、串口參數(shù)等可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)或智能手機(jī)之間的通訊。

1.3 外殼設(shè)計(jì)

整體的外殼設(shè)計(jì)如圖7所示。外殼設(shè)計(jì)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(lái)考慮。本款模組的長(zhǎng)是102mm,寬是40mm,高是30mm。電源既要能用電池供電又要可以通過(guò)外接電源供電。綜上考慮,外殼由3個(gè)部分組成:電路板倉(cāng)、器件倉(cāng)、電池倉(cāng)。電路板通過(guò)6個(gè)通孔固定在外殼上蓋上,同時(shí)電路板會(huì)與外殼形成一個(gè)封閉的倉(cāng),即器件倉(cāng),在器件倉(cāng)的上表面再打一些小孔,氣體通過(guò)擴(kuò)散經(jīng)過(guò)這些小孔與器件發(fā)生反應(yīng)。電池固定在正面,它通過(guò)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(kāi)關(guān)、指示燈固定在外殼的尾部。

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2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分分為兩個(gè)部分:?jiǎn)纹瑱C(jī)部分與客戶(hù)端部分。單片機(jī)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě),它包含初始化函數(shù)、信號(hào)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(chǔ)函數(shù)等。程序流程圖如圖8所示,單片機(jī)首先初始化,然后等待與客戶(hù)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(jìn)行溫度標(biāo)定,標(biāo)定的結(jié)果存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)當(dāng)中,如果是工作模式則根據(jù)客戶(hù)端的指令做出相應(yīng)的操作,最后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)WIFI無(wú)線傳輸?shù)娇蛻?hù)端顯示出來(lái)??蛻?hù)端如果是PC機(jī)則基于LabVIEW編寫(xiě),它主要實(shí)現(xiàn)WIFI無(wú)線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)的處理與顯示??蛻?hù)端若是Android智能手機(jī)則基于Java開(kāi)發(fā)相應(yīng)的APP應(yīng)用程序,該APP主要實(shí)現(xiàn)WIFI無(wú)線通訊、數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明,Android智能手機(jī)與甲醛監(jiān)測(cè)器通信正常。

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3 電子鼻的性能測(cè)試

靈敏度是甲醛監(jiān)測(cè)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(cè)器將加熱溫度分別控制在25℃、50℃、75℃、100℃、125℃五個(gè)不同的溫度,且在紫外光激發(fā)的條件下對(duì)100ppm甲醛進(jìn)行了靈敏度測(cè)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(shí)我們的甲醛監(jiān)測(cè)器的敏感度最大,達(dá)到了1802.03。

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

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通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,我們?cè)O(shè)計(jì)的甲醛監(jiān)測(cè)器是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本甲醛監(jiān)測(cè)器有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)既可以進(jìn)行熱激發(fā)又可以進(jìn)行光激發(fā),相對(duì)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(dá)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(shí)現(xiàn)WIFI無(wú)線通訊,這為傳感器聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控打下了基礎(chǔ)。

(4)本系統(tǒng)成本低且對(duì)甲醛的靈敏度好。



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