基于51單片機的電子鼻的設計探討

湖北工程學院新技術學院 王 燁

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基于51單片機的電子鼻的設計探討

湖北工程學院新技術學院 王 燁

【摘要】在航空航天、環境保護、化工控制、公安消防和臨床診斷等多個領域，電子鼻都得到了廣泛的應用。基于這種認識，本文對基于51單片的電子鼻的設計問題展開了探討，先對電子鼻使用的51單片機性能及特點展開了介紹，然后對電子鼻的設計思路和軟硬件設計問題展開了研究，從而為關注這一話題的人們提供參考。

【關鍵詞】51單片機；電子鼻；設計

0 引言

從國內外發展情況來看，電子鼻的設計和制造成本較高，并且體型普遍較大，以至于導致電子鼻的應用受到了限制。而使用51單片機進行電子鼻的設計，不僅能夠降低電子鼻的制造成本，還能夠實現電子鼻的便攜式設計。此外，設計基于51單片機的電子鼻還能不對吸入氣體量進行嚴格控制，并且準確進行氣體的識別，所以將有利于電子鼻的推廣應用。

1 電子鼻使用的51單片機的性能及特點

電子鼻的設計，可以使用型號為STC89C516RD+的8位51單片機。該種單片機封裝形式為PLCC，具有成本低、性能穩定、易操作、結構簡單、控制能力強和兼容性好等多種應用優勢。從單片機工作性能上來看，其工作電壓為5V，工作頻率為22.1185MHz，擁有1280字節隨機存儲器和36個I/O口。由于具有電可擦寫可編程功能，該單片機能夠通過擦除已有信息進行重新編程，并且能夠確保系統掉電時數據不丟失。此外，該種單片機使用在系統可編程方式，可以在幾秒內利用串口進行所需C語言源程序文件。使用該種單片機時，需要在單片機外圍進行電平轉換電路、復位電路和振蕩電路的設置，以確保單片機正常獨立工作。因為，單片機的輸入和輸出串口為TTL電平，與計算機串口的RS-232電平不兼容，需要使用電平轉換芯片實現二者通信。

2 基于51單片機的電子鼻的設計

2.1 電子鼻設計思路

從原理上來看，電子鼻的工作原理就是模擬人的嗅覺形成過程。使用51單片機進行電子鼻的設計，單片機將相當于人的神經中樞，可以進行傳感器采集的信號的識別、分析和處理，然后將結果顯示出來。而設計一種多種人機交互方式的便攜式電子鼻，則能夠將搜集到的信息利用無線或有線方式發送給周圍信息處理終端，從而使電子鼻的使用更加人性化和多樣化。為此，可以使用電子鼻服務系統進行低成本、無線化的電子鼻設計。在實際應用電子鼻的過程中，電子鼻終端能夠根據不同應用需求進行傳感器陣列的更換，然后通過各種網絡連接設備將數據上傳至網絡，以便由電子鼻工作站進行數據分析和處理。而通過將電子鼻終端應用在各種場合，則能夠使系統得到不斷學習和訓練，繼而使系統識別能力得到提升，所以將有利于電子鼻技術的推廣應用。

2.2 電子鼻硬件設計

2.2.1 硬件結構設計

從電子鼻硬件結構上來看，該系統應該由信息發送端和信息接收端構成。其中，信息發送端負責進行金屬氧化物半導體氣體傳感器陣列信號電壓的采集，接收端可以利用移動計算機進行數據模式的識別，并且完成數據的分析和處理。而利用無線模塊，這兩個終端將能實現數據交換。進一步分析系統結構可以發現，發送端由采樣系統、傳感器陣列和電路系統構成。接收端則由無線模塊、接口模塊、單片機和移動計算機組成，能夠進行發送端數據的處理，并且進行發送端所有動作的控制。在系統工作的過程中，接收端會進行各種指令的發送［1］。收到指令后，發送端將作出不同動作響應，如切換電磁閥氣路通道、加熱氣體傳感器陣列和控制傳感器電壓信號等。

2.2.2 系統發送端設計

在系統發送端設計方面，發送端采樣系統由微型氣泵、傳感器腔體和三通電磁閥構成。在傳感器腔體兩側，各有一個通孔分別是氣體入口和出口。其出口需要與微型氣泵入口連接，入口則需要與三通電磁閥出口連接。而微型氣泵出口直接與空氣連接，三通電磁閥入口擁有兩個可切換通道，即空氣通道和樣品氣體通道。在系統采集樣品氣體前，需將電磁閥切換至空氣通道進行傳感器腔體清洗。清洗完成后，三通電磁閥將切換至樣品提起通道進行樣品氣體吸入［2］。而樣品氣體進入腔體后會與傳感器陣列發生反應，從而使系統獲得需要的數據信息。

在系統發送端工作的過程中，主要需要完成的任務就是進行氣體傳感器陣列響應信息的采集和存儲，需要利用無線模塊進行信息的發送。所以發送端電路系統主要由系統最小工作電路、電壓信號提取電路、ADC模塊、存儲模塊等多個電路及模塊構成，系統最小工作電路即為51單片機，能夠獨立工作。系統發送端的傳感器陣列為MOS氣體傳感器陣列，由7個商用TGS氣體傳感器組成，每個傳感器型號都不相同，分別對香煙煙霧、烹調臭味、氨氣、硫化氫、丁烷、甲烷等不同氣體具有較高的靈敏度。使用這些氣體傳感器時，需要將其加熱至250℃以上才能對氣體進行有效感應［3］。所以在傳感器內部，需要設置加熱電阻。

系統工作的過程中，傳感器信號提取電路的取樣電阻將與傳感器串聯，其兩端設有測試電壓。在傳感器與氣體發生反應后，傳感器內部氣體敏感模的電導率會發生改變，從而導致取樣電阻的端電壓產生變化。通過采集這一電壓信號，將能夠得知傳感器氣敏膜電阻隨時間變化關系。而系統ADC模塊主要可以進行陣列信號電壓采集，由A/D轉換芯片和八路模擬多路復用器組成。在實際工作過程中，ADC模塊需要同時進行八個氣體傳感器電壓信號的采集，可以通過控制單片機三個I/O端口的電平狀態進行八路模擬開關的選擇管腳控制。而通過進行8路開關的實時切換，則能夠完成8個MOS氣體傳感器構成的陣列響應信號電壓的采集。此外，接收端存儲模塊由地質鎖存器和閃存芯片構成，具有較大存儲容量，并且擁有編程時間短、讀寫數據占用資源少和能夠實現數據保護等功能。

2.2.3 系統接收端設計

在電子鼻接收端設計方面，接收端可以利用無線模塊進行發送端數據的接收，然后利用單片機引腳進行串口通信。考慮到移動計算機上只有USB接口，沒有RS232串口，所以還需要進行串口轉接口電路的設計，然后利用該電路實現單片機與移動計算機的數據交換。具體來講，就是使用內置有USB上拉電阻的轉換芯片進行異步串口、同步串口和并口等接口的轉換。從接收端總體設計上來看，無線模塊是重要組成部分。為實現發送端與接收端的無線通信，可以使用單片射頻收發器進行無線模塊的設計。利用該收發器，需要在單片機和無線模塊之間進行上拉電阻的連接［4］。而無線模塊的工作頻段為433MHz，工作速率最高可達50kbps，其中有125個頻道，可以使多點通信和調頻通信的需要得到滿足。從工作模式上來看，無線通信模塊擁有兩種節電模式和兩種工作模式，無線模塊的工作狀態由工作模式決定，所以需要預先設置好。

2.3 電子鼻軟件設計

電子鼻的軟件設計可以劃分成兩部分，即發送端軟件編寫和接收端的軟件編寫。在Keil uVision2開發環境中，使用C語言就可以進行發送端和接收端的51單片機軟件程序的編寫。編寫完成后，可以利用RS232串口直接進行源程序的燒錄。此外，還需要使用LabVIEW7.1平臺進行接收端中的移動計算機軟件平臺的開發。完成系統所有軟件程序編寫后，則需要進行所有軟件的調試，然后進行簡單的驗證性試驗［5］。而通過試驗可以發現，電子鼻系統及軟件運行正常，能夠滿足系統設計的功能要求。

3 結論

總而言之，在生活的許多領域，電子鼻都能夠得到應用。而使用51單片機進行一種便攜式電子鼻的設計，并且使該種電子鼻能夠進行多種氣味的識別和分析，則能夠使電子鼻的應用范圍得到進一步拓展。因此，相信隨著相關技術的發展，電子鼻的設計問題也將得到進一步研究，而本文提出的基于51單片機的電子鼻的設計也將得到進一步完善，從而使其獲得一定的應用前景。

參考文獻

［1］宋凱，王祁，張振平.基于單傳感器溫度調制的無線電子鼻系統設計［J］.儀器儀表學報，2011（1）﹕150-156.

［2］李宇驍，張順平.基于STC89C516RD+單片機的手持式電子鼻的設計［J］.電子技術，2011（12）﹕34-37.

［3］潘輝.基于氣體傳感器的仿生電子鼻設計［J］.信息技術，2012（3）﹕128-132.